（应用化学专业论文）壳聚糖膜及其配合物修饰电极的性质及电催化作用研究.pdf

摘要 本文制备了壳聚糖膜修饰电极和壳聚糖镍、铜修饰电极，探讨了该类修饰电极的 电化学性质，研究了壳聚糖膜修饰电极与d n a 的作用，多巴胺和邻苯二酚在壳聚糖 膜修饰电极上的电化学行为以及壳聚糖镍对甲醛、甲醇有机小分子和壳聚糖铜修饰电 极对6 一苄氨基嘌呤、次黄嘌岭的电催化氧化作用。 采用滴涂法制备了壳聚糖膜修饰电极，研究了该修饰电极的性质及电催化性质。 f e ( c n ) 6 3 f e ( c n ) 6 4 - 在不同修饰量制备的壳聚糖膜修饰电极上具有不同的电化学响 应，而在用2 , a l 修饰液制备的壳聚糖膜修饰电极上，f e ( c n ) 6 3 f e ( c n ) 6 4 - 的电化学响 应效果最好。壳聚糖修饰膜表面含有大量活化的- - n h 2 可与s s d n a 分子的5 端磷酸 基形成磷酸氨基酯基，可将s s d n a 共价固定在电极表面。壳聚糖膜修饰电极浸入一 系列不同浓度的d n a 溶液中，测定固定d n a 前后f e ( c n ) 6 3 f e ( c n ) 6 4 一氧化峰电流，结 果表明在l o p g m l 5 0 l a g m l 浓度范围内，峰电流下降值与浓度呈f 比。壳聚糖膜修 饰电极对多巴胺、邻苯二酚均有良好的电催化作用。在p h = 7 0 时，与空白玻碳电极 相比，多巴胺在壳聚糖膜修饰电极上的氧化峰电位负移了2 2 5 m v 左右，峰电流增大。 多巴胺的氧化还原峰电位随着p h 值的增大而负移，说明氧化还原过程中有质子的转 移。实验测得多巴胺在壳聚糖膜修饰电极上的反应受扩散控制，氧化还原反应对应着 两电子、两质子的氧化还原过程，并推测其氧化还原机理。在1 0 1 0 一l _ 0 1 0 。 m o l - l 。范围内氧化峰电流与浓度呈线性关系，可对此浓度范围的多巴胺进行定量分 析。 壳聚糖铜修饰电极在0 2m o l l _ 1 的p b s 底夜( p h = 6 8 ) 中循环扫描时，在c v 图上昂。= - - 0 0 2 4 v 和点，= 0 2 5 v 处出现一对氧化还原峰，对应着一电子的氧化还 原过程，电荷在膜中的传递为扩散控制。壳聚糖铜修饰电极对6 一b a 和次黄嘌呤具 有良好的催化作用，在p h = 4 ，0 的6 - - b a 溶液中，氧化峰电位为3 5 0 m v 。实验结 果表明由于c u 2 + 在正于0 2 5 v 电位时不能发生氧化还原反应，导致6 - - b a 在起始电 位正于0 2 5 v 时其氧化峰消失。通过紫外光谱也证实了在循环扫描时c u ( i i1 被还原 丕茎鎏墨墨基謦盒塑垡塑皇堑曾丝蜃罂皇! 岜丝立旦垡耋 c u ( i ) ，6 - - b a 能与c u ( i ) 形成配合物作用于电极表面；6 一b a 在电极上反应呈典 型的吸附特征。在0 5 1 0 4 t o o l - l 5 1 0 4 m o l - l 。范围内，氧化峰电流与浓度成线 性关系，可用壳聚糖铜修饰电极对6 一b a 作定量分析。 壳聚糖镍修饰电极在0 1m o l - l 。的n a o h 溶液中循环伏安扫描，在0 3 7 5 v 和 o 3 2 5 v 处有一对氧化还原峰，该峰对应配位中心n i ( i i ) n i ( i i ) 的氧化还原，属于一电 子过程，电荷在膜中的传递为扩散控制，此过程中有两个o h 一参加了电极反应。壳 聚糖镍修饰电极对甲醛、甲醇等有良好的电催化作用。甲醛浓度在1 3 2 1 0 4 m o l l 5 2 8 1 0 m o l l “范围内时，峰电流与甲醛的浓度成线性关系，可以用于甲 醛的定量检测。 关键词壳聚糖铜 电催化 壳聚糖镍修饰电极 多巴胺6 一苄氨基嘌呤 a b s t r a c t i nt h ep a p e r ，c h i t o s a n ，c h i t o s a n c u 2 + a n dc h i t o s a n - n i 2 + m o d i f i e de l e c t r o d e w e r e p r e p a r e d ，o fw h i c he l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e s w e r ea l s os t u d i e d f u r t h e rm o r e ，w et h e p r o g r e s s o fd n ao nc h i t o s a nm o d i f i e d e l e c t o d ew a s d i s c u s s e d ，a n d t h e c y l i c v o l t a m m e r t i cp r o p e r t i e so fd o p a m i n e ( d a ) 、p y r o c a t e c h o lo nc h i t o s a nm o d i f i e de l e c t r o d e w e