苯胺氧化过程中AuNP–KI胶体体系中低频SERS特征的原位表征

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》:In situ characterization of low–frequency SERS features during aniline oxidation in AuNP–KI colloidal system

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月31日 来源:Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 4.3

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   摘要尽管苯胺的氧化聚合被广泛用于模拟芳香胺的氧化还原行为和聚苯胺(PANI)的生长机理,但对低频区域(200–600 cm?1)的系统性原位拉曼研究仍然有限。在本工作中,采用时间分辨表面增强拉曼光谱(SERS)监测了在碘化钾修饰的金纳米颗粒(AuNP–KI)胶体体系中过硫酸铵

  

摘要

尽管苯胺的氧化聚合被广泛用于模拟芳香胺的氧化还原行为和聚苯胺(PANI)的生长机理,但对低频区域(200–600 cm?1)的系统性原位拉曼研究仍然有限。在本工作中,采用时间分辨表面增强拉曼光谱(SERS)监测了在碘化钾修饰的金纳米颗粒(AuNP–KI)胶体体系中过硫酸铵(APS)诱导的苯胺氧化过程,重点关注200–600 cm?1区域。利用KI浓度依赖性变化对光学和SERS响应的调节来选择稳定光谱采集条件。加入APS后,约366、408、457和534 cm?1处的谱带呈现出明显的时间演变特征。366 cm?1信号迅速衰减,而其余三条谱带先增大随后趋于相对稳定的水平。与此同时,801、986、1160和1640 cm?1处谱带的变化与富含苯胺的界面物种向寡聚体及更高氧化态PANI类结构演变的趋势一致。本研究表明,低频SERS指纹信息可为监测苯胺氧化动力学提供互补的结构证据。

引言

苯胺的氧化聚合是一个涉及电子转移、分子间偶联、去质子化和进一步氧化的多步过程。初始氧化生成苯胺自由基阳离子[1], [2],随后主要发生对位偶联反应形成二聚体及更高寡聚体,推动聚苯胺(PANI)链的发展[3], [4], [5], [6]。所得产物的结构和氧化态强烈受反应参数的影响,如介质酸度、氧化剂与苯胺的比值、电化学电位以及界面环境[2], [3], [4], [5]。近期的综述进一步总结了苯胺氧化的机理复杂性以及PANI合成条件、分子结构、氧化还原态与物理化学性质之间的关系[7], [8], [9]。更广泛地,氧化聚合的研究也已拓展至水处理应用领域,其中聚合途径越来越多地被视作高级氧化过程中芳香化合物的替代转化途径[10], [11]。
苯胺氧化早期产物的光谱鉴定仍然具有挑战性,因为多种寡聚体、醌式和带电结构可能共存并持续演变。Morávková和Dmitrieva利用SERS光谱电化学方法研究了苯胺氧化的最初产物,并证明所提出的寡聚体结构强烈依赖于酸度和氧化条件[2]。随后对不同初始pH值下化学氧化和电化学氧化苯胺的比较进一步揭示了条件依赖性的对位连接结构和苯并菲啶类结构的形成差异[4]。原位拉曼和SERS研究也已利用化学氧化体系或粗糙化金属电极监测了PANI在氧化、质子化和掺杂依赖条件下的变化[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]。这些研究大多关注600 cm?1以上与芳环、C–N、C=N以及电荷离域结构相关的谱带,而200–600 cm?1区域的时间演变则相对缺乏系统的关注[21], [22], [23]。
金纳米颗粒(AuNPs)因其良好的化学稳定性、易于修饰的表面以及可调谐的局域表面等离子体共振(LSPR)而被广泛用于构建SERS基底[24], [25], [26]。近年来,离子介导的胶体组装策略因其操作简单和强可调谐性而备受关注。卤素离子可以改变金纳米颗粒的聚集状态和局域表面等离子体共振。先前的光学、显微和模拟研究已证明卤素处理的AuNP分散液存在浓度依赖性变化[27], [28]。然而,具体的胶体结构和颗粒间几何构型取决于纳米颗粒的制备方法和溶液条件。
在本研究中,采用KI修饰的AuNP胶体对APS诱导的苯胺氧化进行时间分辨SERS监测。首先以甲基绿作为模型探针评价胶体的KI依赖性光学和SERS响应。随后重点关注约366、408、457和534 cm?1处低频谱带的时间演变及其与801、986、1160和1640 cm?1处高频谱带的关系。通过与先前机理研究和拉曼研究的比较,本研究评估了低频SERS特征作为苯胺氧化不同阶段光谱描述符的适用性。

各节摘要

材料与仪器

氯金酸(HAuCl4·4H2O)、柠檬酸钠(C6H5Na3O7·2H2O)、丙酮(C3H6O)、无水乙醇、去离子水、碘化钾(KI)、甲基绿(MG)、苯胺和过硫酸铵(APS)均购自国药集团化学试剂有限公司,均为分析纯。实验中使用的主要仪器包括超声波清洗器(KH–600)、电热恒温磁力搅拌器(C–MAG HS 7)、电子天平(EX324ZH)、紫外-可见分光光度计(TU–1901)以及

AuNP胶体的KI依赖性光学和SERS响应

在监测APS诱导的苯胺氧化之前,以甲基绿(MG)作为模型拉曼探针评价了KI浓度对AuNP胶体光学和SERS响应的影响。首先在不同浓度KI溶液(50 μM、100 μM、1 mM、10 mM和100 mM)存在下测量固定浓度为1 μM的MG。每次测量中,取100 μL相应的KI溶液与AuNP胶体混合,随后加入MG溶液。然后

结论

在本工作中,采用KI修饰的AuNP胶体SERS体系对APS诱导的苯胺氧化进行了原位时间分辨监测。重点关注200–600 cm?1的低频区域,其中约366、408、457和534 cm?1处的谱带呈现出明显的阶段依赖性时间演变特征。结合801、986、1160和1640 cm?1处高频谱带的同步演变,这些光谱变化表明逐步转变

CRediT作者贡献声明

Kang Nie(聂康):调查、数据整理、正式分析、可视化、撰写——初稿。Zitong Zheng(郑梓桐):调查、数据整理、验证。Yuxin Jiang(姜雨欣):调查、数据整理、验证。Jiahui Zhu(朱佳慧):调查、验证、可视化。Mingfei Cheng(程明飞):方法学、正式分析、撰写——审阅与编辑。Jing Wu(吴晶):概念构思、方法学、监督、项目管理、资金获取、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到南通大学人才引进计划(135420602125);江苏省高校自然科学基金面上项目(21KJB140015);江苏省研究生科研与实践创新计划(KYCX23_3380);大学生创新创业训练计划(202310304163H)以及南通大学大型仪器设备开放基金(KFJN2653)的资助。
Kang Nie|Zitong Zheng|Yuxin Jiang|Jiahui Zhu|Mingfei Cheng|Jing Wu
南通大学物理科学与技术学院,中国江苏省南通市啬园路9号,邮编226019
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