（分析化学专业论文）几种生物分子在化学修饰电极上的电化学行为研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 在电极表面进行化学修饰，使电极具有某种特定的化学和电化学 性质，是目前分析化学研究中最活跃的领域之一。论文在前人工作的 基础上，成功地研制了一系列基于功能型化学修饰电极的生物和化学 传感器件，研究了生物分子在这些传感器件上的电化学行为，丰富了 化学修饰电极领域应用基础研究的内容，为进一步优化和制作实用性 化学与生物传感器奠定了基础。 制备了单壁碳纳米管n ，n 二甲基甲酰胺( s w n t d m f ) 复合膜修 饰电极。s w n t d m f 膜修饰电极对盐酸曲普利啶的电化学氧化还原 具有较好的催化特性和抗干扰能力，s w n t 膜显著提高了测定盐酸曲 普利啶的灵敏度。同时探讨了盐酸曲普利啶在修饰电极上的伏安性质 和电极反应机理。建立了一种新的测定盐酸曲普利啶的电分析方法， 并应用于实际样品中盐酸曲普利啶的测定。 研究了固定在n a f i o n h g 膜电极( n c m f e ) 上兔肝金属硫蛋白( m t ) 的电化学行为，对m t 可能的氧化还原调节的金属转移过程进行了探 讨。首次在n a f i o n h g 复合膜电极上得到了m t 的两对清晰的氧化还 原峰，为快速和高灵敏地探索表面固定m t 的氧化还原特性提供了一 条有效途径。 利用n a t i o n b i s m u t h 膜修饰电极( n c b f e ) 研究了兔肝金属硫蛋白 的氧化还原行为和金属释放作用。首次观察到m t 扩散控制的氧化还 原波。n c b f e 使对不同类型m t 分子及相关异构体伏安法研究成为 可能，从而开拓了利用氧化还原研究调节m t 中金属转移的方法，而 这在重金属解毒和必需金属的调节方面将会起到很大的作用。 关键词：化学修饰电极，伏安法，盐酸曲谱利啶，金属硫蛋白 硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec h e m i c a lm o d i f i c a t i o nr e n d e r st h ee l e c t r o d e ss p e c i a lc h e m i c a l a n de l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e s b a s e do no t h e rr e s e a r c h e r s w o r k , w e h a d v ed e v e l o p e das e r i e so fb i o l o g i c a la n dc h e m i c a ls e n s o r sa n d i n v e s t i g a t e dt h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so fs e v e r a lb i o m o l e c u l e s e s t a b l i s h i n gt h eb a s i sf o rf u r t h e rd e s i g n i n gn e wc h e m i c a la n db i o l o g i c a l s e n s 0 r s 1 h es w n tm o d i f i e de l e c t r o d ew a sp r e p a r e db y c a s t i n gt h e s u s p e n s i o no fs w n l si i ld 匝o n t ot h es u b s t r a t ee l e c t r o d e t h er e s u l t a n t e l e c t r o d eh a da ne x t r a o r d i n a r ye l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yt a w a r dt h e o x i d a t i o no ft p h c i nc o m p a r i s o nw i t ho t h e rk i n d so fe l e c t r o d e 。