（物理化学专业论文）碳原子线修饰电极对肾上腺素及尿酸的电催化作用.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：童j 建监 日期：立出抖 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：量2 堑揭 日期：婴斟 摘要 摘要 本文报告碳原子线( c a r b o na t o mw i r e s ，简写为c a w s ) 修饰电极对肾上腺素 和尿酸的电催化作用。肾上腺素和尿酸是人体内的生理活性物质，研究它们的电 化学反应对深入研究生命科学和医药科学具有十分重要的意义。 利用循环伏安法、紫外可见吸收光谱法和强制对流法研究了肾上腺素在碳原 子线修饰电极上的电化学行为和反应机理。与裸玻碳电极相比，硝酸处理的碳原 子线修饰玻碳电极在含有lm m o l l 肾上腺素的0 5m o l l h 2 s 0 4 水溶液中的循环 伏安曲线上的氧化峰电位昂。负移8 7 m v ，还原峰电位e 品正移1 3 9 m v ，氧化峰 电流粕和还原峰电流k 分别增加5 6 倍和1 6 4 倍。由强制对流法测得，在o 5 m o l lh 2 s 0 4 水溶液中、硝酸处理过的碳原子线修饰电极上，肾上腺素氧化成肾 上腺素醌的异相电子传递标准速率常数妒相对于裸电极增大1 6 倍，这些结果表 明碳原子线对于肾上腺素的电极过程具有非常高的电催化活性。通过循环伏安法 结合紫外可见吸收光谱研究了肾上腺素的电极过程的反应机理。结果表明，肾上 腺素的氧化还原过程比较复杂，在反应过程中除了电极上的多步电子转移外，还 伴随有化学反应，并且在一些反应步骤中有 r 的参与，因此，肾上腺素的循环 伏安曲线上的电化学响应与扫描速率及介质的p h 值密切相关。碳原子线修饰电 极上的。肾上腺素的循环伏安实验还表明，其氧化还原峰电流与其浓度在 l x l 0 - 4 _ l x l 0 五m o l l 范围内成线性关系，因此碳原子线修饰电极可用于肾上腺素 的电分析，检测限为2 1 0 4m o l l 。 本文利用差分脉冲伏安法研究了尿酸在不同电解质溶液中的电化学行为，显 示碳原子线修饰电极对尿酸的电化学过程具有很好的催化作用。此外，本文还研 究了p h 在碳原子线修饰电极对尿酸电催化作用过程中的影响，结果表明，在p h = 4 曲的范围内，氧化峰电位昂。与p h 成线性关系，其线性方程的斜率表明，在 该电极反应过程中有相同数目的质子和电子参与电极反应。由实验还测得，碳原 子线修饰电极的氧化峰电流与扫描速率的平方根成正比，说明该电极反应受扩散 控制。 关键词碳原子线修饰电极 肾上腺素尿酸 4 a b s t r a c t a b s t r a c t a ni n v e s t i g a t i o nw a sc a r r i e do u to ne l e c t r o c a t a l y s i so ft h ec a w ( c a r b o na t o m w i r e ) m o d i f i e de l e c t r o d et ot h ee l e c t r o c h e m i c a lr e d o xo fa d r e n a l i n ea n du r i ca c i d ， a c t i v ep h y s i o l o g i c a ls u b s t a n c e si n s i d et h eh u m a nb o d y , d u et ot h e i ri m p o r t a n tp a r t p l a y e di nl i f ea n dm e d i c a ls c i e n c e s c y c l i cv o l t a m m e t r y c o m b i n e dw i mu v - v i s s p e c t r o m e t r y , a n d t h ef o r c e d c o n v e c t i o nm e t h o dw e r ea p p l i e di nt h ei n v e s t i g a t i o n a st ot h ee l e c t r o c h e m i c a l r e s p o n s eo fr e d o xo fa d r e n a l i n e a d r e n a l i n e q u i n o n ec o u p l ei n0 5 0m o l lh 2 s 0 4 ，a ta n i t r i ca c i dt r e a t e dc k 啭m o d i f i e de l e c t r o d e t h ea n o d i ca n dc a t h o d i cp e a kp o t e n t i a l s e d aa n de p cs h i f t e db y8 7m vn e g a t i v e l ya n