（分析化学专业论文）超微电极及杯芳烃修饰电极的分子识别作用研究.pdf

摘要 本论文主要分两大部分。 第一部分详细地介绍了神经递质类化合物分析测定的重要性，概括了超微屯极研究领域的发展 状况，详细探讨了超微电极的翩备、活化及目前在神经递质类化合物研究中的成果。研究了在n a 2 h p 0 4 k u a p 0 4 ( p h 6 缓冲溶液中5 掘色胺在自制的碳纤维微电极上的伏安行为。主要概括为以下两 个方面：( 1 ) 用恒电位法对碳纤维微电极进行适当的电化学预处理，电极经活化后显示出良好的活 性，能赢接用于5 羟色胺的测定；( 2 ) 利用循环伏安法( c v ) 、差示脉冲伏安( d p 、常规循环伏 安( n p v ) 等技术。研究了5 羟色胺在自制的碳纤维微电极上的反应极理，发现在0 4 v 和o 2 v 有一 对氧化还原峰( c - n ) 。5 羟色胺分别在4 0 x 1 0 - 6m o l l 1 4 0 x 1 0 m o l l 1 和5 0 x 1 0 m o l l 5 0 x 1 0 5 m o l - l 1 呈良好的线性关系，检出限分别为1 9 6 x 1 0 m o l l 1 和4 0 0 x 1 0 m o l l - 1 。并求出相应的动力 学参数。 第二部分概述了杯芳烃的分类、作用机理以及目前在分析化学领域的研究现状，详细探讨了化 学修饰电极的发展状况。实验主要分两个章节：( 1 ) 实验优化了对叔丁基杯f 6 】芳烃的合成条件，提 高了收率。并首次用合成的对叔丁基杯【6 1 芳烃与组氨酸制成修饰电极采用电化学方法同时分离测定 神经递质一肾上腺素饵p ) 和5 一羟色胺( 5 一h t ) 。在p h = 5 8 的磷酸= 氢钾一硼砂缓冲溶液的循环 伏安图中，e p 和5 - h t 均出现一个氧化峰，其峰电位分别为0 3 0 7 v 和0 ，4 5 8 v ，相差1 5 1 m v ，并测 得e p 和5 一h r 浓度分别在1 0 x 1 0 。6 1 3 0 x 1 0 - 4 m o l l 1 ( 1 0 x l 酽m o l l 15 - h t ) 和1 0 x 1 0 4 1 4 0 1 酽 t o o l l 1 ( 1 0 x 1 0 - 4 m o l l - le p ) 范围内有良好的线性关系。检测下限分别达l x l o - 7m o l l - 1 和5 x 1 0 4 m o l r 。并且在1 0 x l o - , t o o l l - 1 抗坏血酸( 从) 存在下，e p 和5 - h t 也能被很好的同时测定，同时 将该方法用于合成样品中e p 和5 一h t 的检测，结果令人满意。本文还详细研究了5 一h t 和e p 在 修饰电极上的电极反应过程，求得了该电极过程的动力学参数。( 2 1 用i r ，1 h n m r ，m s 等对合成 的两种杯【4 】二酰胺芳烃结构进行了表征。并用循环伏安法对两种杯【4 】二酰胺芳烃进行研究，包括 自身的电化学性质及对过渡金属离子一c u “一的电化学响应。并用紫外一可见光谱( u v v i s ) 研究 了其对c u “的识别及性能，结果表明主体对c u 2 + 具有较好的选择识别性。为它们的应用提供了有用 的信息。 关键词：超微电极杯芳烃化学修饰电极 a b s t r a c t t h et h e s i si sm a d eu po ft w op a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，t h ep a p e re l a b o r a t e l yi n t r o d u c e st h e i m p o r t a n c eo fa n a l y s i sa n d d e t e r m i n a t i o nn e u r o t r a n s m i t t e r sa n ds u m su pt h ed e v e l o p m e n to n t h ef i e l do fm i c r o e l e c t r o d e t h ep r e p a r a t i o na n dp r e t r e a t m e n to f t h ec a r b o nf i b e r m i c r o e l e c t r o d e sa n dt h ei n v e s t i g a t i o np r o d u c t i o ni nt h ef i e l do fn e u r o t r a n s m i t t e r sw e r e s t u d i e dc a r e f u l l y t h ei n t e r a c t i o no fs e r o t o n i nw a ss t u d i e de l e c t r o c h e m i c a l l yb yu s i n g v o l t a m m e t r ya tt h es e l f - m a d ec a r b o nf i b e rm i c r o e l e c t r o d e si n0 0 