（分析化学专业论文）超分子化合物复合膜修饰电极的制备及其生物分析应用.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文荚文摘要 摘要 本论文综述了普鲁士蓝( p b ) 修饰电极的过氧化氢0 a 2 0 2 ) 传感器以及化学修 饰电极测定尿酸( u a ) 的研究进展。在此基础上，分别采用自组装、化学修饰等方 法，研究了h ：0 2 和u a 在超分子复合膜修饰电极上的电化学行为及定量分析方 法，主要内容包括： 首先，在金电极表面化学吸附亚单分子层的巯基丙酸( 3 m p a ) ，然后与树枝 形聚合物p a m a m 反应，在3 - m p a 与p a m a m 之间形成肽键，从而牢固地接上 超分子p a m a m ，之后再利用p a m a m 对p b 粒子的包络作用形成一个混合的、 稳定的电催化膜，制成了一个新的h 2 0 2 传感器。对该膜进行电化学、原子力显 微镜( a f m ) 和x 光电子能谱( x p s ) 表征，揭示了p b 分子被覆盖在电极表面的 p a m a m 包络于其树枝状结构中。研究表明p b p a m a m 3 m p a a u 电极对h 2 0 2 的还原具有极好的电催化活性，并对分析的操作条件( 操作电位和溶液的p h ) 进 行了优化，即使在没有通氮除氧条件下，该传感器也具有很高的灵敏度，响应速 度非常快。计时电流分析法的电流响应与h 2 0 2 浓度在1 2 x 1 0 m o ll 1 6 5 1 0 r 4 t o o ll o 范围内呈良好的线性关系，检出限为3 1 x 1 0 。7 t o o ll 1 。该方法避免了抗坏 血酸( a a ) 和u a 等多种共存物质的干扰，灵敏度、稳定性和重现性均获得了满意 的结果。 其次，在对氨基苯磺酸q a s h ) 和聚乙酰苯胺( p n a a n i ) 匍i 成的磺化复合膜 骨架上嫁接p 环糊精( p c d ) 制成i - c d s p n a a n i g c e 电极，该修饰电极在 p h 7 a 0 对u a 有灵敏的电流响应。x p s 和拉曼光谱证实了磺酸根的掺入拓宽了 膜的电化学活性范围，提出了一种在生理p h 条件下用差分脉冲伏安法测定人血 清中u a 的电化学分析方法。差分脉冲伏安法测定其氧化峰电流与u a 的浓度在 1 0 x 1 0 5 t o o ll 1 3 5 x 1 0 4m o ll o 范围内呈线性关系，相关系数为0 9 9 8 9 ，检出限 为2 7 4 x 1 0 击t o o ll ，2 5 0 倍浓度的a a 共存的情况下也不干扰u a 的测定。该方 法灵敏度高，用于人血清中u a 含量的测定，与光度法测定结果基本一致。 中国科学技术大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fr e v i e w i n gt h ep r o g r e s si np r u s s i a nb l u e ( p b ) m o d i f i e de l e c t r o d e s 鹞h y d r o g e np e r o x i d e ( h 2 0 2 1s e n s o r s 嬲w e l l 鹤t h ed e t e r m i n a t i o no fu r i ca e i d ( u a ) u s i n gc h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e ，t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ra n dq u a n t i f y i n go f h 2 0 2a n du aw e l ei n v e s t i g a t e da tt h es u p r a m o l e c u l a rc o m p l e xm e m b r a n em o d i f i e d e l e c t r o d e st h r o u g ht h et e c h n i q u e so fs e l f - a s s e m b l i n gm o n o l a y e r sa n dc 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 ，r e s p e c t i v e l y t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n gt w o a s p e c t s ： f i r s t l y , an o v e lh 2 0 2 l l s o rw a sf a b r i c a t e db yu s i n gas u b m o n o l a y e ro f 3 - m e r e a p t o p r o p i o n i ca c i d ( 3 - m p a ) a d s o