t h e s e n s i t i v i t yf o rd e t e r m i n a t i o no ft p h ch a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e da tt h e s 仆兀：m o d i f i e de l e c t r o d e t h ei n v o l v e de l e c t r o d er e a c t i o nm e c h a n i s m h a sb e e ne l u c i d a t e di nd e t a i l t h ep r e s e n tm e t h o dc o u l db eu s e dt ot h e d e t e r m i n a t i o no f t p h ci nr e a ls a m p l e sw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s v o l t a m m e t r i ci n v e s t i g a t i o no fs u r f a c e c o n f i n e dr a b b i tl i v e rm ta t n a t i o n c o a t e dm e r c u r yf i l me l e c t r o d e ( n c m f e ) w a sp e r f o r m e dt o e l u c i d a t et h ep o s s i b l er e d o x - m o d u l a t e dm e t a l - t r a n s f e rp r o c e s s e s t w o p a i r so fw e l l d e f i n e dr e d o xp e a k sw e r eo b s e r v e df o rt h ef i r s tt i m e t h e n c m f ep r o v i d e saf a s ta n dh i l 曲l ys e n s i t i v ew a yt oe x p l o r et h er e d o x p r o p e r t i e so fs u r f a c e c o n f m e dm t t h en c b f ew a su s e dt oi n v e s t i g a t et h er e d o xb e h a v i o ro fa n dm e t a l r e l e a s ef r o mr a b b i tl i v e rm ti na na c e t a t eb u f f e r ad i f f u s i o n c o n t r o l l e d n e r s t i a nr e d o xw a v eo fm tw a so b s e r v e d t h en c b f ep r o v i d e sa n e x c e l l e n tm i l i e uf o rv o l t a m m e t r i cs t u d i e so fd i f f e r e n tt y p e so fm ta n d r e l a t e di s o f o r m s ，p a v i n gt h ew a yf o rs t u d y i n gt h er e d o x m o d u l a t e dm e t a l t r a n s f e ro fm t , a n du n d e r s t a n d i n gt h eb i o l o g i c a lr o l eo fm t si nh e a v y m e t a ld e t o x i f i c a t i o na n de s s e n t i a lm e t a lr e g u l a t i o n s k e yw o r d s ：c h e m i c a lm o d i f i e de l e c t r o d e ，v o l t a m m e t r y , t r i p r o l i d i n eh y d r o c h l o r i d e ，m e t a l l o t h i o n e i n i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名日期：年一月一日 硕士学位论文第一章综述 第一章综述 现代传感技术包括信息交换、信息处理及接口技术等三部分。其中以信息交 换为核心内容一即所谓的传感器( s e n s o r ) 。2 0 世纪六十年代化学传感器【1 l 问世以 来，其功能愈加完善，应用范围更加广泛。作为电化学传感器核心部件之一的电 极的发展对各种电化学传感器的发展起到了关键的作用。如何使电极能够有选择 性地进行人们所期望的反应并提供更快的电子转移速度，是电化学家们希望解决 的问题。化学修饰电极( c m e ) 的出现为此问题的解决带来了可能。 1 9 7 5 年c m e l 2 - 习问世以来，已成为整个化学界瞩目的非常活跃的电化学研究 新领域，推动了电化学及电分析化学研究的发展，是近代电分析化学领域中一个 重要的研究方向，已广泛应用于化学、生命科学、医学、环境、食品和军事 等领域的分析检测和机理研究【9 】，在c m e 的制备以及应用等方面科研工作者进行 了大量的理论及实验研刭1 0 l 。 1 1 化学修饰电极的制备 c m e 就是用化学或物理的方法对电极表面进行修饰，形成具有预期特定功 能的膜，以完成对电极的功能设计。采用什么方法修饰是需解决的首要问题，因 为修饰方法的可靠性，直接影响到c m e 的重复性和稳定性，进而影响到c m e 的 理论研究和实际应用。