d1 3 9m v i nt h ep o s i t i v ed i r e c t i o n , t h e a n o d i ca n dc a t h o d i cp e a kc u r r e n tka n dki n c r e a s e db y5 6a n d1 6 4t i m e s r e s p e c t i v e l y , a n ds t a n d a r dh e t e r o g e n e o u sr a t ec o n s t a n t i n c r e a s e db y1 6t i m e s c o m p a r e dt ot h ec o r r e s p o n d i n gb a r ee l e c t r o d e ，i n d i c a t i n gt h ee x t r a o r d i n a r ya c t i v i t yo f c a w si ne l e c t r o c a t a l y s i sf o rt h ep r o c e s s t h er e d o xp r o c e s so f a d r e n a l i n ei n v e s t i g a t e d b yc y c l i cv o l t a m m e t r yc o m b i n e dw i t hu v - v i ss p e c t r o m e t r y , i sr a t h e rc o m p l i c a t e d i n v o l v i n ge l e c t r o nt r a n s f e r sc o u p l e dw i t hc h e m i c a lr e a c t i o n s a n ds t r o n g l ya f f e c t e db y t h es c a nr a t ea n dt h ep hv a l u ei nm e d i u md u et o 小i n v o l v e m e n ti ns o m es t e p s i tw a s a l s of o u n dt l l a tt h ea n o d i cp e a kc u r r e n to nc v so fa d r e n a l i n ei ns o l u t i o n sw i t h d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sa tt h ec a wm o d i f i e de l e c t r o d eh a da l le x c e l l e n tl i n e a r r e l a t i o nw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fa d r e n a l i n ew i t h i nt h er a n g eo f1 0 x 1 0 _ 4 1 0 x 1 0 - 2 m o l l w i t ht h ed e t e c t i o nl i m i to f2 0 x 1 0 4m o l l ，i m p l y i n gt h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n o f t h em o d i f i e de l e c t r o d ei nd e t e r m i n a t i o no f a d r e n a l i n e n l ce l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fu r i ca c i da tt h ec a wm o d i f i e de l e c t r o d ei n d i f f e r e n te l e c t r o l y t e sw a si n v e s t i g a t e db yd i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y , s h o w i n gh i g h e l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yo f t h em o d i f i e de l e c t r o d ei nt h er e d o xo fu r i ca c i d t h es l o pi n t h el i n e a rr e l a t i o n s h i po f a n o d i cp e a kp o t e n t i a l sa n dp hv a l u e s ，i nt h er a n g eo f p h 2 4 - - 9 ， o b t a i n e df r