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郭仁霞碳材料电极在药物及生物分子检测中的应用 ! 中文摘要 一活化玻碳电极检测荷叶中的荷叶碱 荷叶碱是一种含有芳香醚基团的化合物，在高电位下，它能不可逆氧化成醌 类物质，这种醌类物质在低电位下能产生一对可逆的氧化还原峰，利用这对氧化 还原峰可以进行定量测定。到目前为止，很少有文献将荷叶碱的这种电化学特性 用于定量分析。我们在本部分工作中首次采用活化玻碳电极为工作电极，通过利 用测定高电位产生的含有电化学活性的醌的含量，成功检测出溶液中的荷叶碱的 浓度。这种活化修饰电极对于荷叶碱的检测表现出良好的灵敏度，线性范围为 8 7 x 1 0 - 9 5 6 x 1 0 m 0 1 l 1 ，检测下限为5 o 1 0 一m 0 1 l 1 。 本工作的成果发表在( t a l a n t a ) ) 二m w c n t s n a t i o n 复合膜修饰电极测定痕量克伦特罗 本部分工作研究并报导了一种多壁碳纳米管一n a t i o n 复合膜修饰玻碳电极测定 痕量克伦特罗的新方法。这种修饰电极对克伦特罗的测定表现出高灵敏度和良好 的选择性，在p h = 1 2b r 缓冲溶液中，测得克伦特罗的线性范围1 0 x 1 0 - 9 _ 1 0 x 1 0 4 m 0 1 l 1 ，检测下限5 o 1 0 0 0m o l l 1 。本文还进一步研究验证了克伦特罗在电极表 面的氧化机理。 本工作的成果发表在( ( m i c r o c h i ma c t a ) ) 三基于多壁碳纳米管负载镍的无酶葡萄糖传感器 本部分工作采用水热法合成了负载镍的纳米碳管( m w c n t s ) 复合材料。实验发 现，大约为5n n l 的镍均匀负载在纳米碳管的表面。以n a t i o n 为固定剂将复合材料修 饰于玻碳电极的表面制备了一种新型葡萄糖传感器。这种传感器对同浓度的葡萄 糖的响应电流明显大于常规镍电极，而且受抗坏血酸和尿酸干扰较小。实验采用 安培法测定葡萄糖，线性范围为2 o 1 0 4m o l l 1 2 x 1 0 m o l l ，检测下限为5 0 x 1 0 7 m o l l 。该传感器被成功用于血清样品中葡萄糖含量的测定。 本工作的成果发表在化学传感器，2 0 0 7 ( 2 7 ) 2 8 3 5 ! 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 a p p l i c a t i o no fa c t i v a t e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d ef o rt h ed e t e r m i n a t i o n o fn u c i f e r i n ei nl o t u sl e a v e s n u c i f e r i n ei sac o m p o u n dc o n t a i n i n ga r o m a t i ce t h e rl i g a n d i ti si r r e v e r s i b l y o x i d i z e da th i 【g h p o t e n t i a l ，r e s u l t i n g i nt h ef o r m a t i o no fo r t h o q u i n o n e ，w h i c h d e m o n s t r a t e sq u a s i - r e v e r s i b l ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ra tl e s s p o s i t i v ep o t e n t i a l h o w e v e rf e ww o r k su s es u c hc h a r a c t e ro fn u c i f e r i n ef o ra n a l y t i c a la p p l i c a t i o n s i nt h i s p a p e r ，w es u c c e s s f u l l y d e t e r m i n e dt h ec o n c e n t r a t i o no fn u c i f e r i n eb yu s i n gt h e e l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e ro ft h eo b t a i n e do r t h o q u i n o n e a na c t i v a t e dg l a s s yc a r b o nw a s u s e da st h ew o r k i n ge l e c t r o d e t h ee f f e c to ft h ea c t i v a t i o np r e t r e a t m e n to nt h e f u n c t i o