（分析化学专业论文）流动注射与化学修饰电极电化学发光分析方法研究.pdf

两南师范大学博士学位论文流动注射与化学修饰电极电化学发光分析方法研究 流动注射与化学修饰电极电化学发光分析方法研究 内容摘要 学科专业：分析化学 指导教师：章竹君教授 研究方向：发光分析 研究生：郑行望( 2 0 0 0 2 1 ) 电化学发光或电致化学发光分析方法是指直接利用电化学反应形成激发态 发光体而发光或通过电解产物之间、电解产物与体系中某组分之间进行化学反 应产生光辐射而实现分析物测定的发光分析技术，是电化学与化学发光分析相 结合的产物。它不但具有化学发光分析的许多优点如灵敏度高( 检出限可达 1 0 _ 1 2 - 1 0 _ 1 5 m o l l ) 、和宽的线性范围( 3 6 个数量级) 特点之外，还具有自身 优于化学发光的一些特点，如电发光反应过程控制性强、发光区域确定更有利 于发光信号的检测而获得更高的灵敏度、许多反应活性高但不稳定( 如自由基 和反应中间体等) 的物质可以应用于电化学发光分析之中，而开拓出新的发光 分析特性。在二十世纪的8 0 年代以后该方法发展非常迅速，被认为是2 1 世纪 分析化学最具有发展前景的方向之一。 本论文在全面总结和论述电化学发光分析的基本原理、电化学发光的发展历 程、常见电化学发光体系反应机理以及流动注射电化学发光分析方面国内外研究 现状的基础上，进行了以下两方面的研究工作： 一、电化学发光反应进行方式与反应物反应活性对电化学分析特性影响研究 该部分研究工作的设计思想为：基于三种流通式电解池的设计，并结合流动 注射技术与恒电位、恒电流电解技术等的连用，进行了电生物参加电化学发光反 应的方式及活性等对电化学发光反应分析特性的影响研究；与此同时，也对历设 计的两种流通式电化学发光反应器的分析特性进行了理论探讨，建立了相应的数 学模型，推导了两种电化学发光反应器提供电生物进行随后电化学发光反应的浓 度数学关系式及影响浓度的关键因素。目的是设计新的流通式电化学发光反应 器，以实现控制、调节电化学发光反应的进行方式、发光反应试剂的活性等诸多 因素，以实现对电化学发光反应分析特性的优化，发展新的电化学发光分析方法。 具体研究内容有以下几个方面： 西南师范人学博士学位论文流动注射与化学修饰屯极电化学发光分析方法研究 ( 1 ) 在线电化学调控能量转移化学发光法测定奎宁 基于奎宁对酸性介质中亚硫酸盐与在线电生m n 3 + 弱化学发光反应信号的 璀敏 1 用这一特性，建立了一种流动注射化学发光分析测定奎宁的新方法。研究 发现：与其它电生氧化剂相比，在线电生m n ”是该化学发光体系最合适的化学 发光反应氧化剂，呈现出最佳化学能激发奎宁的分析特性。在最佳条件下，该方 法测定奎宁的线性范围为1 0 x 1 0 - l 1 0 x 1 0 4m o l l ，检出限为4 0 x 1 0 一m o l l ， 相对偏差小于5 ( n = 7 ，c = 0 8 p m o l l ) 。 ( 2 ) 现场电生b r ：流动注射化学发光法测定四环素类药物的分析方法研究 基于一种现场电生试剂化学发光反应器的设计，结合恒电流电解技术与流动 注射技术结合，使电生于电极表面附近溴的随后的快化学发光反应的全过程可在 电极表面附近( 即p m t 的光窗前) 完成，这样就实现了对快速发光信号的有效 检测，建立了对快速化学发光信号检测的新方法与新技术。在此研究基础上，我 们基于四环素类药物对电生溴与过氧化氢快速化学发光反应信号的增敏作用，建 立了一种简单，灵敏，快速检测四环素类药物的能量转移化学发光新方法。 ( 3 ) 现场电生i n ( i i i ) 的化学发光反应活性研究及其分析应用 我们发现，现场电生的m n 3 + 能氧化亚硫酸盐而产生较强的化学发光信号。据 此，建立了一种不需要任何增敏剂的简便的检测亚硫酸盐的电化学发光分析新方 法。另一方面，通过对现场电生和在线电生的m n ”与亚硫酸盐的化学发光行为 的比较，结果发现，现场电生的m n ”的化学发光反应活性高于在线电生的m n 3 + 的化学发光反应活性。据此，提出了通过现场电生初生态化学发光试剂来提高化 学发光反应的灵敏度的新思想。 ( 4 ) 电致初生态氧化剂的化学发光行为研究及其分析应用 基于一种新型流通电解池的设计，结合恒电流电解技术与流动注射技术，使 电生于电极表面附近的溴具有初生态的化学发光反应活性。它可直接氧化异烟肼 而产生强度高、反应速度快的化学发光现象，据此建立了测定异烟肼的电化学发 光新方法，同时，提出了一种研究、探索初生态试剂化学发光分析的新思想和新 方法。 ( 5 ) 现场电生3 + 流动注射化学发光分析法测定卡托普利 本文基于现场电生物电化学发光反应电解池的使用，在铂电极表面附近现场 定量电解产生初生态m n 3 + ，而且还能有效地通过流动注射技术与电化学方法调 _ 2 一 西南师范大学博士学位论文流动注射与化学修饰电极电化学发光分析方法研究 节、控制m n 3 + 的随后化学发光反应行为。我们进一步研究发现：m n 3 + 能有效 地氧化卡托普利而直接产生强的化学发光信号，可建立卡托普利的电化学发光分 析新方法。与此同时，我们还发现，发光反应物( m n 3 + ) 在电极表面的空间浓 度分布和发生化学发光反应的空间区域可通过流速和电解电流等加以动态调节， 这样就可使m n 3 + 和卡托普利的化学发光反应在远离电极表面扩散层的空间区域 进行，从而避免了一般电化学发光分析中存在的电极污染问题，为电化学发光分 析特性的拓宽合优化提供了新思路。 ( 6 3 基于肾上腺素增敏鲁米诺弱电化学发光分析法测定肾上腺素 本文发现，在硼砂缓冲介质中，当施加0 6 0 v 电解电位于铂电极表面时，鲁 米诺在铂电极表面氧化产生的弱电化学发光信号能被肾上腺素强烈地增敏。基于 此发现和流动注射技术的连用，我们建立了一种快速、灵敏、选择性好的检测肾 上腺素的流动注射电化学发光新方法。同时，基于我们对该体系电化学发光反应 机理的研究，提出了一种耦合电化学发光反应的新机理。 ( 7 ) 流动注射电化学发光分析方法与微透析技术的连用及其分析应用 本文发现，当0 8 0 v 的电解电位施加于铂电极表面时，铂电极表面电氧化鲁 米诺所产生的弱电化学发光信号可被异烟肼强烈增敏。且增敏e e l 信号和异烟肼 的浓度线性相关。基于此发现和流动注射技术的连用，本文首次提出了一种灵敏、 选择性高的检测异烟肼的流动注射电化学发光分析新方法。由于该方法的信噪比 能通过电解电位的调整而优化，所以其灵敏度比其它方法更高。此外，本文还基 于该电化学发光分析方法和微透析活体取样技术的结合，成功的测定了异烟肼在 兔子血液中代谢浓度的变化。 二、化学修饰电极电化学发光分析应用研究 自从1 9 7 5 年m u r r y 等分别报导了按人为设计对电极表面进行化学修饰的研 究工作，就标志着化学修饰电极这一新的研究领域的正式问世。它突破了传统电 化学中只限于研究裸电极电解液界面的范围，开始了从化学状态上人为控制电 极表面结构的领域。目前，化学修饰电极已发展成为今国内外电化学、电分析化 学等研究领域十分活跃的研究方向，然而，有关化学修饰电极技术与电化学发光 结合进行电化学发光分析特性的优化等方面的工作则报道较少。本论文正是在这 西南师范大学博士学位论文流动注射与化学修饰电极电化学发光分析方法研究 种背景下开展化学修饰电极与电化学发光分析结合方面研究工作的。我们的研究 思路为：致力于从电化学发光反应的两个必要步骤( 即电化学反应和电生物的随 后化学发光反应) 中，随后发光反应角度考虑，提出运用化学修饰电极的方法来 优化电化学发光过程中发光反应的微环境的新研究思想，目的是通过化学修饰电 极技术的应用来提高电化学发光反应的分析特性。具体研究内容有以下几个方 面： ( 1 ) 皂土修饰碳糊电极的电化学发光特性研究及其分析应用 我们研究发现，皂土修饰碳糊电极不但能够高选择性地富集样品中的异烟 肼于修饰电极表面，而且还能在随后的基于介质交换和利用异烟肼对鲁米诺弱电 化学发光的增敏作用对异烟肼的电化学发光检测过程中基于皂土与鲁米诺之间 的电荷排斥作用( 两者均带负电荷) 有效地降低了鲁米诺在一般碳糊电极上的背 景电化学发光信号，而使异烟肼对鲁米诺弱电化学发光信号的增敏作用的信噪比 值得到了有效的提高。据此，我们基于修饰电极技术建立了一种高灵敏、高选择 性的测定异烟肼的电化学发光新方法，而且提出了一种基于化学修饰电极技术提 高鲁米诺电化学发光体系信噪比值和分析灵敏度的新方法。 ( 2 ) 联氨在氧化铂修饰铂电极上对鲁米诺电化学发光的增敏作用的研究 本文发现，鲁米诺在纯铂电极表面的弱电化学发光信号能被硼砂缓冲溶液中 的联氨增敏，但因为需要较高的氧化电位( o 7 0 v a g a g c l ) ，背景信号很强，信 噪比降低。为了解决这些问题，我们进一步实验发现，将铂电极在0 2 m o l l n a o h 介质中预先阳极化处理，在其表面修饰了一层氧化膜后，该修饰电极对联氨具有 电催化氧化作用，而鲁米诺自身在该修饰电极表面的氧化电位几乎不变，这样就 使得鲁米诺得背景电化学发光信号得到了有效得降低，联氨的电化学发光增敏作 用得到了提高。基于上述发现和流动注射技术的结合，我们提出了一种高灵敏、 高选择性的联氨检测电化学发光新方法。 ( 3 ) 基于乙基纤维素化学修饰一次性碳质电极电化学发光分析法测定联胺 本文发现，基于乙基纤维素为粘合剂的印刷碳质电极提供了适合于能量转 移电化学发光反应机理的微环境，使得荧光素在碱性介质中的弱电化学发光信号 可强烈的、选择性的被硫酸联胺所增敏。据此，建立了一种高选择性的测定硫酸 联胺的电化学发光新方法。在本文所建立的最佳实验条件下，联胺的浓度在 2 o l o - 7 _ 1 2 1 0 4 9 m l 的范围内和增敏电化学发光信号呈现良好的线性关系，方 d 西南师范大学博士学位论文流动注射与化学修饰电极电化学发光分析方法研究 法的检出限为6 x l o g m l 。 ( 4 ) 荧光素一安乃近在乙基醋酸纤维素修饰碳质电极表面电化学发光反应分析特 性研究 我们研究发现，在一次性醋酸纤维素为粘合剂的碳质电极表面，在碱性介质 中的荧光素在碳质印刷电极表面的弱电化学发光信号可被安乃近所增敏。据此， 我们首次建立了一种新的安乃近电化学发光分析方法。在最佳的实验条件下，安 乃近的浓度在2 o x l 0 4 1 2 x l o 4 9 m l 范围内与电化学发光强度成线性关系，检 出限为6 x l o g m l ，相关系数为0 9 9 5 3 相对标准偏差为3 a ( n = 9 ， c = 8 0 1 0 一g m l ) 。 ( 5 ) 基于电还原鲁米诺电化学发光分析法测定水样中钼( v i ) 本文发现：钼( ) 对鲁米诺在碳糊电极表面的电还原电化学发光信号具有 强烈的增敏作用，据此，结合实验条件的优化和该体系的化学发光反应机理的初 步研究，建立了一种测定钼( v i ) 的电化学发光新方法。在最佳的实验条件下， 增敏电化学发光强度与钼( v i ) 的浓度在5 o x l 0 1 0 1 0 。