（分析化学专业论文）新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用.pdfVIP

1 膏 f a b r i c a t i o na n d a p p l i c a t i o n so fg l u c o s e a n dc a t e c h o lb i o s e n s o r s b y z h a n gr a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e a n a l y t i c a lc h e m i s t r y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw b iw - a n z h i m a y , 2 0 1 1 舢0 iiiii肌4肌70 9川-m y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师指导下独立研究所取得的科研成 、 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其它人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 铝丝 日期：lf 年 学位论文版权使用授权书 么月 日 v 学位论文作者完全了解学校有保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和接阅。本 人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩影或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后使用本授权书。 2 不保密回 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：小“年白日 日期：j 口f1 年6 月相 蜓“ 煮匆 新型葡萄糖与邻苯二二酚生物传感器的构建及其应用 摘要 生物传感器是基于生物识别单元为主要功能性器件，通过该识别单元能够感 受到具体的目标物质，之后再通过特殊的换能器将这一感知转换成可识别的信号 的装置。简单来说，生物识别单元类似于我们人类的五官，可以直接感知事物， 但是无法用特定的信号给予表达，而换能器恰恰起了这个由直观感受转换成识别 信号的作用。生物传感器融合了化学、生物、物理等众多学科的新兴技术，具备 操作简单、灵敏度高、选择性高、分析速度快等优点。现在，生物传感器已经成 为分析化学中的一个热门话题，在食品工业、环境监测分析、临床诊断等行业领 域都得到十分广泛的应用。本文在详细研究了化学修饰电极的制备、应用，酶以 及光化学生物传感器的原理用途等的基础之上，针对电极的选择、测试方法的选 定等方面进行了大量的研究。采用一些比较简单、创新的方法构建了邻苯二酚和 葡萄糖生物传感器。并且通过各种电化学表征技术，如化学交流阻抗谱、在探针 溶液中的伏安行为以及扫描电子显微镜( s e m ) 、x 射线光谱仪( e d s ) 、x 射线 衍射仪( x r d ) 等研究了新型生物传感器的结构性能。 本论文主要研究工作如下： ( 1 ) 以玻碳电极为基体电极，通过电化学聚合的方式制备了聚牛磺酸修饰电极， 研究了该修饰电极对邻苯二酚的测定。将预处理好的玻碳电极在适量含 2 1 0 a m o l l 牛磺酸的磷酸盐缓冲溶液( p h6 0 ，0 1m o l l ) 中，于1 0 + 2 5 v 的电位范围内，以1 0 0m v s 的扫速循环扫描8 圈，便可在玻碳电极表面 形成聚牛磺酸薄膜，如此制备的修饰电极对邻苯二酚有明显的电催化作用。 与裸电极相比，邻苯二酚在聚牛磺酸修饰电极上的氧化还原峰有明显的位 移，并且峰形尖锐，氧化还原可逆性增强，峰电流显著增加。该修饰电极 对邻苯二酚的响应电流与邻苯二酚的浓度在5 1 0 6 - - - - 9 x1 0 4m o l l 的范围内 呈良好的线性关系，最低检测限达到了1 2g m 。并且该修饰电极具有良好 的稳定性与重现性。 ( 2 ) 以硝酸铜为支持电解质，把生长在i t o 导电玻璃上的铜枝晶纳米材料作为 工作电极，构建了一种基于铜枝晶纳米材料修饰电极的葡萄糖生物传感器。 进而对该电极进行了电化学表征，扫描电子显微镜图、e d s 能谱图以及x r d 谱图表明铜枝晶能够通过电沉积的方式很好地修饰到i t o 导电玻璃电极 上，密度较大，形貌均匀，并且具有明显的二级结构，不含有其他杂质。 在较低的电位下，铜枝晶电极对葡萄糖有良好的催化氧化性能。在最优的 实验条件下，铜枝晶电极对葡萄糖的响应电流与葡萄糖的浓度在0 0 5 新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用 m m - - v 0 8m m 的范围内呈线性相关，最低检测限达到了0 2p m ，具有很高 的灵敏度。并且该修饰电极具有良好的稳定性与重现性，能用于实际血清 样品中葡萄糖浓度的测定。 ( 3 ) 通过葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖生成过氧化氢，并使鲁米诺产生电致化 学发光( e c l ) ，据此构建了一种快速、高效的测定葡萄糖含量的电致化学 发光传感器。结果表明，通过戊二醛和牛血清白蛋白共价交联葡萄糖氧化 酶，将之固定于多壁碳纳米管修饰的玻碳电极表面。