5m o t - l - 1p h o s p h a t eb u f f e r ( p h 6 t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ：( 1 ) s e l f - m a d ec a r b o nf i b e r m i c r o e l e c t r o d e sw e r ep r e t r e a t e db yp o t e n t i o s t a t i ca c t i v a t i o n t h ep r e t r e a t e dm i c r o e l e c t m d e s e x h i b i t e dh i g l l l ye l e c t r o c h e m i c a la c t i v i t ya n ds h o wh i g h l ys e n s i t i v i t yf o rd e t e r m i n i n go f s e r o t o n i n ( 2 ) w bs t u d i e dt h ei n t e r a c t i o no ft i i es e r o t o n i ni ns e l f - m a d ec a r b o nf i b e r m i c r o e l e c t r o d e su s i n gc v , d p va n dn p aa n df o u n dt h ep e a kc u r r e n t sw e r el i n e a rs t r a i g h t l y o v e rt h er a n g e4 0 x1 旷4 0 x1 0 m o l l 1 a n d5 0 1 0 6 5 0 1 0 m o l l - 1 t h ee l e c t r o d e s p r o c e s sh a sb e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i lo fe l e c t r o c h e m i s t r yt e c h n i q u e sa n di t sd y n a m i c s p a l a m e t e r sh a d b e e no b t a i n e d ，t o o t h ep a p e ra l s os u m m a r i z e st h es o r t ，t h ep r o c e s sm e c h a n i s ma n dt h ed e v e l o p m e n to nt h e s c o p eo fc a l i x a r e n e sa n dt h e m i c a lm o d i f i e de l e c t r o d e t h em a i nw o r ki sd i v i d e di n t ot w o c h a p t e r f o r s t l y , w eo p t i m i z et h es y n t h e s i st e c h n i q u eo fp - t e r t - b u t h y lc a l i x 【6 】a r e n e t h e s t r u c t u r eo fp r o d u c t i o nh a sb e e nc h a r a c t e r i z e db ym a s s ，i r ，1 hn m rs p e c t r o s c o p y r e s p e c t i v e l y an e wp - t e t r a b u t y lc a l i x 【6 】a r e n e l - h i s t i d i n ec h e m i c a l m o d i f i e dg l a s s y c a r b o ne l e c t r o d e ( b c h o c e ) h a sb e e n p r e p a r e df o rs i m u l t a n e o u si n v e s t i g a t i o na n d m e a s u r e m e n t so fe p i n e p h r i n e ) a n ds e r o t o n i n ( 5 一h t ) b yc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n d d i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a n l m e t r y ( d p v ) i np o t a s s i u md i h y d r o g e np h o s p h a t e b o r a x ( p d p b ) b u f f e rs o l u t i o n ( p h5 8 ) ，t h ea n o d i cp e a k so fe pa n d5 一h tw e r eo b s e r v e da t0 3 0 7 va n d 0 4 5 8 vr e s p e c t i v e l yw i 也eu dt o1 5 1 m v 1 m ep e a kc u r r e n t sw e r el i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t h t h ec o n c e n t r a t i o n so fe di l lt h er a n g eo f1 0 x l o 。