5 9 m 1 范围内成线 形关系，检出限为1 3 1 0 。7 9 m 1 ，相关系数为0 9 9 2 。 一5 一 西南师范大学博士学位论文流动注射与化学修饰电极电化学发光分析方法研究 t h e i n v e s t i g a t i o n a n d a n a l y t i c a la p p l i c a t i o n o f e l e c t r o g e n e r a t e d c h e m i l u m i n e s c e n c e a n a l y s i sw i t hf l o w i n j e c t i o nt e c h n i q u ea n d c h e m i c a l l y m o d i f i e de l e c t r o d et e c h n i q u e s p e c i a l i z a t i o n ：a n a l y t i c a lc h e m i s t r y d i r e c t i o no f r e s e a r c h ：e l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c ea n a l y s i s p o s t g r a d u a t e ：x i n g w a n gz h e n g ( 2 0 0 0 2 1 ) m e n t o r ：p r o f e s s o r z h u j u nz h a n g a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，a s o n eo ft h ep o w e r f u ll u m i n e s c e n c e a n a l y t i c a lt e c h n i q u e s ， e l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c e ( e c l ) a n a l y s i s h a sb e e n p a i dm u c h a t t e n t i o ni n a n a l y t i c a l s c i e n c es i n c et h i s t e c h n i q u e n o t o n l y r e t a i n st h e a d v a n t a g e o ft h e c o n v e n t i o n a lc h e m i l u m i n e s c e n c e ( c l ) a n a l y s i s ，b u ta l s oo f f e r ss o m e a d v a n t a g e so v e r m o r ec o n v e n t i o n a l c l f i r s t l y ，t h e e c lr e a c t i o nc a nb e e a s i l yr e g u l a t e d a n d m a n i p u l a t e db yt h ea p p l i e dp o t e n t i a l s e c o n d l y , t h ee c le m i s s i o ni s c o n c e n t r a t e d c l o s et ot h ev i c i n i t yo f t h ee l e c t r o d e ，w h i c hc a nb es h a p e da n da c c u r a t e l yp o s i t i o n e di n r e l a t i o nt ot h eo p t i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rm a x i m u ms e n s i t i v i t y t h i r d l y , t h e a n a l y t ec a r lb ei n s i t um o d i f i e de l e c t r o c h e m i c a l l yt of o r mt h ec o r r e s p o n d i n gc la c t i v e s p e c i e w i t h o u tt h ec h e m i c a lc o n t a m i n a t i o nd u et ot h ea d d i t i o no ft h e n e c e s s a r y r e a c t a n t si nt h ec o r r e s p o n d i n gc l r e a c t i o n s t h u s ，e c la n a l y s i s ，c o m p a r e dt oc l a n a l y s i s ，o f f e r e d t h em o r ea l t e r n a t i v ep o t e n t i a l st o r e g u l a t e t h ee c lr e a c t i o nf o r a n a l y t i c a lp u r p o s e b a s e do nt h e s ec o n s i d e