（物理化学专业论文）分子自组装膜修饰电极上生物分子电催化性能的研究及其应用.pdf

物理化学硕i ：研究生论文 分子自组装膜修饰电极上生物分子电催化性能的研究及其应用 摘要 生物分予的同时检测是一项迫切需要解决的问题。然而，由于牛物分了容易在电 极上发牛吸附变性、以及其它分子会产生干扰，而使相关的基础研究工作有很多困难。 为此，。大科技工作者经过多年的探索，发现了很多能催化牛物分予电化学反应的体 系和技术。为此，各种修饰电极应运而生。其中通过分子自组装技术制备的修饰膜电 极( s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r ，s a m ) 更是引起了科技工作者的广泛兴趣。 s a f l 修饰电极就是通过对自组装分了的设计，达到人为控制表面组成，结构及其功 能性的目的。它和l a n g m u i r b l o d g e t t ( l b ) 膜是目前研究较为广泛、对固体表面进行 修饰最为有效的两种分子有序组装体系。分予自组装可以从分予水平上设计多种有序 的结构，为具有选择性化学响应的传感材料的合成，微电予器件及电分析化学和生物传 感器等方面的发展开辟了广阔的前景。 本文丰要是应用分了自组装技术制备了4 ，4 一二硫基联吡啶( 4 ，4 一d i t h i 0 d i p y r i d i t i e ，p y s s p y ) ，卟啉( 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 - t e t m k ( 4 - m e t h o x y p h e n y l ) 2 l h ，2 3 h - p o r p h i n e c o b a l t ( h ) ，c o t m p p ) p y s s p y ，2 - 氨基乙硫醇( 2 - a m i n o e t h a n e t h i o l ，2 a t ) 修饰的金 电极，采用了循环伏安( c v ) ，石英晶体微天平( q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ，q c m ) ， 挝曼光谱( r a m a ns p e c t r o s c o p y ) ，电化学交流阻抗( e l e c t r o c b e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r a ，e i s ) 等方法对其进行了表征，并测定了2 a t 自组装膜的表面解离常数( p k a ) 。 本文利用分予自组装技术制各了修饰的金电极，并用以探索芦丁( r u t i n ) 和抗坏 血酸( a s c o r b i ca c i d ，从) 在修饰电极上的同时检测。 实验证明，芦丁和从在氨基乙硫醇修饰电极上的催化氧化行为明显不同。芦丁在 氨基乙硫醇修饰的金电极上的氧化峰电位为o 2 0v ( v ss c e ) ，与裸电极上测得的相比 无显著变化，但氧化峰电流确有所增大，且在0 - - 2 5 0 m o l l 范围l ! l ，峰电流和芦丁 的浓度呈良好的线性关系。与此同时，a a 在氨基乙硫醇修饰金电极上的氧化电位出现 了显著负移，即从褓电极上测得的0 3 4v 负移至o 0 4v ( 大约负移了0 3 0 v ) 。因而， 物理化学颂。l ：研究生论文 利用修饰电极上对芦丁和从的电催化效果不同，可避免a a 对芦丁检测的干扰。实验 中应用灵敏度较高的微分脉冲伏安法( d i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y ，d p v ) 实现 了与从共存时药物中芦丁含量的直接检测。 关键词：分了自组装、修饰电极、芦丁、抗坏血酸、循环伏安法、石英晶体微天平、 电化学交流阻抗技术 物理化学硕j ：研究生论文 s t u d yo nt h ee l e c t r o c a t a l y s i so fb i o l o g i cm o l e c u l ea t s e l f a s s e m b l e dm o n o l a y e rm o d i f i e de l e c t r o d e sa n di t s a p p li c a ti o n a b s t r a c t s i m u l t a n e o u sd e t e c t i o no fb i o l o g i cm o l e c u l eh a sr e c e i v e dm u c hi n t e r e s ti n t h ep a s tf e wd e c a d e s t h em a j o rp r o b l e mi nt h ed e t e c t i o no fb i o l o g i cm o l e c u l e i si t sa d s o r p t i v ed e n a