固体电极表面的第一步处理是进行机械研磨、抛光至镜面 程度【l 卜u l 。特别当电极表面上存在惰化层或很强的吸附层时，必须用机械或加热 的办法处理。经抛光后，接着进行化学的特别是电化学的处理是最常用来清洁、 活化电极表面的手斟1 4 】。电化学常用强的矿物酸或中性电解质溶液，有时也用配 位作用弱的缓冲溶液( 如乙酸和磷酸) 在恒电位、恒电流或循环电位扫描( 如在 o 5 m o l l k 2 s 0 4 中，+ 1 8 一0 4 v v s a g a g c l ) 下极化，取决于扫描电位终止的电 位不同，可获得氧化的、还原的或干净的电极表面【l5 。电化学法能在试液中直 接进行电极处理，方法简单易行。 1 1 ，l 化学吸附法 化学吸附法是通过非共价作用将修饰试剂固定在固体基质表面。 p a l e c e k 等【1 7 t 利用核酸能在汞电极和高定向裂解石墨电极( h o p g e ) 表面产生 较强烈的吸附，发展了一种简便制各核酸( n a ) 修饰汞电极的方法。该方法只需 5 p l 1 0 皿的核酸溶液，将电极浸入溶液中，单链( s s ) d n a 、双链( d s ) d n a 和 r n a 都产生不可逆吸附，经过冲洗，得到稳定的d n a 修饰汞电极。w a n g t ”】等也 发展了一种简单制备d n a 修饰电极的方法。将碳糊电极( c p e ) 放到含d n a 探针分 硕士学位论文 第一章综述 子的醋酸缓冲溶液中，搅拌条件下于1 7 v ( v s a g a g c l ) 的电位下活化电极 l m i n ，然后在0 5v 的电位下吸附富集探针分子2 m i n ，最后用含n a c i 的磷酸缓冲 溶液淋洗1 0s ，便对d n a 探针分子进行了固定。m a s c i n i 等【l9 】利用附加一定的电 位可使未衍生化的寡聚核苷酸探针吸附于石墨电极上，这种方法比较简单，不需 要试剂或特殊的核苷酸修饰。其主要缺点是有非特异性吸附，且在杂交条件下核 酸容易从基质上解吸。由于是多点吸附，碱基被固定后，杂交活性较差。m o s e r 等i 加l 通过改变基质修饰性涂层及控制引入带电荷基团，对非特异性吸附有较好的 抑制作用。沈含熙【2 1 l 等研究了血红素修饰玻碳电极的制备及作用机理，发现血红 素在玻碳电极表面呈现两种状态：单体及二聚体，它们对i - 1 2 0 2 的电还原均有良好 的催化作用。 化学吸附法的优点是简单，但电极的稳定性较差，修饰层易脱落或失活。 1 1 2 自组装膜( s a m s ) 法 s a m s 是构膜分子通过分子间及其与基体材料间的物理化学作用而自发形成 的一种热力学稳定、排列规则的单层或多层分子膜。以这种方式修饰电极的方法 叫做自组装膜法。 庞等 2 2 1 在金电极表面形成含s h 的自组装单分子层( s a m ) ，再在该s a m 上共 价键合或吸附固定d n a 取得了良好的效果。b a r d 等脚】贝0 通过巯丁基磷酸在金电 极上的有序吸附和反应步骤，制各出一层有序的链烷磷酸铝膜，膜中含有金属中 心离子a l ”，能与带负电的d n a 链强烈作用，将d n a 固定于电极表面，得到修饰 电极。 到目前为止，已发展了多种类型的自组装膜1 7 4 - 2 7 1 ，如：有机硅烷在羟基表面； 醇和胺在铂表面；硫醇、二硫化物和硫化物在金、银、铜表面；脂肪酸在金属氧 化物表面；瞵脂在金属磷酸盐表面以及异氰在铂表面等等。 1 1 3 涂渍法 将溶解在适当溶剂中的聚合物涂覆于电极表面，待溶剂蒸发干固后，生成涂 膜结合在电极表面，达到化学修饰的目的。 a i l $ o i i 等【2 8 】将几种金属配合物修饰在聚乙烯吡啶涂层电极上，研究多种金属 配合物催化剂的循环催化作用。a d a m s 等1 2 9 将全氟代磺酸酯o q a n o n ) 修饰于电极 上，用于动物脑中有关神经递质的活体( i nv i v o ) 分析。n a t i o n 膜不仅能防止r r f 流失，而且防止抗坏血酸、尿酸等电活性物质扩散至电极表面造成干扰。w a n g 等1 3 0 | 研究了细胞色素c 在活化的单层碳纳米管修饰玻碳电极上的直接电化学行 为。在活化的碳纳米管修饰电极上，可观察到细胞色素c 一对峰形很好的氧化还 2 硕士学位论文第一章综述 原峰。确定了最适宜的活化修饰电极的条件。 1 1 4 共价键合法 以化学反应的方法，将修饰试剂共价结合到电极表面的方法，叫做共价键合 法。首先将电极表面进行电的、化学的和物理的预处理，然后修饰物分子与电极 表面的活性基团在适当条件下进行化学反应使其得以固定于电极表面。 s h e p a r d 冬 t 3 1 】将钴酞菁、铜酞菁配合物化学键合修饰至l j s n 0 2 电极上。这类电 极具有多种功能：如电催化、光电效应、电色效应、电极保护、传感器等。m i l l a n 等1 3 2 1 使用水溶液的碳二亚胺( e d c ) 和n - 烃基琥珀酰亚胺( n h s ) 作为偶联活化剂， 将s s d n a 共价结合到氧化的玻碳表面，发现只有鸟嘌呤g 和胞嘧啶c 才能与玻碳 史极表面的0 酰基异脲共价结合。