（应用化学专业论文）新型主体化合物修饰电极对生物活性物质的电化学研究.pdf

济南大学硕七学位论文 摘要 化学修饰电极是当前电化学和电分析化学方面十分活跃的研究领域，在提高分析 的选择性和灵敏度方面有独特的优越性，其表面的微结构可以提供多种能利用的势 场，使待测物能进行有效的分离富集，而且可以把测定方法的灵敏度和修饰剂的选择 性相结合，可以认为化学修饰电极是把分离富集和选择性测定合而为一的理想体系。 本文分别选用新型主体化合物环糊精和杯芳烃作为修饰剂，制备成化学修饰电 极，用来对神经递质肾上腺素及多巴胺和抗癌药物槲皮素及桑色素等生物活性物质的 电化学特性进行了研究。将主体化合物作为修饰剂，利用主体化合物对客体分子较高 的分子识别能力和包合作用，可以进一步提高对客体分子测定的灵敏度和选择性。本 论文的研究工作共分为四部分，其主要内容如下： 第一部分制备了杯【4 】芳烃化学修饰玻碳电极，并在此电极上用循环伏安法研究 了肾上腺素( e p ) 的电化学特性。在o 。i m o l l 1 k i - i z p 0 4 - n a 2 h p 0 4 ( p h = 7 4 ) 底液中， 开路搅拌富集1 8 0 s 后，e p 在+ 0 1 5 v ( 坩s c e ) 处产生一个灵敏的不可逆氧化峰，电 极反应受扩散控制。氧化峰电流i 口与e p 浓度在3 0 1 f f 5 - 1 o x l o 3 t o o l l _ 1 范围内呈现 良好的线性关系，检测下限可达1 0 x 1 0 。5t o o l l ，同一支电极连续十次测定1 o l 酽 m o l l 。的肾上腺素溶液，相对标准偏差为1 6 。该法用于盐酸肾上腺素针剂中肾上 腺素含量的测定，结果令人满意。 第二部分制各了杯【4 】芳烃化学修饰玻碳电极，并在此电极上用循环伏安法研究 了多巴胺( d a ) 的电化学特性。在0 1 m o i 0 1 k h 2 p 0 4 - n a 2 h p 0 4 ( p h - - - 7 4 ) 底液中， 开路搅拌富集3 0 0 s 后，d a 在+ o 1 5 8 v ( 憎s c e ) 处产生一个灵敏的准可逆氧化峰， 电极反应受扩散控制。氧化峰电流i o 与d a 浓度在1 0 x l o 5 巧0 x 1 0 4m o l l 1 和 1 o x l o 。6 - q 0 x 1 0 一t o o l l 以范围内呈现良好的线性关系，检测下限可达7 0 x 1 0 7 t 0 0 1 l - i ， 同一支电极连续十次测定1 0 1 0 4t o o l l - 1 的多巴胺溶液，相对标准偏差为2 6 。该 法用于盐酸多巴胺针剂中多巴胺含量的测定，结果令人满意。 第三部分制备了p 环糊精化学修饰碳糊电极，并在此电极上用循环伏安法研究 了槲皮素( q u ) 的电化学特性。在o 1 m o l l 4 k i - 1 2 p 0 4 - n a 2 h p 0 4 ( p h 每5 o ) 底液中， 直接扫描，在+ 0 3 2 v ( w s c e ) 处产生一个灵敏的准可逆氧化峰，电极反应受吸附 控制。氧化峰电流i p 与q u 的浓度在3 o x l o 屯1 0 1 0 4 t o o l l d 范围内呈良好的线性关 系，检测下限可达6 5 1 0 4 t o o l l 1 ，同一支电极连续十次测定5 0 x 1 0 一m o i l d 的槲 一卜 新型主体化台物修饰电极对生物活性物质的屯化学研究 皮素溶液，相对标准偏差为0 7 7 。该法用于芦丁水解产物中槲皮素含量的测定，结 果令人满意。 第四部分制各了p 环糊精化学修饰碳糊电极，并在此电极上用循环伏安法研究 了桑色素( m o r i n ) 的电化学特性。在o 1 m o l l k h 2 p 0 4 - n a z i - i p 0 4 ( p h = 5 0 ) 底液中， 开路搅拌富集1 2 0 s 后，在+ 0 2 9 v ( w s c e ) 处产生一个灵敏的不可逆氧化峰，电极 反应受扩散控制。氧化峰电流i o 与m o r i n 的浓度分别在1 0 x l o 气1 0 x 1 0 4t o o l l 。1 和 1 o 1o - 乙1 0 x 1 0 。6 m o l l d 范围内里良好的线性关系，检测下限可达1 0 x 1 0 - 8 t o o l l i ， 同一支电极连续十次测定5 0 x1 0 一t o o l ld 的桑色素溶液，相对标准偏差为0 6 3 。 该法用于中药桑枝中桑色素含量的测定，结果令人满意。 