1 3 0 x 1 0 4 m o l l 1i nt h ep r e s e n c eo f 1 _ o x l 0 1t o o l l 15 一h to nt h ed pv o l t a m m o g r a m al i n e a rr e l a t i o n s h i pw a ss i m i l a r l yf o u n d f o r5 h ri nt h er a n g eo f1 0 x 1 0 4 1 _ 4 0 x 1 0 - 4m o l l 1i nt h ep r e s e n c eo f1 o 1 0 4 m 0 1 l 1e d ni sf o u n dt h a te pa n d5 h tc o u l db es i m u l t a n e o u s l ym e a s u r e dw i t hg o o ds e n s i t i v i t yi nt h e p r e s e n c eo f1 0 x 1 0 - 3 m o l l - 1b s c o r b i ca c i d ( a 舢t h j sm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt ot h e d e t e r m i n a t i o no fe pa n d5 - h ti ns y n t h e s i ss 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 s e c o n d l y t w o n e wa m i c - c a l i x 【4 1a r e n e sa r eh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e db yi ra n d1 h n m rs p e c t r o s c o p y , r e s p e c t i v e l y t h ee l e c t r o c h e m j c a lm e t h o di sa l s ou s e dt os t u d yt h ea m i c - - c a l i x 4 1a r e n e s n e c va n du v - - v i ss p e c t r o s c o p yw e r ea l s ob ee m p l o y e df o rr e s e a r c h i n gt h er e o r g a n i z a t i o no f m e t a li o n ( c u 1 t 1 l er e s u l t si n d i c a t et h a tt h et w oc o m p o u n d sh a v eg o o di o nr e o r g a n i z a t i o n c h a r a c t e r , w h i c hp r o v i d e su s e f u li n f o r m a t i o nf o ra p p l i c a t i o n 。 k e yw o r d s ：s u p e r - m i c r o e l e e t r o d ec a l i x a r e n e sc h e m i c a lm o d i f l e de l e c t r o d e l i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文 没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本 人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：知揖 渺年王月亏日 第一章绪论 摘要：本章详细地介绍了神经递质类化合物分析测定的重要性，概括了超微电极研 究领域的发展状况，详细探讨了超微电极的制备、活化及目前在神经递质类化合物研 究中的成果；概述了杯芳烃的分类、作用机理以及当前在分析化学领域的研究现状， 详细探讨了修饰电极的发展状况。引用参考文献1 1 0 篇。 关键词：神经递质碳纤维电极杯芳烃修饰电极 1 引言 单胺类神经递质一5 一羟色胺、儿茶酚胺类生物小分子分析，可能是目前生命科学前 沿研究中最热门的课题之_ _ i l , z l 。2 0 世纪9 0 年代，生命科学已经深入到最复杂的领域：脑 的结构和功能的研究，对现代科学家提出了最大的挑战。