（分析化学专业论文）生物药物小分子的电化学、电催化动力学及电分析方法研究.pdf

捅安 生物药物小分子在生命过程中起着十分重要的作用，l 半胱氨酸是蛋白质胰岛素的重要组成 成分，具有许多重要的生理作片j 。异烟肼是抗结核药，广泛用于各种结核病的治疗，具有特殊的 生理学意义。苦参类生物碱也具有多种多样的重要生理活性，可用于抗病毒、抗炎、免疫、抗肿 瘤等。有关半胱氨酸和异烟肼的研究以化学分析法、化学修饰电极方面的报道居多，但是以二茂 铁衍生物二茂铁甲基季铵盐 ( f c m ) t m a 作均相电子转移媒体电化学催化氧化l 半胱氨酸、异烟 胼的研究尚未见报道。有关苦参类生物碱在玻碳电极上的直接电化学行为及其相关天然药物及制 剂中含量的电化学分析测定方法研究迄今未见文献报道。为揭示其在生命过程中的作用机制，为 提比一种直接测定相关药物的电化学分析方法，本课题对l 一半胱氨酸、异烟肼、苦参类生物碱进 行了电化学研究。 采用循环伏安法、计时电流法以及方波伏安法研究了以( f e m ) t m a 作为均相电子转移媒体在 固体电极上电催化氧化l 半胱氨酸、异烟肼的电化学及其电化学动力学行为，探讨了电催化氧化 反应的机理。研究结果发现，( f c m ) t m a 对它们有良好的电催化氧化作用。同时运用循环伏安法 研究了实验条件如：支持电解质、p h 值、扫描速度等对媒体及其催化体系的影响；探讨了该催 化氧化反应体系的电化学动力学规律由电化学动力学测定并计算出了该催化体系反应的反应级 数、电子转移系数、反应速率常数，并进一步提出了电催化氧化可能的反应机理。并以此为基础 运用方波伏安法对市售异烟肼商品药物中异烟肼的含量进行了测定，并进一步与紫外分光光度法 测定结果进行了比较。 采用循环伏安法和方波伏安法研究了在生理介质中苦参类生物碱苦参碱、氧化苦参碱、槐定 碱、氧化槐定碱在固体玻碳上的伏安行为。同时探讨了介质p h 、扫描速度对苦参碱和槐定碱体 系峰电位和峰电流的影响。运用控制电位电解库仑法、计时库仑法、计时电流法研究了它们的电 化学动力学规律，由电化学动力学测定并计算出了它们的电子转移数、电子转移系数、扩散系数、 反应速率常数。以此为基础运用方波伏安法测定了苦参碱氯化钠注射液、苦参碱药品以及槐定碱 药品中苦参碱和槐定碱的含量。 关键词：生物药物小分子，二茂铁甲基季铵盐，电催化氧化，电化学动力学，电分析方法 a b s t r a c t s o m es m a l lb i o p h a r m a c e u t i c a lm o l e c u l e sp l a yi m p o r t a n tr o l e si nb i o l o g i c a ls y s t e m sl - c y s t e i n e ( l - c y s ) i sa ni m p o r t a n te l e m e n to fp r o t e i ni n s u l i na n dh a sm a n ys i g n i f i c a n tf u n c t i o n s i s o n i a z i di sa n i m p o r t a n td r u gf u rt h ec h e m o t h e r a p yo ft u b e r c u l o s i s i ta l s oh a ss p e c i a lm e a n i n gi n p h y s i o l o g y k u h s o n ga l k a l o i d sh a v ev i g o r o u s l yp h y s i o l o g i c a la c t i v i t y t h e yh a v eb e e nu s e dt oa p p l ya sa n t i v i m s ， a n t i - i n f l a m m a t i o n ，i m p r o v e m e n to fi m m u n i t ya n dt n m o u rr e s i s t a n t s d i f f e r e n tm e t h o d so fc h e m i c a l a n a l y s i s a 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 e sw e r e d e v e l o p e d a n d r e p o r t e d ， b u t ( f e r r o c e n y l m e t h y l ) t r i m e t h y - l a m m o n i u m ，( f e m ) t m a ，a sah o m o g e n e o u sm e d i a t o rf o ro x i d a t i o no f l - c y sa n di s o n i a z i dw e r en o tr e p o r t