r a t i o n s ，w ef o c u s e do u ri n t e r e s to nt h e i m p r o v e m e n t o ft h e e l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c e ( e c l ) a n a l y s i sw i t ht h eu s e o fb o t ht h ef l o w i n j e c t i o n t e c h n i q u ea n d t h ec h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e t e c h n i q u e i nt h ef i r s t p a r t o ft h i s p a p e r , b yd e s i g n i n gt h r e ed i f f e r e n tk i n d so ft h e f l o w - t h r o u g he l e c t r o l y t i cc e l l sa n d t h eu s eo f t h ec o n s t a n tc u r r e n to rc o n s t a n t p o t e n t i a l e l e c t r o l y t i ct e c h n i q u e ，i tw a sf o u n dt h a tt h ee c lr e a c t i o nm e a n sa n dt h ea c t i v i t yo f t h ee l e c t r o g e n e r a t e dr e a g e n t sc o u l db ec o n t r o l l e da n df u r t h e ri m p r o v e d ，r e s p e c t i v e l y i nt h i sc a s e ，b yu s i n gt h e s ef l o w t h r o u g he c l r e a c t o r s ，s o m en o v e le c l m e t h o d sf o r q u i n i n e ，t e t r a c y c l i n e s ，c a p t o p r i la n d i s o n i a z de t c ，h a v eb e e n d e v e l o p e d ，r e s p e c t i v e l y i nt h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e r , w ef o c u s e do u ri n t e r e s t i n go nt h ec o m b i n a t i o n 西南师范大学博士学位论文 流动注射与化学修饰电极电化学发光分析方法研究 o ft h ec h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e st e c h n i q u ew i t he c l a n a l y s i st oi m p r o v et h e a n a l y t i c a lp e r f o r m a n c e so ft h eo r i g i n a le c l m e t h o d s i tw a sf o u n dt h a tb e n t o n i t e ， a c e t a t ec e l l u o s e ，a n dp l a t i n u mo x i d e b a s e dc h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e so f f e r e dt h e g o o d e c l a n a l y t i c a lp e r f o r m a n c e s t h em a j o r c o n t e n tw a sd e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h ei n v e s t i g a t i o no ft h ee c lr e a c t i o nw a y sa n dt h ee c l r e a g e n t a c t i v i t yo n i t sa n a l y t i c a lp e r f o r m a n c e s ( 1 ) f l o wi n j e c t i o nc h e m i l u m i n e s c e n c ed e t e r m i n a t i o no fq u i n i n eu s i n gm n ”a s t h e0 x i d a n t b y t h eu s eo faf l o w - t h r o u g he l e c t r o l y t i cc e l la n daf l o w i n j e c t i o ns y s t e m ，m n 3 + c a nb eo n l i n eo b t a i n e dq u a n t i t a t i v e l yb