（分析化学专业论文）纳米ptau合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究.pdf

纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究中文摘要 中文摘要 本文研究了如何通过化学合成法制备得到粒径较小的纳米合金，共采用如下 五种方法进行合成，直接滴加法、雾化与超声结合、超声滴加法、氢气还原法、 氢气还原与雾化结合，最终确定了最佳合成方法，即超声滴加法。运用此法合成 了4 0 2 5 - - 9 2 3 3 纳米一系列的合金粒子，并用u v - s 、t e m 、激光粒径仪、x r d 等方法进行了表征，确认所合成物质确系双金属合金纳米粒子而非两种金属纳米 粒子的混合物。将所合成的纳米p t - a u 合金通过电沉积方法修饰到铂盘电极上，研 究了修饰电极对鲁米诺电化学发光的增敏行为。在碱性介质( p h = 1 2 ) 中，随着合 金比例的改变和合金粒径的减小，鲁米诺的电化学发光强度显著增强，当合金中 p t ：a u = 6 ：1 ，粒子粒径为最小时，所获得修饰电极上鲁米诺的电化学发光强度较裸 电极增强近1 个数量级。 深入分析了纳米合金晶胞中各原子的排布，发现纳米p t a u 合金晶胞为面心立 方结构，一个合金晶胞中有1 0 个p t 原子和4 个a u 原子，这四个a u 原子占据着 晶胞中呈对角线的四个顶点，且分两次取代晶胞中的p t 原子。研究了纳米合金与 鲁米诺的相互作用，纳米合金与鲁米诺之间形成复合物，发生了能量转移。利用 热差分析验证对纳米p t - a u 合金晶体结构的推断；利用荧光分析验证了纳米p t - a u 合金与鲁米诺的相互作用，最终给出纳米p t - a u 合金修饰电极对鲁米诺电化学发光 增敏的机理。纳米p t a u 合金修饰电极对鲁米诺电化学发光具有明显的增敏作用， 原因有二：一是纳米p t - a u 合金作为一种纳米粒子，本身具有小尺寸效应、表面效 应等催化特性，延长了o h 。和l u m i n o l 阴离子自由基的作用时间，从而增强了发光 信号；二是当p t 与a u 合金化后，p t 的d 空穴增多，空的d 空穴成为溶液中各种 自由基的受体，使得电极表面吸附了更多的o h 与l u m i n o l 阴离子等，从而增强了 鲁米诺发光强度。这两种原因从根本上来说都是吸附效应，呈递进关系，也是纳 米p t a u 合金修饰电极对鲁米诺电化学发光增敏作用强与铂溶胶及金溶胶修饰电 极的原因。 关键词：电化学发光( e c l ) ，鲁米诺，纳米p t a u 合金，增敏作用，机理 作者：张玲 指导老师：屠一锋 s t u d i e s o n s e n s i t i z a t i o n f o r e l e c t r o c h e m i h m i n e s c e n c e o f l u m i n o l f r o m p l a t i n u m - g o l d b i m e t a l l i c n a n o p a r t i c l e s m o d i f i e d e l e c u o d e a b s w a a s t u d i e so ns e n s i t i z a t i o nf o re l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c eo f l u m i n o lf r o mp l a t i n u m - g o l db i m e t a l l i cn a n o p a r t i c l e s m o d i f i e de l e c t r o d e a b s t r a c t t h i sp a p e rr e p o r t e dt h er e s e a r c h e so ns e n s i t i z a t i o no fn a n o - b i m e t a l i cm a t e r i a lf o r t h e 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 ) o fl u m i n 0 1 t h ep l a t i n u m - g o l db i m e t a l l i c n a n o p a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n tc o m p o n e n tr a t i oa n ds i z ew e r ep r e p a r e db yc h e i i l i c a l r e d u c t i o n t h em e t h o d ss u c ha su v _ v i ss p e c t r a ，t e ma n dx r dw e r ea p p l i e dt o c h a r a c t e r i z et h ep r o p e r t i e so ft h en a n o p a r