e d t h e r ea r en o ta n yl i t e r a t u r ea b o u tt h ed i r e c te l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o u r sa n de l e c t r o c h e m i c a ld e t e r m i n a t i o nf o rk u h - s a n ga l k a l o i d sa n dt h e i rp h a r m a c e u t i c a lp r o d u e 协 i no r d e r 幻e x p l o r et h e i rf u n c t i o n si nb i o l o g i c a ls y s t e m s ，t h ee l e c t r o c h e m i c a ls t u d i e sf o rl - c y s ，i s o n i a z i d a n dk u s h e na l k a l o i d sw e r ep e r f o r m e d n eb e h a v i o r so f e l e c t r o c h e m i s t r ya n de l e c t r o c h e m i c a lk i n e t i c so fl - c y sa n di s o n i a z i da ts o l i d e l e c t r o d ei nt h ep r e s e n c eo f ( f c m ) t m aw e r es t u d i e db yc y c l i cv o l t a m m e t r y ，c h r o n o a m p e m m e t r ya n d s q u a r ew a v ev o l t a m m e t r y t h em e c h a n i s mo fe l e c t r o c a t a l y t i co x i d a t i o nw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，( f e m ) t m ai sa na c t i v eh o m o g e n e o u sc a t a l y s tf o rt h eo x i d a t i o no f l - c y sa n di s o n i a z i d e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so ft h ec a t a l y s ta n dc a t a l y t i cs y s t e m ，w h i c hm a x i m i z et h e c u r r e n te f f i c i e n c yo ft h ee l e c t r o c a t a l y t i co x i d a t i o n ，s u c ha ss u p p o r t i n ge l e c t r o l y t e ，p hv a l u ea n ds c a n r a t ew e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h ee l e c t r o c h e m i c a lk i n e t i c so fr e a c t i o ns y s t e mw e r er e s e a r c h e da n dt h e r e a c t i o no r d e r ，e l e c t r o nt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dr a t ec o n s t a n tw e r ec a l c u l a t e dt h ep r o b a b l em e c h a n i s m o fe l e c t r o c a t a l y t i eo x i d a t i o nw a sp r o p o s e d t h ec o n t e n t so fi s o n i a z i dp h a r m a c e u t i c a lp r o d u c t sw e r e d e t e r m i n e db ys w v , a n dt h ev a l u e sc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so f u v i nap h y s i o l o g i c a lm e d i u m ，t h ev o l t a m m e t r i eb e h a v i o r s o f k u h - s e n ga l k a l o i d s ：m a t r i n e 。 