r es t u d i e d t h e e l e c t r o c a t a l y s i s o x i d a t i o no f 6 - b e n z y l a m i n o p u r i n e ( 6 b a ) ， h y p o x a n t h i n e ，f o r m a l d e h y d e ，m e t h a n o l w e r e i n v e s t i g a t e d o nc s c u 2 + a n dc s n i 2 + m o d i f i e de l e e t r o c i e s t h ec h i t o s a n ( c s ) m o d i f i e de l e c t r o d e sw e r ep r e p a r e db ym e a n so f d r o pc o a t i n ga n d t h e p r o p e r t i e s o fc sm o d i f i e de l e c t r o d ew e r es t u d i e d t h ed i f f e r e n te l e c t r o c h e m i c a l r e s p o n s eo ff e ( c n ) 6 3 f e ( c n ) 6 4 7 w a ss h o w no nc sm o d i f i e de l e c t r o d e sw h i c hw e r e p r e p a r e dw i t hd i f f e r e n tv o l u m eo f1 c h i t o a n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a ti t w a san i c e re l e c t r o c h e m i c a lr e s p o n s eo nc sm o d i f i e de l e c t r o d ew i t h2 9 lt h a nb a r e e l e c t r o d e + d n ac a l lb ef i x e dw i t hc h i t o s a nb e c a u s et h e r ew a sal o to f n h 2o nc s m o d i f i e de l e c t r o d e i nt h er a n g ef r o m10 p g m lt o5 0 9 9 m l ，t h ed e c r e a s eo fa n o d i cp e a k c u r r e n to f f e ( c n ) 6 3 f e ( c n ) ：1 d e p e n d e dl i n e a r l yo n t h ec o n c e n t r a t ea f t e rc sm o d i f i e d e l e c t r o d ew a si nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t es o l u t i o no fd n a t h e r ew e r eb e t t e re l e c t r o c h e m i c a i p r o p e r t i e s o fd o p a m i n ea n dp y r o c a t e c h o lo nc sm o d i f i e de l e c t r o d e t h ea n o d i cp e a k p o t e n t i a l o fd o p a r n i n eo nc sm o d i f i e de l e c t r o d ew a ss h i f t e dt o w a r dm o r en e g a t i v e l y 2 2 5 m vt h a nt h a to f d o p a m i n eo n b a r eg r a p h i t ec a r b o ne l e c t r o d ei nt h es a r n ec o n c e n t r a t i o n ( p h = 7 o ) ，a n dt h ea n o d i cp e a kc u r r e n tw e n tu po b v i o u s l y t h ea n o d i cp e a kp o t e n t i a lo f d o p a m i n ew a s e x h i b i t e dt ob es h i f t e dn e g a t i v e l yw i t ht h ei n c r e a s eo f p h ，w h i c hi n d i c a t e d t h a tt h e r ew e r ep r o t o n si nt h ec o u r s