yg a l v a n o s t a t i cm e t h o d a tt h es a m e t i m e ，i t w a sf o u n dt h a tt h eq u i n i n eh a sas t r o n g e rs e n s i t i z i n ge f f e c tf o rt h ew e a kc l s i g n a l p r o d u c e db yt h e r e a c t i o no f s u l p h i t e w i t hm n 3 + i n s u l p u r i c a c i dm e d i u m b a s e do n t h i s o b s e r v a t i o n s ，an e w , r a p i da n ds i m p l ef l o wi n j e c t i o nc lm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o n o f q u i n i n ei sp r o p o s e da n d w h i c ha l l o w sd e t e r m i n a t i o n o f q u i n i n ec o n c e n t r a t i o ni nt h e 0 1 0 1 0 0 o i - t m o l lr a n g ew i t had e t e c t i o nl i m i to fo 0 4 0 1 m a o i la n dt h ep o s s i b l ec l r e a c t i o ns c h e m ei sd i s c u s s e d ( 2 ) f l o w - i n j e e t i o nc h e m i l u m i n e s c e n c ed e t e r m i n a t i o no ft e t r a e e y c l i n e sw i t h i n - 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7 1 o x l 0 4 m o l l ( r = 0 9 9 9 8 ) t h ed e t e c t i o n l i m i t w a s8 0 x l o 8 m o l lo r i g i n a l c o n c e n t r a t i o n t h em e t h o dw a ss u c c e s s f u l l yu s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fs 0 2i nt h e a i rs a m p l e ( 4 ) t h ei n v e s t i g a t i o n o fc h e m i l u m i n e s c e n c er e a c t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e i n s i t ue l e e t r o g e n e r a t e db r 2a n di t sa n a l y t i c a la p p l i c a t i o nf o ri s o n i a z i d b yb o t hd e s i g n i n g an o v e le l e c t r o l y t i cf l o wc e l la n du s i n gt h e f l o w - i n j e c t i o n t e c h n i q u e ，t h en a s c e n tb r 2 ，w a si n s i t ue l e c t r o g e n e r a t e d o nt h es u r f a c eo f p l a t i n u m e l e c t r o d ew i t hc o n s t a n tc u r r e n te l e c t r o l y t i cm e t h o di nt h eh 2 s 0 4 - k b rm e d i u m i t w a st h e nf o u n dt h a tc o m p a r e dw i t hr e a g e n tb r 2a sw e l la so n l i n ee l e c t r o g e n e r a t e db r 2 t h ei n s i t ue l e c t r o g e n e r a t e db r 2c o u l do x i d i z et h ei s o n i a z i di n j e c t e da c c o m p a n y i n gb y t h e s t r o n g e r c h e m i l u m i n e s c e n c e s i g n a l b a s e d o nt h i s o b s e r v m i o n ，a n e w f l o w i n j e c t i o ne l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c em