o x y m a t r i n e ，s o p h o r i d i n e ，a n do x y s o p h o r i d i n ea tg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d ew e r eo b s e r v e db yc y c l i c v o l t a m m e t r ya n ds q u a r ew a v ev o l t a m m e t r y t h ei n f l u e n c e so fp h s c a nr a t eo nt h ep e a kc u r r e n t s a n dp e a kp o t e n t i a l so fm a t r i n ea n ds o p h o r i d i n ew e r ei n v e s t i g a t e d t h ee l e c t r o c h e m i c a lk i n e t i c s ，w h i c h w e r es t u d i e db yb u l ke l e c t r o l y s i sw i t hc o u l o m e t r y , c h r o n o c o u l o m e t r ya n de h r o n o a m p e r o m e t r y , w e r eu s c df o rt h ec a l c u l a t i o no fe l e c t r o nt r a n s f e rn u m b e r e l e c t r o nt r a n s f e rc o e 街c i e n t d i f l u s i o n c o e f f i c i e n ta n dr a t ec o n s t a n t t h er e s e a r c hr e s u l t sc a nb ea p p l i e di nt h ed e t e r m i n a t i o no ft h ec o n t e n t so f c o m m e r c i a lm a t r i n ei n j e c t i o na n dm a t r i n e ，s o p h o r i d i n e p h a r m a c e u t i a lp r o d u c t sb ys q u a r ew a v e v o l t a m m e t r y k e yw o r d s ：s m a l lb i o p h a r m a e e u t i c a lm o l e c u l e s ，( f e r r o c e n y l m e t h y l ) t r i m e t h y l a m m o n i u m ，e l e c t r o c a t a l y t i co x i d a t i o n ，e l e c t r o c h e m i c a lk i n e t i c s ，e l e c t r o a n a l y t i c a lm e t h o d 插图和附表清单 图i 1 电位扫描实例3 图1 2k ，f e ( c n ) 。的循环伏安法图3 图2 - 14 x l o t 0 0 1 l 。1 的l - 半胱氨酸( l c y s ) 在有无催化媒体( f c m ) t m a 存在下的循环伏安图1 3 图2 2 扫描速度对媒体( f c m ) t m a 氧化峰电流厶。的影响1 4 图2 3 介质的p h 对( f c m ) t m a 的i p 。和p 。的影响i 5 图2 - 4 底物l c y s 的浓度与催化体系氧化峰电流厶。的关系图1 6 图2 5 介质的p h 对电催化体系的。和岛。的影响1 7 图2 - 6 扫描速度对电催化体系氧化峰电流，口。的影响1 7 图2 7 ( f c m ) t m a 的浓度对催化体系氧化峰电流厶。的影响1 8 图2 - 8f f c m ) t m a 和l - c y s 催化体系的塔菲尔图1 9 图2 - 9f f c m ) t m a 和l - c y s 浓度对催化体系氧化峰电流的影响2 0 图2 1 04 1 0 一m 0 1 l “的l c y s 在有无催化媒体( f c m ) t m a 存在下的计时电流( c a ) 图2 2 图3 1l 1 0 一m 0 1 l 1 的i n i q 在有无催化媒体( f c m ) t m a 存在f 的循环伏安图2 5 图3 2 介质的p h 对( f c m ) t m a 的i p 。和b 。的影响2 6 图3 3i n h 的浓度与催化体系氧化峰电流的关系幽2 7 图3 - 4 介质的p h 对电催化体系的厶。