（物理化学专业论文）普鲁士蓝复合纳米颗粒的电化学研究及生物电分析.pdf

普鲁士蓝复合纳米颗粒的电化学研究及生物电分析 摘要 本论文主要的工作是开展了用化学合成法和反胶柬方法制备具有电活性的 普鲁士蓝( p b ) 纳米材料，利用扫描电镜( s e m ) 、红外吸收光谱( f t i r ) 、紫 外一可见吸收光谱( u v - v i s ) 等测试手段对材料进行表征。并将纳米材料固定到 电极表面，形成一种新型自组装化学修饰电极或酶生物传感器，用于电化学检测。 该修饰电极和传感器对h 2 0 2 和葡萄糖都有较好的电催化作用，据此建立对葡萄 糖的定量分析进行快速检测的方法。该方法所呈现的显著特点是灵敏度高，稳定 性好，测定结果准确可靠。本论文的研究工作由以下四部分组成： 1 、将k 4 f e ( c n ) 6 和k 2 p t c l 6 依次) j n a 普鲁士蓝( p b ) 胶体溶液中，其中 f e c n 6 4 离子平t l p t 离子在水溶液中分别被氧化还原而形成混合纳米粒子。( p t p b ) 。用透射 电镜( t e m ) 表征对了p t p b 纳米粒子的形貌，粒径大约为2 0n n l 。同时，从u v - v i s 光谱图观察至1 j 7 2 01 1 1 1 处有强的吸收峰，为p b 的特征峰；与p b 相比，p t p b 溶液中， 该峰明显降低了，表明p t 覆盖了部分p b 纳米粒子。通过强的金属一巯基键相互作 用( 1 ，3 丙二硫醇) 将p t p b 纳米粒子固定于a u 电极表面，研究其对0 2 的电催化氧 化作用。其结果显示p b 和p t 都参与了0 2 的电催化还原。 2 、研究了用反胶束法制各的p b 和聚吡咯包裹的普鲁士蓝复合纳米粒子 ( p b p p y ) 的表征，组装和电化学分析。从s e m 图中可以看出p b p p y 纳米复合粒 子的形貌，其粒径大约为4 0 5 0n l t l 。由u v v i s 和f t i r 光谱证明该粒子确实是由普 鲁士蓝和吡咯组成的。接着，将p b 和p b p p y 纳米颗粒固定在半胱氨酸( c y s ) 修 饰的a u 电极上。循环伏安实验表明：p b 和p b p p y 修饰的a u 电极对h 2 0 2 都表现出 它们固有的电化学特性和高的电催化活性：并且，p b p p y 修饰的a u 电极i z l p b 修 饰的a u 电极对h 2 0 2 响应的灵敏度高，其线性范围为o 9 9l t t m 一8 2 6m m ，信噪比为 3 时，检测下限为o 2 3 ”m 。由此得出，p b p p y 修饰的a u 电极表现出更好的稳定性。 将葡萄糖氧化酶用戊二醛交联，实现以p b p p y 为基底的生物传感器的发展。 3 、在阴离子表面活性剂双2 乙基己基琥珀酸纳( a o t ) 异辛烷水反胶柬 体系中，加入生物表面活性剂多粘菌素b ( p m b ) ，制备了p m b 包裹的p b 纳米粒 子( p b p m b ) 。用f t i r ，s e m 和电化学等方法对该粒子进行了表征。同时，介 绍了以p b p m b 为基础的葡萄糖生物传感器。将p b - p m b 纳米粒子组装至l j c y s 修饰 的a u 电极表面，通过戊二醛的交联作用使葡萄糖氧化酶固定于修饰电极上。对 电极的重现性和稳定性进行了研究和优化。结果表明，葡萄糖生物传感器显示了 较宽的线性范围( 6 7g m 一2 0m m ) 和良好的重现性。 4 、将2 ，6 二氯靛酚( 2 ，6 - d c i p ) 作为电化学指示物，通过方波伏安法检 测有机磷农药对土壤动物蚯蚓胆碱酯酶的影响。底物乙酰硫代胆碱被蚯蚓胆碱酯 酶水解，其生成的硫代胆碱与2 ，6 - d c i p 反应能产生明显的电化学信号。通过检 测加入甲基对硫磷前后酶的活性，就可以评估农药对胆碱酯酶的抑制率；且2 ， 6 - d c i p 还原峰电流的降低与酶反应时间有关。加入ln g m l 甲基对硫磷孵育1 0m i n 后，胆碱酯酶抑制率为3 2 7 4 ；当浓度上升为1 0n g m l 时，酶抑制率为5 4 6 2 ： 而当甲基对硫磷浓度接近1 0 0p g m l 时，酶几乎完全被抑制。这种方法可以应用 于评估胆碱酯酶的抑制率和调查农药对土壤动物的影响。 关键词：普鲁士蓝；化学修饰电极；葡萄糖传感器；纳米材料 e l e c t r o c h e m i c a ls t u d yo fp r u ss i a n b l u e b a s e dc o n 口o s i t en a n o p a r t i c l e sa n d b 1 0 e l e c t r i c a la n a l y s i s a bs t r a c t i nt h i s p a p e r , p r u s s i a nb l u en a n o m a t e r i a l sw i t he l e c t r i c a la c t i v i t yw e r e s y n t h e s i z e db yc h e m i c a ls y n t h e s i sa n dr e v e r s em i c e l l em e t h o d s t h ep