eo fr e d o x t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e a c t i o no fd o p a m i n eo nc sm o d i f i e de l e c t r o d ew a sc o n t r o l l e db yt h ed i f f u s i o na n dt h e f i r s tr e d o xr e a c t i o nc o r r e s p o n d e dt oap r o c e s so ft w oe l e c t r o n sa n dt w op r o t o n s i nt h e i i i 耋耋蓬鳖墨基罄奎塑蝗簋皇鳖益丝重盔皇焦垡垡旦堑塞 t a n g ef r o m1 o x1 0 m o l 1 t o1 o x1 0 t o o l + l l , t h ea n o d i cp e a kc u r r e n to fd o p a m i n e w a si np r o p o r t i o nt ot h ec o n c e n t r a t i o n i n0 2t o o l - l 。p h o s p h a t i cb u f f e rs o l u t i o n ( p b s ，p h 2 6 8 ) ，t h ec y c l i cv o l t a m m o g r a m o fc h i t o a n c u 2 + ( c s c u 2 + ) m o d i f i e de l e c t r o d ee x h i b i t e d ac o u p l eo f q u a s i r e v e r s i b l e r e d o xp e a k sa tp o t e n t i a l - - 0 0 2 4 va n o d i ca n d - 0 2 5 vc a t h o d i c ，w h i c hc o r r e s p o n d e dt ot h e r e d o xo fs i n g l e e l e c t r o n t h ei n f l u e n c eo fs c a n n i n gr a t ea n dp ho fs o l u t i o no nc s - c u 2 + m o d i f i e de l e c t r o d ew a ss t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec h a n g et r a n s f e rp r o c e s si nt h e m o d i f i e rf i l mw a sc o n t r o l l e db yd i f f u s i o n c s c u 2 + m o d i f i e de l e c t r o d ew a sf o u n dt ob e c a p a b l eo fe l e t r o c a t a l y s i s o x i d a t i o no f6 - b aa n dh y p o x a t h i n ev e r ye f f i c i e n t l y , a n dt h e a n o d i cp e a kp o t e n t i a lw a sa t3 5 0 m vi n6 - b as o l u t i o n ( p h = 4 o ) w h e nt h eb e g i n n i n g p o t e n t i a lw a sb e y o n do 2 5 v , t h ea n o d i cp e a k o f6 - b ad i s a p p e a r e db e c a u s ec s - c u 。+ c o u l d n o tb ed e o x i d i z e dt oc s - c u + i tw a sp r o v e dt h a tt h ec o m p l e xo fc u + 一6 b ab e g a nt of o r m b vu v s p e c t r u mw h e n c u 2 + w a sd e o x i d i z e dt oc u + a n dt h er e a c t i o no f6 - b a o nm o d i f i e d e l e c t r o d ew a sc o n t r o l l e db ya b s o r p t i o ni nt h er a n g ef r o m0 5 10 m o l l 1t o5 x 10 4 m o l l - i t h ea n o d i cp e a kc u r r e n tw a s i np r o p o r t i o nt ot h ec o n c e