和砩。的影响2 8 图3 5 扫描速度对电催化体系氧化峰电流厶。的影响2 9 图3 - 6 ( f c m ) t m a 的浓度对催化体系氧化峰电流厶。的影响2 9 图3 7 ( f c m ) t m a 和i n h 催化体系的塔菲尔图3 1 图3 8 ( f c m ) t m a 和i n h 浓度对催化体系氧化峰电流的影响3 1 幽3 - 9l x l 0 一m o ll 。1 的i n h 在有无催化媒体( f c m ) t m a 存在下的计时电流( c a ) 图3 2 图3 1 0 方波振幅对催化体系峰电流的影响3 3 图3 i i 方波频率对催化体系峰电流的影响3 3 图3 1 21 1 0 t 0 0 1 l 。1 i 约i n h 在有无催化媒体( f c m ) t m a 存在下的方波伏安图3 4 图3 1 3 方波伏安法测定i n h 的峰电流厶。与浓度的关系图3 5 图3 - 1 4 不同浓度i n h 的吸收光谱3 6 图3 1 5i n h 光密度与浓度的线性关系图3 6 图4 - im t o m t , s r 及o s r 的化学结构式3 9 图4 - 2m t , o m t , s r 和o s r 的循环伏安图4 0 图4 3 扫描速度对m t 和s r 峰电流的影响4 l 图4 4 介质p h 对m t 和s r 的峰电流和峰电位的影响4 1 图4 5m t ( a ) 和s r ( 6 ) 的浓度对氧化峰电流k 的影响4 2 图4 6m t 的塔菲尔图4 3 图4 7s r 的塔菲尔图4 3 图4 8m t 和s r 的计时库仑图4 5 图4 - 9 m t 和s r 的计时电流鞫4 5 图4 1 0m t 和s p , 的方波伏安圈4 6 霉4 - 1 l 峰电流与m t ，s r 浓度的关系露- - 4 6 袁3 - i 样品测定结果( n = 6 ) 3 6 表4 1 苦参碱氯化钠注射液样品分析结果鞲及括准捆入强收实验4 7 表4 - 2m t 、s p , 样品测定结果以及标准加入回收实验一4 8 0 i 电子转移系数 b t a f e l 斜率 c浓度 d 扩散系数 磊。氧化峰电位 f法拉第常数 g c e 玻碳电极 氧化峰电流 七 速率常数 m物质的量浓度 胛 电子转移数 r相关系数 r s d 相对标准偏差 s c e 饱和甘汞电极 丁 热力学温度 d 扫描速率 主要符号表 电化学技术 c v ( c y c l i cv o l t a m m e t r y ) 循环伏安法 s w v ( s q u a r ew a v ev o l t a m m e t r y ) 方波伏安法 c a ( c h r o n o a m p e r o m e t r y ) 计时电流法 c c ( c h r o n o c o u l o m e t r y ) 计时库仑法 u v 紫外分光光度 试剂缩略 r s h ( l - c y s ) l 一半胱氨酸 i n h ( i s o n i a z i d ) 异烟肼4 一吡啶甲酰肼 m t ( m a t r i n e ) 苦参碱 o m t ( o x y m a t r i n e ) 氧化苦参碱 s r ( s o p h o r i d i n e ) 槐定碱 o s r ( o x y s o p h o r i d i n e ) 氧化槐定碱 ( f c m ) t m a ( f e r r o c e n y l m e t h y l ) t r i m e t h y l a m m o n i u m ) 二茂铁甲基季铵盐 独创性声明 本人声明所里交的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。尽我所知，除了文中特剐加以标注帮致谢的地方外，论文中不包含其能人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名：毫和趱，磐 时间： 矗。嗒年歹月塔日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文豹复印件稻磁盘，允许论文被查澜积偌阕，可以采用影印、缩e p 或扫摇等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文豹全部或邦分蠹容。 f 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究牛签名：舀触趱缮 时问： 蟛年5 月毯日 聊虢枷陟 脖闯泓咖西百 1 引言 第一章绪论 1 1 电化学 电化学主要是将电能和i 化学能二者之间相互转化及其规律性的学科。它将化学变化与l u 现象 紧密联系了起来1 , 2 o 电化学的历史，从伏打电池、法拉第( f a r a d a y ) 定律( 1 8 3 3 年) 算起约有两个世 纪，已成为内容十分厂泛、具有完善的理论、方法多样、应用前景非常j “阔的一门学科。