n a l p h y s i c a l c h a r a c t e r so ft h ee l e c t r o d ew a ss t u d i e d 1 1 1 ea c t i v a t e de l e c t r o d e p e r f o r m e dg o o ds e n s i t i v i t y f o rn u c i f e r i n ed e t e c t i o n al i n e a r r a n g e b e t w e e n 8 7 1 0 _ 9 5 6 1 0 m 0 1 l 1a n dad e t e c t i o nl i m i to f5 o 1 0 一t o o l l w a so b t a i n e d t h e m e t h o dh a sa l s ob e e nu s e dt oq u a n t i f yn u c i f e r i n ec o n c e n t r a t i o ni nl o t u sw h i c ho b t a i n e d f r o mt l l es 1 i mw e s tl a k e 2 t r a c ec l e n b u t e r o ld e t e c t i o nw i t hm w c n t s n a f i o nn a n o c o m p o s i t e m o d i f i e de l e c t r o d e am e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft r a c ec l e n b u t e r o lw a sd e s c r i b e d t h e m u l t i - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ( m w c n t s ) - n a t i o nc o m p o s i t ew e r eu s e dt om o d i f yt h e g l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( g c e ) t h em o d i f i e de l e c t r o d es h o w e dh i 曲s e n s i t i v i t y , a n d g o o ds e l e c t i v i t yf o rc l e n b u t e r o ld e t e c t i o n i to f f e r e dal i n e a rr a n g eo f1 o x l o 。一1 0 1 0 m o l l 一1w i t had e t e c t i o nl i m i to f5 0 1 0 1 0m 0 1 l - 1i np h = 1 2s o l u t i o n t h eo x i d a t i o n m e c h a n i s mo fc l e n b u t e r o lo nt h ee l e c t r o d eh a sa l s ob e e ni n v e s t i g a t e d 3 an e wg l u c o s es e n s o rb a s e do nt h en im o d i f i e dm w c n t s t h en im o d i f i e dm w c n t sw a ss y n t h e s i z e db yt h es o l v e t h e r m a lm e t h o d i tw a s f o u n dt h a tt h en in a n o p a r t i c l e sw i t ht h ed i a m e t e ra b o u t5n l nc a nh i 曲l yd i s p e r s eo nt h e s u r f a c eo fm w c n t s w h e na ne l e c t r o d ew a sm o d i f i e db yt h et h em w c n t s - n i n a m o c o m p o s i t e ，i ts h o w e dg o o ds e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y v ca n du r i ch a v el i t t l e i n t e r f e r e n c ew h e nt h em o d i f i e de l e c t r o d ew a su s e df u rt h ed e t e c t i o no fg l u c o s e u s i n g 郭仁霞碳材料电极在药物及生物分子检测中的应用 ! a m p e r o m a t r i cm e t h o d ，t h es e n s o rs h o w e dg o o dl i n e a rr a n g eo f 2 l o 。