e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no f i s o n i a z i dw a sp r o p o s e d a tt h es a m et i m e ，an e wc o n c e p tw h i c hc a nb eu s e dt o e x p l o r et h ec lp r o p e r t i e so f t h ei n s i t ue l e c t r o g e n e r a t e dr e a g e n ta n dt oi m p r o v et h e s e n s i t i v i t yo f c l a n a l y s i s ，w a sa l s op r o p o s e d ( 5 ) f l o wi n j e c t i o nc h e m i l u m i n e s c e n c ed e t e r m i n a t i o no fc a p t o p r i lw i t hi n - s i t u e l e c t r g e n e r a t e dm n ”a s t h eo x i d a n t b yd e s i g n i n g an o v e l f l o w - t h r o u g he l e c t r o l y t i cc e l l ，a n e wf l o w - i n j e c t i o n e l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c em e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fc a p t o p r i lw a s d i s c r i b e di n t h i s p a p e r i t i sb a s e do nt h ed i r e c tc h e m i l u m i n e s c e n c eo x i d a t i o no f c a p t o p r i lb yn a s c e n tm n 3 + w h i c h w a si n s i t ue l e c t r o g e n e r a t e do nt h en e a rs u r f a c eo f t h ew o r k i n ge l e c t r o d eb ye l e c t r o c h e m i c a lo x i d i z i n gm n s 0 4i ns u l f u r i ca c i dm e d i u m t h e p r o p o s e dp r o c e d u r e h a sal i n e a ra p p l i c a t i o nr a n g eo f 3 0 x 1 0 7 1 o x l o 。4 m o u lf o r 一8 一 堕堕堑蔓查兰苎主兰篁笙塞 堕垫壁塑兰些堂堡堕皇塑皇些堂垄堂坌堑壅鲨婴窒 c a p t o p r i l “20 9 9 9 8 ) a n d w i t had e t e c t i o nl i m i to f8 0 1 0 。8 m o l l o r i g i n a l c o n c e n t r a t i o n t h ed e s i g n i n go ft h e f l o w t h r o u g he l e c t r o l y t i cc e l l a sw e l la ss o m e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fc a p t o p r i la l eo p t i m i z e da n dt h e p o s s i b l er e a c t i o nm e c h a n i s m i sa l s od i s c u s s e d t h em e t h o dw a s s u c c e s s f u l l yu s e df o r t h ed e t e r m i n a t i o no f c a p t o p r i li nap h a r m a c e u t i c a lp r e p a r a t i o n ( 6 ) f l o w i n j e e t i o ne l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c ed e t e r m i n a t i o no f e p i n e p h r i n eu s i n g l u m i n o l b a s e do nan e wa n dn o v e le l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c e ( e c l ) a n a l y t i c a l i d e a ，as e n s i t i v ea n ds e l e c t i v ef l o w - 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