电化学 i r 以归纳为理论电化学和应凡；j 电化学两火类，由此衍生来的分支科学更加众多，诸如生物l b 化 学、i 乜分析化学、电化学催化、界面屯化学、有机电化学、光谱电化学、聚合物电化学、化学修 饰电极等。上述各种电化学方法所共有的特征是：l u 能和化。学能二者转化过样中一般都伴随着电 子的转移，从而产生电动势( 或电位) 或者电流的变化，这些变化都与发生电极反庶物质的活度( 缄 浓度) 及时间等网素相关联。 1 2 电化学催化 在i u 场作川f ，能促进或抑制在电极溶液( 或熔相) 界面上进行的电子转移反麻，而l u 极本身 并不改变的那类化学作用称为电催化作用”j 。电化学催化研究可追溯到1 9 世纪中叶，但真止成为 专门的研究领域始丁2 0 世纪6 0 年代。电化学催化氧化还原是一个1 f 常活跃的研究领域，其主要 目的是寻求一种促进氧化还原反应的催化剂。 电催化作用l 卜l 的电极除了一般地传递电子的功能之外，还能对反应底物进行活化或促进l 也子 的转移速度，域二者兼仃，这也是电催化作1 【_ | j 的实质所在。电催化反应的共同特点是反廊过祥包 含叫个以上的连续步骤，且在电极表面上生成中闻物。许多由离子生成分子或分子降解的重要l h 极反应均属 j 电催化反应。在某种程度上的电催化作用的机制希i 常规催化作用有一定的类似性， 比如反应分子与电催化剂表面的相互作t l = 导致途径改变，活化能降低是关键。但是由j 电催化作 州中有溶剂分子参与，以及电极表面双电层结构的影响，使l 乜催化要较一股催化作州更为复杂。 但近代电化学技术的发展，对于表征电极表面状态以及探讨反应机理较为方使。此外，电极上的 电何可以凋仙大小雨i i f 负，可以方便地改变电化学反应的方向、速率和选择性。 1 3 电分析化学 麻川电化学的基本原理利技术来进行分析，就形成了各种l b 化学分析方法，称为电化学分析 域电分析化学。近年来，l b 分析化学在力法、技术和廊h j 方面得到了i 丈足的发展。在方法上电 分析化学的研究范同由宏观向微观尺度迈进，实现了超高的灵敏度和选择性，相应地出现- r 许多 新型的【也极体系”。1 ；柏：披术上，充分利于交叉学科的方法，将声、电、光、磁等功能有机结合到 电化学界面l ，以达到实时、现场雨i 活体检测的目的；在应用上，侧重生命利学领域中有关问题 的研究。许多生物物质是荷1 u 的微粒或分子，生命过样最基本的运动是电_ 0 运动，冈此可以认为 生命现象也表现为一种电化学现象”，所以作为分析化学与电化学的结合，电分析化学是研究和 宁夏人学坝l j 学位论文 第一章绪论 揭示生命最有力的工具。利用电化学方法，可阻将在体内以温和条什r 进行的各种氧化还原反 应的机理( 电子传递过程) 在体外进行模拟，包括模拟生物分子及有机药物在体内的作_ l | ；j 机理。由 此n 丁见，刚电化学方法研究生物分子以及有机药物是分析化学中一个广泛的研究领域1 ”。 2 理论部分 2 1 电催化作用中的一些基本原理 一般说来，如果涉及到电子转移的化学反应，都可以采用电催化方法，使底物在电极的特定 活性位上活化并完成电荷转移的步骤。例如，底物s 在屯极上进行电化学还原时，由丁电荷转移 方式的不同，可以存在二种类型的反应历程。 ( 1 ) 在电极上直接进行电荷转移 ( 2 ) 在液相中1 r 直接的电荷转移 s _ s a s a + e 二s h m “十+ e + m ( n 1 ) + m ( n 1 ) + + s 旦二s h + m 叶 ( 3 ) 在电极上1 f 直接的电荷转移 s s a m a + e 0m h m h + s a ，m + s h ( 1 ) 和( 3 ) 历程都有可能涉及底物在i n 极表面上的吸附活化，与电极的化学组成、极化情况、表面状 态以及近邻环境等冈素密切相关。( 2 ) 历程虽然并不牵涉剑底物的活化，但是l 毡荷传递媒介m 促 进了底物的电丫转移，同样有效地完成了底物的还原反应。 2 2 循环伏安法( c y c l i cv o l t a m m e t r y c v ) 基丁电解原理的电化学分析方法可以分为控制电位并控制电流两人类。循环伏安法、方波伏 安法、脉冲伏安法等是控制电位的电化学方法。这些伏安方法具有简捷、快速、灵敏等特点已 经广泛应h 丁生化、约物、材料和环保等方面的检测以及川丁一些生化物质的电化学特性研究 1 1 1 - 9 。 2 循环伏安法( c y c l i cv o l t a m m e t r y , c v ) 具有实验比较简单、可以得到的信息数据较多，并且可 以进行电化学基础理论方面的研究等特点。它是电化学测最中经常使用的一个重要方法。在研究 电化学反应特性时，最初所使用的方法往往是循环伏安法。 