r o d u c t sw e r e c h a r a c t e r i z e db y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) ，u l t r a v i s a b l e s p e c t r o p h o t o m e t e r ( u v - v i s ) a n ds oo n a tt h es a m e t i m e ，t h ec h e m i c a l l ym o d i f i e d e l e c t r o d e so re n z y m eb i o s e n s o r sw e r ep r e p a r e d b ya n c h o r i n gn a n o p a r t i c l e sa n d g l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) o n t ot h es u r f a c eo fe l e c t r o d e sf o re l e c t r o c h e m i c a ld e t e c t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d i f i e de l e c t r o d e sa n de n z y m eb i o s e n s o r se x h i b i t e d e x c e l l e n te l e c t r o c a t a l y s i sf o rh 2 0 2a n dg l u c o s e b a s e do nt h i s ，a na c c u r a t ea n dr a p i d e l e c t r o a n a l y t i c a lm e t h o df o rt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fg l u c o s ew a sd e v e l o p e d c o m p a r e dw i t ho t h e r s ，t h i sm e t h o dd e m o n s t r a t e dh i g hs e n s i t i v i t y , g o o ds t a b i l i t y , a c c u r a t ea n dr e l i a b l er e s u l t s t h er e s e a r c hi nt h i sw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gf o u r c o m p o n e n t s ： 1 、c o l l o i d a ld i s p e r s i o n so fh y b f i dn a n o p a r t i c l e sc o m p o s e do fp r u s s i a nb l u e ( p b ) a n dp l a t i n u m ( p t ) w e r ep r e p a r e db ya d d i n gk 4 f e ( c n ) 6a n dk 2 p t c l 6i nt u mi n t op b c o l l o i ds o l m i o n ，i nw h i c hp ti o na n d f e c n 6 4 。i na na q u e o u ss o l u t i o nw e r er e d u c e d a n do x i d i z e ds e p a r a t e l y t h ef o r m a t i o no fh y b r i dp l a t i n u m p r u s s i a nb l u e ( p t p b ) n a n o p a r t i c l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yu v v i sa n dt e m t h ed i a m e t e ro fo b t a i n e d p t p bn a n o p a r t i c l e si sa b o u t2 0n i n t h ec h a r a c t e r i s t i ca b s o r b a n t ep e a k so fp b n a n o p a r t i c l e sa t7 2 0n n lc o u l db eo b s e r v e df r o mt h ep t p bc o l l o i d h o w e v e r ，t h ep e a k m a g n i t u d ed e c r e a s e sc o m p a r e dw i t ht h a to fp b ，w h i c hm e a n st h a tp tc o v e r sp a r t l yp b i i l n a n o p a r t i c l e s t h es e l f - a