方禹之等1 3 3 】用硅煽化试剂与石墨电极表面羟 基反应导入胺基( - m - j 21 ，在e d c 存在下，加速- n h 2 与d n a 的末端磷酸基缩合而 共价键合到电极表面。y a n g 等 3 4 1 将玻碳表面经氨丙基三乙氧基硅烷( a p t e s ) 处 理，其水解产物一方面与玻碳表面的硅醇基形成坚固的硅氧烷键，同时产生氨基 功能化表面，再通过双功能试剂：如戊二醛( g a ) 、对硝基苯氯甲酸酯( n p s ) 、马 来酸酐( m a ) 将d n a 成功地固定在基体表面。h y u n - 等1 3 s ) 用胱胺对金电极胺基化， 然后将经氧化后带有大量醛基的g o d 和带有许多氨基的树枝状的聚酰胺基胺交 替键合到金电极表面上，形成层状结构。电极制作简单，其敏感度和膜的厚度可 控制，固定化酶可以是一种也可以是多种。 1 1 5 电化学聚合法 d i a z 3 6 】在1 9 7 9 年首次报导了电化学氧化吡咯在电极表面形成聚吡咯( p p y ) ， 随后又在电极表面修饰了聚噻吩( p r h ) 、聚苯胺( p a n ) i 其相应的衍生物等1 3 7 , 3 s 。 s k o m ps l 【a 等( 3 9 1 在p t 电极上电化学聚合n 乙烯基咔唑。o y 锄a 等【柏l 曾制得聚4 乙 烯基吡啶、季碱化聚4 乙烯基吡啶修饰电极，并利用聚合物中配位基团的吡啶部 分，通过配位取代反应再把配阴离子或配阳离子结合上去。这类电极又称为离子 交换型聚合物c m e 。 1 1 6 电化学沉积法 电化学沉积法是制备配合物及一般无机物c m e 的通用方法。该法要求在进 行电化学氧化还原时，能在电极表面产生难溶物薄膜。这种膜在进行电化学及其 它测试时，中心离子和外界离子氧化态的变化不导致膜的破坏。 董绍俊等1 4 1 】制得了六氰亚铁钒修饰电极( v h f c m e ) ，在循环伏安扫描过程 中，可以清楚地观察到膜的颜色变化。沈含熙等1 4 2 采用循环伏安法研究了铁氰化 硕士学位论文第一章综述 锰修饰玻碳电极的制备过程，发现铁氰化锰在电极表面的生长存在3 个明显的阶 段，最后阶段对获得均匀、致密的膜电极至关重要。对钴氢氧化物修饰玻碳电极 的制备过程亦进行了详细的研究1 4 3 ，州。b o c a r s l y 4 5 】使用活性金属材料作电极基 体，直接在含配阴离子的溶液中电解，制得混合价态类普鲁士蓝配合物c m e 。 储海虹等【拍j 用化学还原法制备了纳米铂溶胶，透射电镜显示其粒径约为51 1 1 1 1 ， 经过电化学沉积可将铂溶胶修饰于铂盘电极上，在中性介质中，铂溶胶修饰电极 对溶液中鲁米诺的电化学发光具有明显的增敏作用，且具有较好的稳定性，维生 素c 对此增敏的电化学发光有强烈的猝灭作用，利用该修饰电极可测定痕量维生 素c ，检出限为2 0 x 1 0 “3 m o y l 。 1 1 7 掺入法 掺入法是制备碳糊修饰电极的常用方法。制备时，将一定量的修饰剂、石墨 粉及粘合剂混合，研磨均匀制成c m e 。 1 9 6 9 年a d a m s 首创碳糊电极( c p e ) 以来，用各种修饰物修饰的c p e 获得了飞 速发展。h a l b e r t 等h 7 1 制得钴酞菁配合物的碳糊修饰电极，研究了c m e 对半胱氨 酸的催化氧化作用。m i l a n 等1 4 8 1 将1 8 烷基胺混入碳糊电极中，得到修饰的c p e 。 然后在e d c 存在下将s s d n a 固定到电极上。或将1 8 烷基酸修饰到c p e 上，然后 在e d c 和n h s 共存下，s s d n a 通过d g 残基与c p e 中羧基结合制成s s d n a 修饰电 极。m a t u s z e w s k i 等1 4 9 首次将葡萄糖氧化酶( g o d ) 直接掺合到石墨和硅油的有机 相中。 此外还有催化诱导沉积法、化学沉积法、离子体聚合法、t 射线聚合法、干 涂法等。 1 2c m e 在电分析化学中的应用 1 2 1 选择富集与分离 当电极表面修饰了对待测物质有选择性反应的化学基团时，c m e 将与待测 物质发生反应，达到分离、富集的目的。 董绍俊等【5 0 】在玻碳电极表面修饰以冠醚及n a f i o n 的混合物，用于铊、银、铅 等的测定。测定铊时，检测下限达l f f l 2 m o l l 。p r i c e 等【5 1 1 利用修饰有胺基的c m e 与试液中羰基化合物反应生成亚胺基基团，借反应时电极上产生的电流定量测定 醛基化合物，方法灵敏。m a r t i n 等1 5 2 j 研究t n a f i o n 修饰电极对阳离子可进行选择 性富集，使被测离子的检测限下降一定数量级。 4 硕士学位论文第一章综述 1 2 2 电催化 董绍俊详细综述了c m e 的电催化模型及其重要特性【3 ”，并对抗坏血酸在普 鲁士蓝修饰电极上的氧化作用作了深入研究闻。i 蛐a l d n 等【5 4 】将亚甲基蓝聚合于 玻碳电极表面，研究了对葡萄糖电催化作用。孙登明对多巴胺在聚碱性品红c m e 上的氧化作用也进行了详细的研究【5 5 】。