t i c l e s t h ei n f o r m a t i o nf r o mt h e s em e t h o d s r e v e a l e dt h a tt h ep r e p a r e db i m e t a l l i cn a n o p a r t i c l e sw e r et r u l yo fa l l o ys t r u c t u r ea n d a b s o l u t e l yn o tt h em i x t u r eo ft w ok i n d so fm e t a l l i cn a n o p a r t i c l e s n ec o m p o n e n to ft h e n a n o p a r t i c l e sc o u l db er e g u l a t e df o r as e r i e so fp t a ur a t i oa n dt h ed i a m e t e ro f n a n o p a r t i c l e s ，w h i c hw e r ed e t e r m i n e db yl a s e r - g r a n u l o m e t e r , c o u l db er e g u l a t e df r o m 4 0 2 5 9 2 3 3 r i mb yt h em e t h o do rc o n d i t i o n i na l k a l i n em e d i u mo fp i l l 2 0 ，t h e b i m e t a l l i cp t a un a n o p a r t i c l em o d i f i e de l e c t r o d e ，w h i c hw a sm o d i f i e do nap td i s k e l e c t r o d eb ye l e c t r o d e p o s i t i o n ，s e n s i t i z e dt h ee l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c eo fl u m i n 0 1 n es e n s i t i z a t i o ne f f i c i e n c yr e a c h e da sh i g ha st h e6 ：1o fp t a ur a t i o t h es p e c i f i c s u r f a c ea r e ao fn a n o p a r t i c l e sw o u l db el a r g e rw h i l et h ed i m i n i s h i n go fs i z e ，i tr e s u l t si n t h eh i g h e rs u r f a c ea c t i v i t y , 8 0s m a l l e s ts i z eo fn a n o p a r f i c l e sa c q u i r e dh i g h e s te f f i c i e n t f o ra l m o s to n eo r d e ro fm a g n i t u d e w es t u d i e dt h ea t o md i s t r i b u t i o ni nt h ec e l lo fp t - a ub i m e t a l l i cn a n o p a r t i c l e s t h e y f o u n dt h a tt h ec r y s t a l l i n es t r u c t u r ei sf a c ec e n t e r e dc u b i c ac e l lc o n t a i n s1 0p ta t o m s a n d4a ua t o m s ，n l e4a ua t o m sh o l dt h e4c o r n e r st h a ta r ei nt h et w od i a g o n a l s ，a n d t h e ys u b s t i t u t ep ta t o m si nt w os t e p s ，n l ep a p e ra l s os t u d i e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n b i m e t a l l i cp t - a un a n o p a r t i c l ea n dl u m i n 0 1 ac o m p o u n df o r m e db e t w e e nt h e m ，a n d e n e r g yt r a n s f e r sf r o mo n et ot h eo t h e r ，n l ed t as u p p o r t e dp r e s u m ea b o u tt h ec r y s t a l l i n e s t r u c t