图1 - 1 电位扫描实例 f i g u r e1 - 1 t y p i c a le x c i t a t i o ns i g n a lf o rc v 图1 - 2k 3 f e ( c n ) 6 的循环伏安图 f i g u r e1 - 2 t h ec vc u r v eo f k a f e ( c n ) 6 循环伏安法( c v ) 素有“电化学谱”之称，其主要特色是可以用来考察所研究体系的电化学性 质。例如，考察体系的可逆性、稳定性；体系的多步放电过程；测定体系的异相反应速率常数； 研究电子转移伴随的化学反应；发现、鉴定电极过程的中间产物；获得关于中间产物的电化学及 其它性质的信息等。循环伏安法( c v ) 的基础是线性扫描伏安法，加在工作电极上的电势从原始电 位岛开始，以一定的速度v 扫描到一定的电势e 1 后停止扫描得到单向的电位一电流曲线图( 线性 扫描伏安图) 。 循环伏安法是以线性扫描伏安法的电位扫描到头后，再回过头来扫描到原来起始电位值，以 所得的电流电压曲线为基础进行分析的方法( 参见图1 - 1 ) 。循环伏安法的电流响应如图1 - 2 。两 个峰电流值、两个峰电流的比值咀及两个峰电位的值是循环伏安法中最为重要的参数。 2 2 1 循环伏安法判断电极过程的可逆性： 对于符合n e r n s t 方程的电极反应f 2 0 】， a e p ：e 一e r a = 2 2 娶：一5 6 m v ( 2 5 ) ( 1 - 1 ) 这是可逆体系的循环伏安曲线所具有的特征值，而且波的上下两支曲线基本上是对称的。对于不 可逆体系两峰间的电位若要大于5 6 n ( m v ) ，两峰相隔愈远愈不可逆，上下两支曲线也就不对称。 如果。佴。z1 ，并以对v ”2 作图得一直线，表明该体系的电化学行为符合可逆过程特征并且电 极反应是受扩散控制的电化学过程 2 1 , 2 2 。此外，循环伏安法也是研究电极表面吸附现象和制备电 极的重要方法 2 3 - 2 6 。 2 2 2 电子转移系数a 的测定 由t a f e l 公式r = 甜+ b l g l 整理可得到公式【2 7 】： l g l 华芋叩+ l g i 。 ( 1 _ 2 ) 对于不可逆电极反应，如果将l g l 卅对”作图( t a f c l 图) ，从直线部分的斜率可以求出转移系数 旺。当体系中物质的浓度不断增加，体系的氧化峰电流厶。增大，可以得到岛。l o g p 。的直线关系 图，即塔菲尔( t a f e l ) 图。由该直线斜率可得t a f e l 斜率b 。又因为b = 2 3 0 3 r t 疗( 1 一a ) f 由此 可推知其电子转移数”以及电子转移系数c 。 t a f e l 斜率b 也可用另一种方法求得，当以不同扫描速度对所研究体系进行循环伏安测试时， 随着扫描速度的不断增加，体系反应的氧化峰电位发生正移：因此根据实验结果可以得到岛。 l o g v 的关系图，它们呈直线关系，亦即t a f e l 曲线。由其斜率求得翘。o ( 1 0 9 v ) 。根据完全不 可逆扩散控制过程方程式 2 q ： e p = ( b l o g v ) 2 + c o n s t a n t ( 1 3 ) 由此可得e p 。l o g v 的直线斜率为b 2 ，根据直线斜率可求得t a f e l 斜率6 = 2 x 葩p o ( 1 0 9 v ) 。 由此同样可推知该体系速率控制步骤反应的电子数”以及电子转移系数a 。此结果与昂。1 0 9 直线所得结果往往相吻合。 2 2 3 反应级数的确定 在动力学方程式中浓度项的指数表示电化学反应级数( e l e c t r o c h e m i c a l - r e a c t i o no r d e r ) 。反应物 的电化学反应级数r 定义为鲫： 4 宁夏人学硕士学位论文 第一章绪论 肚( 型c 。l g c l 。 c t 川 i gr 。 、 其中电化学反应级数可以是正整数、分数甚至是负数；由于动力学方程中包含许多物质的浓度项， 其中某些物种可能不是参与速度步骤的反应物，但它们会通过前置步骤米影响速度决定步骤中的 反应物浓度；反应级数也不代表速度决定步骤的反应分子数，也不表示总反应的化学计最关系； 在溶液中的扩散成为控制步骤的情况下，反应速度与浓度成止比，不能因此而断定发应是一级反 应。 2 3 方波伏安法( s q u a r ew a v ev o l t a m m e t r y , s w v ) 方波伏安法( s q u a r ew a v ev o l t a m m e t r y , s w v ) 义称现代方波伏安法，是一种多功能、快速、高 灵敏度和高效能的电分析方法口“。它是将一个低频率小振幅( 一般。 0 ， x = d ， c o ( x ，0 ) = c o 。 t 0 ，x 2 0 ， c o ( x ，o ) = 0 1 ：d 0 掣塑( 1 - 6 ) n f a 。 反 对上述方程作l a p l a c e 逆变换结合边界条件就可阻得到电流时间响应： ，( r ) = n f a d 产；12 一c o ( 即c o n r e l l 方程) ( 1 - 7 ) 叫石r 在平板电极的条件下，不论电极反应是否可逆，其极限扩散电流均为上述所列的c o t t r e l l 方程。 