罗红斌等【吲应用循环伏安法于玻碳电极 修饰聚刚果红薄膜，并研究对乙酰氨基酚( a c o p ) 在该修饰电极上的电化学行为， 实验表明，聚刚果红修饰电极对a c o p 具有良好的电催化性能。在2 0 1 0 4 2 0 x 1 0 m o l l a c o p 浓度范围内，其差示脉冲伏安峰电流随浓度变化呈良好的线 性关系，检测限为4 0 ) ( 1 0 4 m o 儿。 1 2 3 媒介作用 任何酶电极，其电极反应一般都包括酶化学反应和异相电子转移反应。如何 将电子从反应中心快速转移到电极表面，形成响应电流是一个关键问题。选择使 用电子传递介体是一种解决办法。所谓电子媒介体是指能将酶反应过程中产生的 电子从酶反应中心转移到电极表面，从而使电极产生响应变化的分子导体。 y a b u l d 掣5 7 】用离子聚合物将葡萄糖氧化酶和二茂铁物包埋于玻碳电极上，制 成了葡萄糖传感器。其检测线性范围为2 0 0l u n o l l 5l u n o l l 。y a m a m o t o 等1 5 剐 用n a t i o n 和醋酸纤维素酯复合将二茂铁、过氧化物酶和石墨粉混合制成石墨工作 电极，用于血液中葡萄糖和脲的测定，其检测限分别达到1 5x l o “2 m o l l 和2 x l 0 0 2 m o l l 。朱荣贵等1 5 9 j 用多种染料分子修饰电极，加速了血红蛋白的电子传 递速度。s a t o 等【砷】以吩嗪衍生物为媒介体制成了甲胺脱氢酶传感器，效果较好。 w a n g 等【6 l l 将r r f 与葡萄糖氧化酶包埋于溶胶凝胶与聚乙烯醇和4 乙烯基吡啶接 枝共聚物的复合载体中，制成了葡萄糖传感器。用于血液中葡萄糖的测定，结果 与分光光度法非常接近。唐芳琼等【6 2 】乖j 用a g 粉作电子媒介体，制成了葡萄糖传 感器，改善了酶电极的电流响应性能，性能提高了4 0 倍。 1 2 4 电化学传感器 用聚吡咯及聚噻吩膜c m e 可制成对c l 。、b r 。响应的电位传感器。然而研究 最多的则是p h 传感器。冷宗周等【6 3 】制备了测定阿米替林的电位传感器。先将铂 丝电极在5 0 m l 苯胺溶液中恒电流电解，控制电解时间以得到一定厚度的均匀聚 苯胺膜，再将此电极涂上药物膜得双层涂膜电极。该电极在1 0 3 m o l l 盐酸阿米 替林溶液中连续测定8 h ，电位值变化平均为0 3m v h ，而单层涂膜铂丝电极的电 位值变化平均为2 m v & 。沈国励等i 删以光谱纯碳棒为内导电极，将四苯硼酸与 小檗碱、普鲁卡因、阿托品等形成的离子缔合物涂于该电极上，制成了对1 2 种药 硕士学位论文 第一章综述 物敏感的电位传感器。线性范围为1 0 ) ( 1 0 4m o l l 1 0 x 1 0 1 m o 帆，检测限为1 0 1 0 6m o 觇1 - 0 x l o - 7 m o l l ，响应快、稳定性好。 电流型酶传感器是生物传感器领域中研究最多的一种类型。p a t e l 等【6 5 l 制备 了便携式的乳酸氧化酶传感器，用以测定奶制品及临床样品( 全血、血清) 中的l 乳酸。结果与其它标准测试方法的结果相符。s h u t 6 6 j 等将d 乳酸脱氢酶及丙氨酸 氨基转移酶共同修饰于碳糊电极上，成了对d 乳酸敏感的传感器。a r n o l d 等【6 7 l 将谷氨酸氧化酶固载于n a t i o n 修饰的p t 电极上，制成了对谷氨酸敏感的生物传感 器，检测限为0 3p m o u l ，线性范围高达8 0 0i _ t m o l l ，选择性明显提高，有效消 除了来自抗坏血酸、尿酸和乙酰氨基酚的干扰。d o n g 等呻懈葡萄糖氧化酶或d - 氨基酸氧化酶固载于普鲁士蓝膜中，外涂一层n a f i o n 保护膜，制成的传感器对葡 萄糖及d 丙氨酸表现出良好的响应特性，寿命达1 5 2 0 天。s t a d e n 等【叫将d 氨基 酸氧化酶修饰于碳糊中，制成了对r - p e r i n d o r i l 敏感的电流型传感器，检测范围4 0 0 m m o l l 2 0r l m o i l ，检测限可达1 0n m o l l 。 为适应药物分析、基因检测及生命科学发展的需要，将功能分子以适当方式 修饰到电极上，制备出选择性好、灵敏度高、有一定寿命且可再生的电化学传感 器依然是分析工作者努力探索的课题。 本论文采用涂渍法将单壁碳纳米管修饰在玻碳电极上，制成了测定盐酸曲谱 利啶的电化学传感器，采用涂渍法和电化学沉积法并分别利用n a f i o n h g 膜以及 n a f i o n b i s m u t h 膜良好的选择富集性以及优异的电化学性能，制成了研究m t 电化 学行为过程中金属释放的新型化学修饰电极，使对不同类型m t 分子及相关异构 体的伏安法研究成为可能，从而开拓了研究m t 氧化还原调制的金属转移方法， 阐述了m t 在重金属解毒和必需金属的调节方面的相关生物作用。 6 硕士学位论文 第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰电极上的电化学行为及其应用 第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰电极上的电化 学行为及其应用 2 1引言 碳纳米管( c n t s ) 自2 0 世纪9 0 年代初被发现以来m7 1 1 ，以其独特的结构和 物理化学性质受到人们的广泛关注。