t u r a l i z a t i o na n di n t e r f e r e n c eb yo t h e rm o l e c u l e s m a n y d i f f e r e n ts t r a t e g i e sh a v eb e e ne m p l o y e df o rt h em o d i f i c a t i o no ft h ee l e c t r o d e s u r f a c et oi m p r o v ee l e c t r o c a t a l y s i so fb i o l o g i em o l e c u l e a m o n gt h em a n y d i f f e r e n ts t r a t e g i e su s e df o rt h em o d i f i c a t i o no fe e c t r o d es u r f a c e s 。f o r m a t ，i o n o fs e l f a s s e m b l e dm o n o l a y e r ( s a m ) o fo r g a n o s u l f u rc o m p o u n d so nag o l de l e c t r o d e h a sr e c c i r e dm u c ha t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s a ne l e c t r o d em o d i f i e dw i t has a mc a nb et h eh a s i so ft h em o l e c u l a rd e s i g n o fi n t e r f a c e st oc o n t r o lt h ec o n f i g u r a t i o na n ds t r u c t u r eo nt h ee l e c t r o d e s u r f a c eo rg e tm o r ef u n c t i o n s t h es a ma n dl a n g m u i r b l o d g e t t ( l b ) m e m b r a n eh a v e b e e na b r o a du s e da sn e ws t r a t e g i e sf o rm o d i f i c a t i o no fe l e c t r o d es u r f a c e e f f e c tjv e l y t h es a me l e c t r o d e sa r ev e r yp r o m i s i n gf o rt h ec o n s t r u c t i o no f m a t e r i a s ，w h i c hh a v es e l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t y ，a n dt h ed e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i c si n s t r u m e n ta n de l e c t r o a n a l y t i c a l c h e m i s t r y i nm o l e c u l e l e v e l ， i nt h i sp a p e r ，t h ee l e c t r o d e sh a v e b e e nf a b r i c a t e dw i t hs a mm o d i f i e d 4 。4 一d i t h i o d i p y r i d i n e ( p y s s p y ) ，5 ，i 0 ，1 5 ，2 0 一t e t r a ( 4 - m e t h o x y p h e n y l ) 一2 l h ，2 3 h p o r p h i n ec o b a l t ( n ) ( c o t m p p ) p y s s p y ，2 - a m i n o e t h a n e t h i o l ( 2 a t ) a l s o t h e s u r f a c ec h a r a c t e r i z a t i o no fs a mm o d i f i e de l e c t r o d e sh a v eb e e nc a r r i e do u tb y 3 物理化学硕”j ：研究生论文 c y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) ，q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ( q c m ) ，r a m a ns p e c t