o mc v so fu r i ca c i di ns o l u t i o n sw i t hd i f f e r e n tp hv a l u e sa tt h ec a w m o d i f i e de l e c t r o d e ，s u g g e s t e dt h a tt h ee l e c t r o d er e a c t i o ni n v o l v e dt h es a m en u m b e r so f p r o t o na n de l e c t r o n t h el i n e a rd e p e n d e n c eo f a n o d i cp e a kc u r r e n t so nt h es q u a r er o o t o fs c a nr a t e ss h o w e dt h er e d o xo f u r i ca c i da sad i f f u s i o nc o n t r o l l e dp r o c e s s k e y w o r d s ： c a r b o na t o mw i r e s ( c a w s ) ； a d r e n a l i n e ( e p ) ； 5 m o d i f i e de l e c t r o d e ： u r i ca c i d ( u a ) 第一章绪论 第一章绪论 四年前，我们课题组尝试用固态碳源，如天然高分子淀粉、纤维素制备碳纳 米管时，无意中发现碳原子线这种物质。几年来，我们一直致力于对它的形貌、 结构、组成和性质的表征，积极开发它的应用，己初步取得一些成果。何春建、 陶菲菲、沈伟对碳原子线的形貌进行了表征，发现碳原子线尺寸小，具有极大的 比表面积，用作修饰电极材料会很理想。因此，陶菲菲，徐雯将碳原子线作为电 极修饰剂进行电催化方面的研究，研究结果表明，碳原子线对许多生物分子具有 电催化作用，例如多巴胺【1 】、n a d h 2 、抗坏血酸【3 】、对苯二酚【4 】等。而肾上 腺素和尿酸作为人体内的重要生物分子，研究它们的电催化反应在临床医学方面 具有重大意义。因此本文主要研究碳原子线修饰电极对肾上腺素和尿酸的电催化 作用 1 1 化学修饰电极 化学修饰电极( 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 s ，c m e ) 是7 0 年代发展起来的 - - f j 新兴的、也是目前最活跃的电化学和电分析化学的研究领域之一。在常规电 极表面涂敷一层单分子的、多分子的、离子的或聚合物薄膜，从而赋予电极新的、 特定的功能，这类电极称为化学修饰电极。化学修饰电极通过对电极表面的分子 剪裁，可按意图给电极预定功能，以便在其上有选择地进行所期望反应，在分子 水平上实现电极功能设计。研究这种人为设计和制作的电极表面微结构和其界面 反应，不仅对电极过程动力学理论的发展是种新的推动，同时它显示出了催化、 光电、电色、富集和分离、分子识别等效应和功能，使整个化学领域的发展显示 出灿烂前景。 1 1 1 化学修饰电极的发展过程 1 9 7 3 年，l a n e 和h u b b a r d 【5 】通过改变电极电位调制化学吸附在电极表面上 的基团的配位能力，开辟了改变电极表面结构以控制电化学反应过程的新概念， 标志着化学修饰电极的萌芽。 1 9 7 5 年，m i l l e r 6 和m u r r a y 分别独立地报导了根据人为设计对电极表面 6 第一章绪论 进行化学修饰的研究，标志着化学修饰电极的正式问世。m i l l e r 等的研究首次表 明，通过电极表面的修饰，可将电极表面导向选择合成的途径。与此同时，m u r r a y 课题组研究出用共价键合进行电极表面修饰的通用方法，并首次提出“化学修饰 电极”这一称谓，对该领域的早期研究产生了强烈的影响。 化学修饰电极的兴起与其他学科相似，受到各种谱学技术不断发展的促进。 初期，化学修饰电极的研究采用含有电活性的修饰膜，这样可利用电分析化学方 法对电极表面的修饰过程和表面结构进行现场监测和表征。到8 0 年代初，光谱 电化学研究大力发展了红外反射一吸收光谱( i r a s ) 【8 】和表面增强拉曼光谱 ( s e r s ) ，特别有利于在电化学反应的过程中，对电极表面微结构进行现场研究。 随着谱学技术的研究不断向前推进，能用于电化学现场测定的物理方法也明显增 多。如电子自旋共振谱( e s r ) 【9 】、穆斯堡尔谱( m o s s b a u r ) 【l o l 、二次离子质 谱( s i m s ) 1 1 1 、x - 射线衍射 1 2 】、e x a f s ( e x t e n d e dx - r a ya b s o r p t i o nf m c s t r u c t u r e ) 等。近期出现的石英晶体微天平和扫描隧道显微镜( s t m ) 【1 3 】可以对电极表面 结构进行微观、实时地观测。