n t r a t i o no f6 一b a t h ec y c l i cv o l t a m m o g r a mo fc s n i 2 + m o d i f i e de l e c t r o d ei no 1m o l l 2n a o h e x h i b i t e dac o u p l eo fq u a s i r e v e r s i b l er e d o xp e a k sa tp o t e n t i a l0 3 7 5 va n o d i ca n d0 3 2 5 v c a t h o d i c ，w h i c hc o r r e s p o n d e dt ot h er e d o xo fn i ( 1 i ) n i ( i i i ) i nt h es i n g l e e l e c t r o nr e a c t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec h a n g et r a n s f e rp r o c e s si nt h em o d i f i e rf i l mw a s c o n t r o l l e d b yd i f l u s i o na n dt h e r e w a st w oo h i nt h er e a c t i o n t h ee l e c t r o c a t a l y s i s o x i d a t i o no ff o r m a l d e h y d ea n dm e t h a n o la p p e a r e do nc s n i pm o d i f i e de l e c t r o d e i nt h e r a n g e f r o m1 3 2 1 0 4m o l l 1t o5 2 8x1 0 之m o l l - 1 t h ea n o d i cp e a kc u r r e n tw a si n p r o p o r t i o n t ot h ec o n c e n t r a t i o no f f o r m a l d e h y d e k e yw o r d ：c h i t o s a n c u ”c h i t o s a n n i 2 + m o d i f i e de l e c t r o d e e l e c t r c a t a l y s i sd o p a m i n e6 - b e n z y l a m i n o p u r i n e - i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：疆垦羔查!日期：鲨竺主旦! 妁 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：煎堕查! 导师签名：里堂丛日期：丝笙：笪 第一章前言 1 1 壳聚糖概述 甲壳索( 又名甲克质、几丁质，壳蛋白、明角质) 是一种天然的高分子聚合物， 属线性多糖类。自然界每年生物合成的甲壳索估计有数亿吨至百亿吨，是仅次于纤维 素的天然高分子化合物。主要分布于水生物虾、蟹壳、软体动物外壳和骨骼、节肢动 物外骨骼以及真菌酵母等微生物细胞壁中，是种能再生的能源及工业原材料l “。 壳聚糖的合成是甲壳素发展史上的一个里程碑，这个由甲壳素脱乙酰化得到的产 物不但水溶性大大改善，化学性质也活泼得很多。甲壳素学名位f 1 - 4 ) 2 乙酰胺2 脱氧一d - 葡萄糖，化学结构与纤维索相似，只是2 号碳上的羟基( - - o h ) 换成乙酰胺( 一 n h c o c h 3 ) 。壳聚糖为甲壳素的脱乙酰化产物，学名( 1 - 4 ) 2 氨基2 脱氧d 葡萄糖。 它们的结构式见图1 ： i 2 为碳胤于编号 甲壳素壳聚糖 纤维素 甲壳素( c h i t i n ) 经脱羧后变成壳聚糖( c h i t o s a n ) ，反应式如下： 脱乙酰化 1 1 1 壳聚糖的化学修饰 近年来，科学工作者在制备壳聚糖衍生物方面做了大量工作2 ，3 1 ，改性或接枝后 的壳聚糖结构能够提高其在有机溶剂中的溶解性能【4 ，5 1 。壳聚糖分子链上的活性基团 很多，可以进行接枝共聚反应，从而改进它们的性能，满足特殊的需要。接枝共聚反 耋茎蓬罄罂基基套望垡童毫喾酋耸重丛皇堡些立昼篮銮 应一般有化学法、辐射法和机械法三种。从反应机理来说，又可分为自由基引发接枝 和离子引发接枝。 ( 1 ) 自由基引发接枝共聚。自由基接枝共聚的关键是产生自由基。目前，壳聚糖自 由基接技共聚涉及到4 种引发自由基的方法。 氧化还原引发体系。这是接枝共聚常用的方法。1 9 9 1 年，郑良华和杨建平【6 掺 照淀粉与烯类单体接枝共聚的机理提出了壳聚糖与丙烯酸在硝酸铈铵引发下的 接枝反应机理，即c e 4 + 先与糖残基的c 2 - - n h 2 和c 3 - - o h 反应，形成一种复合 物，再歧化形成- - c h = n h ( i ) 和- - c h ( o h ) ( 1 1 ) 自由基。