r b e do nap o l y c r y s t a l l i n eg o l de l e c t r o d e f u r t h e rr e a c t e dw i t hp o l y ( a m i d o a m i n e ) ( p a m a m ) d e n d r i m e r ( g e n e r a t i o n4 o 、t o o b t a i nnf i l mo nw h i c hp bw a sl a t e rc o o r d l i n a t e dt oa f f o r dam i x e da n ds t a b l e e l c e t r o c a t a l y t i cl a y e rf o rh 2 0 2r e d u c t i o n o nt h e b a s i so ft h ee l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o r s , a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) a n dx - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r a ( x p s ) ，i t i ss u g g e s t e dt h a tt h ep bm o l e c u l e sa r el o c a t e dw i t h i nt h ed e n d r i t i cs t r u c t u r eo ft h e s u r f a c ea t t a c h e dp a m a md e n d r i m e r s i tw a sf o u n dt h a tt h ep b p a m a 3 - m p m m o d i f i e de l e c t r o d es h o w e da ne x c e l l e n te l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yf o rh 2 0 2r e d u c t i o n t h ee f f e c t so fa p p l i e dp o t e n t i a la n dp ho fs o l u t i o nu p o nt h er e s p o n s eo ft h em o d i f i e d e l e c t r o d ew e r ei n v e s t i g a t e df o ra no p t i m u ma n a l y t i c a lp e r f o r m a n c e e v e ni nt h e p r e s e n c eo f d i s s o l v e do x y g e n ，t h es e n s o re x h i b i t e dh i 曲l ys e n s i t i v ea n dr a p i dr e s p o n s e t 0h 2 0 2 t h es t e a d y - s t a t ec a t h o d i cc u r r e n t r e s p o n s e so ft h em o d i f i e de l e c t r o d e o b t a i n e da t - 0 2 0 v ( v s s c e ) i na i r - s a t u r a t e do 1m o ll - 1p h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o n ( p b s ，p h 6 5 0 ) s h o w e dal i n e a rr e l a t i o n s h i pt oh 2 0 2c o n c e n t r a t i o nr a n g i n gf r o m 1 2 x l o t o o lr 1t o6 5 x 1 0 。4m o ll 1w i t had e t e c f i o nl i m i to f3 1 x 1 0 - 7t o o ll - i p e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o d ew a se v a l u a t e dw i t hr e s p e c t e dt op o s s i b l ei n t e r f e r e n c e s s u c h 硒a s c o r b i ca c i d ( a a ) a n du ae t c t h es e l e c t i v i t y , s t a b i l i t y ，a n dr e p r o d u c i b i l i t y o f t h em o d i f l e de l e c t r o d ew