预计不久的将来，利用各种交叉科学技术进行电化 学现场观测的方法，将对化学修饰电极的微结构特征有更全面的认识，从而推动 化学修饰电极研究的迅速发展。 1 1 2 化学修饰电极的制备和类型 按照化学修饰电极表面上微结构的尺度分类，有单分子层( 包括亚单分子层) 和多分子层( 以聚合物薄膜为主) 两大类型，此外还有组合型等。 电极表面的修饰方法依其类型、功能和基底电极材料的性质和要求而不同。 目前已发展了许多有效地制备单分子层和多分予层修饰电极的方法。制备单分子 层的主要方法有共价键合法、吸附法、欠电位沉积法、l b ( l a n g m u i r - b l o d g e t t ) 膜法和s a ( s e l f - a s s e m b l i n g ) 膜法。制备多分子层修饰电极的主要方法是聚合 物薄膜法，还有气相沉积法。 1 1 3 化学修饰电极的应用 自修饰电极问世以来，化学修饰电极被广泛应用于电化学催化、电化学发光、 配位化学和电分析化学等研究领域。主要应用于以下几个方面： 7 第一章绪论 1 , 1 3 1 电化学传感器 化学修饰电极能用作各种电化学传感器。如林祥钦等 1 4 1 用电化学沉积的混 合金属六氰合铁酸盐修饰电极能在p h 4 1 0 间对f e 3 + f e 2 + 电对有良好的电催化作 用。n a t i o n 修饰电极可用做雷尼替丁的电位传感器。巯基吡啶自组装金电极可以 在d a 不干扰下测定a a 0 5 ，碳纳米管修饰电极广泛用于腺嘌呤 1 6 】、多巴胺 【1 7 】、氧化氮【1 8 】等的测定。 1 1 3 2 溶出伏安法、电位溶出法中的应用 当修饰剂为具有配位能力的有机物或聚合物时，修饰电极便可以用于溶出伏 安法、电位溶出法的工作电极，它能大大提高富集能力，从而提高测定灵敏度。 如在铂电极上吸附碘制成的修饰电极，采用微分双脉冲伏安法可灵敏测定多巴胺 【1 9 】。用2 羟基3 ( - - 7 胺) 丙基烷基硫醚( h t p s d ) 修饰玻碳电极对痕量金( ) 进行溶出伏安测定【2 0 】，其检出限可达l x l 0 4 m o l l 。使用卟啉修饰电极 2 1 n - j 以 对z n ( i i ) ，c u ( i i ) ，c d ( i i ) 和p b ( ) 进行电位溶出分析，重现性和灵敏度均较好。 1 1 3 3 化学修饰生物传感器 这种传感器主要包括酶、复合酶、微生物、组织传感器等。主要是把对生理 功能有响应的最小单位( 如酶、抗体等) 引入电极，以研究生理功能。唐芳琼等 【2 2 】用超细金一银复合颗粒来固定葡萄糖氧化酶，构建的葡萄糖生物传感器能大 幅度提高固定化酶的催化活性，响应电流也从相应浓度的几十纳安增加到几万纳 安。这方面的研究已受广泛关注 2 3 ，2 4 。 1 1 3 4 光电联用技术中的应用 这方面的研究主要在光谱电化学领域，采用电化学激励信号，用光谱技术来 监测体系对电激发信号的响应，能进行现场分析得到多种信息，如电极过程的机 理，电极表面特性，反应中间体、瞬间状态和产物的性质及电子转移系数等。如 冶保献【2 5 】等用电化学方法和光谱化学方法详细研究多巴胺在玻碳电极表面的 反应机理，结果表明d a 的电氧化是一个单电子转移过程而不是一个双电子转移 过程，而且证明在此过程中有半醌自由基中间体存在，并用电化学手段测定了电 极反应动力学参数。焦奎等 2 6 】用紫外一可见漳层光谱电化学研究了苯二胺的动 8 第一章绪论 力学修饰式量电位e 和传递系数a 等热力学参数。 1 1 3 5 流动体系中的应用 化学修饰电极的电催化性能很适合用于流动注射( f i a ) 和液相色谱的电化学 检测( l c e c ) 。如用聚苯胺修饰铂电极作为h p l c 的电流检测器，来测定维生素c ， 可以大大提高测定灵敏度【2 7 】。 1 1 4 化学修饰电极的展望 展望2 1 世纪，随着超高灵敏技术的提高和现场方法的应用，化学修饰电极 表面将成为化学学科研究的实验场所。在电极电解液界面区设计和组装人工模 型膜，以推动电极过程动力学的基础理论发展，开拓电催化的新领域。此外，化 学修饰电极将着重研究生命科学中的有关问题，以及在极端条件和特殊需要下的 检测，拓宽化学修饰电极在近代分析化学中的应用范围。化学修饰电极与超微电 极和微电子技术以及化学计量学相结合，将在分子电子器件等高科技领域发挥重 要作用。 1 2 碳原子线( c a r b o na t o mw i r e s ) 碳原子线是我们课题组近年来研制出的一种新型碳材料。从外观上看，碳原 子线是一种非常细的黑色粉末，但在高分辨透射电子显微镜( h r t e m ) 2 5 0 万 倍下观测，可以看到它是直径接近一个碳原子的无序线状物。由于h r t e m 观测 的样品是无序的、多方向的，呈现于视野中的线状物直径均一，说明该实物的实 际形状是截面为圆形的线状物通过光电子能谱( x p s ) 和元素分析表明该样品 主要是碳( 9 2 4 w t ) ，也含有少量的氧( 5 6 w t ) 和氢( 2 0 w c a ) ，故该线状物 为碳的线状物，我们称其为碳原子线。 