5 一羟色胺( 5 一 r 啼中枢神经系 统中起着相当重要的作用，它与情感障碍有密切关系。有人认为，5 一h t 对脑内参与情绪 反应的功能系统有稳定作用，脑内5 一h t 的缺乏构成了发病倾向。另外，5 一h t 还可以调 节睡眠、体温及内分泌等功能。肾上腺素( e p i n e p h r i n e ，简称，e 1 、去甲肾上腺素 ( n o r e p i n e p h r i n e ，简称n e ) 、多巴胺( d o p a m i n e ，简称d a ) 等统称儿茶酚胺( c a t e c h o l a m i n e ) 类物质作为神经递质和激素，与人们的健康有密切关系，它们不仅直接参与行为活动伽运 动功能、学习记忆等) 、血压、心率、呼吸和睡眠等植物神经功能的调控，而且还与一些功 能性疾病，如精神分裂症、忧郁症及器质性病变( 如帕金森氏综合症、心血管疾病等) 等的 出现有关。某些肿瘤如神经母细胞瘤及嗜铬细胞瘤也会导致儿茶酚胺类物质的异常代谢， 如帕金森病人的多巴胺浓度比正常人低得多pj ，而患嗜铬细胞瘤的病人，其血液中通常会 有过高浓度的去甲肾上腺素，或者多巴胺和去甲肾上腺素两者浓度都偏高。因此，如果能 提供脑神经细胞或体液中几茶酚胺类物质代谢物浓度变化的信息，则对疾病的诊断和治疗 有非常重要的意义。 可见，5 一h t 和儿茶酚胺都是非常重要的单胺类神经递质，它们在心脑血管的调节， 人体各种生理功能的调节等方面都起着重要的作用。因此，在与它们相关的疾病诊断和药 理学研究上，需要建立简单、灵敏、快速的检测方法。人们对单胺类神经递质的研究始于 2 0 世纪加年代，5 羟色胺和儿茶酚胺类物质早期的测定方法主要是三羟基a 4 i 噪法【4 】和乙 二胺缩合法p j ，随后出现的侧定方法有放射酶化学法、气相色谱法、液相色谱法 6 】、色质 联用法j 和毛细管电泳结合电化学检测法毛细管电泳【b 】。 近年来，高效液相色谱法因具有高分离能力和荧光检测简便易行的特点，在儿茶酚胺 类物质的分析中得到了广泛应用。由于单胺类神经递质本身不稳定，因此过多的预处理会 影响测定的准确性。一些特殊装置的使用，也增加了实验的复杂程度。作为一种成本低、 操作简便的分析方法，电化学分析具有灵敏度高、仪器俪单、方法灵活多样等特点。因此， 电化学方法在生物分析中被重新重视起来。 2 超微电极技术在电化学中的发展与应用 超微电极测试技术是2 0 世纪7 0 年代末开始发展起来的电化学和电分析化学的前沿领 1 筮二室缝论 塞! ) 蛭 域p “，作为一种重要的测试技术，在许多方面的应用中显示了其优越性，为人们对物质 的微观特性进行探索提供了种有力的手段。超微电极是指电极的一维尺寸为微米级( 1 0 。 m ) 至纳米( 1 0 4 m ) 级的一类电极，当电极的一维尺寸从毫米级降低至微米级时，表现出 许多优良的电化学特性，在理论上比常规电极更适用于电化学反应过程中的热力学和动力 学研究。 大脑组织和中央神经系统具有良好的导电性能，实际上具备了电化学中必要的辅助电 解质。1 9 7 3 年a d a m s 等【1 l j 首先提出活体伏安法。a d a m s 等将一支直径为l m m 的石墨电极 直接插入大白鼠的大脑尾核部位，进行循环电位扫描，获得了第一张活体的循环伏安图， 表明多巴胺的存在。随着纳米技术、微机械加工技术和材料科学的发展，使电极的尺寸由 毫米级缩小到微米、纳米级，推动了超微电极技术的发展。微电极在生物体研究中不会损 坏组织或因电解破坏体系的平衡，因此被，“泛用于神经系统中神经传导机理研究、生物体 循环及器官功能等。l j o l 等【”4 3 憎先研制出超微碳纤维电极，并将其应用于对儿茶酚化 合物，如多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、5 一羟色胺等多种生物分子进行研究，测得了 这些化合物的半波电位。该超微碳纤维电极的尺寸很小，在检测过程中基本不破坏生物物 体，可用于生物活体分析。可见，随着电极技术的发展，超微电极将成为疾病诊断的有用 工具。 2 1 超微电极的特点 超微电极的电流在短时间内即能达到稳态，电极的响应时间很短，适用于各种暂态电 化学方法，如方波伏安法、脉冲伏多法、阶跃电位法、快速扫描伏安法等。流经超微电极 的电流为法拉第电流与充电电流的加和。超微电极上的法拉第电流密度很大，而且充电电 流的衰减很快，有助于提高法拉第电流与充电电流韵比值，增大信噪比，可明显提高分析 的灵敏度，降低检测限。超微电极适用于微量、痕量物质的测定。超微电极的电流密度虽 然很大，但由丁- 其半径可以做到微米、纳米尺寸电极表面积很小，电流强度还是很小， 般只有1 0 一一10 - ”a ，因此电解池系统所造成的欧姆压降i r 很小，不会对伏安曲线的性 质产生明显的影响。可用于高阻抗介质中的电化学测量，适用于低支持电解质浓度、气相 体系、半固体体系。 2 2 窟! 微电极的分类与制作 按电极的倦4 作材料，超微电极分为；超微铂电极超微金电极、超微银电极、超微钨电 极以及超微碳纤维电极。按电极的形状，超微电极可分为以下几种类型：超微圆盘电极、超 微圆环电极、超微圆柱电极、超微球形电极、超微半扁球电极、超微带状电极、超微阵列 电极及超微叉指形电极。这些超微电极的制各方法在很多文献中都有介绍【1 4 。