e r es a t i s f a c t o r y 1 1 中国科学技术大学硕士学位论文 英文摘要 s e c o n d l y , 1 3 - c y c l o d e x t r i n ( 1 3 一c d ) m o d i f i e d s u l f o n a t e d p o l y - n - a c e t y l a n i l i n e ( s p n a a n l ) c o m p o s i t ef i l mp r o d u c e db yd o p i n gp o l y - n - a e e t y l a n i l i n ew i t hs u l f a n i l i e a c i d ( p - a s a ) o ng l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( o c e ) w a su s e dt od e t e r m i n eu a i nal a r g e e x c e s so f a ab yd i f f e r e n tp u l s ev o l t a m m e t r y ( d p v ) t h ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e f i l m - w e r ec h a r a c t e r i z e db yx p sa n dr a m a ns p e c t r o s c o p y t h eb a r eg l a s s yc a r b o n e l e c t r o d ef a i l e dt od i s t i n g u i s ht h eo x i d a t i o np e a k so f a aa n du ai np h o s p h a t eb u f f e r s o l u t i o n 口b s ，p h7 4 0 ) ，w h i l et h ec o m p o s i t ef i l mm o d i f i e de l e c t r o d ec o u l ds e p a r a t e t h e me f f i c i e n t l y al i n e a rr e l a t i o nb e t w e e n 昂a n du ac o n c e n t r a t i o nw a sf o u n d e do v e r t h er a n g e1 0 1 0 4m o ll 。1t o3 5 1 0 - 4m o ll 1 t h ed e t e c t i o nl i m i tw a s2 7 4 x 1 0 击 t o o ll 1f o rs n = 3a n d2 5 0 f o l de x o e s so fa ad i dn o ti n t e r f e r ew i t ht h eu a d e t e r m i n a t i o n t h eh i 曲s e l e c t i v i t ya tp h y s i o l o g i c a lp h7 4 0w a sm a i n l yd u et ot h e e l e c t r o a c t i v i t yo fs p n a a n i f i l mi naw i d e rr a n g eo fs o l u t i o n s ，p a r t i c u l a r l yi nn e u t r a l a q u e o u ss o l u t i o n t h ea p p l i c a t i o no ft h ep r e p a r e de l e c t r o d ew a sd e m o n s t r a t e db y m e a s u r i n gu ai nh u m a ns e r u ms a m p l e s w i t h o u ta n yp r e t r e a t m e n ta n dr e s u l t s c o m p a r e df a v o u r a b l yw i t has t a n d a r ds p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o d m 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：越 - w - ) 年箩r f 6 日 中国科学技术大学硕士学位论文第一章p b 修饰电极的过氧化氢传感器的研究进展 第一章普鲁士蓝修饰电极的过氧化氢传感器的研究进展 过氧化氢饵2 0 2 ) 不仅是一些高选择性氧化酶反应的副产物，而且也是食品、 制药、临床、环境和工业分析中一种重要的中间体。许多技术如滴定、光谱法、 化学发光法和电化学法己被用于h 2 0 2 的测定。