通过红外光谱、紫外可见光谱、拉曼光谱等多种手段进行表征，与文献相比 较，确认该物质确实是以s p 杂化键合的碳的同素异形体。每个碳原子的4 个价 电子中，2 个电子以s p 杂化形式与相邻近的两个碳原予以。键相连，余下的两 个p 电子与碳链中其它碳原子的p 电子形成共轭大键，其结构如下： 9 第一章绪论 一c c c c c c c c 一c c c c c c c c 一 除此之外，通过红外光谱和化学分析可知，碳原子线特别是经硝酸处理的碳 原子线含有一些官能团，如羟基、羧基等。这些官能团能有效促使电子转移，因 而具有较好的电催化作用。实验结果表明碳原子线对多巴胺【l 】、n a d h 2 、抗 坏血酸1 3 3 、对苯二酚 4 - 1 、肾上腺素、尿酸等都有突出的催化效果，而且碳原 子线修饰电极能同时测定抗坏血酸和多巴胺 2 8 1 ，并能同时测定苯二酚的同分异 构体。另外，碳原子线的生物相容性好，具有抗凝血性，对血液、尿液、胆汁等 体液具有极大的抗蚀作用，因此具有用作生物医药材料的应用前景。 1 3 肾上腺素及其电化学研究现状 肾上腺素( e p i n e p h r i n e ，商业名为a d r e n a l i n e ) 是一种激素，在本世纪初首先 e ht a k a m i n e 等人【2 9 】从肾上腺的提取物中分离出来。作为一种生理活性物质，它 具有重要的生理功能和药理特性 3 0 ，3 1 ，3 2 】。它作用于中枢神经系统，提高其兴 奋性，使机体警觉性提高，反应更灵敏，进而引起心血管、内脏平滑肌物质和能 量代谢的相应变化【3 3 】。肾上腺素在各种生理液，如血、尿、脑脊液中均能检测 到它的存在。它属于儿茶酚胺类物质，是哺乳动物和人类的一种神经传递物质。 与去甲肾上腺素相似，为交感神经节后纤维化学传导介质的成分之一，起着传导 神经冲动的副作用。肾上腺素在临床上有很多应用，例如可用于过敏性休克，支 气管哮喘及心搏骤停的抢救等，与局部麻醉药合用可以减少麻醉药的吸收而延长 其药效，并减少手术部位的出血；肾上腺素的含量还可以作为病人蛛网膜出血、 嗜铬细胞瘤等疾病的诊断标准。所以，对肾上腺素性质的研究对医学和生命科学 有一定的意义，二十世纪以来一直为人们所关注【3 4 】。 肾上腺素的结构中含有两个邻位的羟基，使得肾上腺素易失去电子被氧化。 它可被氧气及一些金属离子氧化，也可直接进行电化学氧化。而神经化学过程实 l o 第一章绪论 质就是有机电化学过程【3 5 】，所以，用电化学方法研究不仅成为可能，而且可在 模拟生理环境条件下 3 6 1 研究肾上腺素的电氧化特性，还将有助于了解有关神经 递质途径及取代基的影响；对于肾上腺素在体电化学测定及其电分析化学中的应 用也具有一定指导意义。 肾上腺素具有电化学活性，适合于电化学研究。另外，根据文献 3 7 ，3 8 ，肾 上腺素、肾上腺素醌、无色肾上腺素红、肾上腺素红的吸收峰分别位于7 l = 2 9 0n l n 、 2 忙- 3 8 0n m 、l = 3 1 0n n l 、l = 4 7 0 5 2 5n m 。因此，为通过紫外吸收光谱测定肾上腺 素的电化学反应中间体及产物提供了方便。 多年来，虽然人们对肾上腺素的物理化学性质与生理作用有许多研究，但有 关其动力学方面的研究仍甚少。 2 0 世纪6 0 年代末，m d h a w l e y 3 9 和b r u n 4 0 等人采用纯电化学方法在碳 糊电极上，不同p h 介质中研究了它的氧化机理，提出了基本的反应模式。在此 之后，人们又对肾上腺素的电氧化机理进行了进一步的研究。在肾上腺素氧化还 原的动力学方面，e m e n t a s t i 等人【4 1 】用流动法技术研究了f e ( i i d 与肾上腺素 反应的动力学，提出了氧化反应的机理，找出了氧化反应的速率公式，测定了式 电极电位，准一级速率常数以及二级速率常数。在国内，张一宝、戴建波等人 4 2 , 4 3 】 利用紫外吸收光谱法结合计算机模拟研究了肾上腺素在c u ( n ) 离子催化下，用 h 2 0 2 氧化产生肾上腺素红及进一步反应的动力学，考察了有关反应的速率随体 系中肾上腺素的初始浓度，c u ( n ) 离子的浓度和h 2 0 2 浓度的变化情况，并提出有 关反应可能的机理，半定量地解释了相应的动力学行为。文献 4 4 ，4 5 用玻碳电极 对肾上腺素电氧化反应进行了深入细致的研究，考察了肾上腺素本体浓度及p h 对其峰参数的影响，讨论了几种可能的反应机理，并求出了一些重要的动力学参 数。丁世家、张祖训 4 6 】用线性变位极谱法研究了c u ( i i ) 一l 一肾上腺素在p h 为 6 9 的b r 缓冲溶液中的配位吸附波，对极谱波电流，电位性质和电极反应机理 进行了探讨。沈报恩、王桂良等人 4 7 1 用电化学与紫外可见光谱联用技术，以石 英玻璃上沉积薄层金膜制成的透光电极为工作电极，研究了肾上腺素的电化学氧 化反应，在强酸性溶液中电极反应产物确认为醌式肾上腺素，而在p h = 3 5 - - 4 5 的介质中，电极反应的初级产物发生后继化学反应，生成肾上腺素红；由单电位 阶跃计时吸收法测定了后继反应的动力学，其表观速率常数随介质p h 值的升高 第一章绪论 而增大，初级氧化产物的脱质子反应可能是一系列后继化学反应中的控制步骤。 