除以上引发反应 外，过硫酸盐还可与壳聚糖上的氨基发生氧化一还原反应而产生大分子自由基。 偶氮二异丁腈法。用偶氮二异丁腈引发，只能在壳聚糖的氨基上发生接枝，产 物不溶于稀酸，只有与醋酸乙烯的非均相反应，才不是在氨基上进行的，产物溶 于2 的乙酸中，而在均相反应中醋酸乙烯也只能在氨基上反应，产物在稀酸中 只有有限的溶解性。 辐射引发法。此法目前还只有6 0 c o 的y 射线照射法和用低压汞灯产生的紫外线 照射法可用于壳聚糖的接枝共聚。 紫外线法。紫外线法能在短时间内完成接枝共聚，可进行大量样品的制备。 ( 2 ) 离子引发接枝共聚。典型的例子是壳聚糖与非烯类单体的n 羧酸酐接枝共聚f 7 1 ， 接枝是在氨基上进行的，接枝的多肽大约有6 个氨基酸残基。 另外，壳聚糖的氨基属于一级氨基，n 上的h 较活泼，能发生许多反应。 ( 1 ) 西佛碱( s c h i f f sb a s e ) 的形成 壳聚糖可在中性介质中与芳香醛或脂肪醛反应生成西佛碱 +nr 壳聚糖与水合甲醛发生缩合反应，生成n 一羟甲基壳聚糖【8 】 h c o h c h 2 o h n 原子上还剩一个h ，可进一步与一分子甲醛反应，形成n 一二羟甲基衍生物 h 2 ff h 2 o h o h n - - 一取代产物脱一分子水，即是由甲| 骚与壳聚糖形成的西佛碱 c h 2 c h 3 l o h 这些反应在壳聚糖的研究和应用中是很有用的：一方面，可用于保护氨基，进 行o 一取代反应，o 一衍生物制备好后，可以方便地将醛基脱掉；另一方面，由一 些特殊的醛形成的西佛碱，如戊二醛，可用于固定化酶i s , l o l 。此外，用氰硼化钠可将 西佛碱还原】，从而得到一系列很有用的衍生物。 ( 2 ) n 一酰化反应 k a r r e r t 和w h i t e 把1 发现羧酸酐在高温下与壳聚糖能发生很猛烈的反应，n 酰化 衍生物： 芦 c 、o 墨 o c = o n 一酰化作用：一是用于壳聚糖氨基保护，便于进行o 一衍生化反应；二是有些 n 一酰化衍生物对有些癌细胞有选择性聚合作用，有作为抗癌药物的诱人前景。 1 1 2 壳聚糖及其衍生物的配位作用 由于壳聚糖含有能与金属配位的羟基、氨基、酰氨基，它们成为与金属离子研究 的对象。d o m a r d 1 用c d 法研究了完全脱乙酰化壳聚糖与c u ”的相互作用。研究涉 及高p h 条件下高分子的聚集现象、电位特征、反应模式以及动力学过程，提出了相 应的配合物结构。壳聚糖与c u 2 + 的键合是协同的，采用分子内和分子间络合且均依 赖于配体和c u 2 + 浓度。不同金属离子与壳聚糖的相互作用不尽相同。k o n d o 等【1 4 j 报 道了c u 2 + 和c 0 2 + 与壳聚糖有很强的结合能力，而c r 2 十和z n 2 + 的结合力较弱，p b 2 + 的作 用则更弱。大分子对金属离子的吸附作用是壳聚糖配位化学的另一特点。 p e n i c h e c o v a s 等【b l 对a r 与壳聚糖之间的键合行为的研究表明，并非全部壳聚糖参 加反应，只有5 2 的a 矿形成真正的配合物，其余以吸附形式存在。o n s o e y e n 等【1 6 j 认为：金属离子与壳聚糖的相互作用可能同时受制于吸附、离子交换、和配位等多种 因素。 为了改善壳聚糖与金属离子的配位能力，人们合成了多种衍生物并对其配位化学 行为进行了研究。羧甲基壳聚糖是壳聚糖经羧甲基化后的一类壳聚糖衍生物，由于壳 聚糖分子中存在游离氨基和羟基，反应时取代基团可进入o 和n ，则产物相应的有o 一羧甲基壳聚糖和n 一羧甲基壳聚糖和n ，o 一羧甲基壳聚糖1 1 7 j 引。对羧甲基壳聚糖 的研究表明，不同位置的羧甲基化衍生物与金属离子的配位作用不同。d e l b e n 等【l 9 1 利用电位法、量热法、膨胀法和圆二色谱法进行的研究表明，n 一羧甲基壳聚糖与 c u ”、p b ”的键合能力强于壳聚糖本身，前者的键合作用主要发生在脱溶剂化离子与 羧基之间。文献报道较多的是第6 位c 原子上的羧甲基化衍生物。6 - o 一羧甲基甲 壳素与c a 2 + 形成稳定的配合物 2 0 】，这种作用在酸性介质中受到限制。m a t s u m o t o 等2 1 l 利用动力学粘弹性、小角度x 射线散射( s a x s ) 及n m r 研究了水溶液体系中羧甲基 甲壳素与碱金属离子形成的配合物的结构及分子流动性，研究指出配位作用是发生在 分子内而不是分子间，在羧基和邻近o h 间形成一钳式结构。在第6 位c 原子上的羧 甲基化衍生物不仅改善了与碱金属离子的配位能力，而且也增强了与过渡金属离子的 配位能力。 1 1 3 壳聚糖及其衍生物吸附作用研究 壳聚糖及其衍生物含有大量的羟基和氨基，可以与其他分子，如对蛋白质、氨基 酸、核酸、酚类化合物、醌类化合物、脂肪酸等形成氢键、共价建和配位键而牢固结 合。它们对这些物质的吸附有物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。