u r e ；t h ef l u o r e s c e n c ea n a l y s i sg a v et h ee v i d e n c eo fi n t e r a c t i o nb e t w e e nb i m e t a l l i c p t - a un a n o p a r t i c l ea n dl u m i n 0 1 t h e r ea r et w or e a s o n sf o r s e n s i t i z a t i o nf o r s t u d i e so ns e n s i t i z a t i o nf o re l e c u o c h e m i l u m i n e s c e n c eo f l u m i n o lf r o mp l a t i n u m - g o l db i m e t a l l i cn a n o p a r t i c l e sm o d i f i e de l e c t r o d ea b s t r a c t e l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c e o fl u m i n o lf r o mp l a t i n u m g o l db i m e t a l l i cn a n o p a r t i c l e s m o d i f i e de l e c t r o d e o n ei sa san a n o p a r t i c l e ；t h ep t a ub i m e t a l l i on a n o p a r t i c l eh a s c a t a l y s i ss u c ha ss i z ee f f e c t ，s u r f a c ee f f e c ta n de r e i tp r o l o n g st h ei n t e r a c t i o nt i m eo f o h a n dl u m i n o l - , t h e r e b ye n h a n c e st h ei n t e n s i t yo fl u r n i n 0 1 t h eo t h e rr e a s o ni sw h e n p ta n da uw e r ea l l o y e d ；t h edb a n dc a v i t yi np tw a si n c r e a s e d t h ec a v i t yb e c a m et h e a d s o r p t i o no fr a d i c a l si nt h es o l u t i o n s ot h ee l e c t r o d es u r f a c ea d s o r p e dm o r eo h a n d l u m i n o l ，t h e r e b ye n h a n c e st h ei n t e n s i t yo fl u m i n 0 1 k e y w o r d s ：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 ) ，l u m i n o l ， b i m e t a l l i cp t - a u n a n o p a r t i c l e s ，s e n s i t i z a t i o n ，m e c h a n i s m w r i t t e nb y ：l i n gz h a n g s u p e r v i s e db y ：y i f e n gt u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：玉丝、_ 一日 期：兰型乙。卜 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 萎垂丝 日期： 导师签名：日期：盖 纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究 第一章 第一章引言 由电极反应引发的物质分子跃迁到激发态，并在回到基态时以光的形式释放能 量的过程叫做电化学发光( e l e c t r o c h e r n i l u m i n e s c e n c e o r e l e c t r o g e n e r a t e d c h e m i l u m i n e s c e n c e ，简称e c l ) 。它是化学发光方法与电化学方法相互结合的产物。 e c l 具有灵敏度高、选择性好、可控性强、线形范围宽、仪器简单等优点，已引 起人们极大的研究兴趣。 1 1 电化学发光研究概述 人们很早以前就发现了电解过程中的发光现象。早在1 9 2 7 年已有关于格利雅 ( g r i g n a r d ) 试剂e c l 现象的报道，1 9 2 9 年h a r v e r y 在碱性溶液中电解鲁米诺时， 发现了鲁米诺在阴阳两极上的发光现象，从而拉开了电化学发光分析研究的序幕【1 】 观察到了鲁米诺的e c l 现象。