“ 2 2 1 超微碳纤维园盘电极 超微圆盘电极因为它的构造和制各相对简单，是实验中最常用的电极。超微园盘电极 的制备通常把细金属丝、碳纤维封入拉制好的玻璃管或嵌入塑料管中，这种导线末端的平 面作为电极的表面。图1 是超微园盘碳纤维电极的示意图，碳纤维一端与铜丝通过导电碳 粉相连，封入玻璃毛细管，露出1c m 尖端，用环氧树脂将碳纤维固定密封于毛细管内， 可制成如图l 所示的超微园盘碳纤维电极，电极尖端直径可达到纳米级。 2 2 2 超微阵列电极 超微阵列电极是指由多个电极集康在一起所组成的外观单一的电极，其电流是各个单 一电极电流的加和。这类电极保持了原来单一电极的特性，又可以获得较大的电流强度， 2 提高了测量的灵敏度。超微阵列电极的独特优点使其具有较好的应用前景，已用于流动分 析、色谱、电泳的检测器。超微电极阵列常用的制各方法主要是微蚀刻法和模板法。 图i 超微碳纤维圆盘电极 2 3 碳纤维电极在神经递质分析检测中的研究 2 3 1 碳纤维电极的特点 用碳纤维微电极( ( 下e ) 测定神经递质o 沁u r o t r a 嘣t t e r ) 已成为国内外有关专家研究的 热门课题，碳纤维电极不仅可运用的电位范围广，残余电流小，坚固性好；在活体分析时 能准确插入所选择的部位，对活体组织损失很小；而且它的表面特征和电化学特征使之很 适用于活体分析。 2 3 2 碳纤维电极的表面处理 然而碳纤维本身对神经递质响应迟钝、分辨率差，为此许多学者对此已进行了深入研 究【1 。1 ”，提出了对电极表面进行机械抛光、热处理、化学处理和电化学处理的方法，以提 高灵敏度和抗干扰能力。 2 3 2 1 热处理 热处理是把碳纤维电极置于真空度为l m m 汞柱下，加热至5 0 0 c 并持续2 h 以上。热 处理过的电极性能有所改善。 2 3 2 2 化学处理 化学处理是把电极先后用1 ：1 的丙酮：硝酸溶液和水洗涤，从而除去电极表面的一些杂 质。 2 3 2 2 电化学处理 研究最多最成熟的是电化学处理嗍，把电极浸入磷酸生理缓冲溶液中，加上一定电压， 持续活化3 0 s 。碳纤维电极经电化学处理后，灵敏度提高、分辨率改善。经电化学活化处 理后的碳纤维电极用于活体测定多巴胺时，可逆性发生了很大的变化。 3 杯芳烃研究进展 3 1 杯芳烃的命名 杯芳烃是由苯酚和甲醛在酚羟基邻位缩合而成的一类人环化合物。因其是由多个苯环 构成的芳香族分子，且分子形状酷似希腊圣杯，故此得名。杯芳烃的习惯命名为“杯 n 芳 烃” 2 1 “2 2 ，n 为苯酚环的个数( 见图1 ) 。 杯芳烃的起源追溯到1 8 7 2 年的b a e y e r 和1 9 9 4 年z i n k e 等人的工作，但其真正作为超 分子领域的一个分支，并引起人们广泛的关注应该从7 0 年代末g u t s c h e 等人具有开拓性的 3 篓三垦 堑婆 ：= = ： ! ! 鳖 杯芳烃合成工作开始，他们通过严格控制反应条件成功地确定了杯芳烃的高收率一步合成 图2 杯芳烃的分子结构 a 杯【n 】芳烃的结构式 n = 4 ，6 ，8 法【2 ”q 。杯芳烃和冠醚、环糊精一样具有独特的空穴结构，其催化性能与酶的专一性作用 有着惊人的相似性，其分子的空腔大小、构象和取代基可以人为控制，故被称为是继环糊 精、冠醚之后的第三代主客体大环化合物。 3 2 杯芳烃的制备 3 2 1 一步合成法 一步合成法是在a z i n k c 等最早合成的基础上，几经改进，特别是g u t a c h c 等对它进行 了细致的工作。在碱性o q a o h 、k o h ) 条件下利用对叔丁基苯酚与甲醛一步缩合完成，直接 合成具有4 ，6 ，8 个对叔丁基苯酚单元的化合物( 图3 ) 。 n 0 h 一 ln h c h 0 + n h2 0 图3 一步合成法台成对叔丁基杯n 1 芳烃r n - 4 6 鼬 目前杯芳烃的合成大多采用一步法。它简单易行，通过改变溶剂( 如二苯醚、二甲苯 等) ，碱硝a o h 、k o h 等) 以及碱的浓度等反应条件，可以控制成环的人小( 酚结构单元数) 。 但反应的适应性较差，而且较难得到n 为奇数的杯芳烃。因此，对步合成法影响结构的 因素及反应机理等，尚有进一步深入研究的必要，以使该法能适用于更多的取代酚类和合 成各种大小环的杯芳烃。 3 2 2 多步台成法 多步法是一种以片断进行缩合的方法。适应性，“，理论上可合成具有各种取代基及各 种大小环的杯芳烃。目前设计和合成一些特殊的杯芳烃( 如桥状杯芳烃、杂原子杯芳烃和 4 r 、_ 1 簧 久廿伽 节 簧 a 每 西。 奉明 箍= 童堑监割龌 不对称取代基杯芳烃) 时必须采用多步合成法。例如图4 为4 , 5 - 二甲基杯 4 】芳烃的合成。 伽， 德3 忐麓 枣跳c h ，o i i c h ，o i i 一。嘲 n 吣 #(1)hh(。ko洲i,io-，盯 一面t l c l 4 _ 俞c h ：喁a c h 3 0 。一面_ 俞删3a 。 图4 多步法合成4 , 5 一二甲基杯【4 】芳烃 多步合成法的缺点是步骤多而且缩合反应的副反应较多，产率不高。区i 此减少缩合 反应的副反应，通过巧妙的设计，以减少步骤，提高总产率，是多步法获得竞争力的主要 目标。 