如果电流，与r 1 “成正比，说明这个过程是扩散控制的。由上式还可知以电流，对t ”作图得一 直线，由南线的斜率就可以测定电极反应电荷的扩散系数d 。 由计时电流( c a ) 法还可以求得电催化体系反应过程的速率常数k ，根据公式o ” ，。，l = 旯17 2 【石1 72 e r f ( 2 172 ) + e x p ( 一2 ) ) j 72】(t-8) 式中七代表有电催化媒体存在下底物的催化电流，五代表电催化媒体的扩散控制电流。又因为： a = 肪o t r 1 9 1 式中k 代表催化体系的速率常数，c o 是底物初始的本体浓度， 是( 1 8 ) 式中的误差函数。当 1 5 时，误差函数可近似等于l ，可以认为催化反应在纯动力学范围，由此( 1 8 ) 式可简化为； c 1 l = 石17 2 五1 ”= 石7 2 ( k c o ，) 1 7 2 根据此公式首先计算出( 1 ci l l ) 2 ，然后除以n ，即是 值，再以 对时间t 作图 直线斜率为托o ( c o 是已知量) ，因此可求算出电催化反应过程的速率常数k 。 ( 1 - l o ) 得一直线， 另一种采用计时电流法( c a ) 进行k 的测定方法l 3 4 j ： m ) ：删，c ： 1 一半】 ( 1 - 1 1 ) 式中= 彘+ 玎k b c 对于不可逆反应，拓叫m 此式表明，当f _ o 时，删与，”有线性关系，由线性部分的斜率和截距可以求出反应速率 常数t 。 2 4 2 计时库仑法( c h r o n o c o u l o m e t r y , c c ) 计时库仑法( c c ) 就是给电极加上一个突然的电位阶跃，使得电极电位由它的还原波前的某一 电位变到远在还原波波峰后的另一个电位，测量由电位阶跃引起的总电量随时间的变化。该方法 是电化学研究体系中用于测定固体电极面积以及研究扩散性质常用的方法之一。 由电位阶跃引起的电流由c o t t r e l l 公式给山： ，( f ) ：n f a d f g 一2 c o + ，+ k ( 1 1 3 ) 叫石f 对上式中时间的增量积分，即可得计时库仑公式： 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 q ：f l d t ：n f a d i o n c of , - 1 2 d l + f l 。d t + p 础出 ( 1 1 4 ) 、，, r g 。 ：2 n f a l c 一* o , f 瓦+ 鳊+ 如( 如：n f a f o ) ( 1 - 1 5 ) 由公式可见电流随r ”增大而降低，而法拉第电流随f ”的增大而增加。电位阶跃过程中总电量( q ) 与时间( f ”) 的关系呈线性，同时可以从q f 1 。直线( a n s o n 计时库仑图) 的斜率计算得到扩散系数 3 二茂铁衍生物的研究概况 3 1 二茂铁的发现、结构及用途 1 9 5 1 年，k e a l y 和p a u s o n 用格氏试剂c 5 h s m g b r 为原料，以f e c l 3 作催化剂合成富瓦烯没有 成功，却意外地制得了二茂铁( f e r r o c e n e ) 。1 9 5 2 年，w i l k i n s o n 及其合作者通过红外光谱、磁化率 以及偶极矩的测定，判定二茂铁具有夹心结构( s a n d w i c hs t r u c t u r e ) ：f i s c h e r 等人通过x 射线衍射 的研究。认为二茂铁具有五角反棱柱的结构。为此f i s c h e r 和w i l k i n s o n 共享了1 9 7 3 年n o b e l 化 学奖。之所以把此殊荣给予了他们，是因为二茂铁结构的确定，有着重要的历史意义。 二茂铁又名二聚环戊二烯合铁，是夹心结构的 i t 型配合物，二 价铁离子被夹在两个平面环之间互为交错构型，f e 2 + 的d 电子( d 6 ) 与两个环戊二烯基负离子提供的电子( 2 6 ) 之和符合1 8 电子规 则，是一种化学性质比较稳定的分子。其亚铁处于激化状态，具 有多种催化特性。 在溶液中二茂铁的两个茂环可以自由旋转，两个环上能引入 一梵话n ” 含有各种配位原子的取代基团，以期得到新的，或具有特殊性能的取代基衍生物。有单取代，单 环二取代，双环二取代等多种取代产物，这些取代基可以相同，也可以不同。由于二茂铁及其衍 生物的独特结构，它们表现出许多特殊的性能：二茂铁衍生物具有疏水性。能顺利通过细胞膜， 与细胞内的各种酶、d n a 、r n a 等物质起作用，因而有可能作为治疗某些疾病的药物；二茂铁 衍生物具有氧化还原可逆性，在生物酶的作用f ，能参与各种代谢作用；二茂铁衍生物具有芳香 性，易于发生取代反应，其夹心结构又具有一定的厚度，能阻止二茂铁衍生物接近某些酶的活性 部位，有选择性：二茂铁衍生物稳定性较好，毒性较低 3 q 。