r o s c o p y ， a n de l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r a ( e i s ) t h es u r f a c ep k ao f2 a ts a mw a s d e t e r m i n e db yi m p e d a n c et i t r a t i o nc u r v e t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fa s c o r b i ca c i d ( a a ) a n dr u t i n ，a n dt h e i r s i m u l t a n e o u sd e t e c t i o nh a v e b e e ni n v e s t i g a t e da ts a mm o d i f i e de l e c t r o d e s t h ed i s t i n g u i s ho x i d a t i o np e a kc u r r e n tb e t w e e na aa n dr u t i na tag o l d e l e c t r o d em o d i f i e dw i t h2 一a ts a mw e r eo b s e r v e d t h ea n o d i cp e a kc u r r e n t so f r u t i nw a sa p p e a r e da t0 2 0v ( v ss c e ) ，a r ep r o p o r t i o n a lt o t t h ec o n c e n t r a t i o n o fr u t i ni nt h er a n g eo fo 2 5 0 9 m o l l c o m p a r e dw i t ht h eo x i d a t i o no fa aa t t h eb a r ea ue l e c t r o d e o x i d a t i o np o t e n t i a lo fa aa tt h em o d i f l e de l e c t r o d e n e g a t i v e l ys h i f t s3 0 0 m y t h ei n t e r f e r e n c eo fa ad u r i n gt h ed e t e r m i n a t i o no f r u t i nh a sb e e nn e g l e c t e dw i t ht h e2 - a ts e mm o d i f i e de l e c t r o d e an o v e lm e t h o d h a sb e e np r o p o s e df o rd e t e c tr u t i ni nm e d i c a m e n tw i t h o u ts e p a r a t i o nu s e df o r t h ed i r e c t l yd e t e r m i n a t i o no fr u t i ni nt h ep r e s e n c eo fa ab yd i f f e r e n t i a lp u l s e v o l t a m m e t r y k e y w o r d s s e l f a s s e m b l e dm o n o l a y e r a c i d ，c y c l i cv o l t a m m e t r y ，q u a r t z i m p e d a n c es p e c t r a m o d i f i e de l e c t r o d e ， r u t i n ，a s c o r b i c c r y s t a l m i c r o b a l a n c e e l e c t r o c h e m i c a l 4 物理化学硕l ：研究生论文 第一章绪论 牛物分予的同时检测是一项迫切需要解决的问题。然而，由于牛物分予容易在审 极上发牛吸附变性、以及其它分子会产牛干扰，而使相关的基础研究工作有很多用难。 为此，广大科技工作者经过多年的探索，发现了很多能催化牛物分了电化学反应的体 系和技术。其中，修饰电极是研究生物电化学的一种有效工具。 化学修饰电极( c m e ) 是指电极表面经分予设计、其表面被人工剪裁过的电极。 通过对电极表面的分予剪裁，可以按意图给电极预定功能，以便在其上有选择地进行 所期望的反应。自从1 9 7 5 年m i l l e r 1 1 和m u r r a y 分别独立报道了按人为设计对电极表 面进行化学设计的研究以来，化学修饰电极的发展非常迅速。通过研究化学修饰电极 表面的结构和介面反应，不仅对电极过程动力学理论的发展起了推动作用，而且它显 示出的催化、分离、分子识别、光电等效应，使其成为当前电化学、电分析化学方面 受到很大关注的活跃的研究领域1 3 】。 