3 3 分子结构和性质 3 3 1 杯芳烃分子结构 从杯芳烃的分子结构( 图2 ) 来看，此类化合物具有如下特点： 1 ) 杯芳烃的空腔大小可以调节。人们所指的杯芳烃是杯【n 】芳烃( c a l i x n a r e n e ) ，一般 n = 4 - 8 ，目前在碱性条件下，n = 9 1 9 的杯芳烃都已经合成出来，同时发现1 1 为偶数较奇数的 杯芳烃容易制得。 2 ) 易于衍生化。因为杯芳烃的结构特殊，其上沿的苯环对位取代基和f 沿的酚羟基 均易引入官能团，进行衍生反应。得到具有多种官能团和高度选择性的主体分子。 3 ) 能与离子型化合物、中性有机分子等通过超分子作用形成主客体配台物，因为在 杯芳烃分子中由富p 电子的苯环围成的空腔具有憎水性，故能与一些中性的有机分子，如 甲醇、苯、吡啶、氯仿等，形成稳定的包结配合物。包结作用对于中性分子的分离和纯化起 着重要作用。 此外，杯芳烃易于合成，各项物理、化学性质稳定原料易得且价格便宜。 3 3 2 物理化学性质 杯芳烃的物理性质主要是由羟基间的分子内氢键决定的。与线型酚醛低聚物相比，杯 芳烃熔点一般为3 0 0 c 以上，甚至4 0 0 c 以上。但它的酯、醚等则熔点较低瞄1 。杯芳烃在脂 肪烃、酮、醚、醇、二甲基甲酰胺、水等常规溶剂中不溶或微溶，但溶于芳香族溶剂、某 些卤代物溶剂( 如氯仿) ，在某些碱性氮化物溶剂( 如吡啶，哌嗪) 中有极好的溶解性能陋】。 杯芳烃可以通过：( a ) 在羟基上引入残基( 官能团) ：( b ) 亲电基团取代苯环上原有的基团：( c ) 桥联方式等实现其化学改性。主要的反应有烷基化、对位烷基取代、酰化、羟基的区域选 择反应等口”。 5 箍二童缝论 i 蓬 3 4 杯芳烃的功能及应用 杯芳烃的识别作用由于杯芳烃具有空穴结构，因此不但可与各种离子形成配合物，也 能与很多中性分子形成包合物，而且这些包合作用往往具有照好的选择性。这就使它的应 用呈现良好的前景。国际上大量专利报道了杯芳烃在金属离子的选择性萃取、中性有机分 子分离、水污染控制、相转移试剂、酶模型催化反应、l 喝膜、离子选择性膜电极【2 8 。1 和 场效应晶体管、光化学材料、表面活性剂、黏合剂、乳化蠢u p ”、破乳弃u p “、织物清洗剂【3 3 l 、 液相表面活性膜1 3 4 1 、润滑油固体粒子去除剂“、涂料以及瓷器制造等领域中的应用 3 6 - 3 7 1 ， 具有两亲性的杯芳烃被用于铀酰离子( u o “) d 的萃取剂、c s + 的回收 3 8 3 9 1 、核糖的s n 0 2 电 极的涂层 4 0 l 、气体分离膜【4 “2 增方面的应用。 3 5 杯芳烃在分析化学上的应用 由于杯芳烃分子的酚羟基能进行各种选择性功能化，可得到杯芳烃的醚、酯、酮、酰、 胺、冠醚等具有高选择性和亲和性的衍生物，它们通过与离子、中性分子的超分子络合作 用来识别和检测金属离子和有机分子【4 3 】。自1 9 8 6 年d i a m o n d 首次报道了杯芳烃应用于离 子选择性电极以来，杯芳烃作为一种新型大环化合物在电化学分析中的应用引起广泛兴趣 将杯芳烃应用于各种电化学传感器( 如离子选择性电极( 1 s e s ) 、离子敏感场效应管( s f e t s ) 、 化学修饰电极( c m e s ) 、化学修饰场效应管( c 蝴强e 1 哟、涂敷电极( c w e s ) 等) 的研究和应 用都有报道。杯芳烃衍生物作为高选择性载体已成功地用于离子选择电极上 4 4 1 。含有n 、s 等给电子功能基团的杯芳烃衍生物为中性载体的a e i s e 己开始有报道f l s - - 4 s l 。 3 5 1 离子选择性电极 0 c o n n o r 总结了含杯芳烃的离子选择性电极检测对象多为n a + 、c s + 、f 、重金属离 子和有机小分子f “，其中n a + 、c s + 离子选择电极的研究已十分成熟【蛐“】，并实现了商业生产。 0 n e l l 合成了杯 4 酯类衍生物和氧化膦衍生物，前者可制成n a + 离子选择性电极，后者制 成的电极对c a 2 + 有响应【“。c a d o g a n 等用杯芳烃氧化膦衍生物制得p b 2 + 离子选择性电极i s 4 l ， r e i n h o u d t 等用硫胺衍生物制得的p b 2 + 离子选择性电极i s 5 1 ，r e i n h o u d t 课题组用硫醚衍生物 研制的a 一离子电极【5 6 1 。 杯芳烃特殊的结构可调性使其对有机中性分子或有机离子具有良好的识别作用。c h a r t 等利用杯 6 酪研制了一种p v c 膜电极，用来检测伯胺【5 7 j ；他们还分别利用杯 4 酯口8 l 和杯 6 酯p 9 j 制成醛选择电极，可以用来检测醛。g i a n n e t t o 等以杯 5 芳烃制得区分r 胺异构体 的离子选择电极【蚰】。陈朗星1 6 l 肄合成了2 个酚羟基被硫醚基团取代的杯 4 芳烃衍生物， 并作为中性载体制备了a g + 一聚氯乙烯0 v c ) 电极。 除上述传统的离子选择性电极，杯芳烃也已开始应用于固态传感器如离子敏感场效应 管i s f e t s l 6 2 “】、化学修饰场效应管c 删e f e t s 陋“l 、化学修饰电极c m e s 6 “ m l 等。