6 m o l l 1 2 x 1 0 d m o l l ，a n dw i t had e t e c t i o nl i m i t a t i o nr e a c h e so f5 xl o m o l l s u c hs e n s o rh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e df o rt h ed e t e c t i o no f g l u c o s ec o n c e n t r a t i o ni nb l o o ds c f u l f i 4 扬州大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 碳材料电极 碳材料是最古老的电极材料之一，然而其电化学性质及应用仅在近3 0 年内被 广泛研究和深入探讨。它具有许多优良性质，如电催化性和选择性，高的导热性、 导电性，存在形式多样化，化学性质稳定，价格便宜等等，因此广泛应用于工业 电化学，以及理论电化学的研究过程中。 碳材料电极是指由碳材料制备的一类电极的统称，相对于金、铂等金属电极， 它具有电位窗口宽( 如玻碳电极) 、容易制备、成本低、不容易被吸附、稳定性好 等优点，但是碳电极上的电子传递速度和催化性能一般不及铂、金等金属电极。 1 1 1 碳材料电极的分类及特点 碳材料电极根据其组成大致可分为石墨电极、碳糊电极、玻碳电极、碳纤、 纳米碳管和c 6 0 等等。 石墨电极可分为三类，一是普通的石墨电极；二是浸蜡石墨电极；三是热分 解制作的致密性石墨电极。石墨为连续的层状结构，每一层为六边型基面，碳原 予以碳一碳键结合，各层基面平行排列。基面上碳原子之间的距离为0 1 4 2n l n ，层 与层之间的距离为0 3 3 4 5n l n 。基面上的碳一碳之间的键能为3 4 0 4 2 0k j m o l ( 原子) ， 层与层之间的键能不超过4 2 8 ，4k j m o l ( 原予) 。因此石墨的结构在沿着其晶面的 平行方向和垂直方向上，其物理化学性质有着强烈的各向异性。工业石墨的耐腐 蚀性很好，且杂质含量很少，因为在石墨化过程中，原料中的各种杂质都升华或 散逸，灰份含量为1 5 1 0p p m 。由于石墨的孔径及内表面积大，其化学吸附和物理 吸附的气体很难脱除，在2 0 0 0 经过真空处理才能去除，因此普通石墨电极在实 际测定应用中有局限性。 浸蜡石墨电极是将高纯度的石墨浸入熔化石蜡中而制得，高纯度石墨是多孔 性的，使用时会浸入电解液或氧气而影响测定，而浸蜡之后可避免这一缺点，这 郭仁霞碳材料电极在药物及生物分子检测中的应用! 种处理后的石墨电极具有较小的残余电流和相当宽的电位窗口等优点，而且由于 含有石蜡，表面具有疏水性，比较适合于测定疏水性的有机大分子如一些药物分 子。不过若采用含有表面活性剂的水溶液处理可使其成为亲水性表面。 热分解石墨电极是高温减压下，2 0 0 0 左右的基板上使碳水化合物热分解形 成的很薄的具有结晶构造的层状物，因此气体和液体进不去，金属等杂质的混入 量比起多孔性石墨也少得多，所以残余电流较少，但液体容易从层的边缘部分进 入层间，影响电极反应的稳定性。另外石墨电极具有一个共同的优点即表面容易 更新，只要通过简易的抛光就能得到更新的表面。 碳糊电极是在润滑油或硅油中加入石墨粉，并用石蜡、环氧化物、硅橡胶等 作载体做成的电极，它具有制作简单、再现性好、阳极极化的残余电流小等优点。 此外，与铂电极比较，在阳极区具有较宽的电位窗口，这是因为电极本身不会形 成氧化膜的缘故。而且由于材料本身较软，所以容易更换新的电极表面。并且， 随着新型纳米材料的出现，有很多研究将纳米粒子与碳糊掺杂做成电极，制得拥 有新型纳米材料功能的修饰碳糊电极( 1 4 】。但是，在非水溶液中，有的载体会溶 解；而且纳米粒子在碳糊中很难分散均匀，且随着实验时间的增长，纳米粒子会 随载体在溶液中溶解或脱落。 纳米碳纤维电极是指由碳纤维制作的尺寸为纳米级的超微电极 5 9 。最近2 0 年来，这类电极引起了研究人员的极大兴趣。因为当电极的一维尺寸从毫米级降 至微米级或纳米级时，表现出不同于常规电极的许多特性：电极固有的很小的r c 时间常数，使之可以用来对快速、暂态电化学反应进行研究 1 0 】。电极上很小的 极化电流降低了体系的r 降，使之可以用于高阻抗的溶液体系中，包括低浓度的 支持电解质溶液甚至无支持电解质溶液【1 1 1 3 】。电极上的物质扩散极快，可以用 稳态伏安法测定快速异相速率常数【1 0 ，1 4 1 5 。同时，纳米电极的尺寸非常小， 在实验过程中对被测物体的破坏或影响减少至最小的程度，可以应用于活体检测 【1 6 - 1 8 】，特别是单细胞检测【1 9 2 2 。然而这样的电极对制作的条件要求非常苛刻， 很难控制电极的尺寸大小，目前还没有可靠的、重复性较好的制备方法。并且此 类电极需要配套高级稳定的仪器以获得稳定的电流。在检测的过程中，相对于其 ! 扬州大学硕士学位论文 他电极微乎其微的杂质也可能影响纳米电极的检测结果。