近十年来，h 2 0 2 传感器的研究一 直是国内外许多研究组关注的热点，且相关的技术已经广泛应用于工业、环境、 医疗和食品分析领域。1 1 - 6 1 然而，利用传统电极直接安培检测h 2 0 2 时电势比较高 ( 阢0 6 、坩a g a g c l ) ，在这样高的电势下实际样品中共存的许多电活性物质 ( 如；抗坏血酸，尿酸等) 也容易被氧化从两干扰h 2 0 2 的测定。为了排出干扰， 最通常的办法是采用辣根过氧化酶( h r p ) 来催化还原检测h 2 0 2 。鉴于h r p 的立 体空间结构，有利于电子在酶的活性位置和电极表面的直接传输，f - 1 3 1 该方法灵 敏度高、准确性好，但是瑚强存在价格高、稳定性差、在电极表面修饰量少等 缺点，从而限制了它的应用。 自从n e 一1 4 1 和i t a y a i 坫1 等首次制成了普鲁士蓝( p b ) 薄膜的化学修饰电极以 来，p b 修饰电极的研究就受到广泛关注，已被用于检测非电活性阳离子i 螂7 l 、 易氧化还原化合物f l s - 2 6 1 等。特别可喜的是p b 薄膜对h 2 0 2 具有良好的电催化还 原性能 2 7 1 ，在其表面固定各种氧化酶后，酶反应所产生的h 2 0 2 可以选择性地被 p b 修饰的电极所检测。基于p b 催化还原h 2 0 2 时降低了应用电势，避免了许多 电活性物质的干扰，显示出高的催化活性和选择性，以致k a r y a k i n 称赞p b 为催 化h 2 0 2 的“人工过氧化酶”1 2 8 - 3 0 l 。此外，p b 还具有价格低廉、电化学可逆性好、 稳定性高且容易制备等优点，在电催化方面有相当大的应用潜力，关于p b 修饰 电极的传感器已有较多报道。1 3 1 - 3 3 1 本章主要对p b 的结构、性质以及p b 修饰电 极的制备方法和催化检测h 2 0 2 的发展趋势等几方面加以介绍。 1 1p b 的物理、化学和电化学性质 1 9 7 8 年，n e 臃铂片上成功地沉积了p b 薄膜，并第一次报道了p b 的电化学 行为，其修饰电极的循环伏安图揭示了p b 具有良好的电化学可逆性。几年后， p b 的电化学性质开始被广泛关注s , s 4 4 0 l 。i t a y a 等基于f e 3 + - f e ( c n ) 6 3 溶液的简单电 化学还原反应，探索了一种p b 修饰电极的新方法。这种方法适合在不同的电极 中国科学技术大学硕士学位论文第一章p b 修饰电极的过氧化氢传感器的研究进展 材料( 如氧化锡、铂、金、玻碳) 上操作，并且在一定条件下连续循环扫描1 0 5 圈后 p b 的峰电流也未降低。1 9 8 4 年i t a l y 等嗣又发现p b 最重要的特色，即p b 的还原形 式( 普鲁士白) 能够催化还原0 2 和h 2 0 2 ，并且p b 的氧化形式( 柏林绿) 对h 2 0 2 的氧化 也具有电催化活性。p b 对0 2 和h 2 0 2 催化影响归因于p b 具有类似于沸石的独特的 分子筛结构，其立方单位晶格常数为1 0 2 a ，通道直径约为3 2 a ，这样的结构有 利于小分子( 如0 2 和h 2 0 2 ) 在晶格内部扩散。鉴于这种原因，i t a l y 认为p b 是三维的 立体催化剂。衍射分析i n m l 的结果表明p b 的立方单位晶胞中含有八个未络合的 水分子，i t a l y l 夭| 此猜想p b 晶胞间隙是造成对h 2 0 2 具有催化活性的原因。当h 2 0 2 分子或0 2 分子穿透p b 的晶格时，将会停留在小立方体空隙中间，并且平均每个 分子被四个高度自旋的二价铁离子包围，最终对h 2 0 2 产生一个四电子的催化还 原反应。 虽然这个猜想有点启发性，但是p b 催化还原h 2 0 2 的机理仍然不十分清楚， 其主要原因可能是因为准确描述p b 的结构相当困难，关于p b 的结构计量学仍然 没有完整的一致的看法。 为了解释p b 的催化行为和电化学活性，许多年来p b 的结构一直成为人们所 关注的研究课题。早在1 9 3 6 年，基于粉末衍射图的结果，k e g g i n 和m i l e s 就首先 讨论了p b 的结构，区别了所谓可溶化合物k i “1 f e “( c n ) 6 和不可溶化合物f e 4 m 【f e i i ( c n ) d 3 ( p b 的两种不同的形式) 。其实可溶与不可溶的命名只是染料行业的说 法。并不是根据在水中的溶解度来衡量的，只是方便区别过量的钾离子存在下形 成的可以胶溶的化合物( 可溶p b ) 。要强调的是这样的命名是不合适的，研究表明 p b 的两种存在形态的溶解性能都很差( k ”= l o 3 4 棚。根据k e g g i n 和m i l e s 的理 论，可溶的p b 有一个立方结构，f e m 和f e i i 交替出现在面心立方晶体小晶格结点 上，f e “周围被碳原予包围着，f e l l l 八面被氮原子包围着，f e m 和f e “间以c n 基桥 联，形成三维网状聚合结构，c n 基中的c 原子与f e “相联，n 原子与f e ”1 相联，小 立方体心处为k ? 离子或水分子所占据。