其后的很多研究都注重于对稠环芳烃类和金属配合 物的e c l 机理和性质的探讨。这些研究促进了e c l 理论、实验技术及分析方法的 形成。目前，e c l 在化学中已得到了广泛的应用，主要包括：( 1 ) 流体动力学的研 究2 】；( 2 ) 固态电子传输研究3 ，4 】；( 3 ) 反应动力学研究蹬，6 】；( 4 ) 发光器件【7 加】；( 5 ) 电子 转移机理【1 1 - 2 2 ；( 6 ) 电化学发光分析应用 2 3 7 j 。其中，e c l 在分析化学上的应用， 近些年来得到了长足的发展。一方面，许多新的e c l 体系相继被发现；另一方面， e c l 不断与免疫技术、d n a 探针分析、酶学传感器、流动注射分析、高效液相色 谱和毛细管电泳结合，拓宽了e c l 在分析化学中的应用范围。 国际上已有很多人对e c l 做过评述。国内张帆等较早对e c l 做过介绍，安镜 如等较早的开展了e c l 方面的研究工作并对e c l 做过评述，王伦等也做过评述。 王鹏等对e c l 和e c l 免疫技术的研究进展做了综述，陈国南等对金属配合物和原 子簇的e c l 及其应用做了评述，章竹君【2 8 】等综述了电位溶出e c l 的进展，徐国宝 等对e c l 的应用做了较全面的评述。本课题组经过几年对中性介质鲁米诺电化学 发光的深入研究，成功地实现了鲁米诺在中性环境中的电化学发光，并在此基 础上间接地对超氧化物歧化酶( s o d ) 3 0 1 、谷胱甘肽洲、半胱氨酸【3 2 1 、维生素k 3 3 3 1 、 维生素c t 3 4 1 、蜂胶【3 5 】、芦丁【3 6 】等其它黄酮化合物进行了分析研究，实现了这些对 自由基具有明显清除作用的生物活性物质简单而灵敏的检测，其中对还原型谷胱 甘肽、维生素c 的检测限已达皮摩尔级【3 1 , 3 4 。本课题组还对新型工作电极i t o 镀 纳米p t a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究第一章 膜玻璃进行了一些研究3 7 1 ，并成功地实现了电化学发光试剂的固定化【3 8 】。 e c l 的诸多优点是由其特点决定的： 1 在e c l 得到激发过程中不需要激发光源，因此降低了背景干扰，这使得e c l 检测灵敏度高而不需要额外增加昂贵的仪器。 2 可通过对电极电位和电化学信号的控制进一步增加e c l 的可控性和选 择性。 3 e c l 与电极性质密切相关，因此可以通过改变电极材料、尺寸和电极电位进 一步提高e c l 的灵敏度。 4 在e c l 过程中，反应试剂可以在线产生或通过改变电极材料、尺寸和电极 电位进一步提高e c l 的灵敏度。 5 e c l 易于和高效液相色谱、液相色谱、毛细管电泳、流动注射分析联用， 从而扩展了e c l 可以分析的物质种类。 6 不稳定试剂可以在电极上直接产生并参与e c l 过程，因此可以实现在线检测。 7 与传统的电化学分析相比，e c l 不易受电活性物质干扰。 8 通过检测不同标记物的发光寿命和e c l 波长，还可以实现多参数同时测定 和多种物质的同时检测。 9 某些e c l 试剂可以在电化学反应中循环产生，释放出多个光子，这不仅增 强了发光强度，提高了灵敏度，还使其有希望用作制造可用于多次测量的无试剂 的生物传感器中的标记物。 1 0 由于e c l 只在电极表面附近的溶液中产生，因此可以通过空间效应对复杂 的分析物不经分离直接进行检测。 e c l 在很多方面与化学发光( c l ) 很相似，如高灵敏度和部分检测仪器相同。 但是，由于e c l 是由电子转移引发的，e c l 比c l 具有反应可控性等优点。 1 2 电化学发光体系及研究进展 已研究的e c l 体系按发光试剂的结构可以分为如下四类： 1 稠环芳烃类的e c l ， 2 酰肼类的e c l ， 3 金属配合物和原子簇化合物的e c l ， 4 氧化物覆盖电极上的阴极发光。 这些e c l 体系虽然都涉及激发态分子以光的形式释放能量回到基态，但是其 2 纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究 第一章 发光机理不尽相同。以下主要介绍酰肼类的e c l 。 酰肼类化合物已在化学发光中得到了广泛的研究和应用，其代表化合物为鲁 米诺。鲁米诺和过氧化氢在碱性介质中的e c l 和鲁米诺与氧化试剂反应产生的化 学发光相似。对鲁米诺e c l 的研究中很多实际上仍利用了鲁米诺的化学发光。鲁 米诺氧化过程包括不同的机理，在碱性介质中，鲁米诺首先离解形成阴离子，在 溶液中没有过氧化氢存在的情况下，溶液中的溶解氧参与电极反应形成了超氧负 离子引发化学发光( 如图1 a 所示) 3 9 1 。s s a k u r a 和安镜如等人分别提出了溶液中 存在过氧化氢时鲁米诺e c l 的机理 4 0 , 4 1 1 。他们认为鲁米诺在电极氧化后生成重氮 盐，继而被过氧化氢氧化成3 一氨基邻苯二甲酸激发态离子( 如图1 b 所示) 。林祥钦 【4 2 】等提出了对铂电极进行预氧化和预还原处理后鲁米诺的e c l 机理。 