化学修 饰电极( c 肛s ) 是目前研究较多的一类，b i d a n 等将磺化的杯 4 、杯 6 芳烃接到聚吡咯膜 上制成化学修饰电极检测三甲基二茂铁甲胺离子即】。a i g a n 【7 0 l 等人用杯 4 酯的线性聚合 物制成了化学修饰电极，检测水溶液中痕量的p b ”、c u ”、h g ”。r e i n h o u d t 等将杯芳烃键 合聚硅氧烷制得k + 选择性c h m e f e t 蛳j ，n a + 选择性电极具有优良的性能。杜丹m i 等采 用电化学方法在导电基体玻碳( g c ) 电极上制备出d a w s o n 型磷铝杂多酸对苯二酚超分子膜 电极( p 2 m o t s - c , f f l 6 0 2 g c c m e ) ，发现该电极既保持了杂多酸的电化学活性和电催化性能， 义具有超分子的电催化效应，对酸性溶液中l 半胱氢酸具有电催化氧化作用。高孟娥1 7 3 t 等用吸附法将c - 十一烷基间苯二酚杯【4 1 芳烃固定在玻碳电极上伟4 成杯芳烃膜电极，对d l - 6 簋= 童 绪论 = = = = = = = = = = = = = = 兰垦 去甲肾上腺素、尿酸、d l - 酪氨酸、邻苯二酚进行了测定，发现该电极对d l - 去甲肾上腺素 和邻苯二酚具有良好的响应。李南强等发现在非水介质中，c 7 0 与对叔丁基杯【8 】芳烃 形成了2 ：1 的超分子配合物p 4 “】。( c 7 0 ) 2l 膜对烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( n 彬) 、氯代乙酸 和溴代乙酸【7 ”具有电催化行为，表明( c 7 0 ) 2 l 可以像c 7 0 t 7 7 ”i - - 样作为电子传递的媒介体。 3 5 2 光化学传感器 近年来，将化学信号( 如离子的配合) 转化成光学信号( 如颜色变化) 的光化学传感器成 为传感器研究的热点。它以其固有的安全性、长距离信号转移时的低噪音及可从一个信号 得到综合信息( 整个光谱对于一个化学信息) 等优点而引起人们的研究兴趣。用杯芳烃作离 子载体的这类光传感器已有报道。c h a r t 等用此法以杯芳烃衍生物为选择性载体，制成了 p v c 膜光极，可用于检测n a + 、对、低分子量醛【7 9 1 和伯胺i 帅】，他们还利用杯 6 】酯与e t h 5 2 9 4 的p v c 膜制成光极检测阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化胺( c 蹦a m ) ，可定量检测 c n i a m p ”。d i a m o n d 等人采用吖啶衍生物代替e n 5 2 9 4 作发色物质延长了膜寿命1 8 “。 目前，对“+ 、n a + 、k + 、c a ”有选择性识别能力的发色杯芳烃衍生物的合成已有报道， 并且对它们在光学传感器中的潜在应用作了研究。t o t h 等利用发色杯【4 】衍生物制得p v c 膜光极，发现若膜中不含碱时，只有当外界为强碱性溶液才对n a + 有响应。而膜中加入碱 i d d a 后，n a + 检测范围变大，膜选择性及电极工作情况也得到改善。d i a m o n d 等据此利 用对u + 有选择性的杯【4 】硝基苯偶氮苯酚衍生物设计了检测n h 3 的p v c 膜光极【8 ”。s h i n k a i 等将苯甲噻唑或芘基引入杯芳烃合成了分别对l t + 【“或三氟乙酸【“7 1 具有识别作用的荧光 载体。j i n 等合成的芘甲基乙酸杯芳烃衍生物【l ”j 和d i a m o n d 等合成的含葸基团的杯【4 】衍生 物均对+ 有选择性i ”8 1 。对碱土金属c a 2 + 和重金属h 孑+ 【“1 具有选择性识别作用的荧光载 体也有报道。高建华m 1 等研究了杯 8 】芳烃与铈形成的镧系超分子作荧光探针测定蛋白质， 同时，初步探讨了体系的相互作用机理。 3 5 3 色谱分离 色谱分离的核心是固定相、流动相与被分离组分间的相互作用。尽管影响因素众多， 但分离效果和固定相、流动相对被分离溶质的识别及形成的超分子的稳定性差异有关。作 为一类优秀的超分子受体的代表，杯芳烃及其衍生物在色谱分离和分析中将有良好的应 用前景。但目前杯芳烃在色谱中的应用主要还是用作气相色谱和高压液相色谱的固定相以 及毛细管电泳中用作为添加剂。 1 9 8 3 年m a n g i a 首次报道对叔丁基杯【8 】芳烃涂于硅烷化的红色硅藻土上作气相色谱固 定相，成功地实现了醇类、氯代烃和芳香烃的分离。武汉大学吴采樱课题组以杯芳烃冠醚 和有机硅氧烷交联聚合后作毛细管气相色谱固定相，克服了小分子杯芳烃成膜性差、熔点 高和难溶等缺点，成功地分离了醇类、卤代烃及芳香族物质。g l e n n o n 等以功能化的杯芳 烃键合硅胶固定相t t p l c 对碱金属离子的选择分离进行了研究m 1 ，他们将杯f 4 1 芳烃及其 衍生物用于分离碱金属离子、碱土金属离子和氨基酸盐取得了很好的效果。f r i e b e 等用 对叔丁基杯【4 】芳烃键合硅胶固定相以i - i p l c 分离二取代芳胺位置异构体及肽、核苷和二肽 与脯氨酸的混合物等生命分子【8 7 】。g e b a u e 等应用此类h p l c 对缩氨酸的顺反异构体嗍和 尿嘧啶及其衍生物、雌二醇的位置异构体及立体异构体f 硎进行了分离研究。