除间隙位置的k + 离子被f c “1 离子所置换 外，不可溶p b 的结构与可溶p b 的结构基本相同。随后的研究中，l u d i 等h h 2 舢蛔 用一种新的方法测定了不可溶p b 的结构，结果与k e g g i n 和m i l e s 所描述的有所不 同，其结构更加复杂，亚铁氰化物1 4 位置不被占据，在每个单元晶胞发现了1 4 1 6 个水分子，一部分水分子充满亚铁氰化物n 空穴位置，然而剩下的空穴位置被未 中国科学技术大学硕士学位论文第一章p b 修饰电撮的过氧化氢传璺努的研究型堡 络合的水分子所占据，而且在空穴里没有f e “出现。穆斯堡尔共振谱和红外吸收 谱研究1 4 , 4 7 1 也证实了同样的结论。因此，从本质上说，化学名称p b 应认为是可 能含有共沉积或吸留离子、不确定水、可能水解的亚铁氰根、可变的计量学及结 构无序的复杂化合物的一般术语。1 3 9 1 p b 结构的不确定性造成了p b 在电极表面反应的不确定性。开始，认为f b 是 按下面的过程发生氧化还原反应：l u l k f e l i f e “( q d 6 + k + + e - 口- - - - - - k 2 f e l i f e n ( c n ) 6 ( 1 ) 可溶p b普鲁士白( 埃弗立特盐) k f e m f e l x ( c n ) 62 3 k + + 2 3 e + k v 3 f e “i ( c n ) 6 2 t 3 f e l l ( c n ) 6 i 3 ( 2 ) 可溶p b柏林绿( 酱鲁士黄) 随后i t a y a 等又提出了两步反应机理p 印虮，不同于e l l i s 的看法。反应如下所示： f e 4 m f e n ( c n ) 6 3 + 4 k + + 4 e 一# 曼k 4 f e 4 1 、f e “( c n ) 6 b ( 1 ) 不可溶p b普鲁士o ( e v e r i t t 盐) f e 4 m f e n ( c n ) 6 3 + 3 a - 口- - - - - - - 3 e - + f e 4 m 【f e l “( c n ) 6 a 3 ( 2 ) 不可溶p b柏林绿( 普鲁士黄) ( a 一为支持电解质所提供的阴离子) 后一种反应的提出是因为在电沉积的p b 膜中没有发现k + 离子，因而p b 的 不可溶形式被认为是这个反应的唯一可能存在的形态。又由于k + 离予参加了氧 化和还原反应，故而这种反应的正确性还存在某些不确定性。通过比较，相反更 加证实和明确了阳离子对p b 结构的影响。g a r c i a - j a r e n o 等删证明了k + 离子的存 在维持了p b 的电化学活性，还发现r b + 、c s + 和n h 4 + 离子也支持p b 可逆的电化 学活性。然而，n 矿、l i + 、旷和所有的二价阳离子出现则会使p b 的电化学活性 受阻。这种行为可以根据水合离子半径与p b 晶胞点阵的通道半径的关系来解释， 实际上p b 的通道半径约为1 6 a ，而k ? 、r b + 、c s + 和n h 4 + 水合离子半径撕 3 ，1 ( 分 别为1 2 5 、1 2 8 、1 1 9 、1 2 5a ) 与p b 的通道半径相近，因而可以在p b 的晶胞间 隙中自由地穿透。 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：s ql i u 等1 4 9 1 用界面聚集法在含有半胱氨酸的金电极表面制 中国科学技术大学硕士学位论文第一章p b 修饰电极的过氧化氢传感器的研究进展 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+ o 2 0 v 处的一对氧化还原峰在低扫描速度( 1 o 2 0 0 m vs - 1 ) 时分裂成两对峰。他们根据 x r d 和t e m 实验的研究结果，提出了这一现象是由于p b 膜内外f e ( h t i d 的电化学 性质的差异所致。 p b 膜的稳定性自p b 问世以来就一直成为研究者们所关注的问题，虽然一开 始就证实了p b 的存储稳定性好( 在暗处存储稳定性更高) ，但是很明显测试p b 在 不同溶液组成和不同p h 下的稳定性极其重要。溶液的p h 对p b 活性和稳定性的影 响将一直是广大研究人员感兴趣的课题，并需要在今后做更深入的研究，因为p b 在生物传感器的应用方面代表着一个主要的研究方向。 i t a y a 和n e f f 的发现对p b 的催化活性和电化学应用有着重要的含意。他们 第一次说明了在不同电极材料( 铂、玻碳、s n 0 2 、t i 0 2 ) 上沉积p b 膜的可行性， 并说明了p b 催化还原h 2 0 2 的有趣的电化学活性。这些研究为p b 修饰电极的 h 2 0 2 传感器未来的发展应用奠定了坚实的基础。 1 2p b 修饰电极的h 2 0 2 传感器 1 2 1 概括介绍 h 2 0 2 的安培检测技术对于很多研究者( 包括生物传感器研究领域的研究者) 来说都并不陌生，h 2 0 2 作为经典的氧化酶催化反应的副产物，其检测技术的发 展对于从事氧化酶生物传感器研究的意义非常重大，因为在酶催化反应中h 2 0 2 的浓度直接正比于酶基底( 即被分析物) 的浓度。 