物理吸附是通过 静电引力、疏水交互作用、范德华力等吸附，是多层吸附。化学吸附是单层吸附，有 选择性。甲壳素和壳聚糖在溶液中与废水中的离子进行离子交换反应是离子交换吸 附，为等当量交换吸附。壳聚糖的游离氨基在酸性条件下具有聚阳离子型电解质的住 质，它在废水处理中可作为有效的絮凝剂使用。离子型絮凝剂兼有化学架桥以及电荷 中和两种作用，对高分子量的絮凝剂来说，则以化学架桥为主，电荷中和为辅。如壳 聚糖氨基有规则地分子链上，溶于稀酸后，这些氨基质子化后带上正电荷，成为一种 聚阳离子型电解质，通过压缩胶粒作用( 一般带负电荷) 双电层。降低胶粒的表面能， 发挥静电吸引、电荷中和、网捕和吸附架桥作用，使胶体或溶液中的离子凝聚成大的 凝聚体而沉降1 2 2 , 2 3 j 。 壳聚糖的氨基对各种蛋白质的亲和力非常高，用壳聚糖制成的多孔膜1 2 4 1 和多孔微 颗粒 25 l 可作为酶、抗原、抗体等生理活性物质的固定化载体。壳聚糖以戊二醛等作交 联剂作为0 一糜蛋白酶、乳酸酶、葡萄糖氧化酶、碱性磷酸酶等的载体，其酶活力能 保持3 0 8 0 ，酶活性接近相应的游离酶，耐热性却比相应的游离酶好得多，可 稳定使用几个月。以壳聚糖为载体将木瓜蛋白酶固定化可用于啤酒的澄清【比l ，而壳聚 糖与其它天然纤维、再生纤维、合成纤维比较，对于血浆蛋白的y 一球蛋白( yg ) 具有更高的固定性能。壳聚糖与其它固定酶载体比较，其原料易得，价格低廉，能在 温和的条件下将酶固定，固定酶的效率高，反应活性高，这种固定化酶可以长期保存， 反复使用。 固定化酶较游离酶的突出优点是：可以重复使用且易从被作用物中分离出来，大 多数聚合物中的残存单体易使酶失活，而壳聚稽不存在残存单体，故它作为酶载体较 许多聚合物具有更大的优越性。酶在壳聚糖上的固定有以下三种常用技术： 誊蚕筻鏖墨基墼盒塑垡篁皇堡墼生瘗盔皇堡丝垡里丛塞 一 ( 1 ) 物理吸附法。壳聚糖的氨基对一些酶有较强的吸附结合能力，如通过物理吸附 的方法可将酶液中的酶吸附，过滤、洗涤后，即可得固定化酶。此方法的特点是 不易破坏酶的活性中心和高级结构，但酶与壳聚糖之间的结合力较弱，酶容易脱 落。 ( 2 ) 包埋法。把壳聚糖溶解于1 乙酸中，制成胶液，将酶或活细胞与些胶液混合 均匀，滴入p h 值为9 2 的2 焦磷酸钠和4 的草酸钾的混合溶液中，放置固 化l h 即可。也可将酶溶液与阴离子聚电解质溶液混合，再滴入壳聚糖溶液中， 不断搅拌，可形成小珠，用醋酸缓冲液洗涤，保存在该缓冲液中备用。此方法的 特点是不使酶本身发生任何反应，尤其适合于固定化活细胞。 f 3 ) 交联法。交联法是用交联剂使酶与壳聚糖之间形成共价键结合，此方法的特点 是酶不会脱落，提高了酶的稳定性，改善了酶的易变性，缺点是会损失部分酶活 性。 1 2 修饰电极概述 化学修饰电极( c m e ) 的研究从2 0 世纪7 0 年代中期开始，经过二十多年的 蓬勃发展，已经成为当前电化学和电分析化学中公认的活跃研究领域。它在电催 化、光电转换、有机合成、电化学传感器、电色显示、电分析等方面己取得了不 少有意义的成果。 所谓化学修饰电极 2 6 j 就是在导电性电极表面上，把具有某种功能的化学基团 通过物理或化学方法对电极表面进行修饰，在电极表面造成某种微结构，赋予电 极特定的功能。它突破了以往电化学家所研究的范畴，把注意力转移到电极表面 上来。化学修饰电极将电化学与有机、生物、高分子结台在一起，实现了预期的 电极功能设计，如采用多种快速电子转移剂，手征性活性中心，阴、阳离子交换 剂，不同类型的配位体，光敏剂，混合价态化合物，生物物质及各种酶类等功能 团修饰在电极表面上。近年来c m e 不论是在电催化，光电催化，电化学传感器， 电色显示有机、无机物的分析测定，还是在导电聚合物膜、不对称有机合成等 方面已取得了不少有意义的成果，并且在逐步地向生命科学1 2 7 】、能源i 2 8 , 2 9 】、环境1 3 0 】 等领域渗透。 1 2 1 修饰电极的发展 化学修饰电极的来源和兴起与整个化学和其它学科特别是电化学的研究密切相 关。以1 8 8 9 年所建立的著名的n e m s t 方程式为基础，直到1 9 5 0 苏联科学家冲出热 力学推理的局限性提出电极反应动力学的基本公式，形成了电极过程动力学理论和方 法，大大推动了电化学学科在研究电极界面结构和电极过程方面的进展。1 9 7 5 年 m i l l e r 3 1 1 和m u r r a y 3 2 1 分别独立报导了按人为设计对电极表面进行化学修饰的研究，标 志着化学修饰电极的正式问世。m i l l e r 等把光活性分子键合到碳电极表面，制出“手 征性电极”，这种电极亲一种旋光异构物而疏另一种，同时m u r r a y 还将多种氧化还原 体接合到被硅烷化了的电极表面上。m i l l e r 和h u r r a y 的一系列研究表明，通过电极表 面的修饰，可将电极反应导向选择合成的途径，以及电极表面可按设计进行人工修饰 赋予电极更优良或特定的功能。从以上电化学发展可以看出，传统的电化学研究仅仅 限制在裸电极电解液界面上，雨当化学修饰电极阏世之初，电极表面就被认为是建 立未来二十年的电化学基础。