自组单层膜或简称自组膜( s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r ，s a m ) 是目前研究非常广泛、 对固体表面进行修饰最为有效的分了有序组装体系。自组单层膜是指分予自发地通过 非共价键( 氢键、范德华力、静电力、疏水作用力等作用) 相瓦作用，强化学吸附在固 液或气液界面，形成热力学稳定和能量最低的有序体系，其特点是高度有序、定向密 集、组织完好和稳定的分予单层。同时，自组分了链之间的范德华相百作用以及分予 链内或末端特殊功能团之间的相互作用，也推动了自组过程，促进了自组分予在电极 表面上成膜由无序到有序的重组 4 1 。通过对自组分了的设计，使其具有不同的头基和尾 基，可以在较大的自由度上控制自组膜体系所涉及的作用力：自组分予与基底、自组 分了之间、自组分了与溶剂、自主分子和被检测物之间的相瓦作用等；从而加深我们 对与其密切相关的结构、润滑以及特殊电化学、光化学等方面的了解，推动自组装技 术在电分析化学和牛物传感器等近代高科技上的广泛应用【5 1 。 1 1 自组装膜研究的概况 1 1 1 自组装膜发展历史 5 物理化学硕士研究生论文 自组现象的发现可以追溯到1 9 4 6 年，早在1 9 4 6 年z i s m a n 等【6 】就报道了表面活性物质 在洁净金属表面上吸附而形成单分子膜的现象。但是，这项工作的真正兴起是开始于 8 0 年代。19 8 0 年s a g i v 【报道了十八烷基三氯硅烷在硅片上形成的s a m 。1 9 8 3 年，美国 化学家n u z z o _ 平l ：l a l l a r a 的工作成为自组膜发展史上的里程碑【8 】。他们通过在双硫化合物 的稀溶液中吸附的方法，在金表面制备了致密的硫醇自组膜。从此几种制备s a m 的体 系逐渐成熟和发展起来。在过去的2 0 年中，自组膜的构造与表征无论在研究的深度还 是广度方面均有了跃足的进步，包括了l b 膜、单层膜、多层膜、双层磷脂膜及纳米粒 了膜等。s a m 所具有的明晰微结构，为电化学研究提供了个重要的实验场所，藉此 可以探测在电极表面上分子微结构和宏观电化学响应之间的关系。与用通常方法制备 的化学修饰电极相比，可以认为，s a m 是分子单层膜化学修饰电极发展的最高形式。 它将在提高分析检测的灵敏度和选择性、在控制电活性中心与电极距离、研究长程电 了转移等电分析化学的应用利理论方面发择重要作用。 1 1 2 自组装膜的类型 目前常见的s a m 的类型丰要有电极表面硅烷化形成有机硅烷自组装膜，长链的脂 肪酸自纽装膜等二种。其中，硅烷化是基于其头基一s i c i3 吸收溶液中或固体表面上的 水发牛水解生成硅醇基【_ s i ( o h ) 3 ，同时伴随着横向的s i - - o - - s i 形式的交联。1 9 8 0 年， s a g i v 首先报道了c 1 8 h 3 7 s i c l 3 ( o t s ) 在玻璃片上形成自组装膜【7 o 后来，陆续报道可供 利用的基底丰要包括二氧化硅、氧化铝 1 0 】、石英j 、云母f 1 2 】、和金等。所用单体 多采用氯取代或烷氧基取代的长链有机硅烷分予。 长链的脂肪酸( c n h 2 n + c o o h ) ) 是典型的l b 膜成膜分予，但是它也可以形成自 组装膜，其自组装装机理丰要基于脂肪酸与固体界面的金属氧化物之间的酸碱反应而 进行的，自组装装的推动力来自于羧基阴离子与金属氧化物表面阳离了的成盐过程。 a 1 1 a z a 1 年u n u z z o ”1 研究了正烷基酸在氧化铝表面形成的自组装膜；p e m b e n o n 等对 一 上述化合物在氧化银表面上的组装结构做了考察。 6 物理化学颂： ：研究生论文 图1 1 硫醇分子在金表面的自组装示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd e s c r i p t i o no fs u l f u ro r g a n i cc o m p o u n ds e f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r so na u 硫化物在金属表面形成的自组装膜是目前研究得最广泛、最深入的一类 图1 1 】。 这是因为硫化物类白组膜有一些独特的优点：有序性强，不易聚合，成膜条件控制容 易，基底制备简单等。除硫醇类外还有巯摹毗啶【1 7 1 、硫醚【1 8 1 、双硫化合物【8 1 、苯硫酚、 等可在金属表面形成自组膜。在金电极上，硫醇分予与a u 表面形成( 3 , 3 ) r 3 0 。的 六方晶格。通过原了力显微镜口o i 等表征证实该高度有序排列结构烷摹链并不完全垂直 于金表面，丽是有一定的倾斜角。当自组膜修饰电极放置于溶液中，膜的末端基团与 溶液相再：作用，膜的外部有序性会稍稍降低。