碳纳米管可以看成是石墨六角网面以某一方 向为轴，卷曲3 6 0 形成的无缝中空管。相邻管子间的距离约为0 3 4 啪，与石墨 中碳原子层与层之间的距离0 3 3 5n n l 相近。图2 - 1 是碳纳米管的结构示意图：一 个由六边形蜂窝状晶格的碳组成的长圆柱体，两端各为半个富勒烯球。 图2 - 1 碳纳米管示意图 碳纳米管具有两种类型的结构：多层碳纳米管( m w n t s ) 【7 l 】与单层碳纳米管 ( s w n t s ) p o 7 2 j 。多层碳纳米管是由石墨层状结构卷曲而成的同心且封闭的石墨 管，直径一般为2 2 5 n m 。单层碳纳米管是由单层石墨层状结构卷曲而成的无缝 管，直径为1 2 n m 。单层碳纳米管常常排列成束，一束中含有几十到几百根碳纳 米管相互平行地聚集在一起。碳纳米管能在电化学反应中促进电子传递，对某些 物质的电化学行为产生特有的催化响应 7 3 1o 碳纳米管修饰电极能降低底物的过电 位，增大电流响应，降低检出限，在电催化研究方面具有独特的优越性，是目前 化学修饰电极中一个引人注目的研究方向体7 7 1 。多层碳纳米管往往有缺陷，而单 层碳纳米管几乎没有缺陷，是一个电子体系非常明确的体系。此外，多层碳纳米 管电极制作费时，细胞色素c 等生物分子在电极上的电化学响应较弱【7 7 1 。从研究 价值来讲，单层碳纳米管比多层碳纳米管更能引起科学家的兴趣，是碳纳米管中 主要的研究对象。在本文中我们制备了单壁碳纳米管修饰电极，并将之应用于药 物分析，结果令人满意。 盐酸曲普利啶( t f i p r o l i d i n eh y d r o c h l o r i d e ) 又名克敏、盐酸苯丙烯啶、盐酸吡 咯吡啶【“，其结构式如图2 - 2 为： 7 硕士学位论文第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰电极上的电化学行为及其应用 图2 - 2 盐酸曲谱利啶结构示意图 盐酸曲普利啶是一种强效的h 1 受体拮抗剂，具有抗组胺、抗胆碱及中枢镇静 作用，临床用于治疗荨麻疹、过敏性鼻炎，缓解感冒所致的流涕、打喷嚏症状， 疗效良好，是目前西方国家广泛应用的抗组胺药物之一。英国药典和美国药典均 收载了本品的原料药、片剂和糖浆剂1 。7 9 ，删。盐酸曲普利啶的测定方法已报道的有 高效液相色谱法 7 9 - 8 7 、紫外分光光度法【8 8 - 9 0 和比色法1 9 1 - 9 3 1 。z a y e d 等人利用极谱 法在碱性条件下研究了盐酸曲普利啶的电化学行为畔1 ，而在膜修饰电极上进行循 环伏安测定至今未见报道。本文利用单壁碳纳米管修饰玻碳电极，采用循环伏安 法研究盐酸曲普利啶的伏安行为并对其测定，检出限可达到5 0 1 0 m o l l ，探讨 了盐酸曲普利啶在修饰电极上的伏安性质和电极反应机理。该法用于片剂的分 析，回收率在9 7 6 1 0 9 之间。 2 2 实验部分 2 2 1 仪器及试剂 c h l 6 6 0 电化学工作站( 上海辰华仪器公司) ，三电极系统( 玻碳电极为工作电 极，a g a g c l 为参比电极，铂丝为辅助电极) 。4 3 0 型酸度计( l a b o r a t i o n e q u i p m e n t ) 。 去离子纯水仪( m i u p o r e 公司) 。除非特别说明，试验电位均以a g a g c l 电极作为 参比电极。 盐酸曲普利啶( t r i p r o l i d i n eh y d r o c h l o r i d e ) 购于s i g m a 公司，单层碳纳米管 ( s w n t s ) 购于深圳纳米港有限公司；其余常用试剂均为分析纯以上试剂，实 验用水均为二次重蒸水。 2 2 2 试验预处理 称取5m g 提纯的s w n t s ，加入1 0m l 二甲替甲酰胺( d m f ) ，经超声震荡 后，s w n t s 分散于d m f 中，得到o 5g l 的黑色悬浮液。准确称取一定量的t p h c 8 硕士学位论文第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰电极上的电化学行为及其应用 溶解在二次水中，得到浓度为lm m o l l 的t p h c 储备液，备用。 将玻碳电极在金相砂纸上抛光，在抛光布上用a 1 2 0 3 粉末抛光至镜面，然后 依次用水和乙醇在超声波中清洗，氮气吹干。再用微量注射器移取1 5 止s w n t s 悬浮液，滴加在玻碳电极表面，置于红外灯下，待溶剂挥发完全即可。 2 2 3 实验方法 移取适量t p h c 储备液，用磷酸盐( p b s ) 缓冲溶液( p h6 9 ) 稀释于l om l 容 量瓶后，移入电解池，进行各种电化学试验。每次扫描结束后，将电极置于0 1 m o t l 的p b s 空自缓冲溶液中扫描至峰形稳定，即可活化电极表面，使电极具有 良好的重现性。 