因此，这种电极作为一 个研究热点，还没有得到广泛的应用。 玻璃碳是由某些碳素材料经热分解转变而成的碳化产物。热解时不生成液 相。玻璃碳晶粒的大小约为1 0n m ，没有三维有序结构，它是由两类碳组成：四 面体改进型( 即金刚石结构) 和三面体改进型( 石墨结构) 。四面体结构使玻璃 碳具有很高的硬度，它比人造石墨更为耐用。玻璃碳具有开孔孔率和闭孔孔率， 它的本体内含有3 0 的密闭微孑l ，平均孔洞直径为2 0n m ，故其密度甚低，为 1 4 1 5 趴：l i l 3 ，比电阻为4 5 5 5f l m m 2 m 。玻璃碳对各种腐蚀性介质如熔融碱、熔 融盐、浓酸、氧化剂等都极为稳定，但硫酸和硝酸的混合液可以将其溶解。在含 氧熔盐中经受阳极极化时，本身易受氧化。采用玻璃碳制的玻碳电极具有良好的 化学机械稳定性、导电性好、表面致密程度高、气体无法通过电极、纯度高等特 点。与铂电极比较具有价格便宜、表面通过抛光可以再生、氢过电位和溶解氧的 还原过电位小等特点。与石墨及碳糊电极相比具有更好的重现性。并且它可以通 过自组装【2 3 、电聚合【2 4 2 7 等多种方式进行修饰，获得性能各异的修饰电极， 并广泛用于检测生物大分子【2 8 、生物小分子f 2 9 3 0 及各种药物 3 l 一3 2 】。 c 6 0 是碳的第三种同素异形体( 前两种为金刚石和石墨) ，它是1 9 8 5 年始由 人工用电弧放电合成。它是一个由6 0 个碳原予组成的足球壳状结构的碳分子， 因此也称为碳6 0 或巴基球。它的结构非常稳定，而且具有抗辐射、抗化学腐蚀、 表面光滑，具有温润性等特点。在c 6 0 中插入碱金属k 、r u 等还能形成超导体， 近已发现，除了c 6 0 外还有c 7 0 、c 7 6 、c 7 8 、c 8 0 和管状结构。他们具有巨大的潜 在用途，也有用作电极材料催化剂的报道 3 3 3 4 。 碳纳米管是类似于c 6 0 的第三类碳的同素异形体，它是这一系列纳米材料中应 用最多的一种。碳纳米管电极是由碳纳米管为原料制备的电极，与其它碳电极相 比，碳纳米管电极由于其独特的电子特性和表面微结构，可以大大提高电子的传 递速度，表现出优良的电化学性能。b r i t t o 等3 5 将碳纳米管与溴仿混合后装在 玻璃毛细管内制成微电极。在p h = 7 1 4 的p b s 溶液中，多巴胺在此电极上呈现出良 好的可逆性，氧化峰与还原峰的电位差为3 0m v 。在相同的条件下，抗坏血酸在 郭仁霞碳材料电极在药物及生物分子检测中的应用 ! 其它电极上的电化学氧化是完全不可逆的，而在此碳纳米管电极上表现为准可逆 的反应。氧化反应主要发生在碳纳米管内，碳纳米管可以稳定氧化产物，将此电 极经脑组织液处理一段时间后，不影响多巴胺的循环伏安响应及峰电位。d a v i s 等 3 6 采用与b r i t t o 类似的方法制成碳纳米管电极，此电极对细胞色素c 和阿祖林均 具有良好的循环伏安响应。端口封闭的碳纳米管与氧化后的碳纳米管相比，前者 制成的电极具有较小的电容和较好的电化学响应。l i u 等【3 7 将直径为1 0 0 阻的 铂微盘电极用化学法刻蚀后形成深1 0 0 岫左右的凹槽，然后将多壁碳纳米管粉 末填入凹槽中，制成了碳纳米管粉末微电极。与玻碳电极相比，此电极可有效催 化亚硝酸根的还原。将电极经阳极极化处理后，可以增加电极对o s ( b p y ) 的吸附能 力，吸附y o s o o p y ) 的碳纳米管电极在酸性溶液中能够很好的催化亚硝酸根的还 原。d o w n s 等【3 8 将多壁碳纳米管用导电胶连接在铜导线的尖端制成电极，苯胺 在此电极上的聚合情况与在铂电极上相似，而聚合效率是铂电极的1 0 倍，沉积 有聚合物膜的碳纳米管电极的背景电流远远大于铂电极。c a m p b e l l 等3 9 用直径 为8 0 2 0 0n n l 的碳纳米管制成电极，当电极未进行绝缘时，极限电流与电极浸 x 、 r u ( n h 3 ) 6 ”溶液的深度成正比，将电极进行绝缘后，电极在 r u ( n h 3 ) 6 】3 + 溶 液中的伏安响应具有稳态径向扩散的特征。b a r i s c i 等【4 0 】用单壁碳纳米管制备的 电极在1 1 0m o l l n a c i 溶液中有一个氧化峰和一个还原峰，峰电位分别为0 1 6 5v 和一0 1 2 5 v ( v s a g c l ) ，溶液中的阴阳离子对电极的伏安响应及电容无明显影响， 这表明溶液中的离子不管其大小和电荷都可以进入到电极的孔隙中，并且电极的 电容不受扫速的影响。实验表明电极的还原响应与溶液的p h 有关，并伴有氢离 子的交换，由此可以推测电极的还原反应可能是碳纳米管表面的含氧基团引起 的。实验还表明，对电极进行电化学处理后可以使其电阻降低电容增加。并且， 由于碳纳米管的特殊结构，j i 等【4 1 4 2 将碳纳米管用作双电层电容的电极材料， 当扫速超过1 0 0 0m v s 时，这种碳纳米管电极依然表现出非常好的循环伏安特性， 并且采用氨等离子体对电极表面进行处理，可以使电极的电容从3 8 7 增加到 2 0 7 3f g 。