鲁米诺的e c l 在分析化学中得到了广泛的应用。这是由于鲁米诺e c l 体系具 有以下优点：( 1 ) 鲁米诺体系的化学发光和电化学发光效率较高；( 2 ) e c l 反应 可在水溶液中进行；( 3 ) 鲁米诺试剂容易合成；( 4 ) 过氧化氢能增强鲁米诺e c l ， 使得可以通过检测过氧化氢而测定氧化还原酶或其底物；( 5 ) 鲁米诺的一些衍生 物可用作生物分子标记的标记物，进行免疫分析；( 6 ) 催化鲁米诺一双氧水化学发 光反应的催化剂众多，可用于高灵敏地检测催化剂。 e o h ? ：斗别戗h 必 ：h 何一茜。t 旷 簿ih2c 陶 ：! ；：! ：! 芏2 - 毛0 ：j ：； 苡耋? ，i i t e c l t e a c l ：o bn f i n c i s o r w i 由。啦h y d r o g e n p c n a x i d e 1 ，f c l 陀鱼d 【j a n d r t e m t n o w i t h f y d r o g e o p e r o x i d e 图1 鲁米诺的电化学发光机理 f i 9 1 t h ee c l m e c h a n i s mo fl u m i n o l 有很多报道利用该体系测定了过氧化氢 4 3 - 4 5 。由于很多氧化酶在催化其底物 反应时常放出过氧化氢，这使得特异性的酶促反应和高灵敏的e c l 能够结合起来 并发展成为一种有效的生物分析手段。m a r q u e t t e 等研究了将二者结合的反应条件 纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究第一章 1 4 6 。有报道直接检测鲁米诺的检出限达到亚纳摩尔级m 。 利用催化反应改变鲁米诺e c l 强度以测定催化物浓度是这一研究领域的热点 之一，这方面研究可以分为三类： 1 测定直接增敏鲁米诺e c l 的物质 这类物质包括：c 0 2 + jc u 2 + 、n i 2 + 、u 0 2 + 、y ”、a g + 、c r 3 + ，这类物质的催 化机理如图2 所示： ： q n 铡0h 、n c 、r l 。l l l 卜：- ： 謦蕊z | i 雩爨 瑟攀薄 ：誊t ：4 ，s n - 图2 c r ( i i i ) 催化鲁米诺的电化学发光机理 f i 9 2 t h ee c l m e c h a n i s mo fc r ( m ) c a t a l y z i n gl u n i m o l 2 通过修饰电极和溶剂作用增敏鲁米诺的e c l l a s o v a s k y 等利用胶束增敏作用将鲁米诺的e c l 强度提高了6 1 0 倍【4 8 1 。 k e a r n e y 等利用过氧化氢预处理铂电极，提高了测定鲁米诺的精密度【4 7 】。o u y a n g 等【4 9 】利用粘土修饰电极可使鲁米诺e c l 强度提高数十倍。张国芳等在酸性条件下 把鲁米诺电聚合在电极上研究了核黄素的增敏作用。 3 电生并测定鲁米诺化学发光体系的催化剂 有研究室曾提出电位溶出化学发光法，建立了金电极上溶出c u 2 + 催化鲁米诺一 氰化钾化学发光反应测定铜的方法 5 0 1 。电生次溴酸根和硫离子也被用于促进鲁米 诺体系化学发光。值得注意的是w i l s o n 等人在电生催化剂研究中发现，二茂铁及 其衍生物对鲁米诺一过氧化氢发光无催化作用，但当其被电极氧化成二茂铁离子后 会强烈催化鲁米诺一过氧化氢的化学发光，重要的是二茂铁的很多衍生物具有可标 记基团，可以作为稳定的标记物使用；这必将大大扩展鲁米诺体系在生物分析中 的应用，w i l s o n 和w e b e r 等都证明了二茂铁在标记了小分子半抗原后仍对鲁米诺 e c l 有催化活性，而在免疫反应发生后这种催化作用就消失了，这为实现均相免 4 鼯谤婶 纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究第一章 疫提供了极好的条件。w i l s o n 还研究了十一种二茂铁衍生物在四种电极材料上对 鲁米诺一过氧化氢化学发光的催化作用【5 1 1 。利用自组装单层电极研究这种催化作用 的也有文献报道【5 2 j 。 酰肼类e c l 的另一个研究热点是异鲁米诺的e c l 。由于鲁米诺并不是很好的 e c l 标记物，其发光效率在标记后将大大降低。因此很多研究着眼于开发可用于 标记的鲁米诺衍生物【5 3 】。一系列鲁米诺的衍生物已被用于标记生物分子4 ，5 5 1 。 1 3 修饰电极电化学发光分析法 电化学发光是直接利用电化学反应形成激发态发光体而发光或通过电解产物 之间、电解产物与体系中某组分之间进行化学反应产生光辐射而实现分析物测定 的发光分析技术。就电化学发光分析方法的本质而言，它是化学发光分析方法的 衍生方法，是以电极这一特殊的固体氧化还原剂代替了化学发光反应中的一个反 应物而实现化学发光分析的发光分析方法。对于电化学发光反应来说，电极表面 不仅是反应物进行电化学反应形成发光活性物质的“时、空 微环境的场所，也 是电化学反应生成激发态发光体或高活性化学发光反应物的场所。由于激发态物 质对发光微环境极为敏感，因此电极表面的状态、电极材料的种类和性质都对电 化学发光分析方法的分析特性有着极大的影响。