s s e m b l e d1 ，3 - p r o p a n e d i t h i o lw a se m p l o y e dt oa n c h o rt h e m e t a l - m o d i f i e dp bn a n o p a r t i c l e so na ue l e c t r o d e s b yt h es t r o n gm e t a l - s u l f u r i n t e r a c t i o n s t h es t u d yo fe l e c t r o c h e m i c a lc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) s h o w st h a tp bo r p to fp t p bi si n v o l v e di ne l e c t r o c h e m i c a lc a t a l y t i c a l l yr e d u c t i o no fo x y g e n 2 、t h ew o r kr e p o r t so nt h e c h a r a c t e r i z a t i o n ，a s s e m b l ya n de l e c t r o a n a l y t i c a l p e r f o r m a n c e o fp r u s s i a n b l u e p o l y p y r r o l e ( p b p p y ) c o m p o s i t en a n o p a r t i c l e s s y n t h e s i z e db yr e v e r s em i c e l l em e t h o d s e ms u g g e s t st h ef o r m a t i o no fn a n o s i z e d p b p p yp a r t i c l e sw i t ht h ed i a m e t e rb e t w e e n4 0 5 0n m u v - v i ss p e c t r o s c o p ya n df t i r s t u d i e sc o n f i r mt h a tt h e ya r ec o m p o s e do fp r u s s i a nb l u ea n dp o l y p y r r o l e p ba n d p b p p yn a n o p a r t i c l e sw e r ea n c h o r e do n t ot h es u r f a c eo fc y s t e i n e m o d i f i e da u e l e c t r o d e s c ve x p e r i m e n t ss h o wt h a tp bo rp b p p y - m o d i f i e de l e c t r o d e se x h i b i tt h e i r i n t r i n s i ce l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dh i g he l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yt o w a r d sh 2 0 2 p b p p y m o d i f i e d e l e c t r o d e s g i v eh i g h e rs e n s i t i v i t y t o h 2 0 2r e s p o n s et h a n p b m o d i f i e de l e c t r o d e al i n e a rc a l i b r a t i o nc u r v eo v e rt h ec o n c e n t r a t i o nr a n g eo 9 9 l a m 8 2 6m mh 2 0 2i so b t a i n e dw i t ht h ed e t e c t i o nl i m i to f0 2 3 “ma ts i g n a lt on o i s e r a t i oo f3 e x c e l l e n ts t a b i l i t yi so b s e r v e df o rp b p p yc o m p o s i t en a n o p a r t i c l e - m o d i f i e d e l e c t r o d e se v e ni np h6 0p b sw i t hh i 曲c o n c e n t r a t i o no fh 2 0 2 ( o 9 9m m ) g l u t a r a l d e h y d e w a s e m p l o y e d t oi m m o b i l i z eg o df o r t h e d e v e l o p m e n to f p b p p y - b a s e db i o s e n s o r s t h er e s u