文献【4 8 】在o 5m o l lh 2 s 0 4 - - d m s o 、b r 缓冲溶液- - d m s o 混合体系中研究了 铂电极对肾上腺素的电催化行为，揭示了d m s o 稳定肾上腺素的机制，拓宽了 人们对肾上腺素电化学性质的认识，为提高肾上腺素在医药上的实用性方面提供 了有益的启示。文献 4 9 1 研究了物理预处理玻碳电极对肾上腺素的电催化反应， 不仅为肾上腺素的电化学研究提供了一条新的更为简便的方法，而且也进一步加 深人们对肾上腺素电化学性质的认识。张占军，李经建等人 5 0 】用快速扫描循环 伏安法研究了肾上腺素的电氧化过程，发现肾上腺素在1 0m o l lh 2 s 0 4 溶液中 具有扩散控制的基本特征，并伴随着电活性质粒的弱吸附现象，当肾上腺素的浓 度低于1 0 x 1 0 - 3m o l l 时，吸附现象就趋于显现出来，并估算了肾上腺素电氧化 过程的传递系数a 和电化学反应速率常数1 【。 但是，至今采用修饰电极来研究肾上腺素的报道尚不多。孙元喜 s h 等利用 聚中性红膜修饰电极同时测定了多巴胺及肾上腺素，基本上消除了抗坏血酸对 d a 及肾上腺素测定的干扰。唐平【5 2 】等用干燥吸附法制备了脱氧核糖核酸( d n a ) 修饰金电极，采用循环伏安法、计时库仑法、微分脉冲伏安法、交流阻抗法以及 紫外光谱法研究了p b 2 + 存在下肾上腺素( e p ) 在该电极上的伏安行为，发现无p b 2 + 的情况下，e p 与d n a 的结合是e p 嵌入d n a 中为主并兼有一定程度的静电吸 附，有p b 2 + 存在时，e p p b 2 + 嵌入d n a 的双螺旋结构中和通过静电吸附在d n a 骨架的p b 2 + 为桥梁与d n a 结合，并且提高了灵敏度。文献 5 3 1 用n a n o g o l d 州g ) 修饰玻碳电极，在抗坏血酸共存下选择性测定肾上腺素，不仅有效地消除了高含 量a a 的干扰，而且大大降低了电极的本底噪音，使电极对e p 的灵敏度大大提 高。何星存 5 4 】等采用了导数伏安法研究了肾上腺素在2 ，6 吡啶二甲酸修饰玻碳 电极上的电化学性质，完全消除了抗坏血酸的影响，提高了肾上腺素的检测灵敏 度。文献f 5 5 】研究了肾上腺素在高半胱氨酸自组装电极上，用红外光谱和交流阻 抗研究了肾上腺素在a a 存在下的电化学行为，提高了肾上腺素检测的灵敏度。 龚毅 5 6 】等研究了配位聚合物锇一聚乙烯吲哚和n a t i o n 双层膜修饰玻碳电极对肾 上腺素的电化学响应，排除了a a 的干扰，该修饰电极对肾上腺素具有催化氧化 作用，拓宽了电分析化学的应用范围。新研制的用于测定多巴胺、肾上腺素等神 经递质的修饰电极，还有n a t i o n 聚合物膜修饰电极 5 7 】，聚吲哚乙酸修饰电极 1 2 第一章绪论 【5 8 】，亚甲绿碳糊修饰电极 5 9 】，聚对氨基吡啶化学修饰电极【6 0 】等。a h m e d g a l a l 6 1 用电化学方法制备导电聚合物聚3 一甲基噻吩电极，并在此电极基础上 将二茂铁媒介体修饰到电极上，提高了对有机生物分子( 对苯二酚、。肾上腺素、 多巴胺及抗坏血酸等) 的电化学测量灵敏度。 1 4 尿酸及其电化学研究现状 尿酸( 2 ，4 ，6 三羟基嘌呤) 是人体内嘌呤代谢的最终产物。在正常情况下含量相 对稳定，但在病理情况下，含量常发生交化，因此，检测尿酸可以间接反映出与 嘌呤代谢有关的一些疾病，如痛风和l e s c h - - n y h a n 综合症。痛风是由于尿酸盐 晶体在关节、软组织、内鳃囊和筋等位置沉积所致：而l e s c h - n y h 吼综合症是 x 线性染色体杂乱导致的次黄嘌呤鸟苷转让酶缺乏。高尿酸血( 血液中尿酸浓度 升高) 预示着某些疾病，如肾脏损伤、白血病和肺炎等发生。测定血液或尿中的 尿酸水平可以确诊这些疾病的存在健康成年人正常尿酸的水平为血清中 0 1 5 加4 m m o v l 、尿液中2 5 0 - - 7 5 0 m g l ( 1 4 9 - - 4 4 6 m m o l l 2 4 h ) 。 生活污水中尿酸浓度在0 2 - , 1 0r n g , l 之间，尿酸可通过氧化和水解而发生降 解，因而造成的污染并不大。 尿酸 6 2 】在商业上主要用于制备尿素，阿脲，双阿尿，7 , - - 酰尿，骨螺紫和 其它衍生物。尿酸内服，可治疗心水肿，肺结核，妄想症等等，外用可治疗痛风。 4 的尿酸铵软膏可用于慢性湿疹的治疗，内服也可治疗咳嗽和流行性感冒。 另外，因其具有紫外吸收的功能，所以o 0 3 5 , 0 2 的尿酸己广泛用于香波 和其它光敏感的化妆品中，起稳定颜色的作用。 尿酸往往不是单独存在的，因此尿酸的测定经常受到同类物质的干扰，这就 要求我们或者分离后测定，或者采取适当的方法和技术能够在混合状态时测定。 