基底( 被分析物) + 0 2 ! 丝! l 产物( 被氧化的基底) + h 2 0 2 然而，在传统电极上对h 2 0 2 直接的安培检测需要在约0 6 v ( v s a g a g c i ) 才可能 进行，在这样的高的电势下许多共存的容易被氧化的化合物( 如：抗坏血酸盐、 胆红素、尿酸盐等1 在电极上与h 2 0 2 一起被氧化，从两很容易干扰h 2 0 2 的测定。 最早的解决方案是采用分离膜保护层来减小对h 2 0 2 测定的干扰1 5 0 1 ，但是这种方 法又带来了其它的问题，诸如：扩散受阻、膜的准备时间长等缺点。为了克服这 些缺陷，又提出了使用媒介物的方法，媒介物要么能够再氧化酶的活性位置，要 么能够氧化或还原酶反应的一个产物。很快在生物传感器研究领域展开了一个主 4 中国科学技术大学硕士学位论文第一章p b 修饰电极的过氧化氢传感器的研究进展 要的研究方向，即寻找一个灵敏度高、稳定性强、重现性好、不干扰h 2 0 2 测定 的酶介物。修饰层的发展将提供完美的基底来固定氧化酶，并将给出被分析物有 趣的特征。随后寻找对h 2 0 2 的测定具有专有催化能力的酶将可能组装出灵敏度 高、选择性好的生物传感器。 b o y e r 等i s l 崤一次尝试用p b 作为电化学媒介物修饰碳糊电极来催化检测 h 2 0 2 ，虽然他们使用这个媒介物给出了良好的分析结果( 线性范围3 x l o 2 3 x 1 0 3 t o o ll 1 ，电势加4 vv s s c e ) ，但是一直没有引起人们的关注和兴趣。直到 1 9 9 4 年，k a r y a k i n 等声称p b 修饰的电极可以作为一个在较低电势下检测h 2 0 2 的强有力的工具，他们的实验证明了p b 电沉积在玻碳电极上有效地、选择性地 催化h 2 0 2 的可行性 2 s , s 2 1 ，还发现p b 对h 2 0 2 的催化活性约是对0 2 的催化活性 的1 0 0 倍，并且在该实验条件下催化还原h 2 0 2 的速率常数为5 1 0 2 ( m o ll - i ) 。1s 1 ， 应用电势为1 8 0 m v ( v s a g a g c l ) ，检测限为1 m o l 1 。之后，细致地研究了p b 沉积的优化过程以及在不同的电势下对h 2 0 2 还原电流的影响，结果在 0 0 v ( v s a g a g c l ) 电势下对h 2 0 2 检测的灵敏度达到了微摩的数量级。脚l 在最优化 的实验条件下( p b 膜) 计算还原h 2 0 2 的生物分子速率常数为3 1 0 弓( t o o ll 1 ) ds 1 ， 非常接近过氧化酶测定的结果( 2 1 0 4 ( m o ll 1 ) ds - 1 ) 剐，这样高度的催化活性和选 择性导致k a r y a k i n 认为p b 是“人工酶”。较低的操作电势足够避免或大大减小大 多数化合物的干扰( 如：抗坏血酸、尿酸、扑热息痛) i 龃捌l ，使得p b 修饰的电极 可以选择性地催化还原h 2 0 2 。然面，并不能单独地用较低的应用电势来解释p b 的选择性，p b 作为催化还原h 2 0 2 的媒介物，可能的主要原因还得根据p b 的结 构特色来考虑，p b 独特的晶体结构允许小分子穿透立方晶格被还原，而分子量 较大的化合物被排斥在晶格外面。p b 对h 2 0 2 催化的选择性和活性完全可以与那 些修饰的生物成分相媲美，并且p b 还具有很多无机化合物的优点，比如：价格 低、在某些条件下稳定性很高、容易在电极表面修饰、对基底没有饱和度影响等。 鉴于p b 韵优越性，大量致力子p b 修饰电极的应用已经在国外许多优秀刊 物上被报道。表1 1 总结了一些p b 修饰电极( 基于不同的电极材料、修饰方法、 检测原理) 检测h 2 0 2 的重要研究成果。到目前，用像玻碳辟7 瑚韪5 删、石墨i 渊l 、 碳糊1 6 9 - 7 3 1 、铂即9 1 和金i s o - s s l 这样最普遍使用的电极材料来修饰p b 的研究很多， 表1 - 1 基于p b 修饰的电极的h 2 0 2 的传感器的典型例子 注：没有特殊说明参比电极均指a g a g c i 笤oo 2 最呈 l 2i 若 爱袁写 邑窘蚕 幺女女i 至 g 暑i 喜 哥日掣锥辫*汁慊崮廿慊离黟k 辫l幡，w察栾毋前嚣_过冀匕蜱干睾旃帮器窜旨酶潮 栾罄龆措陛 霹赣茹斟蚪 整w 斟抖 爵蕊毋搴 蓐整两 嚣霹斟疆 ，暮一 瑚缚舟 目墨互。气v 妒簿 精诛h 弄 蝌爨丹嚣辫姑母蒴黏蔫趔蕾 辫焦毋籀 难蕃 辫是母穰 巷 m噼理晋盔廿菇 辩誓 越啪降盈丑璺匠茸 辫爨盔 趔期举丑窘玺西菇 睁晦疆晋稍一面菇 警* 母敲蒜翟警* 母菇事望 睁曲燕 辫辩厨藏 _ _ r o 丹螽 商哥翻简赞 商哥钾暂茹 qtcb+fe。