关键词：环糊精；杯芳烃；化学修饰电极；生物活性物质 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e 化m e ) i so n eo ft h em o s ta c t i v er e s e a r c hf i e l d si n e l e c t r o c h e m i s t r ya n de l e c t r o a n a l y t i c a lc h e m i s t r y i th a ss p e c i a la d v a n t a g e si ni n c r e a s i n g a n a l 州c a ls e l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t y t h em i e r o s t r u e t u r eo ft h ec m e s 班l r f a c a l lp r o v i d e m a n yk i n d so f p o t e n t i a lf i e l d s ，8 0t h a tt h es a m p l e sc & us e p a r a t ea n dc o n c e l l 眦e f f i c i e n t l y c m ei sa ni d e a ls y s t e mf o rt h es e l e c t i v ea n ds e n s i t i v ed e t l ：c t i o nb yu n i t i n gt h es e n s i t i v i t y o f a n a l y t i c a lm e t h o d sw i t ht h es e l e c t i v i t yo f m o d i f i e r i nt h i st h e s i s ，c h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e sw e r ef a b r i c a t e db ys c l 斑l gn e wh o s t c o m p o u n d ss u c ha 8e y c l o d e x t r i na n dc a l i x a r e n ea sm o d i f i e r sa n da p p l i e dt os t u d yt h e e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fb i o a e t i v em a t e r i a l ss u c ha se p i n e p h r i n e ，d o p a m i n e ，q u e r c e t i n a n dm o r i n a d d i t i o n a ls e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yc a nb ep r o v i d e db ym a k i n gh o s tm o l e c u l e s a sm o d i f i e r sa n du t i l i z i n gt h e i rh i g hr e c o g n i t i 6 na n di n c l u s i o na b i l i t yt o w a r d s g u e s t m o l e c u l e s t h ew o r ko f t h i st h e s i sw a sd i v i d e di n t of o u rp a r t s i nt h ef i r s tp a r t , an e wc a l i x 4 a r e n em o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( c m g c e ) w a s f a b r i c a t e da n du s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fe p i n e p h r i n e p ) b yc y c l i cv o l t a m m e t r y a s e n s i t i v ei r r e v e r s i b l eo x i d a t i o np c a l 【w a so b s e r v e da t + o 1 5 v ( 倦s c e ) i no 1 m o l r 1p h 7 4p h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o na f t e r1 8 0 sa c c u m u l a t i o nw i t hs t i r r i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no f o p e 丑c i r c u i t 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 r g et r a n s f e rp i o c 君爱si nt h e m 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 yd i f f u s i o n t h ea n o d i cc u r r e n ti n c r e a s e dl i n e a r l yw i t h t h ee o n c e n u a t i o no f e pi nt h er a