l t ss h o wt h a tp b p p yc o m p o s i t en a n o p a r t i c l e sc o u l d b eu s e dt od e v e l o po x i d a s e b a s e db i o s e n s o r s 3 p r u s s i a nb l u e ( p b ) n a n o p a r t i c l e sw e r es y n t h e s i z e db ye m p l o y i n gp o l y m y x i nb s o d i u mb i s ( 2 - e t h y l e x y i ) s u l f o s u c c i n a t e ( a o t ) w a t e r i s o o c t a n er e v e r s em i c r o e m u l s i o n r o u t e f t i r s e ma n de l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d sw e r eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h e s e c o m p o s i t en a n o p a r t i c l e s a l s o ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep e r f o r m a n c eo fp b b a s e d g l u c o s eb i o s e n s o r s p bn a n o p a r t i c l e sw e r ea s s e m b l e do n t ot h ec y s t e i n e - m o d i f i e da u e l e c t r o d es u r f a c ea n dg o di m m o b i l i z e db yt h ec r o s s l i n k i n go fg l u t a r a l d e h y d e b o t h t h ee l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fp ba n db i o c a t a l y t i c a lp e r f o r m a n c eo fg o da r e e x c e l l e n t a n a l y t i c a lp a r a m e t e r ss u c ha sr e p r o d u c i b i l i t ya n ds t a b i l i t yh a v e b e e n s t u d i e da n do p t i m i z e d a l s o ，t h eg l u c o s eb i o s e n s o r ss h o waw i d el i n e a rr a n g e i v ( 6 7 t m - 2 0m m ) a n dg o o dr e p r o d u c i b i l i t y 4 as q u a r ew a v ev o l t a m m e t r ym e t h o dw a sd e v e l o p e df o rt h ea s s e s s m e n to f o r g a n o p h o s p h o r u s ( o p s ) c o m p o u n di m p a c to nt h ec h o l i n e s t e r a s eo f p h e r e t i m aw i t h2 ， 6 - d i c h l o r o i n d o p h e n o l ( 2 ，6 - d c i p ) a sar e d o xi n d i c a t o r t h es u b s t r a t eo f a c e t y l t h i o c h o l i n ei sh y d r o l y z e db yt h ec h o l i n e s t e r a s e ( c h e ) f r o ms o i la n i m a l p h e r e t i m a ，a n dt h ep r o d u c e dt h i o c h o l i n er e a c t sw i t ht h e2 ，6 - d c i pt og i v eo b v i o u s s h i f to fe l e c t r o c h e m i c a ls i g n a l t h ei n h i b i t i o no fc h ew a sa s s e s s e db ym e a s u r i n gt h e e n z y m ea c t i v i t yb e f o r ea n da f t e ri n c u b a t i n gw i t hp a r a t h i o n m e t h y l t h er