该方法能够高效的固 定葡萄糖氧化酶，而且对化学发光体系具有增敏作用，并且m w c n t s 增强 了化学发光反应中酶的催化作用。在最优的实验条件下，该传感器对葡萄 糖检测的线性范围为0 0 1 1 0m m o l l ，检测限为5 0i - t m o l l 。同时该生物 传感器响应快，具有良好的稳定性与重现性。将所建立的方法用于临床血 清样品中葡萄糖含量的测定，获得了满意的结果。 关键词：修饰电极；牛磺酸；邻苯二酚；葡萄糖；铜枝晶；葡萄糖氧化酶；化学 发光 i i i 新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用 a b s t r a c t b i o s e n s o ri sb a s e do nb i o l o g i c a lr e c o g n i t i o nu n i t sf o rt h em a i nf u n c t i o no ft h e d e v i c e t h er e c o g n i t i o nu n i t sc a ni d e n t i f ym a t e r i a lo ft h es p e c i f i ct a r g e t ，a n dt h e n c o n v e r t st h e p e r c e p t i o n i n t ot h er e c o g n i z a b l ed e v i c e s i g n a lt h r o u g ht h es p e c i a l t r a n s d u c e r b i o l o g i c a lr e c o g n i t i o nu n i ti ss i m i l a rt oo u rh u m a n ss e n s o r yo r g a n s ，i t c a np e r c e i v et h et h i n g sa r o u n dd i r e c t l y ，b u tc a nn o te x p r e s sp e r c e p t i o na st h es p e c i f i c s i g n a l ，w h i l et h et r a n s d u c e ri sp r e c i s e l yp l a y st h er o l ea sc o n v e r t i n gt h ed i r e c t p e r c e p t i o ni n t or e c o g n i z a b l es i g n a l s b i o s e n s o ri sc o m b i n e db yc h e m i c a l ，b i o l o g i c a l ， p h y s i c a l ，a n dm a n yo t h e rs u b j e c t s a d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，a n di th a st h ef e a t u r e so f s i m p l eo p e r a t i o n ，h i g hs e n s i t i v i t y ，h i g hs e l e c t i v i t y ，f a s ta n a l y s i sa n ds oo n n o w ， b i o s e n s o ri sn o to n l yc o n s i d e r e da sah o tt o p i ci na n a l y t i c a lc h e m i s t r y ，b u ta l s oh a s b e e nv e r yw i d e l yu s e di nt h ef o o di n d u s t r y ，e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ，c l i n i c a l d i a g n o s t i c sa n ds oo n i nt h i sa r t i c l e ，w ed i dn o to n l yd i s c u s st h ep r e p a r a t i o na n d a p p l i c a t i o no fc h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e ，a n dt h ep r i n c i p l ea n dp u r p o s eo f e n z y m ea n dp h o t o c h e m i c a lb i o s e n s o r ，b u ta l s od i dal o to fr e s e a r c hf o rt h et o p i c so f e l e c t r o d es e l e c t i o n ，t e s tm e t h o d sa n do t h e r s u b j e c t s w ea d o p ts o m es i m p l e ， i n n o v a t i v ea p p r o a c ht oc o n s t r u c tc a t e c h o la n dg l u c o s eb i o s e n s o r t h e i rs t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ye l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i z a t i o nt e c h n i q u e s s u c ha se l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ( e i s ) ，c v si n f e ( c n ) 6 州。， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g yd i s p e r s i v ex - r a ys p e c t r o s c o p y ( e d s ) ， x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，e t c t h em a i np o i n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) w eu s et h eb a r eg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d ea st h es u b s t r a t ee l e c t r o d e ，p r e p a r e d p o l y t a u r i n em o d i f i e de l e c t r o d eb ye l e c t r o c h e m i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，a n dt h e n s t u d yt h ed e t e r m i n a t i o no fc a t e c h 0 1 p u tt h ep r e p a r e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e i n t ot oap b s ( p h6 0 ，0 1 m o l l ) c o n t a i n i n g2m m o l lt a u r i n e ，a n dt h e n e l e c t r o p o l y m e r i z e db yc y c l i cv o l t a m m e t r ya tt h ep o t e n t i a lb e t w e e n - 1 0t o + 2 5 v ，w i t ht h es p e e do f10 0m v si nf o r8c y c l e s t h ep o l y t a u r i n ef i l mi sf o r m e d o nt h es u r f a c eo ft h eg ce l e c t r o d e ，a n di ts h o w ss t r o n g l ye l e c t r o c a t a l y t i ca f f e c t t ot h eo x i d a t i o no fc a t e c h 0 1 c o m p a r e dw i t hb a r eg c e ，t h ep e a ko ft h ec u r r e n t i v 新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用 o fp o l y t a u r i n em o d i f i e de l e c t r o d ei n c r e a s e dr e m a r k a b l ya n dt h eaed e c r e a s e d o b v i o u s l y t h er e s p o n s ec u r r e n to fm o d i f i e de l e c t r o d et ot h ec a t e c h o la n dt h e c o n c e n t r a t i o no fc a t e c h o ll i n e a r l yr e l a t e da tt h ec o n c e n t r a t i o nr a n g eb e t w e e n 5 x10 6t o9xlo m o l l ，a n dt h ed e t e c t i o nl i m i to f1 2 l a m f u r t h e r m o r e ，t h e p r o p o s e db i o s e n s o rs h o w sv e r yg o o dr e p r o d u c i b i l i t ya n ds t a b i l i t y ( 2 ) w eu s e dc u ( n 0 3 ) 2a st h es u p p o r t i n ge l e c t r o l y t ea n dt h ed e n d r i t e l i k ec o p p e r c r y s t a l sw h i c hg r o wo n t h ei n d i u m t i no x i d e ( i t o ) c o n d u c t i v eg l a s sa s