n g eo f 3 o x l o s 1 o x l o - 3t o o l l 1 md e t e r m i n a t i o nl i m i t w a s1 0 x 1 0 - st o o l l 1 1 1 圮r e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o no f1 6 w a so b t a i n e db yt e n s u c c e s s i v ed e t e r m i n a t i o no f1 o x l 0 4t o o l l 1e et h i sm o d i f i e de l e c t r o d eh a sb 嘲u s e d s a t i s f a c t o r i l yi nt h ed e t e r m i n a t i o no f e p i n e p h r i n ec o n t e n ti ni n j e c t i o n i nt h es e c o n dp a r t , an e w e a l i x 【4 】a r e n em o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( c m g c e ) w a sf a b r i c a t e da n du s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no f d o p a m i n e ( d a ) b yc y c l i cv o l t a m m e t r y a s e n s i t i v es e m i - r e v e r s i b l eo x i d a t i o np e a kw f l so b s e r v e da t + o 1 5 8 v ( w s c e ) i no 1 m o l l 1 ， p h7 4p h o s p h a t eb u f f e rs o l u d o na f t e r3 0 0 sa c c u m u l a t i o nw i t hs t i r f i l l gu n d e rt h ec o n d i t i o n o fo p e nc i r c u i t 1 1 圮e 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 r 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 de l e c t r o d ew a sc o n t r o l l e db yd i f f u s i o n t h ea n o d i cc u r r e n ti n c r e a s e dl i n e a r l yw i t h i l l 新型主体化合物修饰电极对生物活性物质的电化学研究 t h ec o n c e n t r a t i o no fd ai nt h er a n g eo f1 0 1 0 s - 5 0 x 1 0 - 4t o o l l 1a n d1 0 x 1 0 t 1 0 x 1 0 5 t 0 0 1 【1 t h ed e t e r m i n a t i o nl i m i tw a s7 0 1 0 - 7m 0 1 l - 1 t h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o no f 2 6 w 雒o b t a i n e db yt e ns u c c e s s i v ed e t e r m i n a t i o no f1 0 x 1 0 - 4t o o l l 1d a t h i sm o d i f i e d e l e c t r o d eh a sb e e nu s e ds a t i s f a c t o r i l yi nt h ed e t e r m i n a t i o no fd o p a m i n ec o n t e n ti n i n j e c t i o n 。 i nt h et h i r dp a r t , an a vp - c y c l o d e x t r i nm o d i f i e dc a r b o np a s t ee l e c 血o d e ( c m c p e ) w a s f a b r i c a t e da n du s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fq u e r c e t i n ( q u ) b yc y c l i cv o l t a m m e 仃) ，a s e n s i t i v es e m i - r e v e r s i b l eo x i d a t i o np c a kw a so b s e r v e da t + o 