尿酸当前的主要分析方法有高效液相色谱( h p l c ) 、传感器法、酶法、电化学分 析法和光度法等。 高效液相色谱法高效、迅速、方便，且能实现分离测定，目前是应用最为广 泛的一种。许素菊、柳天平等 6 3 】用高效液相色谱法测定了脑脊液中的尿酸、次 黄嘌呤及黄嘌呤。c z a u d e r n a m 6 4 等做了血液中尿囊素、尿酸、黄嘌呤和次黄嘌 呤共存时h p l c 测定，其校正曲线为6 - - 1 4 2 1 m a o f l ；e f l i g ，a w h e r m a n n 【6 5 】 第一章绪论 等测定了生物体液中的尿酸，其尿酸校正曲线为2 5 2 5 0 0 p m o l l ，周永国 6 6 】以 0 0 2 m o l l k h 2 p 0 4 ( p h = 6 5 ) 为流动相，用h p l c 法同时测定了血清中肌酸、尿酸 和肌肝，这三种物质可在2 r a i n 内分离，其中尿酸的检出限为o 2 1 p g m l 。 近年来传感器用来测定尿酸的报导较多，王氢、邓家祺等【6 7 】用鱼肝、生姜 和生姜粉末制成的组织传感器测定了血浆中尿酸，并同时测定了过氧化氢； u e h i y a m as 等 6 8 1 用二硫苏糖醇化学放大尿酸传感器的响应的方法测定尿酸，当 在l l m a o l l 尿酸中加入5 0 m m o l l 题示糖醇时，其放大因子为1 3 3 ，含5 0 m m o l l 题示糖醇时，尿酸的检出限为8 0 m m o l l ；m a tg i l m a r t i n ，je h a r t 等【6 9 】研制 了化学修饰石墨一环氧树脂和含酞菁钴筛析一印刷电极的电流传感器，制各该电 极并研究其电化学性质，通过尿酸与尿酸酶反应生成h 2 0 2 的性质间接测定尿酸； m a e e l m o s a l - l a n g 等【7 0 】应用新的尿酸电位膜传感器来测定血清和尿中的尿 酸，对尿酸氢离子的能斯特反应范围为0 0 1 m o l l 0 1 0 m o l l ，此法可用来测定 尿、血清、及商品试样；刘宝红，胡仁其等【7 1 】以t 氧化铝固定尿酸氧化酶的尿 酸传感器测定尿酸，检出限为2 0 x 1 0 币m o l l ，其线性范围为1 0 x 1 0 4 - 7 5 x 1 0 4 m o l l ：i c m i t s u b a y a s h i 等【7 2 】用生物传感器法和离子选择电极法测定汗中 的尿酸，从而由代谢物衡量身体状况。 y k a y a m o r i ，y k a t a y a m a 7 3 用能产生水溶性甲基染料的新四唑盐酶来测定 血清中的尿酸；d a h u l l i n 等【7 4 】研究了胆红素对尿酸酶过氧化酶偶合反应的影 响，并对临床样品中尿酸进行测量，并评价了外在质量关系。酶反应的选择性为 最好，其反应机理是在尿酸酶的存在下，借助溶氧将尿酸转化成尿素。基于检测 此反应过程尿酸在2 9 2 n m 处吸光度的降低( 尿酸酶在2 9 3 n m 处不产生光吸收) 的 比色法( 分光光度法) 和检测反应过程的电流变化的酶电极( 电化学方法生物传感 器) 得到发展并在临床得到应用 7 5 ，7 6 ，7 7 ，7 8 。这类方法的主要缺点是必须把样品 中的蛋白质分解并保持测定过程溶氧恒定。m a t s u b a r a e 等 7 9 1 用肽0 v ) 卟啉配合 物分光光度测定血清中的尿酸，具体方法是将血清与水，尿酶和p h8 2 的h 3 8 0 3 缓冲液混合等处理后，于4 3 2 n m 相对水测吸光度，扣1 0 0 肛m o l l 尿酸的校正曲线 呈直线。m h a b d e l h a y 等【8 0 】分别测量2 8 4 n m 一阶导数信号和2 9 3 n m 二阶导 数信号，用分光光度法测定混合物和尿中的尿酸。吴辉、夏寿阳等【8 1 】利用尿酸 与二氯苯醌氯亚胺在碱性条件下生成黄色复合物的性质，在4 4 0 n m 处用分光光 1 4 第一章绪论 度法测定尿中尿酸的含量。 伏安法测定尿酸时，存在的主要问题就是共存物质( 主要是抗坏血酸，神经 递质如多巴胺和多种氨基酸) 的干扰，因为它们的氧化还原电位几乎相同。2 0 世 纪7 0 年代后期化学修饰电极的出现，为解决这一问题提供了希望。在电极表面 修饰一层化学物质分子，赋予电极以特定的性质，能有效地降低某些氧化还原物 质的过电位，从而达到分离或同时测定的目的。例如，穆绍林等 8 2 1 利用聚吡咯 尿酸酶电极的生物电化学活性，测定了人体血液中的尿酸的含量。s p a r l o c k l d 等 8 3 1 用电聚合法将腺苷、腺苷一5 一三磷酸，次黄苷模链超薄过氧化吡咯膜沉积 于玻碳电极上，用慢伏安法研究电极对六胺钌、尿酸、腺嘌呤的选择性与灵敏度。 c a ix i a o h u a ，k k a l c h e r 等 8 q 用预阳化碳糊电极，差示脉冲伏安法测定了尿和血 清中的尿酸。 随着研究的进展，发现病人血清中尿酸含量的增长与高血压和局部缺血性心 脏病有关尽管尿酸增高与局部缺血性心脏病关系的生物机理还不能确定，但对 尿酸的检测以提出在线分析的要求。