由于碳纳米管特殊的空腔结构，c n t s 电极还可以制备成气体传感器 4 3 】，在2 5 到2 5 0 。c 温度范围内检测n 0 2 、c o ，n h 3 ，h 2 0 和c 2 h 5 0 h 。尽管碳纳 扬州大学硕士学位论文 米管电极有着诸多优良的特性，但是在制备却费时费力，且在使用过程中容易被 破坏。 然而，单纯的玻碳电极或纳米碳管电极由于其自身应用的局限性，很少单独 使用，目前的研究热点集中在集合多种电极材料的优良性能，将其综合使用。 1 2 碳纳米管 自从1 9 9 1 年l i j i m a 发现c n t s 以来【4 4 ，c n t s 便由于其独特的理化性质如导体 和半导体性质，极高的机械强度、良好的吸附性能、较大的比表面积和长径比、 较多的催化位点等各受科学家的关注，从结构上来说，c n t s 可以分为单壁碳纳米 管( s i n g l e w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s ，s w n t s ) 和多壁碳纳米管( m u k i w a l l e dc a r b o n n a n o t u b e s ，m w n t s ) 。 1 2 1c n t s 的分类、制备和纯化 目前，c n t s 的制备方法主要包括：电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积。 电弧放电法是指在惰性气体和高温氛围内及金属颗粒催化剂存在下，两根相距很 短的石墨电极在强电流作用下放电，消耗阳极，在阴极表面产生c n t s ；激光蒸发 法是指在高温下通过激光刻蚀包裹有金属催化剂的石墨层，产生的碳原子通过重 排生成c n t s ；化学气相沉积法是指c o 、烷烃等含碳原子源在金属催化剂的存在 下，通过高温分解成碳原子，然后在沉积生成c n t s 。 由于c n t s 的生长过程非常复杂，粗产品中往往包含有无定型碳、金属催化剂、 富勒烯等杂质。这些杂质的存在使得c n t s 在分析化学中的应用受到很大限制，所 以使用前必须对其进行纯化处理。常用的纯化方法包括湿法回流氧化法和干法氧 化法。湿法回流氧化法一般以强氧化性酸对c n t s 进行回流处理，以除去金属催化 剂颗粒及氧化除去无定型碳。最常见的方法是利用混酸( 浓硫酸与硝酸的体积比 为3 ：1 ) 对c n t s 回流。近年来有关c n t s 纯化的文献报道主要集中在湿法和干法 氧化的联用。例如：h o u 等4 5 将湿法和干法结合对m w c n t s 进行纯化处理，超 郭仁霞碳材料电极在药物及生物分子检测中的应用 ! 声分散后的m w n t s 粗产品加热后分散在9 0 度溴水中回流3h ，然后在5 2 0 度空气氛 围中加热4 5m i n ，再用稀盐酸除去剩下的金属颗粒，得到纯的m w n t s ，并对纯化 后的m w n t s 用t e m 、t g a 、x r d 进行了表征。j e o n g 等 4 6 矛1 j 用h 2 s - 0 2 结合盐酸 纯化s w n t s 。粗产品在3m o l l 盐酸中回流2 4h ，重复3 次后进行过滤，产物用二 次水彻底冲洗后在1 5 0 度下干燥2 4h ，然后在5 0 0 度h 2 s - 0 2 混合气体中氧化1h 以除 去无定型碳和其它纳米粒子。氧化后的s w n t s 再利用3m o l l 盐酸除去可能存在的 金属颗粒，然后在1 5 0 度下干燥2 4h 。所得的s w n t s 的纯度大于9 5 ，回收率为 2 0 5 0 。 1 2 2c n t s 的功能化及分散 1 2 2 1c n t s 的功能化 c n t s 的功能化对其在修饰电极及生物传感器的应用中具有重要意义。c n t s 的氧化常用于传感器制作过程中c n t s 的预处理。氧化后的c n t s 能产生大量的羟 基和羧基，这些亲水基团的存在有利于酶活性的保存并能够提供适合生物体反应 的微环境。另外，羧基氧化后的c n t s 还可以通过衍生化反应结合其它官能团。例 女l j h a z a n i 等【4 7 通过碳化二亚胺的酰胺化作用，将特定序列的d n a 连接在s w n t s 上，荧光图象结果表明s w n t s 可以选择性地与双链互补d n a 进行杂交，而与非互 丰i d n a 序列则通过不明确的作用相互结合，所得s w n t s 在水中具有良好的溶解 性。p r o m p e r 等【4 8 将羧基化的s w n t s 通过氯化亚砜转变为酰氯，然后与氨基葡 萄糖作用生成水溶性的s w n t s ，功能化后的s w n t s 的质量浓度范围为0 1 0 3g l ， 其溶解性受温度的影响。除了酰胺化以外，c n t s 的羧基还可以发生酯化反应， f u 等4 9 1 矛u 用酯化反映将两种含羟基的化合物接到c n t s 上，同时利用酯化反应 是可逆过程的特点，通过控制水解条件，将已经溶解在溶剂中的c n t s 进行回收， 并对其过程用u v ，v i s ，t g a ，s e m 等手段进行表征。 