3 2 v ( w s c e ) i n0 1 t o o l l p h5 0p h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o na f t e rd i r e c t - s c a n n i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a tt h ec h a r g et r a n s f e rp r o c e s si nt h em 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 ya d s o r p t i o n t h e a n o d i cc u r r e n ti n c r e a s e d l i n e a r l y w i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fq ui nt h er a n g eo f 3 0 x 1 0 - 6 。1 0 x 1 0 4t 0 0 1 l 1 t h ed e t e r m i n a t i o nl i m i tw a s6 5 1 0 。7t 0 0 1 l - 1 t h er e l a t i v e s t a n d a r dd e v i a t i o no f0 7 7 w a so b t a i n e db yt e ns u c c e s s i v ed e t e r m i n a t i o no f5 0x 1 0 5 m o l 。l - 1q u t l l i sm o d i f i e de l e c t r o d eh a sb e e nu s e ds a t i s f a c t o r i l yi nt h ed e t e r m i n a t i o no f q u e r c e t i ni nt h eh y d r o l y s a t eo f t u r i n i nt h ef o r t hp a r t an e w p - c y c l o d e x t r i nm o d i f i e dc a r b o np a s t ee l e c t r o d e ( c m c p e ) w a s f a b r i c a t e da n du s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fm o r i nb yc y c l i cv o l t a m m e t r y as e n s i t i v e i r r e v e r s i b l eo x i d a t i o np e a kw a so b s e r v e da l + o 2 9 v ( 坩s c e ) i no 1 m o l l 1p h5 0 p h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o na f t e r1 2 0 sa c c u m u l a t i o nw i t hs t i r r i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no f o p e n c i r c u i t t h ee x p e r i m e n t a lr e s p j t ss h o w e dt h a tt h ec h a r g et r a n s f e rp r o c e s si nt h em 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 ab yd i f f u s i o n t h ea n o d i cc u r r e n ti n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h e c o n c e n t r a t i o no f m o r i ni nt h er a n g eo f 3 o 1 0 r 6 1 0 1 0 - 4m o l l _ 1 t h ed e t e r m i n a t i o nl i m i t w a s6 5x1 0 7m o l l - 1 t h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o no f0 6 3 w a so b t a i n e db yt e n s u c c e s s i v ed e t e r m i n a t i o no f5 0 x1 0 巧m 0 1 l - 1m o r i n t h i sm o d i f i e de l e c t r o d eh a sb e e n u s e ds a t i s f a c t o r i l yi nt h ed e t e r m i n a t i o no f m o r r oi nt h eb r a n c ho f m u l b e r r y k e y w o r d s ：c y c l o d e x t r i n , c a l i x a r e n e , c h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e ，b i o a c t i v em a t e r i a l 一 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。 