2 寮习：露卅i圭商毋离箭軎l 尽fc拿赫爿穿卅i击 商毋丽箭措 霉一，+f卫曼 蒜鬻寅墙i 去 稚舶*灯苫j|毫简螗 褂讲盥蕈卜窘昧箭赞 附州曩，鹱器打难审*蕾 啼謦卜箭赞 匕愫筒啦莆辫嫩j宦q卜 七悼篱謇阱剞嗣 蛑五普壁母燕-匕 商毋辫鹭赞商毋辩鹭措 喝ocl3+罩cwy、 赢暮露坩 虫 pl匕谁由苷 嘲ocl，置2吒0h茗 尊嗣= 寓墙i 盎 窘慷箭弗l僻睁鐾*|立讯_匕 爵搏辞毋菇爵车睾辞毋菊 津苇培蒜串嚣藩磐解重寸串嚣菇榷卅=l膏串嚣警磐j主童干串尊 卑耳毋簖串尊 卜葺毋新串茸宰耳毋篱串茸牟冒寸毋警串尊 o h40vsm - 5 口 。 卑鼍丹辫串聋 厶o 卜耳毋警串尊 - s o 簖器j生茸串尊 s 口 饕肆群避串蓦 + 5 0 辫磐群簿串尊 + 笤 漾饕埒i奢肆蒜 斟窖磐斗螺 姗= i 音串韩 蒜饕谢幕串尊 _ 0 一 o o i s c e 占_ _ 争p 宅 _ o _ 5 苎o 。 一8 口 o 1 一o o o 争_ o o o 坟- 2 8 o ，_ o ， o b 蚺 o b - 5 8 o _ o 1 - 5 0 o 0 一 o o _ o 7 廿 o o 一” o b _ - l o io d _ - 1 0 o03口818 p o - 6 x i 气 咎 喈器艟il2p亦器档 擗i 弹席孤 带哥寨吕毋奇 碰兰 可口譬3嚣霹器罅辩 蔚口王墨寓辩砖 斟甍耳宣蕾耐一口善o) 斟甘王耳宣罄耐奇莹n-o)斟口日寸窘越研el_寄4) 窨 干睾韩善9薛旌两肃 8 尝瓣燕耐抖丹箭茹 薯* 麟蔷害w w 丑柚军i|漫。272甓_ al巨o亨基_567，24l口 nlllc季；一瀑 u _ 9 i 叼 星-置_口96-4u，h59q 田环碲茔、】l、091|口34 gcnl_999，5_致 g，8；*舀p口口产 n 9 3 臣譬琶g_5u。岛8 耋-crg29_毫k喀 巨nrit口晷 盘n i l l _ 盥8i学is28w；_75 口ioboclb嚣罾 善h 8 1 6 “ 罾iog*b菩茸m蚕毫；_8 ，目臣clin富誉零7a阜74 舅a咖芦n8u18167 斟审 l e于宣ji虽碚一口葛_e e18蓉壹薹誉0p譬s 崎q 9 0 干睾穆手p秘搏辩膏斟臣曼暑chgolh86 斟pi毒宣替斛冒l_暑4) i-cir：善蛙2_uu 中国科学技术大学硕士学位论文第一章p b 修饰电极的过氧化氢传感器的研究进展 并且还应用在许多新的电极材料上，如：丝网印刷电极i s 6 - s s l 、导电玻璃1 5 9 - 9 1 i 、碳 纳米管基于的碳糊电极1 9 2 1 、涂钯的氧化铝电极网。这些研究成果对h 2 0 2 的检测 限都在微摩数量级，结果令人满意，并且对一般的电化学干扰也给出了极好的描 述。 在碳基于的电极材料中，玻碳糊i 鲥i 、碳陶瓷材料踯i 、碳纤维纳米电极惭l 等 也用来作为修饰p b 的基底。p b 膜直接自组装在含碳糊的煤渣电极上也被广泛报 道i ，7 搠l 。天然绿脱石材料结构内含有丰富的f e ”离子，有助于f e ( c n ) 6 3 溶液电化 学循环形成p b 膜瑚i 。 关于h 2 0 2 的检测，在碳基于的电极中玻碳修饰的电极给出了很高的灵敏度 ( i a ( m o ll 1 c m 2 ) ) 瑚l ，但是在2 0 0 3 年c b n o n 的研究组在流动注射实验中就p b 修饰 的丝网印刷电极给出了更高的灵敏度( 2 a ( m o l l - l c m 2 ) ) t s o l 。据目前报道，k a r y a k i n 等【l 仉1 在惰性玻碳电极上形成的p b 纳米排列，对h 2 0 2 的传感给出了最低的检测限 ( 1 0 - s t o o ll - i ) 和最宽的线性范围( 1o - 8 t o o ll 1 1 0 2 m o ll 1 ) 。 最近几年，丝网印刷电极在传感器的研究领域发挥了重要的作用1 临埘i ，特 别值得注意的是，它被广泛用于建构p b 基于的h 2 0 2 探针1 1 晦姗l 。丝网印刷电极 主要的优点是价格便宜、制造简单、适合大批量生产使用1 0 9 , 1 1 0 1 。 一个早期的进步来源于g u i l b a u l t 和他的同事1 5 6 , 1 1 1 1 将p b 微粒混入墨水用作丝 网印刷电极使用，这个电极对h 2 0 2 进行检测，获得了o 4 p m o ll 4 的检测限，线性 范围为0 4 耻m o l l 1 1 0 0 i t m o ll - 1 。2 0 0 3 年r i c c i 的研究组i 盯1 又提出了一种简单的电 化学沉积方法在丝网印刷电极上修饰p b 膜，结果对h 2 0 2 的催化也给出了极好的 分析参数( 检测限0 1 p m o ll _ 1 ，线性范围0 1 p m o ll - l 5 0 p m o ll - 1 ) ，并且在碱性的 溶液中显示了良好的稳定性。 众所周知，p b 一个基本的优点就是有很高的电子传输速率，这一优点使得 p b 修饰的电极在各种电分析方法里都可以给出快速的电化学响应，也正是因为 这个原因，p b 修饰的电极已经基本上在所有的安培技术和过程中得到应用：流 动注射分析( f i a ) 咖皿舯j n i 、连续流动体系i 埘1 ( 如：批量模式i 峨, s c , - s - q 、计时电流 法0 1 捌) 。这些不同的方法对h 2 0 2 的检测总能给出良好的分析操作结果。 