电极表面的设计及其潜在应用价值的研究，把电化学推 进到一个新的阶段。由于化学修饰电极由人工设计制作表面微结构，其变化奥妙无穷， 电极由此带来的奇特效应及其潜在的应用价值引起了人们广泛的研究兴趣，在国际上 吸引了越来越多的化学家从不同角度进行研究，推进了化学修饰电极的迅速发展。大 量的相关专著 3 3 , 3 4 1 、评论 3 3 , 3 6 1 被发表，化学修饰电极在过去的近2 0 年中在以下一些 领域得到明显的进展： ( 1 ) 电极表面微结构与动力学的理论研究； ( 2 ) 化学修饰电极的电催化研究； ( 3 ) 化学修饰电极在能量转换、存储和显示方面的研究； ( 4 ) 化学修饰电极在分析化学中的应用； ( 5 ) 化学修饰电极在生物电化学和传感器中的应用： ( 6 ) 表面修饰在光伏电极的光电催化和防腐中的作用； ( 7 ) 化学修饰电极在立体有机合成中的研究； ( 8 ) 分子电子器件的研究： 化学修饰电极不仅成为近代电化学、电分析化学的最新成就之，而且也为整个 化学学科的发展显示出美好的前景。 1 2 2 电极表面的化学修饰的类型 从目前大量工作看，化学修饰电极的研究往往着重于在单一结构的修饰层，它包 括单层和多层体系在内。按其微结构可将电极上的修饰层分为三种类型： 鲞鎏塑些罂基雪盒塑堡堕室堡盥兰重基皇篷丝笙旦堑塞 ( 1 ) 修饰单层。用化学强吸附和共价键合法可在电极表面形成单层结构，用欠 电位沉积法可形成原子级单层，用l b 膜可在电极表面获得高度有序排列的单分 子修饰层。在当前合成能力所达到的水平下，只有在电极表面上制备出的修饰单 层，才能使其中的原予或分子之间，或它们相对于电极之间的空间结构得到精细 控制。 ( 2 ) 修饰均相复层。它属子单一结构的多层体系。这种修饰层的内部均匀，没有晶 粒界面存在，重要的典型代表是含氧化还原体的聚合物薄膜，在这种修饰膜内部 的传输性质是很均匀的，因此它适于进行基础理论的研究。 ( 3 ) 修饰有粒界的厚层。实际上许多修饰层是不均匀且具有特有的内部结构，如氧 化物膜。这种修饰层体系复杂且不适于做定量理论研究，却具有合成方法上的灵 活性，而且提供了广泛结合具有不同化学性质的物质到单一结构上的能力，很有 实用前途。 1 2 3 电极的制备方法及表征手段 修饰电极发展之初，晟先采用的修饰手段是1 9 7 8 年m i l l e r 和v a n d em a r k l 3 8 l 开创的电极浸涂法( d i pc o a t i n g ) ，现常用于聚合物膜电极的制备方法主要有以下 四种： ( 1 ) 氧化或还原沉积 一些聚合物的溶解度取决于其价态，若用电化学或光化学的方法，使聚合物 氧化或还原成其溶解度较小的价态，这样聚合物就可以牢固地沉积在电极表面形 成修饰层。 ( 2 ) 有机硅烷缩合 在共价键合单分子层修饰电极中常用有机硅烷化试剂，这些硅烷化试剂通常 不稳定，易水解而发生聚合形成多分子层。这种方法常用易水解不稳定的二茂铁、 紫精、吡咯、醌等取代的有机硅烷试剂与电极表面键合成聚合物，还可通过缩合 反应而相互交联形成聚合物。 ( 3 ) 等离子聚合 将单聚体的蒸气引入等离子体反应器中进行等离子体放电，引发聚合反应， 在基体上形成聚合物膜。该法具有以下特点：能形成连续、无针状的薄膜：产物 高度交联；化学性能稳定：与基材的粘着性能良好；成膜工艺简单等。 ( 4 ) 电化学聚合 电解法合成有机薄膜也是很重要的薄膜合成法之一。单体在电极上电解氧化 或电解还原，产生正离子自由基或负离子自由基，进一步进行缩合反应制成薄膜。 通常电解的方法有电位扫描法、恒电位电解法、恒电流电解法、矩形波电解法和 交流电解法等。 此外，离子注入法、浸涂、旋转涂层、溶剂挥发及蒸着法等方法也是修饰膜 常用的制备方法。 进入八十年代，伴随科学技术的迅猛发展，对c m e 的研究也愈发深入和完善。 用于化学c m e 表面分析的方法有：x 光电子能谱( x p s ) ，俄歇电子能谱( a e s ) ， 扫描电镜( s e m ) ，电化学法，光声及光热光谱等【39 1 。借此通过界面表征了解微观 区域的界面构造、组成及状态等。如用常规和共振拉曼光谱，傅立叶变换红外光 谱法辨别功能团是否已在修饰电极上；光声光谱可做表面分子的定性与定量分析； 荧光光谱及紫外可见光谱可测定表面分子的浓度，特别是对染料修饰电极更有效； 光电子能谱在研究表面功能团的元素、结合状态和组成分布等方面也很灵敏：电 化学方法有循环伏安法、交流伏安法、脉冲极谱法等等，此外四探针也用到了修 饰电极的表面鉴定中1 4 0 , 4 1 。 1 2 4 化学修饰电极电催化的类型 在电催化中，反应往往发生在表面与电解液接界处。电解反应易于控制催化速率， 有选择性，并能随意施加或停止电能的使用。化学修饰电极的电催化有两种类型【4 2 1 一种属于“外壳层”或简单氧化还原催化，其催化反应发生在氧化还原媒介体的式电 位附近，通常只涉及单电子转移反应。另一种为“内壳层”或化学氧化还原催化，其 催化反应所发生的电位与氧化还原催化剂的式电位不同。