e d u c t i o n p e a kc u r r e n to f2 ，6 - d c i pd e c r e a s e sw i t ht h et i m eo fe n z y m a t i c a lr e a c t i o n t h ec h e l o s e sa l m o s t3 2 7 4 a c t i v i t ya f t e r10m i ni n c u b a t i o nw i t h1 n g m lp a r a t h i o n m e t h y l a n d5 4 6 2 w i t h10l a g m lp a r a t h i o n m e t h y l w h i l et h ea c t i v i t yt h a tc o r r e s p o n d st o 10 0p g m lp a r a t h i o n m e t h y lw a sn e a r l y c o m p l e t e l yi n h i b i t e d t h i sm e t h o dc a nb e e m p l o y e d t oa s s e s st h ei n h i b i t i o n o fc h ea n d i n v e s t i g a t e o p si m p a c to n e n v i r o n m e n t a la n i m a l s k e yw o r d s ：p r u s s i a nb l u e ；c h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e ；g l u c o s eb i o s e n s o r s ； n a n o m a t e r i a l s v 浙江师范大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名：郾静霞日期：加7 年月8 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和 借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大 学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。同时授权中 国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 作者签名；耷蒋殴 翩妣即表夕蛳誉日 6 7 第一章绪论 1 1 纳米材料 第一章绪论弟一早三百了匕 纳米材料学是胶体化学、配位化学、化学反应动力学、原子物理、凝聚态物 理和界面科学等多种学科交叉汇合而出现的新的学科生长点。纳米材料中涉及的 许多未知过程和新奇现象很难用传统的化学、物理等学科的理论知识进行解释。 从某种意义上来说，纳米材料的研究将把传统学科的理论推向一个崭新的层次， 也将给化学物理研究带来新的机遇。 1 1 1 纳米材料定义 纳米粒子是指尺度介于1 1 0 0a m 之间的微小粒子，由数目不多的原子或分子 组成，处于原子簇和宏观物体之间的过渡区，它们既非典型的微观系统，亦非典 型的宏观系统，因此又叫做中介粒子。纳米粒子区别于宏观物体结构的特点是， 它的表面层占很大比重。由于纳米粒子的表面原子与体相总原子数之比随粒径尺 寸的减小而急剧增大，能导致内部结构的某种变形。纳米粒子的这种结构特征使 它具有下述几个方面的效应【l 】，并由此派生出传统固体所不具有的许多特殊性 质： 1 1 1 1 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。当纳米粒子的 尺寸与光波波长、德布罗意波及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相 当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附 近原子密度减小。对纳米颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从 而导致化学活性、光吸收、磁性、热阻、催化性、熔点。力学等特性发生很大的 变化，产生一系列新奇的性质，称其为小尺寸效应。如金和银的大块材料的熔点 分别为1 0 6 3 和9 6 0 ，但是直径为2n l n 的金和银的纳米颗粒，其熔点分别降为 3 3 0 和1 0 0 。金属纳米颗粒熔点的大幅度降低，可以为粉末冶金工业带来全新 的工艺发展。 第一章绪论 1 1 1 2 表面效应 颗粒粒径减小到纳米级，不仅引起表面原子数迅速增加，而且粒子的表面积、 表面能都增高。这一性质的变化主要是因为处于表面的原子增多，其晶场环境和 结合能与内部原子不同引起的。配位不足的原子，表面有很高的化学活性，周围 有许多悬空键，具有不饱和性，极不稳定，易跑到配位数多的位置上，表面原子 遇到其它原子便很快结合，使其稳定下来，这就是表面原子具有很大的化学和催 化活性的原因。例如，化学惰性的p t 制成纳米颗粒后成为活性极好的催化剂。 