w o r k i n ge l e c t r o d e ，t h u sb u i l d i n gag l u c o s eb i o s e n s o rb a s e do nd e n d r i t e l i k e c o p p e rc r y s t a l s n a n o m e t e rm o d i f i e de l e c t r o d e t h e i rs t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db y e l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i z a t i o n t e c h n i q u e ss u c ha ss c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g yd i s p e r s i v e x - r a ys p e c t r o s c o p y ( e d s ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) d e n d r i t e l i k ec o p p e r c r y s t a l s w a sc o n s t r u c t e db y e l e c t r o c h e m i c a l l yd e p o s i t i n g o n t ot h ei t o c o n d u c t i v e g l a s ss u r f a c e ，w i t hh i g hd e n s i t y ，u n i f o r mm o r p h o l o g y ；a n dh a s o b v i o u ss e c o n d a r ys t r u c t u r ew i t h o u tc o n t a i n i n go t h e ri m p u r i t i e s a tt h el o w p o t e n t i a l ，i ts h o w ss t r o n g l ye l e c t r o c a t a l y t i co x i d a t i o np e r f o r m a n c et og l u c o s e u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，t h er e s p o n s ec u r r e n to fm o d i f i e de l e c t r o d et ot h e g l u c o s ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no fg l u c o s el i n e a r l yr e l a t e da tt h ec o n c e n t r a t i o n r a n g eb e t w e e n0 。0 5m mt o0 8m m a n dt h ed e t e c t i o nl i m i ti s 0 2p m t h e g l u c o s eb i o s e n s o r h a st h ef e a t u r e so fh i g hs e n s i t i v i t y ，g o o d s t a b i l i t ya n d r e p r o d u c i b i l i t y t h i sm e t h o dh a db e e nt e s t e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fg l u c o s e i nc l i n i c a ls e r u ms a m p l e s ，w i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s ( 3 ) h y d r o g e np e r o x i d ew a sp r o d u c e db ye n z y m a t i cr e a c t i o no fg l u c o s eo x i d a s ea n d e l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c e ( e c l ) c o u l db eo b t a i n e db yt h er e a c t i o nb e t w e e n l u m i n o la n dh y d r o g e np e r o x i d e t h u sb u i l d i n gag l u c o s eb i o s e n s o rt h a tc a n d e t e r m i n et h ec o n c e n t r a t i o no fg l u c o s ef a s ta n de f f i c i e n t l y g l u c o s eo x i d a s ei s c r o s s l i n k e db y9 1 u t a r a l d e h y d ea n db s a ，a n di ti si m