化学氧化还原催化明显的特 点是可能涉及二个电子转移反应，其典型的例子是表面媒介反应对相邻二卤化物的催 化【4 ”，在反应中发生了c - - x 键的断裂，快速除去两个卤离子过程中关系n - 电子的 转移反应。在电极表面上接着了媒介体的电催化与均相催化相比有明显的优点；通过 比均相催化中用量少得多的催化剂，可在反应层内提供相当高浓度的催化剂，它对反 应速度的提高要远超过均相催化，不需要分离产物和催化剂。在合理设计选择催化剂、 修饰剂和修饰膜的结构下，化学修饰电极也可实现三维催化。除聚合物外，金属氧化 物电极具有氧化物层的多孔性和表面基团的高活性双重特点，可用于有机物的氧化或 还原反应的催化。 1 2 5 化学修饰电极与生物传感器 生物传感器是包括两个彼此密切联系的生化和物理换能器的体系，它能将被测物 蚕蚕董盛丛基里盒塑堡童毫盔益兰錾蠡富篷垡正旦堑窭 的浓度与可测量的电信号关联起来，其原理如下图所示。被测物质通过扩散进入主物 敏感膜层，经分子识别、发生生化反应后，所产生的信息被相应的物理换能器转换成 与被测物浓度相关的电信号。 起生化换能器作用的生物敏感膜是生物传感器的关键部分，是传感器选择性检测 的基础，其所含生物组分可以是酶、组织、细菌、酵母、抗体抗原、脂质体、类脂 质体及受体。生物传感器按其分子识别元件，可分为酶传感器、兔疫传感器、微生物 传感器、细胞传感器，如下图所示。 酶传感器 固定化微生物l 同定化酶 固定化免疫物质 塑! ! 垫传垫卜一分子识别元件卜_ 剖免疫传感嘉 周定化细胞器 细胞传感器 生物组织切片 组织传感器 物理换能器有很多种，其选择需与生物组分所产生的化学或物理性质相匹配，通 常包括电化学、光谱、热、压电及表面声波技术等。生物传感器按物理换能器的不同 进行分类，如下图所示。生物电化学传感器又分安培型和电位型两种。 电化学生物传感器 电化学电板、 介体传递系统 光生物传感器 7 光学换能器 半导体换能器 坌签竺望堡壁卜一分子识别元件卜_ + 降焉琢两强孬 i 丽 热敏电阻压电晶体 热生物传感器压电晶体生物传感器 1 3 课题的依据 利用修饰电极所固有的灵敏度高，按需要能有目的选择修饰剂，对被测物进行有 效的富集、分离，同时又可控制电位达到高选择性，可用于电分析、电催化和电合成 等。j o s e p hw a i l g l 4 4 ，4 5 1 等将计时电位溶出分析( p s a ) 引入核酸的测定，使得核酸修饰 碳电极在近几年里成为核酸分析中的一重要工具。j o s e p hw a n g 该小组采用经阳极预 处理的c m e 得到s s d n a 修饰电极测定了n g 量的s s d n a 。电催化反应是化学修饰电 极的研究重点，主要分为催化氧的还原和对有机物的催化。如e r d o g o l u 等1 4 6 】研究了 对儿茶酚、抗坏血酸、多巴胺和肾上腺素等的催化。近来修饰电极对生物分子的电催 化成为人们研究的方向。 壳聚糖因其分子链上具有相邻的羟基和氨基，对一些金属尤其是过渡金属和稀土 金属有选择的螫合作用，而高分子金属配合物催化荆则具有很好的稳定性、催化活性、 选择性和易从反应体系的分离等特点。另外，壳聚糖作为一种特殊的天然高分子化合 物，尤其是分子链中含有不对称碳原子，具有特殊的螺旋构象，通过对其羟基的选择 性修饰，可使螺旋内部成为疏水亲脂区而外部为亲水疏脂区，或内部成为亲水疏脂区 而外部为疏水亲脂区，这个螺旋构象还是以6 个氨基葡萄糖残基构成为一个螺旋单 位，近年来发现壳聚糖和甲壳素的六糖有许多特殊的性能，其中包括抗癌作用等。具 有光活性的特殊高级结构的高分子金属配合物可作为高活性、高选择性、在常温、常 压下有催化活性的人工模拟酶而成为人们研究的热点，y a k u 和k o s h i j i m a 47 】已经发 现低壳聚糖与铜( i i ) 的配合物具有人工模拟酶的作用。 由于壳聚糖结构上的特殊性，具有离子交换、螯合、吸附等作用，加上本身是一 种高分子化合物，不溶于水和大多数有机溶剂，有一定刚性和抗压性，又便于制备各 种各样的衍生物。壳聚糖分子链上的许多氨基，其氮原子上还有一对未结合电子，使 氨基呈现弱碱性，能从溶液中结合一个氢离子，从而使壳聚糖成为带阳电荷的聚电解 质，这样许多非金属、金属都能被壳聚糖的氨基结合。利用壳聚糖有丰富的功能基团 具有良好吸附性能在分析化学中被广泛用来回收、分离金属及非金属物质，用其制备 的修饰电极具有较宽的电位窗口。在化学修饰电极的制备中，利用浸涂法制备修饰电 极测定f e ( i i i ) 4 8 1 、p b ( i i ) 4 9 1 、c u ( i i ) 删已有报道。北京大学化学与分子工程学院叶宪 曾等人在这方面做了一系列研究，用脱乙酞壳聚糖制成壳聚糖修饰电极，阳极溶出法 测定测定a u ( i i i ) 5 1 1 、p d ( n ) 1 5 2 1 、p t ( i v ) 5 3 1 、a g ( i ) t 5 4 】等金属离子，并且同时研究了 其电极过程机理。华侨大学的刘斌、孙向英等【55 】人用共价法将壳聚糖修饰在电极表面 制成修饰电极测定p b “、n 0 2 - 。陈刚等1 5 6 a n 壳聚糖修饰石墨电极测定l 一抗坏血 塞蒌拦墼盔基錾盒塑堡釜皇