1 1 1 3 量子尺寸效应 块状材料的能带可以看成是连续的，而介于原子和大块材料之间的纳米粒子 尺寸下降，能带分裂为分立的能级；纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分 子轨道和最低未被占据的分子轨道能级能隙变宽现象，被称为量子尺寸效应。这 一效应使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。 1 1 1 4 宏观量子隧道效应 微观粒子具有的贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观 量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应， 可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道 效应对物理、化学、材料等学科的基础研究及应用研究都具有重要意义。这一效 应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用 磁带磁盘进行信息储存的最短时间，当微电子器件进一步发展时，必须考虑上述 量子效应。 1 1 2 纳米材料发展 纳米材料自二十世纪五十年代发展到现在，大致可以分为三个阶段： 第一阶段：在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块 体、薄膜，研究其表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。8 0 年代中期以来，纳米材料所表现出来的特异化学、电学、磁学及光学性能使对纳 米颗粒和块体的研究一度形成热潮。对纳米微粒的结构、形态和特性进行了比较 2 第一章绪论 系统的研究。在这之后，各种方法制备的纳米材料多达上百种，通常把这类材料 称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段：这一阶段“纳米复合材料 的说法开始为人们所接受，一经形成 即成为世界各国科研工作者所关注，并看好它的广泛应用前景。人们关注的热点 主要是如何运用已经发现的纳米材料奇特的物理、化学和力学性质设计纳米复合 材料。例如，形成介孔复合的纳米复合材料和纳米复合薄膜材料。 第三阶段：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料越来越受到人们 的关注，在这方面的研究也越来越深入和细致。主要是指分子及纳米颗粒等结构 单元在平衡条件下，结合形成热力学稳定的、结构确定的、性能特殊的聚集体的 体系。 如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么第 三阶段研究的特点则强调按照人们的意愿进行设计、组装合成纳米材料的体系， 更有目的地使这些体系具有人们所希望的特性。可以说，探索和寻求新的合成纳 米材料体系和合成方式将成为今后很长一段时间内的研究重点和热点。 1 1 3 纳米材料的制备方法 纳米材料的合成与制各一直是纳米科学领域的一个重要研究课题【2 1 。纳米材 料的制备方法很多，按纳米材料制备过程的变化形式，可分为物理方法和化学方 法： 1 1 3 1 物理方法 ( 1 ) 物理粉碎法 通过对原料进行机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点是操作 简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 ( 2 ) 真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。 其特点是纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。 第一章绪论 ( 3 ) 机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合 材料的纳米粒子。其特点是工艺操作简单、成本低、效率高( 一次可获得公斤量 级产品) ，适应工业化生产而被广泛研究；但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 1 1 3 2 化学方法 ( 1 ) 气相沉积法 是直接利用气体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下 发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米粒子的方法。 用该法可制备纯度高、颗粒分散性好、粒径分布窄、粒径小的纳米陶瓷粉体。 ( 2 ) 化学沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。沉淀的形式 包括直接沉淀、共沉淀、均一沉淀等。其特点是操作简单易行，但纯度低，颗粒 半径大，适合制备氧化物。 ( 3 ) 溶胶凝胶( s o l g e l ) 法 以金属有机醇盐或无机盐为前驱体，经溶液、溶胶水解缩聚逐渐凝胶而固化， 再经低温热处理变为氧化物或其它固体的方法。其特点是可在低温下制备纯度 高、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分混合物，且反应物种多，过程 易控制，适于氧化物和i i 族化合物的制备。 ( 4 ) 水热合成法 水热法是高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中进行合成的化学反应，再经分 离和热处理制得纳米粒子。其特点是晶粒制备完整、纯度高、分散性好、且粒度 易控制。 ( 5 ) 微乳液法 微乳液法是一种新的制备纳米材料的方法。近年来，人们常用此法制备超细 纳米粒子。微乳液法与传统的制备方法相比，其特点是实验装置简单，能耗低， 4 第一章绪论 操作容易；所得纳米粒子粒径分布窄，且单分散、界面性和稳定性好，i i 族 半导体纳米粒子多用此法制备，适应面广。该方法利用两种互不相溶的溶剂( 一 般为油和水) 在表面活性剂的作用下形成微反应池，在微反应池中经成核、生长、 聚结、团聚等过程，从而形成纳米粒子。水相液滴尺寸可以通过选择合适的表面 活性剂及控制相对含量，将其控制在纳米级。 ( 6 ) 模板法 模板法是一种源于化学仿生学的合成纳米材料的方法，即以有机分子或其自 组装的体系为模板剂，通过离子键、氢键和范德华力等作用力，在溶剂存在的条 件下使模板剂对游离状态下的无机或有机前躯体进行引导，生成具有纳米有序结 构的粒子或薄膜。用这种方法人们可以根据需要设计、组装多种纳米结构的阵列， 从而得到常规体系不具备的性质，为设计下一代纳米结构的元件奠定基础。 1 1 4 纳米材料的应用 纳米材料的应用范围很广，由于纳米粒子具有高的比表面积、高密度的晶格 缺陷和高的表面能，往往被用作高活性的催化材料；把具有导电性的超微细粒子， 如碳黑、金属离子等加入高聚物中，可以改善高聚物的导电性；纳米粒子与生物 学和医药学相结合，进行生物标记和合成靶向药物等；利用纳米粒子的特性使它 对外界环境，如温度、光、气压等十分敏感，当外界环境改变会迅速引起表面和 界面粒子价态和电子运输的变化，从而引起电阻的显著变化，据此制备传感器。 传感器是纳米粒子的最有前途的应用领域之一1 3 j 。将酶电极界面进行修饰以 形成某种仿生的微环境来制备传感器的过程中，引入纳米粒子，实现了酶与电极 之间直接电子转移，同时保持酶的生物活性。这样的文献报道已有很多。例如： 金属纳米粒子，因其良好的光学、电学特性和生物相容性，受到分析化学工作者 的关注，已被用于如酶法分析、免疫分析和核酸分析等生化分析中。w a n g t 4 】等报 道了金纳米自组装修饰i t o 上固定g o d 以及其在金纳米粒子促进下的直接电化 学。实验表明，金纳米粒子可以大幅度提高固定化酶的催化活性，增大响应电流。 目前，在酶直接电化学研究中经常使用的金属纳米粒子还有银纳米粒子【5 1 、铂微 粒【6 1 、铱纳米粒子【7 1 等。 5 第一章绪论 自i i j i m a 发现碳纳米管以来，无论是单层碳纳米管( s w c n t ) 滞】还是多层碳纳 米管( m w c n t ) 【9 j 在生物传感器中都有应用。碳纳米管作为固体促进剂，对生物 分子具有电催化作用，用于酶的直接电化学的研究中，实现了酶的直接电子转移， 在生物传感器的研究中也受到人们的广泛关注。w a n g 综述了碳纳米管在电化学 传感器领域中的一些研究成果【i o 】。其它有关肌红蛋白【i l 】、血红蛋白【1 2 1 、细胞色 素c 【1 3 ，14 1 、葡萄糖氧化酶【1 5 1 、过氧化物酶 1 6 , 1 7 1 等在碳纳米管修饰电极上的氧化还 原蛋白质的直接电化学研究也有大量的报道。 t a o 的研究小组报道了一种基于导电聚合物的纳米葡萄糖传感器【l 引。该传感 器由两个纳米电极间隔( 2 0 6 0n m ) 组成，两纳米电极间由聚苯胺葡萄糖氧化 酶膜相连。因其极小的直径、响应迅速以及需氧量少等优点使其可用于在线检测 葡萄糖。表明了聚合高分子也可用于制备纳米级电化学生物传感器并用于酶和电 极表面的直接电子传递。 其它纳米粒子在酶直接电化学研究中也很多，近年来用于酶直接电化学研究 的其他纳米粒子还有s i 0 2 1 9 】、t i 0 2 2 0 】、c e 0 2 【2 1 1 、碳或其它微粒 2 2 , 2 3 1 等。 1 2p b 及其衍生物研究简介 普鲁士蓝( p b ) 是人们熟知的一种蓝色染料，因为它的颜色而得名，已有 着二百多年的悠久历史，是最早被报道的合成配合物之一。p b 及其衍生物具有 独特的三维网状结构，在低密度，易掺杂溶剂以及可变的结构和计量学等许多方 面与交联的有机聚合物类似，结构稳定性优异；还具有沸石特性，能在水溶液中 很快地与碱金属离子发生交换。p b 具有较高的电化学可逆性，用作电子传递的 媒介，可降低氧化还原物质特别是过氧化物电化学反应的过电位，被称为“人工 过氧化物酶”。特别是其修饰电极用于h 2 0 2 的检测，在环境【2 4 】、生物【2 5 ，2 6 1 、医学 2 7 - 2 9 】等方面应用广泛，因此过渡金属氰化物尤其是p b 修饰电极成为电化学分析 领域一个十分活跃的研究方向。 由于p b 及其衍生物具有优良的电化学可逆性，高度的稳定性，容易制备， 且制备成本低等优点，自从其被发现以来，其研究领域不断扩大，研究的对象从 普鲁士蓝本身到其衍生物，其应用的领域从简单的作为染料、显色剂，到作为核 6 第一章绪论 电站废水的吸附剂，电化学的电极修饰材料、电显色剂、电池电极材料等。p b 是过渡金属氰化物中代表性的一种化合物，本论文主要针对不同p b 纳米粒子的 制备及其修饰电极的电化学性质进行了研究。 