对本文的研究做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：降略位 日期： 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：翠酸导师签名：i 淄日期：宏多二一盈 济南大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 化学修饰电极的发展概况 化学修饰电极( c m e ) 是当前电化学、电分析化学方面十分活跃的研究领域，其 应用范围十分广泛。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，以便在其上有选择地进行所 期望的反应，在分子水平上实现了电极功能的设计。 化学修饰电极的来源与整个化学和其他学科特别是电化学的研究密切相关。从 “青蛙实验”，f a r a d a y 电解定律，t a f e l 经验公式，到n e r s t 方程，电极过程动力学， 乃至建立起界面双电层模型。在2 0 世纪7 0 年代之前，如何赋予电极更优良或特定的 功能还鲜为人知。l a m 和h u b b a r d ! l 】于1 9 7 3 年开辟了改变电极表面结构以控制电化 学反应过程的新概念，指示了化学修饰电极的萌芽。 1 9 7 5 年m i l l e r l 2 1 和m 岫珂【3 】分别独立地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 u r r a y 及其小组研究出用共价键合进行 电极表面修饰的通用方法，并首次提出了“化学修饰电极”的命名，对这一领域的早 期研究产生了强烈的影响，m u r r a y 等的一系列研究说明，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，从而使电化学获得了很有意义的进展。 化学修饰电极的兴起与其他学科，特别是表面科学技术的发展是相辅相成的。到 本世纪7 0 年代，各种谱学技术，如x 射线光电子能谱、俄歇电子能谱、低能电子衍 射能谱以及二次离子质谱等大量出现，它们能为电极表面化学状态的研究提供详细、 精确的信息，显示了新的表面技术的威力。 用表面分析技术可以跟踪电极表面的修饰过程，掌握预定的功能团是否接着在电 极表面上、形成的微结构呈现什么状态等信息。但是上述这类物理方法，大多需要高 真空环境，对电极表面的修饰层只能进行非现场地观测，同时也不利于对溶剂所溶胀 了的修饰膜的直接表征。因此，在初期的化学修饰电极的研究中总是采用含有电活性 体的修饰膜，这样可利用电分析化学方法对电极表面的修饰过程和表面结构进行现场 监测和表征。到8 0 年代初，光谱电化学研究中最重要的是发展了红外反射吸收光谱 ( i r a s ) 【4 l 和表面增强拉曼光谱( s e r s ) 啊，特别有利于对电极表面进行现场研究。后者 新型主体化合物修饰电极对生物活性物质的电化学研究 由于使用了激光光源，使s e r s 效应增强百万倍，它能非常灵敏地反映出某些金属( 如 c u ，a g ) 电极表面结构的细微变化。这类表面光谱技术的特点是，能在电化学反应 的过程中进行电极表面微结构的现场观测。随着谱学技术的研究进展，能用于电化学 现场测定的物理方法也明显增多，如电子自旋共振谱( e s r ) 嘲、穆斯堡尔谱 ( m o s s b a u r ) 1 3 、二次离子质谱( s i m s ) s i 、x 射线衍射嘲、e x a f s ( e x t e n d e dx - r a y a b s o r p t i o nf m e s t r u c t u r e ) 等【l0 l 。在深入认识化学修饰电极研究中的关键问题之一“电 极表面微结构与电极功能关系”方面将发挥重要作用。近期出现的石英晶体微天平【l ， 有可能在电化学反应过程中借电极重量的增减，直接探知电极表面微结构的变化。最 新发展的扫描隧道显微镜( s t m ) 【1 2 】，不仅在真空、大气中而且也可在溶液中进行表面 的微观检测，达原子级水平。将这一崭新的先进技术与电化学法相结合而发展的电化 学一扫描隧道显微镜法( e c s t m ) 以及电化学- 原子力显微镜法( e c a f m ) ”】，包括利用 超微电极无限靠近电极基面时发生f a r a d a y 电流的扫描电化学显微镜法( s e c h 砂h l 在 内，是对电极表面结构进行微观、实时地观测的最有利的近代方法。