尽管报道了很多关于p b 的优点，但是在碱性溶液中，p b 膜的稳定性受到影 响，结果限制t p b 修饰的电极仅仅在中性或酸性溶液中才能使用。 7 中胃科学技术大学硕士学位论文第一章p b 修饰电极的过氧化氢传感器的研究进展 1 2 2 溶液的p h 对p b 修饰膜稳定性的影响 评价p b 修饰膜稳定性的典型的方法就是在不同的实验条件下循环伏安扫描 n 圈后看峰电流降低的情况。n e f f 汞a i t a ”一直声称p b 膜在1 0 0 m vs - l 的扫速下循环 扫描1 0 5 圈后仍然保持高度的稳定性m l ，但是1 9 9 2 年s t i w e l l 等报道t p b 膜在偏碱 性的条件下稳定性受到影响i n 4 j 。在p h 2 p h 3 的范围内，循环扫描1 0 4 圈后峰电 流几乎没有降低，然而在中性环境中膜的稳定性明显下降，在碱性条件下膜的稳 定性更差，循环扫描几圈后p b 膜就开始被破坏。发生这种现象的可能原因是在 p h 6 4 时，f 矿离子与o h 离子发生强烈的相互作用生成了f e ( o h ) 3 1 n 5 1 ，从而破 坏t p b 的f c - c n f e 键l a o l 。p b 从电极表面流失结果使响应信号降低。许多来，p b 膜的这种不稳定性代表了它的主要不足，从而限制了它的使用，特别限制了p b 与酶结合在最佳的基本p h 范围内的应用。1 7 4 , n * 1 膜的稳定性似乎也依赖于p b 膜的不同沉积方式，已经指出p b 的结构仍然是 一个有待进一步研究的问题，并且p b 本身的结构可能与p b 膜的形成过程直接相 关。如果p b 膜的不稳定性仅仅是因为o h 。离子与f e 3 + 离子的反应造成的，那么p b 三维结构的微小差别就可能导致f e 3 + 离子与o h 离子反应活性的改变，从而说明 碱性p h 对p b 膜稳定性的影响有何不同。 r i c c i 等人采取用化学沉积的方法在电极上修饰p b ，在碱性p h 条件下增加了 p b 的稳定性f f o 1 r l l ，大大增强的稳定性使p b 探针在碱性p h 下也可能得到应用( 在 p h 7 4 1 橛j h 2 0 2 检测5 0 小时信号也没减小f 3 7 1 ) ，还能和氧化酶( 维生素b 复合体氧化 酶) 一起使用，优化的p h 可达到8 0 。相比于广泛使用的电化学修饰p b 的方法，化 学沉积p b 体现了其独特的有效性和优越性i 阳鼽1 1 7 j ，它是基于氯化铁和亚铁氰化 钾( 或氯化亚铁和铁氰化钾) 的白发反应形成了非常稳定的p b 层。必须引起注意的 是，在碱性p n 下p b 膜的稳定性增强这一奇怪的现象还没有得到合理的解释。究 其原因，目前存在两种猜想。一种猜想认为与p b 的结构有关印l ，而p b 的结构又 高度依赖p b 的沉积过程。化学过程形成p b 的结构更类似p b 的可溶形式l 1 ( 可溶 形式比不可溶形式更稳定) 。这个猜想从n e 蹄i 诅y 撮早沉积p b 的工作中找到了 一些证据。首先，旺限道了采用化学方式仅仅有p b 的可溶形式沉积在电极表面 1 1 4 1 ，并且参加了氧化还原反应l a 4 1 。i t a y a 采取了电化学沉积p b 的方式，结果证明 t p b 膜中没有k + 离子存在，沉积的只是p b 的不可溶形式坫, 3 6 , 1 1 9 ，于是i t a y a 得出 8 中国科学技术大学硕士学位论文第一章p b 修饰电极的过氧化氢传感器的研究进展 结论，电化学沉积的是p b 的不可溶形式( 稳定性差) 。 k a r y a k i n 和g 嘶彻y t e 一直采取i m y 4 用的循环扫描方式来s m p b 膜，结果也显示 膜在较高p h 时稳定性差。根据r a y a 的研究是因为形成了p b 的不可溶形式导致了 膜的稳定性降低。然而，这个结论似乎与一些已经发表的其它研究结果相矛盾。 其它研究指出，即使采用电化学沉积的方法，在k c i 溶液中循环扫描可以使p b 从 不可溶形式转换成可溶形式1 1 1 8 , 1 2 0 , 1 2 1 i 。所有这些都表明一个事实，即化学名称p b 只是表示具有可变量子数的复杂化合物的一般术语，因此很难证实它的具体结 构。在重复的电化学循环过程中，p b 的不可溶形式逐渐转换成可溶的形式，意 味着高自旋的f e ( i i d 离子的1 ，4 位置被k + 离子占据i 脚i 。即使这样，也很难相信在 k c i 溶液中循环扫描能将贴近电极表面的深层p b 转化。造成在碱性p h 下稳定性有 限的原因可能是仅仅最表层接近k c i 溶液的p b 转换成了其可溶形式，而大量的p b 仍表现为不可溶形式。 另外一个猜想是化学过程导致大量的p b 沉积形成了一个富集区，将会减小 f c 3 + 离子在碱性溶液中水解而引起的p b 的泄漏量。虽然目前还没有任何实验可以 证实这个猜想，但是很明显p b 稳定性的提高与化学沉积过程直接相关。实验证 明可以在很多电极材料( 即：碳糊1 7 0 l 、玻碳1 1 蠲、碳纳米管嗍) 上用化学沉积的方 法修饰p