1 2 2 2c n t s 的分散 扬州大学硕士学位论文 c n t s 的均匀分散对其应用具有重要意义，目前报道的分散方法主要有3 种： 1 通过在c n t s 上修饰亲水基团增加它们在水溶液中的溶解性。湿法羧基化是目 前通用的方法，p e n g 等【5 0 】利用s w n t s 与氧化剂进行反应，得到羧基化的 s w n t s ，产物与二氯亚砜反应生成酰氯后再与双胺基终端化合物缩合生成以胺基 为端基的s w n t s ，功能化后的s w n t s 在水和乙醇中溶解度均有所改善。2 通过 表面活性剂对c n t s 进行分散。i s l a m 等【5 l 】利用十二烷基磺酸钠( s d b s ) 对s w n t s 的分散体系进行了研究，实验结果表明，该方法分散的s w n t s 溶液质量浓度高达 2 0m g m l ，单根c n t s 的比率为( 6 3 a ：5 ) 。3 利用高分子聚合物或生物大分子 对c n t s 进行分散。女h z h a n g 等5 2 利用0 5 的壳聚糖溶液均匀分散0 5 3 0 m g m lc n t s ，分散后的c n t s 包埋葡萄糖脱氢酶在n a d h 的存在下对葡萄糖的含 量进行了测定，响应时间小于5 s 。同时，由于壳聚糖具有良好的成膜能力和生物 相容性，所得到的传感器具有良好的稳定性和抗干扰能力。w a n g 等5 3 币j j 用 n a t i o n 分散c n t s $ j 作安培传感器，并考察了h 2 0 2 和葡萄糖在该传感器上的响应情 况。z h e n g 等5 4 报道了利用s s d n a 辅助分散c n t s ，s s d n a 通过堆叠作用缠绕在 c n t s 周围，c n t s 和s s d n a 的结合阻碍了c n t s 之间的团聚。 1 2 3 基于c n t s 的复合材料制备 c n t s 不仅具有良好的电化学催化活性，而且还具有比表面积大、机械强度高、 自身化学性质稳定等特性，因此也被用于作为金属纳米粒子的载体，合成出基于 c n t s 纳米复合材料。这种材料具有更高、更有选择的催化活性，进一步拓展了 c n t s 在电化学方面的应用。目前人们已经合成出负载a u 、a g 【5 5 5 6 、p t 【5 7 、 n i 【5 8 5 9 1 或p t - s n b 复合材料 6 0 、n ip 复合材料【6 1 】。文献报道的碳纳米管一 金属复合物的制备方法主要有两种：物理方法和化学方法。物理方法主要是指物 理气相沉积法( p v d ) 【6 2 化学法主要有浸渍法( i m p r e g n a t i o n ) 【6 3 1 、化学镀法 ( e l e c t r o l e s sp l a t i n 曲【6 4 】、溶液相化学还原法( s o l u t i o n c h e m i c a lr e d u c t i o n ) 【6 5 6 6 、自组装法( s e l f - a s s e m b l y ) 【6 7 和电化学沉积方法( e l e c t r oc h e m i c a l d e p o s i t i o n ) f 6 8 等。物理气相沉积法简单易操作，但纳米碳管与金属之间很难很 郭仁霞碳材料电极在药物及生物分子检测中的应用 旦 好的结合；浸渍法最基本的原理就是先将碳纳米管浸渍在金属盐的溶液中，使之 充分混合，然后加入还原剂或者高温使金属还原到碳纳米管上，这种方法的优点 是制备简单，易于大规模生产，但是同样由于碳纳米管的结构特性，所以通过这 种方法所得到的复合物碳纳米管周围不能均匀地包裹一层金属；化学镀法，因为 许多金属都能够通过化学镀方法沉积在几乎所有经过处理后的衬底上，因此可以 预计也能够利用化学镀方法包覆c n t s 6 9 。但是由于c n t s 高度的石墨化结构， 使得表面反应活性很低，很难获得连续性致密性很好的镀层，所以，必须在化学 镀之前活化或进行敏化处理；溶液相化学还原法可按还原剂的形态分为气相还原 和液相还原。气相还原就是先把提纯过的碳纳米管分散在含有金属盐的溶液相 中，在高温下通入h 2 ，使之还原，从而在碳管周围包裹一层金属颗粒；液相还原 就是把提纯过的碳管、金属盐和还原剂混合在溶液相中，然后在高温下使无机盐 还原在碳管上，还原剂通常有硼氢化钠、甲醛和乙二醇等。由于其利用的原理就 是在高温下使金属盐在还原剂的作用下还原为金属单质，所以金属单质成核的过 程就会有两种可能：均相成核和异相成核，在这里就是要抑制均相成核或者同时 促进异相成核，使金属单质在c n t s 周围成核。这种方法的优点是制备简单、易于 产业化；缺点就是金属不能全部异相成核，负载量难以控制；自组装法：由于碳 纳米管可以看作是由单层石墨片卷曲而成，碳纳米管外壁是由s p 2 杂化的碳原子所 组成的大n 键六元环，正是由于碳纳米管的这种特殊结构，使得可以利用其大n 键进行自组装。或利用h n 0 3 氧化过的碳纳米管周围大量的o h 、c = o 和c o o h 基团进行自组装，但操作步骤烦琐，很难控制负载量；电化学沉积法：这种方法 的优点是方法简单、易于操作而且适于工业生产，但是所得到的镀层不是很均匀， 金属颗粒是成直径比较大的球形颗粒包在碳纳米管周围。