m o b i l i z e do nm w c n t s m o d i f i e de l e c t r o d es u r f a c e t h er e s u l ts h o w st h a tt h i sm e t h o di sn o to n l ya b l e t oi m m o b i l i z eg o xe f f i c i e n t l y ，b u ta l s oh a s s e n i t i z i n g e f f e c tt ot h e c h e m i l u m i n e s c e n c es y s t e m m w c n t se n h a n c e dt h ec a t a l y t i ce f f e c to fe n z y m e i nc h e m i l u m i n e s c e n c er e a c t i o n u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ，aw i d el i n e a r r a n g eo ft h ep r o p o s eb i o s e n s o rf o rt h ed e t e c t i o no fg l u c o s ew a so b s e r v e df r o m 0 0 1t o1 0m m t h ed e t e c t i o nl i m i tw a sf o u n dt ob e5 0 x 1 0 m t h eg l u c o s e b i o s e n s o rh a st h ef e a t u r e so ff a s tr e s p o n s e ，h i g hs t a b i l i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t y v 新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用 t h i sm e t h o dh a db e e nt e s t e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fg l u c o s ei nc l i n i c a ls e r u m s a m p l e s ，w i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e yw o r d s ：m o d i f i e de l e c t r o d e ；t a u r i n e ；c a t e c h o l ；g l u c o s e ；d e n d r i t e l i k e c o p p e rc r y s t a l ；g l u c o s eo x i d a s e ；c h e m i l u m i n e s c e n c e v i 新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘 要i i a b s t r a c t i v 第一章绪论1 1 1 化学修饰电极的定义1 1 2 化学修饰电极的制备2 1 2 1 共价键合法3 1 2 2 吸附法3 1 2 3 聚合物薄膜法一5 1 2 4 组合法6 1 3 化学修饰电极在分析化学中的应用6 1 4 酶生物传感器的研究进展8 1 4 1 生物传感器的分类8 1 4 2 第一代酶传感器9 1 4 3 第二代酶传感器1 0 1 4 4 第三代酶传感器“ 1 4 5 酶的固定方法1 2 1 4 6 酶传感器的发展方向一1 3 1 5 光化学生物传感器的研究进展1 4 1 6 本研究论文的构思1 5 第二章邻苯二酚在聚牛磺酸修饰电极上的电化学行为及其应用研究1 6 2 1 引言16 2 2 实验部分1 7 2 2 1 试剂17 2 2 2 实验仪器1 7 2 。2 3 基体电极的预处理1 7 2 2 4 聚牛磺酸修饰电极的制备1 7 2 3 结果与讨论l8 2 3 1 聚牛磺酸修饰电极测定邻苯二酚机理探讨1 8 2 3 2 电化学聚合条件的选择一1 8 2 3 3 聚牛磺酸膜在p b s 中的循环伏安曲线1 9 v i i 新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用 2 3 4 聚牛磺酸修饰电极的交流阻抗谱( e i s ) 1 9 2 3 5 聚牛磺酸修饰电极在【f e ( c n ) 6 】3 以。