杯芳烃衍生物 键台硅胶固定相h p l c 成功地进行分离n a + 、c s + 也已有报道 9 0 l 。在液膜传输中，杯芳烃也 引起了人们的重视。自1 9 9 1 年r e m h o u d t 等首次将杯芳烃冠醚衍生物用于支撑液膜以传输 k + 离子以来 9 l 】，杯芳烃的支撑液膜研究逐渐增多 9 2 - - 。但这方面的研究才刚刚起步，尚有 7 釜二童 绪i 盒 一：塞! 鳖 很大的发展空间。 3 5 4毛细管电泳( c e ) 毛细管电泳( c e ) 是近年来发展最快的分析化学研究领域之一。它的基本原理是以毛细 管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异从而实现分离的一类分离 技术。由于其具有高灵敏度和分辨率以及快速，微量等优点，所以广泛应用于生化、医药、 l 临床和环境检测。杯芳烃在c e 中可以分离位置异构体【9 5 4 6 1 及手性拆分”“”，效果显著。 王志欣【i “】等设计制作了一种对烯丙基杯 4 芳烃涂层毛细管。用于毛细管电泳分离的结果 表明，能分离5 一羟色胺( 5 一h t ) 、多巴胺( d a ) 、去甲肾上腺素( n e ) 、肾上腺素( e ) 等结构相 近的单胺类神经递质，且不降低紫外检测灵敏度。s h o h a t 1 0 3 等将对磺酸基杯 6 芳烃加入 中性p h 缓冲溶液中，成功地分离了氯酚、苯二酚及甲苯胺异构体。 综上所述，杯芳烃作为新一代大环化合物，具有独特的分子识别能力和高度的结构可 调性。杯芳烃在冶金、环保、金属离子分离和回收、医药、仿生等许多领域的应用价值已 经为众多研究者重视。将杯芳烃掺杂于或键合到高分子材料上得到具有分子识别功能的高 分子材料的研究，为通过分子设计和化学合成寻找和开发新型功能高分子材料提供了新的 途径和理论基础。但当前关于含杯芳烃的高分子材料的研究成果报道还不多，究其原因可 能在于可聚合的含杯芳烃的单体难以合成。随着杯芳烃合成亿学的发展，可聚合的杯芳烃 单体合成问题可得到解决，含杯芳烃的高分子材料的合成和应用研究将具有广阔的发展前 景。 4 化学修饰电极的研究进展 化学修饰电极( c h e m i c a lm o d i f i e de l e c t r o d e s ，c m e s ) 是当前电化学、电分析化学方 面十分活跃的领域。1 9 7 5 年化学修饰电极的问世，突破了传统电化学中只限丁研究裸电极 ，电解液界面的范围，开创了从化学状态上人为控制电极表面结构的领域。通过对电极表面 的分子裁减，可以按意图给电极预定的功能，以便在其上有选择的进行所期望的反应，在 分子水平上实现了电极功能的设计。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一种新的推动，同时他显示出催化、光电、电 色、表面配合、富集和分离、立体有机结合成、分子识别，使整个化学领域显示出有吸引 力的前景。 4 1 修饰电极的定义 1 9 8 9 年i u p c 的电分析化学委员会对c i v i e s 的命名和定义提出建议。根据建议c i v i e s 定义为有导体或半导体制作的电极，在电极的表面涂敷了单分子、多分子、离子的或聚合 物的化学物薄膜，借f a r a d a y ( 电荷消耗) 反应而呈现出此修饰薄膜的化学的、电化学的 以及，或光学的特性。 一般而言，把通过共价键合、吸附、聚合等手段有目的地将具有功能性( 如：催化、 配合、电色、光电等) 的物质引入电极表面，使电极赋予新的、特定功能的过程称为电极 的化学修饰，所得到的电极称为化学修饰电极。 4 i c m e s 的制各和分类： 按c m e s 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 合物膜为主) 两大类型，此外还有组合型等。制备方法一般分为：吸附法、共价键合法、聚 合物型薄膜法、l b 膜法和自组膜法。 4 1 1吸附法 用吸附方法可制备单分子层或者多分子层修饰电极。吸附型修饰电极根据修饰物质吸 附在电极上的方法可分为三种： 第一，平衡吸附法： 在电解液中加入修饰物质，它们就会在电极表面形成热力学吸附平衡。强吸附性物质， 如高级醇类、硫醇类、生物碱等在电解液中以1 0 1 0 6 m o l l 低浓度存在时，有时能生成 完整的吸附单分子层，一般形成不完全的单分子层。 第二，静电吸附法： 电解液中离子能以静电引力在电极表面集聚，形成多分子层。静电吸附在热力学上是 不可逆的。在电化学体系中支持电解质的影响本质可能就是离子在电极表面静电吸附起到 了修饰电极的作用。 第三，涂层法： 涂层型修饰电极是用适当的方法将功能性物质涂布在电极表面形成薄膜，方法简便。 涂层方法可以用浸涂法、展开法和蒸着法。浸涂法是将电极浸入修饰物的溶液中，然后取 出，挥发掉溶剂，则在电极表面形成修饰物膜。展开法是用移液管或微量注射器移取一定 体积的修饰物溶液在电极表面上水平铺展开，挥发掉溶剂后成膜。蒸着法只在特殊场合应 用。 此外，碳糊电极制各简单，电极表面可以更新，若在制备用的碳粉中掺入具有特殊功 能的化合物，然后用液体石蜡油调成糊状，封入玻璃或聚四氟乙烯管中，可制成化学