1 2 1p b 的电化学特性 对p b 而言，电催化机理一直是p b 修饰电极的研究热点。在我们通常研究的 电位范围内，其电化学活性是由于p b 晶格结构中元素铁的价态变化造成的。i t a y a k 【3 0 。2 】等通过对p b 膜的电化学行为的研究发现，其在弱酸性( p h4 o ) 的k c l ( 1 0 m o l l ) 溶液中出现两对氧化还原峰，分别处于0 2v 和1 0v ( v s s c e ) ，并将其 理解为这是由于p b 晶格结构中铁离子的电子自旋状态不同造成的，这两对峰分 别对应于高自旋铁离子( f e 3 垅+ ) 和低自旋铁离子( f e 九1 ) 的氧化还原反应，因 此，作者将0 2v 处对应的峰归因于如下的电化学反应： ， e l e c t r o c t e 、 k f e 3 + 【f e “( c n ) 6 】+ 2 e + 2 k + f 夕k 2 f e 2 + 【f e l ( c n ) 6 】( 1 1 ) e l e c t r o d e、 或 f e 3 + f e “( c n ) 6 】3 + 4 e + 4 k + t 寸瞄f e 4 2 + f e “( c n ) 6 3( 1 2 ) 而将1 0v 处的峰归因于如下的反应： ，e l e c t r o a e、 k f e 3 + 【f e 。( c n ) 6 】弋 f e 3 + 【f e ( c n ) 6 】+ e 。+ k + ( 1 3 ) ， e t e c t r o a e 、 或 f e 4 3 + 【f e “( c n ) 6 】3 + 3 c 1 气尹f e 4 3 + f e m ( c n ) 6 c 1 3 + 3 e 。( 1 4 ) 当然，p b 晶格周围的化学环境会对其电化学行为产生很大的影响，因而造 成其峰电位也相应变化，当支持电解液中没有反应物时，循环伏安检测中表现的 是修饰电极自身的氧化还原峰；当有反应物存在时，循环伏安表现为氧化峰或还 原峰电流有相应的改变，且随反应物浓度的不同而有不同变化。修饰电极自身的 氧化还原过程伴随k + 在晶格中的进出，直接影响p b 的电催化作用。通过控制反 应条件，可使催化性能得到优化。这从p b 修饰电极在不同媒介及不同阳离子的 支持电解质中的循环伏安图中可以看出【3 3 1 。 另外，p b 修饰电极的电化学行为与其制备方法，制备条件及p b 粒径大小等 也有很大的关系。例如：l i t 3 4 1 等人用界面聚集法在含有半胱氨酸的金电极表面制 7 第一章绪论 成了纳米p b 修饰的金电极，并用循环伏安法研究其电化学性质，发现在0 2 0v 处 的一对氧化还原峰在低电位扫描速度( 1 0 2 0 0m v s ) 时分裂成两对峰。他们根 据x i m 和t e m 实验的研究结果，提出了这一现象是由于p b 膜内夕t f e ”“的电化学 性质的差异所致。p b 还具有独特的类似于沸石的分子筛结构，因而对溶液中的 阳离子具有选择透过性。如：在水溶液中其对碱金属离子的选择性顺序为： c s + r b + k + n a + l i + 。i t a y a 将其解释为这是由碱金属水合阳离子的半径决定的。 p b 在氧化还原过程中会伴随有k + 的进出品格以维持电荷平衡。 1 2 2p b 及其衍生物的制备研究 目前，合成p b 及其衍生物纳米材料的常用方法有：电化学沉积法，化学法， 连续离子吸附法，微乳液法。 1 2 2 1 电化学沉积 电化学沉积p b 为最常见的方法，分为循环伏安法【3 3 35 1 、恒电流沉积法【3 6 ，3 7 】 及恒电位沉积法【3 引。循环伏安法是将电极浸入含f e 3 + 和k 3 f e ( c n ) 6 的电解液中， 在一定的电位范围进行连续扫描得至i j p b 。恒电流和恒电位分别是控制一定的电 流和电位沉积，通过电化学法可在金电极【3 9 1 、氧化铟锡( i t o ) d o 、玻碳电极( g c ) 【4 i 】等多种电极表面修饰p b 薄膜或粒子。电化学制备方法快速，易制备较薄的膜。 但制备条件对修饰膜影响较大，容易产生边缘效应，膜均匀性差；与化学法相比， 电化学制备所得普鲁士蓝修饰电极在中性及碱性溶液中稳定性差。 1 2 2 2 化学法合成 将f e c l 3 溶液和k 3 f e ( c n ) 6 溶液在含有过量h 2 0 2 条件下混合搅拌即可得至i j p b 纳米粒子【3 4 1 。在保护剂存在下，f e 2 + 着f l f e ( c n ) 6 3 反应也可以生成纳米级p b 4 2 - 4 5 】。 最近研究表明磁性p b 纳米颗粒在适当条件下也可以制备出来。例如：将制各的 磁性f e 3 0 4 颗粒溶解于一定浓度的铁氰化钾和三氯化铁的碱性溶液中，搅拌均匀， 用磁铁吸出并真空干燥，即得磁性p b 。在蒸馏水中超声振荡得悬浊液。吸取一 定量的溶液滴加于电极表面，干燥后制得易于更新的磁性p b 修饰电极【矧。另外， 将不同种类的金属离子和铁氰化配合物滴加于修饰有f e c n n i 的l b 膜表面，即 形成具有立方结构的磁性p b 的模型【4 7 1 。但是，化学法合成的p b 不易固定于电极 8 第一章绪论 表面，一般借助可成膜的物质来包覆固定。 1 2 2