基于以上特点，使二茂铁衍生物具有 多种生理活性如抗肿瘤、杀菌、杀虫、治贫血、抗炎、调节植物生长、抗溃疡、抗痉挛、酶抑制 剂等活性p “4 “，因而二茂铁衍生物在生物学、医学、微生物学等领域得到广泛应用。除此之外， 其应用还涉足于催化剂、电极的修饰、稳定剂、助燃剂、非线性光学、抗老剂等多个领域。目前 不同二茂铁的衍生物已应用于火箭燃料的添加剂、汽油的抗爆剂、紫外光吸收剂、硅树酯橡胶的 熟化剂、航天飞船的外层涂料 4 2 - 4 6 1 等。 早 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 二茂铁及其衍生物之所以得到广泛应用是由结构和性质的特殊性决定的。由于二茂铁及其衍 生物具有稳定性、亲油性、氧化还原可逆性、芳香性、低毒性、疏水性等特点，所以它们具有非 常好的电化学活性和电催化功能。二茂铁及其衍生物的电化学性能在生物传感器、电分析和电催 化等方面具有重要的意义。 3 2 二茂铁衍生物的电化学性质研究 电化学研究法是研究电极与溶液界面间电子传递过程的方法。它的热力学和动力学性质，可 方便地通过电极电位和电流的关系反应山来。用电化学方法研究二茂铁衍生物的氧化还原性质， 这是人们常用且行之有效的方法。 由于二茂铁及衍生物独特的结构一具有氧化还原中心和大的共轭体系，才使其具有良好的 电子传递功能。二茂铁及其衍生物是一类高度富电子体系，热稳定性好，有良好的反应活性，关 于二茂铁及其衍生物的电化学的研究，国内外已有许多报道即4 。近年来，人们对二茂铁及其衍 生物为媒介体的化学修饰电极进行研究的较多：田敏、董绍俊【5 i 】研究了聚合物a q 二甲基二茂铁 修饰微组合电极的电化学行为；彭孝军、王积涛，p h i l i p n b a r t l e t t 等 5 2 , 5 3 研究了二茂铁及其衍生 物作为电子传递体的葡萄糖葡萄糖氧化酶生物传感器的电化学性质：曾陇梅等研究了二茂铁修饰 电极对丙二醛的电催化作用；肖绪瑞、林原 5 4 - 5 6 】研究了二茂铁l b 膜修饰电极的电化学性质；pc p a n d e y r s 7 j 等研究了用溶胶固定二茂铁及其衍生物的新型固态传感器的电化学性能，文献4 8 。删也研 究了二茂铁衍生物修饰电极的电化学行为。二茂铁及其衍生物是良好的电子转移介体，这类化合 物修饰电极的特征是膜中有氧化还原中心，在电位扫描过程中能加速电化学氧化还原反应，还能 改变反应物的反应速率7 ”。有关二茂铁及其衍生物在均相介质中的电化学行为研究也有文献报道 7 2 , 7 3 1 。 4 生物药物小分子的电化学研究 生物，药物小分子在生命过程中扮演着十分重要的角色。生物体内的许多过程以及生物药物 小分子在体内的代谢过程都伴随着电荷传递，其实质是发生的氧化还原反应。在生命过程中无 论是能量转换还是神经传导，无论是光合作用还是呼吸过程，甚至生命的起源、大脑的思维、基 因的遗传、癌症的防治都离不开这个重要环节【“7 ”。但该类反应通常并非直接发生，而是通过酶 催化的电子传递反应及许多其他过程来实现的。因此运用电化学手段研究生物药物分子的电子传 递过程，引起国内外化学家和生物化学家的广泛关注，生物药物小分子和电极之间的电子传递过 程更接近生物氧化还原系统的原始模型【”。首先，电化学和生物药物小分子的电子传递过程或 氧化还原反应均包含异相的电子传递过程；电化学过程发生在电极一溶液界面，而生物氧化还原 过程则发生在生物分子一体液之间；其次，电化学反应能模拟生物氧化还原反应的条件( 即形成仿 生界面) ：如可将p h 值、离子强度、温度、反应进行的非水环境等调节至生理状态；最后，进行 电子传递之前，蛋白质的亚基分子以特殊构象定位于电极表面，而在生物体内，定位于酶的活性 位点。实现生物分子与电极之间电子转移必须将生物药物分子的电化学活性中心与电极距离缩短 到i n m ，或使生物药物小分子与电极表面活性基团键台，以形成电子传输通道。 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 利用现代电化学手段研究这类反应，可以提供关于这类反应的较多信息，如可以精确测定在 某一特定电位下有多少电子参与电荷传递；可以检测出很多不稳定的中间体或产物；也可以检验 各种不同条件对电荷的影响；生物药物分子氧化还原电子转移反应的机理，以及生物分子电催化 反应机理等。本论文所研究的生物药物分子有半胱氨酸、异烟胼以及苦参类生物碱。 5 二茂铁衍生物对生物药物小分子的电催化氧化 在研究生物药物分子电化学反应的过程中，发现许多生物药物小分子在金属电极上的电化 学反应往往迟缓，过电位高，因此利用电催化反应提高生物药物小分子与电极之间电子传递的速 率是解决这个问题的有效途径【7 。”。在7 0 8 0 年代，生物药物分子电化学反应的研究集中于发现 能加速生物药物分子电化学反应的催化剂及研究其催化机理【7 8 ，。催化剂可以用来修饰电极表面 或对电极进行处理，也可加入到溶液中，以加快氧化还原生物药物小分子与电极之间的电子转移。 媒介体( 也就是催化生物分子氧化还原的催化剂) 在所研究的电位范围内是具电活性的；通过加到