综上所述，目前还没有 完全可靠的方法合成均一的、可控负载量的合成方法。合成出来的纳米复合材料 有很好的催化活性，工业上可用作燃料电池，并且有良好的电磁性能。在电分析 化学领域，利用n i 、p t 等的催化性质可以用来检测溶液中醇、糖、双氧水等物质， 而负载金的纳米碳管可用于制备性能较好的生物传感器。 1 2 扬州大学硕十学位论文 1 2 4c n t s 电化学催化机理的研究 b a n k s 等7 0 对c n t s 修饰电极的电化学催化机理进行探讨，比较了c n t s 修饰 高序热解石墨( h o p g ) 电极与石墨粉修饰h o p g 电极的电化学行为。提出c n t s 的电化学催化与表面缺陷的关系模型。将c n t s 开放的管端可以看成是 e d g e p l a n e ，把管壁看成b a s a l p l a n e 。c n t s 修饰电极就是这种混合电极的阵列。 b a s a l p l a n e 具有与h o p g 裸电极相似的性质，在电活性物质里面得到比较平缓的 氧化还原峰，e d g e p l a n e 贝l j 与超微电极相仿，氧化还原峰尖而细。在宏观操作中， 可以把c n t s 修饰电极看成是这两种电极有机结合的结果。根据这个模型，只要能 在电极表面制造相似的表面缺陷，就会具有相近的电催化性质。m o r r e 等7 1 通 过研究，发现石墨粉修饰电极及c n t s 修饰电极对肾上腺素的催化效果非常相近， 这很可能是因为石墨粉同样能在电极表面制造与c n t s 相类似的表面缺陷所致。表 面缺陷导致电化学催化仅仅只是一种机理的推测，其应用范围仅限于修饰电极， 并没有扩展到c n t s 生物传感器的电催化解释之中，这可能是传感器体系较修饰电 极体系复杂，同时要考虑到酶的活性中心与c n t s 的空间效应关系的缘故。要完全 了解c n t s 的电化学机理还需从c n t s 的纳米效应和电子效应以及空间效应进行考 虑。研究c n t s 电催化问题的本质是未来工作的重点之一。 1 3c n t s 在化学修饰电极方面的应用 随着上述技术的成熟，c n t s 在化学修饰电极及生物传感器的应用研究已被广 泛开展。由于c n t s 具有良好的导电性、催化活性和较大的比表面积，尤其能大大 降低过电位、并且对部分药物分子及生物分子的氧化还原反应存在直接电子转移 现象，因此被广泛用于修饰电极的研究。 1 3 1c n t s 修饰玻碳电极的制备及其电化学性质 碳纳米管修饰电极常用的制备方法有：将处理好的玻碳电极在适量的碳纳米 管粉末中研磨，借助机械力、化学和物理的吸附作用将碳纳米管附着在玻碳电极 郭仁霞碳材料电极在药物及生物分子检测中的应用 旦 表面【7 2 】；另一种方法是将处理好的碳纳米管在超声搅拌的情况下分散于丙酮 7 3 、d m f 【7 4 7 9 及其它的分散剂中形成碳纳米管的悬浮液，取少量悬浮液滴在 基体电极上，待溶剂挥发后便形成了碳纳米管修饰电极，这种方法与第一种方法 制备的电极在性质上没有多大差别，但是，第一种方法修饰的电极表面碳纳米管 吸附的量不够多，吸附力也不够牢靠，容易脱落，因此第二种方法使用较多。 单壁碳纳米管修饰的玻碳电极在p h 为6 1 9 的b r i t t o n r o b i n s o n ( b r ) 缓冲溶 液中，表现出一对氧化还原峰，阴阳极的峰电位分别为0 1 1 2 6 v 和0 1 0 2 4 v ( 1 博 s c e ) e 8 0 8 1 。红外光谱证明电极的电活性物质为羧基。阴阳极的峰电位均与p h 成线性关系，e p a _ j f i e p c 对p h 的曲线斜率的理论值非常接近，这表明在电极过程中 有质子参与电极反应。赵广超等7 3 将多壁碳纳米管修饰在玻碳电极表面，修饰 电极在0 1 1m o l l 的亚铁氰化钾溶液中的a e p 为6 4m v ，而处理好的玻碳电极的 a e p 为8 7m v ，这表明碳纳米管修饰电极的表面结构更接近理想状态。此外，修 饰电极还具有较好的稳定性和重现性【8 0 - 8 1 】以及催化性能，它对多种药物都具 有电催化作用，如多巴胺、抗坏血酸、尿酸等等。在相同的条件下，与玻碳电极 相比，许多物质在修饰电极上的峰电位差明显变小，峰电流显著增加。j i a o 等 8 2 制备的单壁碳纳米管修饰的玻碳电极可以使多巴胺、抗坏血酸和尿酸的氧化峰明 显地分开，可以同时测定多巴胺、抗坏血酸和尿酸。y o g e s w a r a n 8 3 f l i i j 各的多壁 碳纳米管修饰的玻碳电极也可以同时检测多巴胺、抗坏血酸和尿酸。l o u r d e s 等 8 4 采用碳纳米管修饰电极作为检测器，与h p l c 联用，检测出咖啡、啤酒中的b 一咔啉生物碱。碳纳米管修饰的玻碳电极对二羟苯基乙酸 7 4 、细胞色素c 7 8 、 去甲肾上腺素 7 9 的电化学氧化也均具有明显的电催化作用。当扫速为0 1 1v s 时，二羟苯基乙酸在裸玻碳电极上的阴阳极峰电位差为1 5 3m v ，而在碳纳米管修 饰电极上为4 9m v ，并且修饰电极可以同时测定二羟苯基乙酸和羟色胺。