探针溶液中的电化学行为2 0 2 3 6 邻苯二酚在修饰电极上的电化学行为2 1 2 3 7 扫描速率的影响2 2 2 3 8 修饰电极的线性范围与检测限2 3 2 3 9 修饰电极的稳定性与重现性2 4 2 4 本章小结2 4 第三章铜枝晶纳米材料的电化学合成及对葡萄糖的无酶检测2 6 3 1 引言2 6 3 2 实验部分2 7 3 2 1 试剂2 7 3 2 2 实验仪器2 7 3 2 3 铜纳米枝晶结构的制备2 8 3 2 4 铜枝晶对葡萄糖催化氧化的测试方法2 8 3 3 结果与讨论2 8 3 3 1 铜枝晶电极的表征2 8 3 3 2 铜枝晶电极对葡萄糖的循环伏安行为3 0 3 3 3 支持电解质的p h 值对响应电流的影响3 1 3 3 4 铜枝晶对葡萄糖催化氧化的i t 响应3 2 3 3 5 人体血清中葡萄糖的检测3 2 3 3 6 铜枝晶电极的重复性和稳定性3 3 3 4 本章小结3 4 第四章电致化学发光葡萄糖氧化酶传感器的构建及其应用3 5 4 1 引言3 5 4 2 实验部分3 6 4 2 1 试剂3 6 4 2 2 实验仪器3 6 4 2 3 多壁碳纳米管的纯化3 6 4 2 4 碳纳米管酶电极的制备3 7 4 2 5 电致化学发光测定葡萄糖3 7 4 3 结果与讨论3 7 4 3 1 酶电极的e c l 行为3 7 4 3 2 电致化学发光检测条件的优化3 9 4 3 3 修饰电极的线性范围与检测限4 0 4 3 4 修饰电极的稳定性4 1 v i i i 新型葡萄糖j 邻苯二酚生物传感器的构建及其j 电用 4 3 5 干扰物质的影响一4 2 4 3 6 人体血清中葡萄糖的检测4 2 4 4 本章小结一4 2 结论4 4 参考文献4 5 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录一5 8 致访5 9 i x 新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用 第一章绪论 化学修饰电极( c m e ) 的研究始于二十世纪七十年代，至今已经有了近四十 年的历程，现已成为电化学和电分析化学领域最为热门的研究课题之一【卜2 1 。它 的主要研究内容就是将具有特殊需要的化学性质的分子、离子或者聚合物，通过 电沉积、电聚合等各种方法固定在电极表面上，从而使修饰过后的电极具有相对 于被检测物质的电化学活性。化学修饰电极极大地丰富了电化学的电极材料，使 电化学的研究领域得到进一步的扩展。目前己经应用于生命科学、能源科学、分 析科学、环境科学、电子学以及材料科学等诸多方面【3 7 】。可以这样说，化学修 饰电极不仅为化学，同时也为其他边缘学科开展相关的研究工作奠定了一定的理 论与实践基础，开拓了一个创新的研究领域。 1 1 化学修饰电极的定义 1 9 8 9 年国际理论和应用化学联合会( i u p a c ) 的电分析化学委员会对化学修饰 电极的命名和定义提出了如下建议，规定化学修饰电极( c 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 ，c m e ) 是由导体或半导体制作的，在电极的表面涂敷了具有化学选择性 的单分子、多分子、离子或聚合物的化学物薄膜( 从单分子到几个微米) ，借 f a r a d a y ( 电荷消耗) 反应而呈现出此修饰簿膜的化学的、电化学的以及或光学的性 质【8 1 。 化学修饰电极通过某种已经设计好的电极电解液界面，来控制电极表面上分 子结构变化的能力。同时这需要借助于多种手段和方法，例如表面合成法、现场 监测手段等等。从本质上来看，化学修饰电极在提高选择性和灵敏度等方面具有 自己独特的优越性。因此可以认为化学修饰电极是把分离、富集和选择性测定这 三者合而为一的理想体系。 化学修饰电极在分析化学中占有极其重要的地位，也有十分广阔的应用前景 有待发掘。电催化便是其中的一个最重要的应用之一。电催化的优点很多，例如 在特定的生物传感器检测n a d h 的实验中可以降低电极的过电位并且加快反应 的速度，从而提高分析检测的灵敏度。最有意思的一点是，可根据被检测物的性 质而选择特定的催化剂从而进行有选择性的电催化。 新型葡萄糖与邻苯_ 二酚生物传感器的构建及其应用 1 2 化学修饰电极的制备 化学修饰电极的制备是决定在这个领域开展研究成败与否的关键性因素之 一。具体如何进行修饰，操作过程以及步骤，修饰方法的合理性等等都直接影响 着化学修饰电极检测特定物质最终的灵敏度、稳定性和重现性等。可以认为修饰 电极的制备是研究和应用化学修饰电极的奠基石。 化学修饰电极有单分子层( 其中包括亚单分子层) 和多分子层( 主要是聚合物 薄膜) 两大类型，这是从电极表面上的微结构尺度来进行的分类，当然还有组合型 等。电极表面的修饰方法同样可以依照其类型、功能以及电极材料的性质要求而 进行不同的分类。根据前人经验的归纳总结，一般可以分为共价键合型、吸附型、 聚合物薄膜型和组合型等。到目前为止，已经发展了许多制备修饰电极的方法【9 】， 见图1 1 。下面我们将分别详细介绍这四种修饰电极的制备方法。 图1 1 化学修饰电极的制备和类型 f i g 1 1p r e p a r a t i o na n dt y p eo fc 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 2 新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用 1 2 1 共价键合法 共价键合法是最早开始使用的一种在电极表面进行修饰的方法。具体可以解 释为：用化学反应的方法，将化学修饰试剂共价结合到电极表面上的方法。一般 分为以下两步： ( 1 ) 电极的预处理活化 经过打磨抛光清洗之后的石墨或者玻碳电极，若需要在其表面产生如羰基、 羧基、羟基、酸酐等的含氧基团，就需要在空气或者强氧化剂中加热。当然有时 不需要电极表面上的这些含氧基团并需要使电极表面上的碳原子暴露于空气中 时，就需要用氩等离子在电极表面进行侵蚀，这个时候的碳原子便处于高活性状 态。最后电极便可以与伯胺类物质进行反应或者通过氧化处理等方式来修饰电极 了。这种方法虽然制得的电极的活性比较高，但是相对于其他方法来讲，操作上 较为复杂。 ( 2 ) 电极的修饰共价键合 在电极的活化中我们讲到如何使电极表面产生含氧基团。