预计不久的将来， 利用各种交叉科学技术进行电化学现场观测的方法，将对化学修饰电极的微结构特征 有全面的了解，并将推动化学修饰电极研究的迅速进展。 1 2 化学修饰电极的含义 化学修饰电极( c h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e s ，c m e ) 是由导体或半导体制作 的电极，在电极的表面涂敷了单分子的，多分子的、离子的或聚合物的化学物质薄 膜，借f a r a d a y 反应( 电荷消耗) 而呈现出此修饰薄膜的化学的、电化学的或光学 的性质。这种修饰包括了对电极界面区的化学改变，因此它所呈现的性质与电极材 料本身任何表面上的性质不同。对任何电化学反应来说，如果反应在裸电极上能够 合理地、有选择性地和容易地进行，对电极表面的修饰则没有必要和毫无价值。电 极表面的修饰强调必须改变电极电解液界面的微结构而调制成某种特性。 1 3 化学修饰电极的分类 按化学修饰电极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( 以聚合物薄膜为主) 两大类型，此外还有组合型等。电极表面的修饰方 法依其类型、功能和基底电极材料的性质和要求而不同。目前已发展了许多有效地 制备单分子层和多分子层修饰电极的方法。制备单分子层的主要方法有共价键合 堕壹查兰堡主兰堡笙壅 法、吸附法、欠电位沉积法及近年提出的l b ( l a n g m u i r - b l o d g e t t ) 膜法、 s a ( s e l f - a s s e m b l i n g ) 膜法。制备多分子层修饰电极的主要方法是聚合物薄膜法、气 相沉积法和l b l 膜法( l a y e r - b y - l a y e r s e l f - a s s c q n b l e dm e m b r a n e ) 。在前者方法中又分为 两种途径，即从单体出发和从聚合物出发来制备聚合物薄膜电极，涉及多种手段。 化学修饰电极根据电极本身性质的不同，可分为多种类型如碳糊c m e 、核酸 c m e 、粘土c m e 、共价键合型c m e 、吸附型c m e 等，而每一类型的c m e 的制作 方法和应用范围各不相同。共价键合型c m e 可通过表面有机合成的方法在电极表面 获得预定的微结构，但修饰步骤繁琐，耗时，响应较小。吸附型c m e 具有修饰方法 简单，表面也容易更新等优点，但结合不够牢固，不易控制电极表面的微结构。将 l b 技术应用c m e 中，可克服其缺点。最近将l b l 技术应用于c m e 中，是吸附型 c m e 研究的新方向。7 0 年代中期出现的碳糊c m e ，扩大了修饰电极的应用范围，这 类电极残余电流低、制备方法简单，电极表面易于更新，电位使用范围宽，价格便宜 等优点，在分析化学中的应用日益广泛。 1 4 化学修饰电极的基底材料及表面处理 作为化学修饰电极的基底材料主要是碳 包括石墨、热解石墨和玻碳( g c ) ，后者 在1 9 6 5 年由z i t t e l 和m i l l e r 引入电化学研究中，尤其是作为修饰电极的基底，得到 了广泛的应用1 和贵金属及半导体。在采用任何方法实施修饰步骤之前，所用固体电 极必须首先经过表面的清洁处理。目的是为获得一种新鲜的、活性的和重现性好的 电极表面状态，以利于后继的修饰步骤进行。另一重要的目的是，为取得溶液中氧 化还原体在裸电极上反应的电化学参数，以期与接着在电极表面上的行为比较。这 一点在设计化学修饰电极并充分发挥其效应( 如在电催化中促进过电位的降低和反 应速度的加快) 方面尤为重要。 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【1 5 嘲。特别当电 极表面上存在惰化层和很强的吸附层时，必须用机械或加热的办法处理，加热处理 一般在真空中( 1 0 - - 5 t o r t ) 进行加热。通常用于抛光电极的材料有金钢砂、c e 0 2 、 z 1 0 2 、m g o 和a 1 2 0 3 粉及其抛光液。抛光时总是按抛光剂粒度降低的顺序依次进行 研磨，如对新的电极表面先经金钢砂纸粗研和细磨后，再用a 1 2 0 3 粉按1 0 ，0 3 和 o 0 5 x m 粒度在平板玻璃或抛光布上分别进行抛光，效果很好。每次抛光后先洗去表 面污物，再移入超声水浴中清洗，每次2 3 分钟，重复三次，直至清洗干净。最后 新型主体化台物修饰电极对生物活性物质的电化学研究 用乙醇、稀酸和水彻底洗涤，得到一个平滑光洁的、新鲜的电极表面。等离子体【l ”i j 和激光技术 2 2 0 3 1 也被用来作电极表面的清洁处理。用等离子体处理电极，主要与发 生放电的周围气氛有关，若处在氧气和氨气中，则分别得到含氧和含氨的基，用激 光辐射处理铂和碳电极时可直接在试液中进行，改变激光的强度和处理时间，可将 电极表面的吸附物和惰化层除去，增强电极活性1 2 4 1 。用等离子体和激光辐射处理过 的电极表面，具有良好的重现性，有利于电极表面状态的裁剪。 固体电极经抛光后，接着进行化学的，特别是电化学的处理，是最常用来清洁、 活化电极表面的手段【2 5 l 。