在经典的电化学发光分析即静态 电化学发光分析中，由于电极表面的污染效应及电极材料的选择和使用的有限性， 使得静态电化学分析的重现行和稳定性受到了严重的限制。从此，人们提出了许 多研究思路和技术如化学修饰电极技术、超声处理电极技术、印刷电极技术等来 解决电化学发光分析所面临的电极污染问题，其中化学修饰电极技术倍受人们的 青睐铜。 由于电化学发光反应进行的空间区域是在电极表面固一液两相所组成的反应层 中，所以固、液两相的性质都会影响电化学发光反应的进行。从这个意义上来讲， 电极在电化学发光反应中起着举足轻重的作用，强烈地影响发光试剂的电化学发 光分析特性，因此基于化学修饰电极技术，可有效地实现对电化学发光反应的调 控和修饰，从而改善电化学发光分析方法的分析特性，这也是固液两相界面反应 所赋予电化学发光反应的特点。 在电化学发光分析中依据电化学发光强度来检测待测物浓度，因此电化学发 光强度的强弱直接决定着分析测定的灵敏度，但是在电化学发光分析中，由于发 光试剂的发光强度强烈的受到电极材料和电极表面状态的影响 5 7 1 ，为进一步提高 5 纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究第一章 电化学发光信号强度或信噪比、减少电极表面污染、提高重现性和选择性以及制 作长寿命的电化学发光传感器等，利用修饰电极是解决这些问题常用的方法之一。 按人为设想在分子水平上对电极表面进行“改造”使其具有更优良、或特殊的功 能，将这种经过“改造 的电极用于电化学发光分析便形成了修饰电极化学发光 分析，从而使电化学发光分析获得了更有意义的发展。修饰电极电化学发光分析 可利用修饰电极表面修饰物对不同的待测物可进行富集、分离、催化、选择到检 测，使得一系列的实验过程可同时进行，不但大大节省分析测试时间而且可降低 实验成本；另外电化学发光反应大多包含自由基反应，电化学发光分析法具有很 高的灵敏度，结合修饰电极技术，它在免疫分析、药物分析、生命科学上的应用 将对人们在临床诊断、揭示生命体内的自由基的产生、转化和湮灭过程等生命活 动的信息具有非常重要的意义。 由于修饰电极突破了传统电化学中只限于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剪裁， 可按意图给电极预定的功能，以便在修饰电极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。将修饰电极应用到电化学发光分析中，通过 对电极表面进行预定的修饰，可以赋予电极选择性的富集、分离待测物以及催化 电化学发光反应，从而可以大大提高电化学发光分析法的选择性、灵敏度；另外 由于在修饰电极电化学发光分析中可将高浓度的电化学发光试剂固定在电极表 面，不仅可提高分析的灵敏度，而且可制作成电化学发光传感器，使电化学发光 分析方法更加实用化，因此修饰电极电化学发光分析法很快受到了人们的关注。 在1 9 7 7 年，f u j i h i r 等首次报道了修饰电极上的电化学发光现象【5 剐。1 9 8 0 年b a r d l 5 9 】 首次报道了n a t i o n 膜包埋r u ( b p y ) 3 2 + 修饰电极电化学发光，并成功用于对草酸根的 测定【印】。b a r d t 6 1 】将d n a 修饰到金电极表面吸附r u ( b p y ) 3 2 + ，利用d n a 配对后对 电化学发光信号的影响对d n a 进行测定。c h a r l e s 6 2 】利用1 l 一巯基癸酸自组装金电 极上鲁米诺一过氧化氢电化学发光体系测定二茂铁衍生物，该修饰电极不仅抑制鲁 米诺过氧化氢的直接电化学发光和化学发光，而且促进了二茂铁衍生物的氧化， 从而降低了背景发光使信噪比大大提高。o u y a n g 等【4 9 】利用粘土修饰电极使鲁米诺 e c l 强度提高了十倍。t a k e o 采用自组装单层膜技术将d m s a 修饰到金电极表面， 不仅使光泽精的电化学发光强度增强了5 倍，而且使电极污染大大降低。 修饰电极的制备是修饰电极电化学发光分析方法中的一个非常重要的组成部 6 纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究第一章 分。电极的修饰方法多种多样，根据各自不同的特点可有不同的分类。根据修饰 材料与电极表面结合的方式，可将其分为物理吸附法、溶胶一凝胶法、共价键合法、 自组装法和电聚合法五类。 物理吸附法是通过自然吸附的方式将修饰物直接附着到电极表面的一种修饰 方法，主要分为以下两种类型：第一，l b ( l a n g m u i r - b l o d g e t t ) 膜吸附型：l b 膜法 是将具有脂肪疏水端和亲水基团的双亲分子溶于挥发性的溶剂中，铺展在平静的 气一水界面上，待溶剂挥发后沿水面横向施加一定的表面压，这样溶质分子便在水 面上形成紧密排列的有序单分子膜，其亲水基伸向水相，而疏水基伸向气相。当 该膜与电极接触时，若电极表面是亲水性，则表面活性物质的亲水基向电极表面 排列，若电极表面是疏水性，则逆向排列，这时，加一定的表面压，并依靠成膜 分子本身的自组织能力，得到高度的分子有序排列，最后，把它转移到电极表面， 得到l b 膜吸附型修饰电极。