在线分析必须使用微电极，最近，a n g n e s 等 8 5 1 发表了他们的研究成果，他们将钯电沉积在金微电极上，借助流动注射分 析法测定尿酸在该微电极上的氧化电流，检测尿酸的线性范围为2 0 x 1 0 - 6m o l l 1 0 1 0 4m o 儿。 1 5 本论文的主要研究内容及创新 我的论文工作主要包括碳原子线修饰电极对。肾上腺素和尿酸两种生物物质 的电催化作用研究。 1 5 1 碳原子线修饰电极对肾上腺素的电催化作用 利用循环伏安法、紫外可见吸收光谱法和强制对流法研究了肾上腺素在碳原 子线修饰电极上的电化学行为。与裸玻碳电极相比，经硝酸处理的碳原子线修饰 玻碳电极在含有lm m o l l 肾上腺素的0 5 m o l l h 2 s 0 4 水溶液中的循环伏安曲线 上的氧化峰电位负移8 7m v ，还原峰电位正移1 3 9m v ，氧化峰电流k 和还原峰电流k 分别增加5 6 倍和1 6 4 倍。而峰间距易= 弓。一昂产2 8m v ， 远小于裸玻碳电极的峰间距a e p = 2 5 4m v ，也小于未处理的c a w 修饰玻碳电极 的峰间距e 产4 7m v 。这些都定性地表明了碳原子线尤其是硝酸处理过的碳原 第一章绪论 子线修饰电极对肾上腺素的电化学过程具有很好的催化作用。 通过循环伏安法结合紫外可见吸收光谱研究了肾上腺素的电极过程的反应 机理。结果表明，肾上腺素的氧化还原过程比较复杂，在反应过程中除了电极上 的多步电子转移外，还伴随有化学反应，并且在一些反应步骤中有h + 的参与， 因此，肾上腺素的循环伏安曲线上的电化学响应与扫描速率及介质的p h 值密切 相关。 碳原子线修饰电极上的肾上腺素的循环伏安实验还表明，其氧化还原峰电流 与其浓度在l x l 0 4 1 1 0 - 2 m o l l 范围内成线性关系，因此碳原子线修饰电极可用 于肾上腺素的电分析，检测限为2 x 1 0 4m o l l 。 由强制对流法测定了肾上腺素电催化氧化过程中的一些重要参数。结果表 明，在o 5m o l lh 2 s 0 4 水溶液中、硝酸处理过的碳原子线修饰电极上，肾上腺 素氧化成肾上腺素醌的异相电子传递标准速率常数妒相对于裸电极增大1 6 倍， 定量地表明碳原子线对于肾上腺素的电极过程的高电催化活性。本章还测定了。肾 上腺素的扩散系数d r 和电氧化过程的传递系数0 t 。 本章还研究了抗坏血酸的存在和碳原子线的修饰量对肾上腺素电化学反应 过程的影响及修饰电极的稳定性，结果表明，碳原子线修饰电极可以在高浓度抗 坏血酸存在下定量地测定肾上腺素的浓度，并具有很好的稳定性，因而具有实际 应用价值。 1 5 2 碳原子线修饰电极对尿酸的电催化作用 利用循环伏安法研究了尿酸在碳原子线修饰电极上、o 1m o l lp b s ( p h = 6 8 ) 中的电化学行为。与裸玻碳电极相比，尿酸在c a w 修饰电极上的氧化峰电 位e 品负移0 0 4 9 v ，氧化峰电流k 增加3 9 6 倍，定性地表明了碳原子线修饰电 极对尿酸的电化学过程具有很好的催化作用。 利用差分脉冲伏安法研究了不同电解质溶液对尿酸电化学行为的影响，根据 实验结果，我们选择o 1m o l l p b s 为研究电解质。 此外，本章还研究了p h 值在碳原子线修饰电极对尿酸电催化作用过程中的 影响。结果表明，在p h = 的范围内，氧化峰电位与p h 成线性关系，由 其线性方程的斜率可知，在该电极反应过程中有相同数目的质子和电子参与电极 反应。由实验还测得，在2 0 - 2 0 0m v s 的扫描速率范围内，碳原子线修饰电极的 1 6 第一章绪论 氧化峰电流与扫描速率的平方根成正比，说明该电极反应受扩散控制。 本文的创新之处在于，首次利用碳原子线修饰电极对肾上腺素的氧化还原机 理进行了全面而深入的研究，测定了电化学反应过程中的一些重要参数，进一步 表明了碳原子线具有极高的催化生物活性分子电化学反应的能力。我们相信碳原 子线作为一种电极修饰剂，有其更广阔的应用领域。 参考文献 【1 】k h x u e ，e e t a o ，s h y y i n i n v e s t i g a t i o no ft h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so f d o p a m i n eo nt h ec a r b o na t o mw i r em o d i f i e de l e c t r o d e c h e m i c a lp h y s i c sl e t t e r , 2 0 0 4 ，3 9 1 ，2 4 3 - 2 4 7 【2 】陶菲菲，薛宽宏，沈伟，等，碳原子线修饰电极的循环伏安行为及其对n a d h 的电催化作用，南京师大学报( 自然科学版) ，2 0 0 4 ，2 7 ( 1 ) ，6 8 7 0 【3 】k h x u e ，f f t a n ，w x u , s y ，y i n ，j m l i u s