电化学法常用强的矿物酸或中性电解质溶液，有时也用弱 的配合性缓冲溶液( 如磷酸等) ，在恒电位、恒电流或循环电位扫描( 如在o 5 m o l l 4 h 2 s 0 4 中，+ 1 8 v 1 4 v v s a g a g c i ) 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f 2 纯羽。电化学法还能在试液中直接 进行电极处理，方法简单易行。 1 5 化学修饰电极的修饰方法 c m e 就是用化学或物理的方法对电极表面进行修饰，使其具有预期特定功能， 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。化学修饰电极的修饰方法主要分为：共价键合法、吸附法、聚合物薄膜法 和组合法等。 1 5 1 共价键合法 共价键合法 2 9 3 0 1 是以化学反应的方法将修饰剂共价结合到电极表面，是最早用 来对电极表面进行人工修饰的方法，导致了“化学修饰电极”的问世。固体电极经 清洁处理后，在表面上往往带有某些含氧的基，但浓度低而且很不确定。按设计欲 在电极表面获得高浓度的预定功能团，首要的是向电极表面引入可供键合的基。共 价键合法一般分两步进行，第一步是电极表面的预处理，以引入键合基；第二步是 进行表面有机合成，通过键合反应把预定功能团接着在电极表面。m u r r a y 研究组通 过硅烷化的方法对电极进行修饰，总结出多种用于键合的硅烷试剂。而俄亥俄州立 大学的t k u w a n n a 也发展了一种引人注目的方法，即通过氰脲酰氯直接在预处理过 的石墨表面进行修饰。常用的基体电极表面有多种含氧基团存在，但含量较少。而 一4 一 济南大学硕士学位论文 氧化、还原处理，以及酸或者碱处理等导入较多的表面含氧基，利用修饰化合物与 这些含氧基的共价键合反应可将其导入电极表面。 1 s 2 吸附法 吸附法f 3 1 1 是通过非共价作用将修饰剂固定在固体基质表面。与共价键合单分子 层相比，通过自然化学吸附的方法十分简单。许多芳香环的化合物在水溶液中能十 分牢固地接着在石墨电极上。e l a v i r o n 、f c a l i s o n 、e 且y e a g e r 等研究组较多地使 用该方法。用吸附方法可制备单分子层，也可以制备多分子层修饰电极。吸附法制 备的修饰电极通常又分为平衡吸附型、静电吸附型、l b 膜吸附型、涂层型等四种 类型。 1 5 3 聚合物薄膜法 聚合物薄膜法是利用聚合反应将修饰物修饰在电极表面形成聚合物薄膜。是多分 子层修饰电极，与单分子层修饰电极相比，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，其活性基的浓度高、电化学响应信号大，而且具有较大的化学、 机械和电化学的稳定性，无论从研究和应用方面均有发展前景。自1 9 7 9 年d i a z 3 2 1 首 次报道了电化学氧化吡咯在电极表面形成聚吡咯0 e y ) 膜以来，大大激发了人们对有 机导电聚合物的研究热情。人们对在电极表面修饰一层聚合物膜的兴趣越来越浓厚， 如毗咯的电聚合 3 3 1 。这类导电聚合物是一种具有大丌键的共轭大环聚合物，并具有特 定的功能基团。将这类聚合物膜修饰于电极表面后，可用于电化学催化、电化学释放、 分子器件、电变色效应、生物传感器以及电化学分析等领域。近十几年内聚合物薄膜 修饰电极获得了迅速的发展。常用于聚合物薄膜修饰电极的制备方法主要有以下四 种：氧化或还原沉积、有机硅烷缩合、等离子聚合、电化学聚合。此外，离子注入法、 浸涂、旋转涂层、溶剂挥发及蒸着法等也是修饰膜常用的制备方法。 1 5 4 组合法 ， 此法p 町是将化学修饰剂与电极材料简单的组合起来制成组合修饰电极。如化学 修饰碳糊电极就是这样的。可以把一定量的修饰剂和一定量的碳粉和石蜡均匀混 合，然后在玻璃管中压紧，将电极磨平，冲洗后待用。 新型主体化含物修饰电撤对生物活性物质的电化学研究 1 6 化学修饰电极在电分析化学中的应用 1 6 1 选择性富集分离 修饰电极表面能对被测物进行富集分离是化学修饰电极用于分析测定的主要原 因之一。被测物可通过与电极表面修饰的化学功能团发生配合、离子交换、共价键合 等反应而被富集分离，这种方法包括富集、检测、再生等一系列步骤。除由于富集而 具有较高的灵敏度外，还由于修饰剂与被测物间的相互作用增加了选择性，此外，还 有一些其它优点，如使用“无汞”电极或“无试剂”溶液测定许多不能通过电解富集 的被测物、富集和伏安测量步骤间介质可方便地更换、消除氧干扰等。 1 6 1 1 配合反应 对于配合反应，大多数化学分析上应用的螯合剂可成功地用作电极表面修饰 剂，这可以通过调节测试溶液的组成，特别是从p h 和掩蔽的观点来提高方法的选 择性。由碳糊与修饰剂分子制得的混合碳糊修饰电极为富集伏安手段所普遍采 用，这是因为，很多有机试剂可很快地掺入到碳糊中，不需对每一种修饰剂设计出 分别的附着方案。现有的工作证实了混合碳糊修饰电极的多用性、稳定性及易操作 等特点，可以通过改变加入到碳糊混合物中修饰剂的含量，以改变有效的表面覆盖 量。例如：利用掺杂硫氰根( s c 阿) 的聚吡咯( p p y ) 修饰电极对h 矿的配位富集 作用，将其用于污水中汞含量的测定，结果令人满意p ”。 