2 3 结果与讨论 2 3 1 循环伏安图 t p h c 在0 1m o l l p b s 缓冲溶液( p h6 9 ) 中可得到良好的循环伏安峰，其峰电 位为0 8 1v ，见图2 - 3 。同时在0 8 9v 的地方有一肩蜂，可能为t p h c 的氧化产物 吸附在电极表面进一步发生氧化反应形成。这里只对0 8 1v 的峰进行研究。 0 薯瑚 ：“ 8 0 - 1 2 0 0 8 e | n 图2 3t p h c ( 5 0 x l 矿m o l ，l ) 的循环伏安图 c y c l i cv o l t a m m o g r a m sa tab a r eg ce l e c t r o d ei nt h ep r e s e n c eo f5 0 x 1 0 5m o l l t p h c ( 1 ) a n ds w n t s - m o d i f i e dg e l e c t r o d ei nt h ea b s e n c eo ft p h c ( 2 ) a n d i nt h e p r e s e n c eo f 5 0 x 1 0 5m o l f l t p h c ( 3 ) i no 1m o l lp b sb u f f e r ( p h6 9 ) s c a nr 9 硕士学位论文 第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰电极上的电化学行为及其戍用 a t e ：o 1vs - 1 2 3 2 实验条件的选择 2 3 2 1 支持电解质的选择 本实验比较t t p h c 在各种不同p h 值的缓冲溶液中的电化学响应。如p h4 5 的n a a c - h a c 缓冲溶液、p h5 4 7 8 的p b s 缓冲溶液、p h1 5 5 0 的柠檬酸钠h c l 缓冲溶液、p h1 0 5 0 的酒石酸n a o h 缓冲溶液及p h9 o 1 1 0 的b - r 缓冲溶液。 结果表明，t p h c 在0 1m o l lp h5 o 9 0 的p b s 缓冲溶液中氧化峰峰形尖锐且峰 电流高、背景电流较小，同时还具有选择性好及线性范围宽等优点，因此选择p b s 溶液作为底液进行电化学试验。 2 3 2 2 底液浓度对峰电流的影响 峰电流i p 开始随p b s 浓度的增加而升高，在浓度为o 0 8 o 1 5m o l l 范围内， i p 基本不变；大于0 1 5m o l l 时，i p 稍有下降。故选择o 1m o l l 的p b s 缓冲溶液作 为底液。 2 3 2 3 p h 对峰电流的影响 配制一系列不同p h 值( 5 4 、5 7 、6 0 、6 3 、6 9 、7 2 、7 5 ) 的p b s 缓冲溶液， 分别测定t p h c ( 5 0 x 1 0 4m o l l ) 在p b s 介质中所得的峰电流和峰电位，结果如 1 虱2 - 4 。随着p h 值增加，氧化峰电位负移，其峰电位与p h 值的关系为：e p 。v = 1 2 6 6 一o 0 7 7 3p h ( r = 0 9 9 5 9 ) ，表明反应中电子的得失伴随着等量的质子参加 一”。在p h6 9 的p b s 缓冲溶液中，氧化峰电流最大，所以实验中选择p h6 9 的p b s 缓冲溶液作为底液。 l o 硕士学位论文第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰电极上的电化学行为及其麻用 岫4 0 9 0 8 0 6 0 。= = = 5 05 5 6 0 6 5 7 07 f8 0 p h 图2 - 4 碳纳米管修饰电极上p h 值对峰电位及峰电流的影响 e f f e c t so f p ho nt h ep e a kp o t e n t i a la n dt h ep e a kc u r r e n tf o r5 0 x 1 0 。5m o l lt p h ca t t h es w n t s - m o d i f i e dg c ei np b sb u f f e r s c a nr a t e ：0 1vs _ 1 2 3 2 4 碳纳米管用量的影响 研究了单层碳纳米管分散液对氧化峰电流的影响( 图2 5 ) 。当单层碳纳米管 用量由2 旺增加到1 5 肛l 时，氧化峰电流逐渐增加。这是因为电极表面碳纳米 管的量不断增多，有效比表面积不断增大，对t p h c 表现出更高的富集效率，导 致氧化峰电流增加。而当用量超过1 5 此后，氧化峰电流反而开始逐渐降低。这 是因为此时电极表面的碳纳米管量太大，反而阻碍t p h c 与电极之间的电子交 换。在本实验中，单层碳纳米管的用量选为1 5 止。 