在裸玻 碳电极上，细胞色素c 没有明显的电化学响应，而在修饰电极上有一对峰形很好 的氧化还原峰 7 9 1 。去甲肾上腺素在碳纳米管修饰的玻碳电极上峰电位差明显减 小，峰电流显著增加【8 0 】。 兰 扬州大学硕七学位论文 1 3 2 负载金属纳米粒子的c n t s 修饰玻碳电极的制备及其应用 c n t s 具有比表面积大、机械强度高、化学性质稳定等优点，结合多种金属纳 米粒子表现出优于一般金属电极以及c n t s 修饰电极的特性：首先，c n t s 对乙醇、 葡萄糖等没有明显的催化活性，而表面合成有金属纳米粒子之后对乙醇等物质的 催化性能明显提高，甚至可以用于葡萄糖的无酶测定【8 5 ；其次，金属纳米粒子 在制备的过程中容易发生团聚现象，一般需要加入表面活性剂等分散剂，这样制 备出来的纳米粒子表面就为一层保护剂覆盖，表面催化活性点减少，而以c n t s 为 载体合成出来的纳米粒子分散性能更好，且不需要加入分散剂；并且，基于c n t s 的大比表面，修饰于电极表面的金属纳米粒子的量明显增多；再有，金、铂等纳 米粒子具有很好的生物兼容性，可以以此为基体固定酶，用于制备各种生物传感。 目前c n t s 表面修饰金属纳米粒子制备的复合修饰电极主要用于乙醇氧化 8 6 8 8 1 、 双氧水还原【8 9 】、l 一半胱氨酸测定【9 0 】、葡萄糖传感器【9 1 9 4 】、电化学电容 【9 5 9 7 以及氢的储备【9 8 9 9 研究。 1 3 3 展望 与其它碳电极相比，玻碳电极以其较小的残余残电流、稳定的机械性能、廉 价等性质，还将获得比较广泛的应用。新型材料的碳纳米管电极具有较大的电极 表面积和较高的电子传递速率，已经比较多的应用在药物测定、生物分析测定方 面。对碳纳米管进行化学改性，连接上特殊的官能团或具有分子识别功能的生物 物质，提高对某些物质检测的选择性和灵敏度，有望制成针对不同种物质的传感 器。随着碳纳米管制备及纯化技术的发展，碳纳米管将会在电分析化学及其它领 域中得到越来越广泛的应用。 1 4 本论文研究的目标 1 ) 探索玻碳电极在新物质测定方面的应用； 2 ) 研究纳米碳管修饰玻碳电极在实际测定中的应用； 3 ) 拓展纳米碳管负载纳米金属粒子的合成方法，并用于制备葡萄糖传感器。 郭仁霞碳材料电极在药物及生物分子检测中的应用 1 5 课题来源 国家自然科学基金( n o 2 0 3 7 5 0 3 4 ，2 0 6 7 5 0 7 1 ) 1 6 参考文献 1 w ：s u n ，d d w a n g ，r f g a o ，k j i a o ，e l e c t r o c h e m c o m m u n 2 0 0 7 ，9 ：1 1 5 9 2 j b a r r a n c oa n d a r p i e r n a , j n o n - c r y s t s o l i d s 2 0 0 7 ，3 5 3 ：8 5 1 3 m g h i a c i ，b r e z a e i ，r j k a l b a s i ，t a l a n t a 2 0 0 7 ，i np r e s s ，c o r r e c t e dp r o o f , a v a i l a b l e o n l i n e2 3f e b r u a r y 4 d p t a n g ，r y u a n ，y q c h a i ，a n a l c h i n a a e t a 2 0 0 6 ，5 6 4 ：1 5 8 5 s c h e n ，a k u c e r n a k ，e l e c t r o c h e m c o m m u n 2 0 0 2 ，4 ：8 0 6 k 工k a w a g o e ，j a j a n k o w s k i ，r m w i g h t m a n ，a n a l c h e m 1 9 9 1 ，6 3 ：1 5 8 9 7 a s c h u i t ，r h c h o w , a n a l c h e m 1 9 9 8 ，7 0 ：1 9 8 5 8 t gs 仃e i i l ，e w e w i n g ，a n a l c h e m 1 9 9 2 ，6 4 ：1 3 6 8 9 w ：h h u a n g ，d w p a n g ，h t o n g ，z l w a n g ，j k c h e n g ，a n a l c h e m 2 0 0 1 ，7 3 ： 1 0 4 8 1 0 r b m o r r i s ，d j f r a n t a , h s w h i t e ，j p h y s c h e m 1 9 8 7 ，9 1 ：3 5 5 9 1 1 j l c o n y e r s ，h s w h i t e ，a n a l c h e m 2 0 0 0 ，7 2 ：4 4 4 1 1 2 a k u c e m a k ，e l e c t r o c h e r f l c o m m u n 2 0 0 2 ，4 ：