1 6 1 2 离子交换 离子型被测物同样可通过与键合在电极表面或分散于复合电极如碳糊电极体 相中离子交换剂闻的静电作用而富集。根据离子交换剂对各种离子的相对亲合性， 修饰电极将优先同具有高电荷、小溶剂化体积及高极性的离子进行离子交换。常见 的阴离子交换剂有聚4 乙烯基吡啶等，它们在酸性溶液中产生质子化，吸引溶液中 的阴离子，而具有富集功能。常用的阳离子交换剂中有美国杜邦公司生产的n a f i i o n 及美国e a s t m a nk o d a k 公司生产的e a s t m a n - a q ，可以用来对较大憎水性阳离子进行 富集分离。n a t i o n 修饰电极对于阳离子，尤其是疏水性的大阳离子的交换能力强， 可以进行选择性富集，这种富集使被测离子的检测限下降一定数量级【3 6 】。例如，质 子化的多巴胺在n a t i o n 修饰电极上的检测限比未修饰电极降低超过两个数量级。除 了较低的检测限，还提供了比未修饰电极大的选择性，包括膜对阴离子的拒绝和超 一6 一 济南大学硕士学位论文 过无机阳离子的对疏水性大阳离子的结合力。例如，a d a m s 等1 3 7 1 采用n a t i o n 修饰 微电极进行了鼠脑中神经递质的分析，消除了抗坏血酸的干扰。董绍俊等【3 羽用 n a t i o n 涂层微电极进行了阳极溶出法测定血中铅的研究。用微分脉冲阳极溶出法和 线性扫描溶出伏安法测定了全血中的铅。该方法灵敏度高，重现性好，避免了汞的 污染。 1 6 1 3 共价键合 被测物在修饰电极表面的共价键合也可作为一种富集的手段。富集过程基于被 测物与修饰剂活性中心间的化学反应并形成电化学活性的产物。例如；烷基化试剂 可通过富集在聚维生素b 1 2 修饰电极上而进行测定 3 9 1 等。 1 6 1 4 琉水性富集 当基底电极表面修饰一层疏水性类脂物质时，该类脂层可从接触的溶液中富集 疏水性有机化合物，并阻碍亲水性分子的传输 4 0 , 4 ”。 1 6 2 电催化 电催化是化学修饰电极分析应用的重要方向，修饰在电极表面的媒介体可以加 速在裸电极上产生不可逆电化学行为或具有较差分析响应的被测物的电子转移。 化学修饰电极的电催化用于分析目的具有下述功能； ( a ) 降低底物的过电位，使可能的干扰及背景电流减至最小。 ( b ) 增大电流响应，降低检测限。 ( c ) 防止被测物及产物在电极表面的吸附。 目前电催化氧化法因为具有比一般的化学反应更强的氧化和还原能力、很少消 耗化学药剂、适应性强、可回收金属等有用物质以及易于实现自动化控制等优点而 在含烃、醛、醇、醚、酚及染料等有机污染物的处理中逐渐得到应用。董绍俊 4 2 1 详细综述了电催化模型及其重要特性，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【4 3 】。现在制备的化学修饰电极基本上都具有对测定对象电催化的 功能。 1 6 3 选择性渗透 借电极表面膜的渗透性，有选择地使某种分子或离子透过膜孔，起到分子筛的 一7 一 新型主体化合物修饰电极对生物活性物质的电化学研究 作用。它是基于溶液中分子或离子的大小及荷电、空间结构等的差异而在修饰膜上 分离。合适的膜既对干扰物质有排阻作用，又能使被测物在膜中快速扩散。例如： w i l s o n 删等将醋酸纤维素酯( c a ) 修饰铂电极用于含有蛋白质等样品中h 2 0 2 的l c 检测。 1 7 化学修饰电极在生物传感器中的应用 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 物的浓度与可测量的电信号关联起来。生物传感器按其分子识别元件，可分为酶传 感器、免疫传感器、组织传感器、微生物传感器、细胞传感器。在上述生物传感器 中，研究和应用最多的是酶传感器。这种将酶作为与电板结合试剂的概念是1 9 6 2 年由c l a r k 和l y o n s 4 5 】建立的，他们提出，可以通过检测其酶催化反应所消耗的氧 来测定葡萄糖盼含量。u p k i i k c 和h i c k s 硒1 报道了在极谱氧电极表面采用聚丙烯酰胺 凝胶膜固定葡萄糖氧化酶的第一支酶电极。w i l l n d 4 7 删、c r e a g e r i s o l 、w i l s o n 5 1 1 和王 洪恩【5 2 】均报道了将葡萄糖氧化酶固定到s 舢啦中制成葡萄糖传感器。y a b u k i 等1 5 3 】 用离子聚合物将葡萄糖氧化酶和二茂铁物理包埋于玻碳电极上，制成了葡萄糖传感 器。y a m a m o t o 等酬用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。w a n g 等【5 5 】将与葡萄糖氧 化酶包埋于溶胶凝胶与聚乙烯醇和4 一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 【5 6 l 利用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。 也可以通过检测酶反应的产物h 2 0 2 来铡定葡萄糖，刘海鹰等【5 7 】通过交联方式将辣 根过氧化物酶固定在e a s t m a n - a q