踮 2 加 ：8 0 0 0 o o 硕士学位论文 第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰电极上的电化学行为及其应用 7 0 6 0 5 0 4 0 j 3 0 2 0 1 0 o481 21 62 0 v i s l 图2 - 5 不同碳纳米管用量对峰电流的影响 e f f e c t so f t h e a m o u n t o f s w n t ss u s p e n s i o n o n t h eo x i d a t i o n p e a k c u r r e n t o f 4 0 1 0 5 m o l f lt p h ci np b sb u f f e r s c a nr a t e ，0 1v s 。1 ；t = 7m i n 2 - 3 2 5富集方式及富集时间对峰电流的影响 考察了开路富集和闭路富集对实验的影响。结果表明，闭路富集灵敏度明显 优于开路富集，故实验选择闭路富集。富集电位的变化对峰电流影响不大，为方 便测定，选择富集电位为0v 。富集时间的长短对蜂电流有很大影响。图2 - 6 为 富集时间对t p h c 氧化峰电流的影响。富集时间从1 8 0s 增加到4 2 0s 时，t p h c 的氧化峰电流逐渐增加。当富集时间超过4 2 0s 时，峰电流有一定程度的减小， 这说明t p h c 在修饰电极表面发生了吸附，达到了饱和。 硕士学位论文第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰电极上的电化学行为及其应用 6 0 5 0 - a = = “4 5 4 0 3400 5 0 06 0 0 t s 图2 6 富集时间对峰电流的影响 e f f e c t so fa c c u m u l a t i o nt i m eo i lt h eo x i d a t i o np e a kc u r r e n tf o r4 0 1 0 5m o l lt p h c i n p b sb u f f e r s c a n r a t e ：o 1 vs 1 ；k = 7 r a i n 2 3 3t p h c 的工作曲线 考察了t p h c 氧化峰电流大小与其浓度的关系，峰电流与t p h c 浓度在 1 0 x l 矿1 3 x l o 。4 m o l l 范围内呈线性关系( 图2 7 ) 。线性方程为i p 肚= 1 4 6 + 1 4 4 x 1 0 6e m o l l ( r = 0 9 9 9 5 ) ，其检测限为5 0 x 1 0 7m o l l 。 8 0 三 一4 0 0 o1 5 3 04 56 0 c u m o l l l 1 3 硕士学位论文第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰屯极上的电化学行为及其应用 图2 7 标准曲线 c a l i b r a t i o nc u r v eo ft p h ci na0 1m o l lp b sb u f f e r 0 h6 9 ) a t t h e s w n t s m o d i f i e de l e c t r o d e s c a nm t e ：o 1vs - 1 2 4 分析应用 在此体系中考查了一些常见的金属离子和有机化合物对t p h c 测定的干扰。 实验表明5 0 0 倍的h 9 2 + 、z n 2 + 、c u 2 + ，2 0 0 倍的抗坏血酸、葡萄糖几乎不干扰t p h c 的测定( 误差 守o 7 5 o 7 2 o 0 00 0 50 1 00 1 5 0 2 00 2 50 3 0 ，v s 。1 图2 - 1 0t p h c ( 5 o x l o 。m o l l p 争电位e p 与扫描速度v 之间的关系 r e l a t i o n so fp e a kp o t e n t i a le po ns c mr a t evf o r5 0 1 0 5m o l lt p h ca tt h e s w n t s m o d i f i e dg c ei np b sb u f f e r s c a nr a t e ：0 1v s - 1 0 8 4 0 8 1 0 7 8 目4 0 7 5 0 7 2 - 5- 4- 3- 21 1 nv 图2 - 1 1t p h c 峰电位e p 与扫描速率l n v 之间的关系 r e l a t i o n s o f p e a k p o t e n t i a l e p w i t hs c a n r a t e l n v f o r 5 0 1 0 5 m o i l t p h ca t t h e s w n t s - m o d i f i e dc - c ei np b sb u f f e r s c a nr a t e ：o 1v s - 1 1 7 硕士学位论文 第二章盐酸曲普利啶在单层碳纳米管修饰电极上的电化学行为及其戍用 2 6 小结 盐酸曲普利啶在0 1 m o l l 磷酸盐底液( p h6 9 ) 中，产生灵敏的循环伏安峰，峰电位 为o g lv ( v s a g a g c l ) ，峰电流与盐酸曲普利啶在1 0 x 1 0 击1 3 x 1 0 4m o l l 浓度 内呈线性关系。用循环伏安法研究体系的伏安行为，结果表明，该体系为具有吸 附性的不可逆过程，电极反应为一个两电子两质子且伴随有一