l b 膜修饰电极一般只有一个或几个单分子层厚，电 子或物质的传输容易，加上修饰分子的紧密排列，能产生很好的电催化作用【5 踟， 但是l b 膜通常在热力学尚处于不稳定态【6 3 1 ，因此利用这类膜修饰电极对电化学发 光的研究较少 6 4 , 6 5 。第二，涂层型：涂层型修饰电极是用适当的方法将功能性物 质直接滴涂到电极表面，通过旋转电极，使得滴涂的修饰物在电极表面形成薄膜， 通过控制旋转速度和滴涂修饰物的量可以控制修饰层的厚度。涂层方法一般是将 待修饰物质( 比如n a t i o n 、石蜡、碳纳米管等) 溶解于或悬浮于溶剂中( 一般是 有机溶剂) ，然后将溶有修饰物的溶液或悬浮液滴涂在电极表面。涂层制备方法简 单方便、表面更新容易、但是这种方法容易受到强吸附性杂质的干扰，而且膜厚 等因素也不易控制，要获得好的重现性需要非常熟练的实验操作技术。 溶胶一凝胶法是将金属醇盐等原料配制成均匀的胶悬体，在饱和条件下经水解 缩聚生成溶胶( s 0 1 ) ，再经蒸发干燥转变成凝胶( g e l ) ，在低温下制备玻璃或陶瓷 材料的一种技术阁。因其具有良好的化学稳定性、物理刚性、光透性以及生物相 容性等，在电化学、光学和生物材料的固定化方面的研究和应用方兴未艾。z h a o 等【6 7 , 6 8 】将联吡啶钌与脱乙酰壳多糖共价键合后修饰固定于铂电极上，并在壳聚糖一 联吡啶钌膜的上面再涂一层溶胶凝胶薄膜制成具有双层膜结构的修饰电极，因为 壳聚糖分子带部分正电荷，从而大大降低了叔胺、脯氨酸的干扰，对草酸的测定 具有良好的选择性。鞠烷先等 6 9 禾1 j 用气相沉积的t i 0 2 溶胶一凝胶薄膜将r u o o p y ) 3 2 + 修饰玻碳电极表面，该修饰电极对脯氨酸和草酸盐有快速的电化学发光响应，建 7 纳米p t a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究第一章 立了一种新的r u ( b p y ) 3 2 + 固定化方法。 共价键合法是指通过形成共价键的方式将修饰物与电极连接在一起的修饰方 法。采用共价键合法时，首先按需要在电极表面通过化学反应引入可供键合的功 能团，然后在将要修饰的修饰物与此功能团通过共价键的方式连接在一起。常用 的基底电极有碳质电极，如热解石墨电极、玻碳电极等，金属电极如铂电极，以 及金属氧化物电极如i t o ( s n 0 2 ) 电极等。共价键合型修饰电极的特点是修饰物 与电极表面连接较为牢固，但是，步骤烦琐、费时，并且最终修饰到电极表面的 预定功能团修饰率不高。 自组装( s e l f - a s s e m b l i n g ，s a ) 法是在固液界面上物质自然地“自组”成高 度有序单分子层的一种化学修饰电极的方法【7 0 】。修饰分子通过化学键相互作用自 发吸附在固液界面，形成热力学稳定地能量最低的有序膜。采用自组装( s a ) 膜 技术，在电极表面修饰一层单分子层，单分子修饰层不但组织有序、定向、密集 和完好，而且十分稳定，它具有明晰的微结构 7 1 1 。目前用s a 膜法获得的单分子层 有：在金表面形成硫醇、二硫化物和硫化物等s a 膜1 7 2 ；在金属氧化物表面形成脂 肪酸s a 膜p 3 】；在二氧化硅表面形成硅烷s a 膜【硎；在铂电极表面形成异腈 ( i s o n i t r i l e ) s a 膜【7 5 】等。其中以在金电极上形成长链硫醇s a 膜最多。 电聚合法是将电极插入含有聚合物单体的溶液中，利用电化学反应引发聚合 反应，在电极表面原位形成聚合物修饰膜的修饰方法。由于电聚合反应可通过电 化学参数控制，操作简单方便、可控性好、重现性高而被广泛使用 7 6 - 7 8 。在电化 学聚合法中应用较多的聚合物单体有吡咯、苯胺、苯酚、噻吩及其衍生物等。电 聚合法制备的修饰电极属于多层体系，聚合物种类较多，含有电活性中心( 或功 能点位) 浓度高，其表面覆盖量可达5 1 0 加5 1 0 。6 m o l c m 2 1 5 8 1 。与单层修饰电 极相比，多分子层具有三维空间结构的特征，可提供许多能利用的势场，活性基 浓度高，制各方法简单，具有较好的化学和电化学稳定性以及机械强度。 1 4 纳米材料修饰电极 近来将纳米材料引入修饰电极电化学发光已成为一个研究热点。纳米粒子因 其具有生物亲和性、高的比表面积、高的催化活性和特异的光学特性，在固定生 物物质、电催化、表面增强拉曼散射( s e r s ) 等研究领域均得到了广泛的研究与 应用 7 9 , 8 0 】。其中利用纳米粒子构建各种纳米结构功能膜在电化学分析中更是受到 了人们的密切关注。h a n 掣8 1 】利用掺杂纳米二氧化钛n a t i o n 膜将r u ( b p y ) 3 2 + 固定在 8 纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究第一章 玻碳电极表面与h p l c 联用，不但提高了其选择性而且使用寿命可达三个星期。 最近，董绍俊 s 2 1 分别将纳米二氧化硅和碳纳米管用于固定r u ( b p y ) 3 2 十制作的电化学 发光传感器，该传感器不但灵敏度大大提高，t p a 的检出限可达n m o f l ，而且其 使用寿命可达个月到两个月。 