在这个步骤中我们 首先要使这些含氧基团与酰氯试剂接触，之后为了固定化学活性基团r ，需要与 胺类( r n h 2 ) 作用以生成肽键。除了这种方法以外，还有很多方法也可用来固定化 学活性基团r ，比如使用促进剂双环己基碳二亚胺( d c c ) 或者活化后的电极直接与 胺类作用等等。这时当化学活性基团r 固定到电极表面以后，再和电活性物质作 用，从而达到修饰的目的。 m i l l a n 等【lo 】以碳二亚胺( e d c ) 的水溶液和n 烃基琥珀酰亚胺( n h s ) 作为 偶联剂，将s s d n a 结合到氧化了的玻碳电极表面。s h e p a r d 等t 11 】将钴酞菁、铜酞 菁配合物化学键合至l j s n 0 2 电极上，该类电极具有电催化等多种功能。y a n g 等t 1 2 】 使用氨丙基三乙氧基硅烷( a p t e s ) 处理玻碳电极表面，其水解后的产物与玻碳 电极表面的硅醇基形成了硅氧烷键，从而产生了氨基功能化的表面，再用戊二醛 等双功能试剂将d n a 固定到电极表面。h y u n 等【”】通过使用胱胺使金电极胺基化， 之后将被1 0 4 。氧化的g o x 和带有许多氨基的聚酰胺交替键合到金电极上，从而形 成层状结构。 共价键合法虽然很好的说明了化学修饰电极的设计思想以及其微结构的形 成，不论从原理还是步骤等方面。但是这种方法相对而言手续繁琐、操作过程复 杂。不仅如此，接在电极表面的预定功能团的覆盖率低，因此目前应用相对较少。 1 2 2 吸附法 为了改变电极表面的微结构，将特定的官能团分子通过吸附作用修饰到电极 表面上的方法，就是吸附法。该方法可以同时制备单分子层修饰电极和多分子层 3 新型葡萄糖与邻苯_ 二酚生物传感器的构建及j e 应用 修饰电极。与共价键合法制备的单分子层修饰电极相比，吸附法十分简单。吸附 型修饰电极常分为以下四种： ( 一)化学吸附法( 不可逆吸附法) 不可逆吸附法是一种利用物理吸附，也就是固体或者溶液间的自然的吸附作 用来制备修饰电极的一种方法，但是这种方法制备的是单分子层修饰电极。石墨 电极为了把修饰试剂吸附到其表面上，一般是通过其上的碳原子的共轭作用产生 的大兀键电子或者是含有共轭体系的有机基团作用。当修饰试剂不存在电活性的 时候，则首先通过它与电活性物质反应，然后再修饰到电极上。也可以直接与电 活性物质反应进行修饰。化学吸附法的优点是操作简单，但是电极的稳定性差， 修饰层容易脱落或者失活。 化学吸附法的一个最重要的应用便是l a n e 和h u b b a r d 1 4 将各类烯烃吸附到 铂电极上，吸附的3 丙烯基水杨酸与溶液中的铁离子发生了配合反应，这个反应 是直接依赖于电极电位的，这项工作促进了化学修饰电极的问世。p a l e c e k 等5 】 根据核酸( n a 在高定向裂解石墨克极( h o p g e ) 和汞电极的表面能够产生强 烈的吸附作用，从而发展了一种制备核酸修饰汞电极的方法。m a r r a z a 等【l6 j 通过 附加电位使寡聚核苷酸( 未衍生化) 探针吸附在石墨电极上。w a n g 等【l7 】在醋酸 缓冲溶液中放入d n a 探针分子，然后将碳糊电极放入其中进行活化，之后利用 恒电位的方法吸附富集探针分子，便对d n a 探针分子成功地进行了固定。m o s e r 等【1 8 】通过改变基质修饰性涂层和对带电荷的基团有选择性的引入这两种方法，达 到抑制非特异性吸附的作用。 ( 二)欠电位沉积法 欠电位沉积( u p d ) ，又称吸附原子( a d a t o m ) 1 9 】，是指金属在比其热力 学电位更正处的地方，于电极表面发生沉积的现象。这种现象一般发生在异种金 属的表面上。当某种金属，也可以是氢原子在异种金属表面的结合力大于其在本 体表面时，就可以在比该金属的热力学电位更正的电势下，形成具有一定空间结 构的单原子层或者不足单原子层的方法。显然，这是一种制备精细结构单层修饰 电极的方法。 欠电位沉积的金属单原子层可以当作一个双功能催化剂来使用。它可以提供 用来参与电极反应的某些活性位点，同时电极上的氧化还原反应也有了自己电荷 转移的媒介，并且可以在低电位下进行电荷的转移。欠电位沉积还可以通过改变 电极自身元素原子的电子云密度和功函数等与表面状态有关的因素，来防止一些 有毒的反应物或者中间产物等在电极上发生吸附作用。 u p d 法本身有局限性，仅仅适应于很少的几对主客体。但这种方法适用于金 属元素，并且在电化学研究体系中，能够制出很高质量且有规则的定型微结构。 这一点对于欠电位沉积法来说是相当重要的。 4 新型葡萄糖与邻苯二酚生物传感器的构建及其应用 ( 三) l b ( l a n g m u i r b l o d g e t t ) 膜法 l b 膜法是一种由人工控制的特殊吸附方法。它的特殊之处就在于可以在分子 水平上完成特定要求的空间次序的分子组合，来实现某种组装设计。把兼具有亲 水基团和脂肪疏水端的某种特定双亲分子溶于挥发性的有机溶剂当中，之后在气一 水界面上铺展开来。当有机溶剂挥发之后，向水面横向施加一定的表面压，使有 序的分子膜紧密排列，然后再用某种特殊方法将有序的单分子膜转移到需要修饰 的电极表面，从而得至i j l b 膜修饰电极【9 】。 l b 膜通常只有一个，最多几个单分子层厚，因此很容易在电极上进行电子或 物质的传输。除此之外，l b 膜还具有活性中心密度大、电化学响应信号强、分子 高度有序排列等特点。尤其是分子紧密有序排列这个特点，可以使其在电极的表 面上产生用其他制备方法达不到