1 5 纳米合金的定义 所谓合金，是指两种或两种以上的金属，或金属和某些非金属经熔合后形成 的宏观均匀体系。按结构特点，合金可分为金属固溶体和金属化合物两大类。金 属固溶体有填隙式和置换式两种类型。填隙式固溶体一般是由氢、硼、碳、氮等 原子半径较小的非金属元素的原子渗入到过渡金属晶体结构的间隙而形成的。其 组成可在一定范围内变动。钢铁就是最典型最常见的填隙固溶体。填隙固溶体的 结构特点是，较小的非金属原子填入金属晶体的间隙中，基本上不改变金属晶体 的结构特征。同时，金属原子在互相形成金属键的基础上，还可以与非金属原子 形成部分共价性的键。因此，填隙固溶体一般既具有导电性和金属光泽等金属特 性，还具有与纯金属比较硬度大、熔点高等特性。 置换固溶体是溶剂金属结构点阵中的部分位置被另一种金属原子所置换形成 的。形成置换固溶体时，溶剂金属的点阵不变，但点阵常数或晶胞参数略有胀缩。 置换固溶体可分为无限固溶体和有限固溶体两类。在两种金属互溶的程度方面， 合金体系与液态溶液有相似的规律，即“相似者相溶”。因此，要形成无限固溶体， 必须两种金属都具有相同的晶体结构类型，它们的原予半径差小于1 5 ，它们的 价数也要相近，或在周期表中处于邻近的位置。无论有限固溶体或无限固溶体， 都可能存在有序化状态。置换固溶体中，溶质原子无规则地占据晶格中的格点， 叫做无序固溶体。但当温度较低时，溶质原子的无序排列将过渡到有序排列，既 溶质原子占据晶格中固定的格点位置。这种过程叫做有序化。固溶体从有序到无 序转变是一个突变过程，一般有个转变温度，叫做居里点( r c ) 。在转变温度附近， 合金的许多物理性能，如比热，电阻率等都要发生突变。 当合金中不同金属原子的半径、电负性及其单质的结构形式差别较大时，则倾向 于形成金属化合物。 1 6 纳米合金材料的合成 纳米材料由于自身特殊功能而日益成为高技术领域竞争的制高点，已在新型 9 纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究第一章 能源材料、生态环境材料、功能涂层材料、高性能电子材料以及新型稀土材料等 领域发挥着无可替代的作用【8 3 1 。其中，纳米合金材料由于其粒径尺寸及结构不同 于块状合金材料8 4 , 8 5 1 而在电、磁、抗蚀性、催化等方面【8 6 8 8 1 表现出非常优良独 特的性质，已成为近几年来纳米材料领域的研究重点。纳米结构材料中的合金材 料是一种二次凝聚晶体或非晶体瞄习，其中第一次凝聚就是由金属原子形成纳米颗 粒，在保持新鲜界面的条件下，将纳米颗粒压在一起形成块状凝聚固体。在含有 修饰剂的合金粉末中，合金粒子与修饰剂之间一般通过键合力相结合，目前有关 机理方面的研究不多。 1 6 1 纳米合金材料的合成 纳米微粒的制备技术也形成了比较成熟的气相法和液相法制备体系【8 3 】，其中 研究较多的就是有关金属纳米材料的制备，而合金材料的制备也正逐步趋于完善 和成熟，尤其对于二元合金，制备方法及表征技术研究较多，已成功开发出多种 制备手段。本文对纳米合金材料的制备方法做一综述。 1 机械合金化法 机械合金化法又称高能球磨法，是6 0 年代末由b e n j a m i n1 8 9 及其合作者发展起 来的一种制备合金粉末的高新技术。这种方法是利用球磨机的转动或震动使硬球 对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方 法。如果将两种或两种以上的金属粉末同时放入球磨机的球磨罐中进行高能球磨， 粉末颗粒经压延、压合、又碾碎、再压合的反复过程( 即冷焊一粉碎一冷焊的反复进 行) ，最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。利用高能球磨法制各纳米颗粒时 应注意以下几点：( 1 ) 正确选用硬球的材质( 玛瑙球、不锈钢球等) ，( 2 ) 恰当控制球 磨温度与时间，( 3 ) 一般选用微米级的粉体或小尺寸条带碎片。 日本东京大学s h i n g u 等人【卿首先报道了用高能球磨法制各纳米晶材料，为纳 米材料的制备找出一条实用化的途径。杨景海等p l 】利用g n 一2 型高能球磨机制备出 具有新型结构的二元s i t i 3 ，合金颗粒。李来风等人也报道过利用立式垂直振动高 能球磨机制备f e c 纳米合金【9 2 】，合成的纳米晶粉经冷等静压和热等静压处理后可 制备3 5 m m 长的纳米棒材，且产率很高。而a l - c u f e 9 3 1 _ - - 元纳米非晶合金利用 q m 一3 p ( 2 l ) 行星式球磨机也已制备，另外像c u t i n i 9 4 、f e z r b t 9 5 1 、t i c u p d l 9 6 、 f e n i b 【9 7 1 、n b c u g e 9 明等三元体系也有文献报道。高能球磨法既是一种合金制 备过程，也可作为一种合金制备的预处理过程。g r o s s 等人【9 9 】曾以该法作为预处理 1 0 纳米p t - a u 合金修饰电极增敏鲁米诺电化学发光行为的研究第一章 过程成功制备t m g n i a b