适合于含硫化合物形成自组膜的基底材 料丰要是单晶或多晶的金，此外还包括银、汞、铁【2 3 】平u 胶体金微粒“】等。 一般认为硫醇分子在金表面的结合是s h 键断裂并伴随着氢分予的牛成： r s h + a u o 。r s a u o n + 1 2 h 2 对于a u s 的键合强度，一般推h 崂4 0 k c l t o o l t 25 1 。这种强的键合作用导致巯基化合物 在金表面吸附有很好的稳定性。 设计t 合成末端带有功能基团的硫醇分予在表面研究和生物传感器的应用中占有重 要位置。烷基链末端导入的功能团有：- - c h 3 ，- - o h ，- - n h 2 ，- - c o o h ，- - c o o n h 2 等。 s a v i n e i l l 2 6 j ，o h s a k a 2 7 1 等人利用带不同电荷的功能摹团的巯基自组膜，实现了选择 性地检测多巴胺。 另一一方面利用巯基作为桥键分予，使分予自组装膜表面进一步功能化，也是巯基 物理化学硕十研究生论文 自组装膜研究的热点之一。在巯基自主膜上可以进一步连接更多的功能分子，从而有 目的地赋予表面特殊的组成及特性，扩展其研究和应用的范围。l i u 2 8 1 等人利用拉曼光 谱等方法研究了卟啉在巯基吡啶上的定向配位。 1 1 3 自组装膜的表征 自组装膜具有的有序、密集和稳定等自身的特点，有利于用近代物理和化学技术 进行表征。目前大部分的研究多集中在金表面，以硫醇类s a m 体系为代表，可以分为 物理方法和化学方法两大类。物理法包括接触角 2 9 】，椭圆偏振t 3 0 】，x 射线光电予能谱 ( x p s ) 川，石英晶体微天平( q c 旧【3 2 】，红外光谱( i r ) 1 3 3 1 ，表面增强拽曼( s e r s ) ， 扫描隧道显微镜( s t m ) 3 5 ，表面等离子体共振( s p r ) f 3 6 1 ，荧光光谱3 7 3 原子力显微镜 ( a f m ) i 3 8 1 等方法，用以表征表面物质的存在形式、分了结构及键合方式等性质。随 着科学技术的不断发展，一些新技术使电化学方法用于研究单个分子的行为成为可能。 化学法中主要是电化学的循环伏安( c v ) 法 3 9 和交流阻抗( e i s ) 法1 3 2 】和电化学扫描 显微镜( s e c m ) 【4 0 1 等，采用以上方法特别便于检测s a m 的品质，还能给出膜中缺陷 的分布，膜的形成机理和过程动力学，接着基团的氧化还原行为，以及电了转移速枣 与距离关系等f 3 】。 1 2 分子自组装膜在电分析化学中的应用 在过去2 0 年中，分了自组装膜在电分析化学领域显示出巨大的优势，通过对膜的 预先设计和修饰，能获得特殊的性质和功能。目前研究工作主要集中在膜表面的电予 传输、电催化、分j 了识别、离予选择性电极和生物传感器等方面的应用。人们对于非 电活性及电活性体系的自组装单分子膜的结构和性质己有了较为详细的研究与认识， 并积极探索复杂体系的研究和应用。 1 2 1 选择性检测 近年来，应用s a m 技术对金属离子、有机或生物分子进行选择性测定引起了人们的 广泛兴趣。由于s a m 有很高的稳定性，己成功地应用于生物传感器的研制。引入特定基 团或化合物的自组装膜修饰电极对金属离子、特定的有机或牛物分予具有选择性的响 物理化学硕l ：研究生论文 应，可制成离子选择性电极或特定有机物的选择性电极。自组装膜的选择性主要来自 两个方面。首先，当自组装膜不完全致密时，其选择性丰要归因于疏水分予对自组装 膜内烷基链的亲利性。此特性被用于液相色谱的电化学分离检测中性及离子型物质 队4 ”。其次，丰要是来自于静电作用，即在自组装膜的末端离予上，对相反电荷的被 测物种电化学信号增强，而对相同电荷的被测物种被大大抑制4 3 1 。例如，m a n d l e r “】利 用巯基羧酸s a m 修饰的电极对溶液中的多巴胺进行了选择测定，在大量抗坏血酸阴离予 存在下，对多巴胺的检测不受干扰。 1 2 2 电催化 催化是自组装体系的基本性质之一，研究自组装膜修饰电极在电催化方面的应用 具有重要的意义。自组膜在电催化中丰要起两种作用，首先自组膜本身带有的功能基团 对电化学反应有催化作用，o h s a k a 2 7 】，j 、组研究了胱胺对抗坏血酸的电催化作用。其次， 白组膜可以为电催化剂或酶的固定提供了一种灵活的方法，董绍俊 4 5 j d , 组合成并研究 了含紫精慕团硫醇s a m 的电化学行为和对辣根过氧化物酶的生物电催化。 此外，自组膜在检测物的预富集和选择性键、牛物大分了的电化学和牛物传感器 等方面有很广泛地应用。 1 3 本论文的研究意义、主要研究工作 1 3 1 研究意义 由j 二s a m 对界面电了转移、催化、分了识别及构筑第三代牛物传感器的研制具有 开拓性的意义，利用s a m 研究分予的电化学行为、建立新的测定方法将会使它在实际 研究中具有更大的价值，也丰富了化学修饰电极的研究内容。本论文的丰要指导思想 表王见为以下几个方面： ( 1 ) 在以往的研究体系中，长链疏基化合物的s a m 研究的较为广泛和深入。但短 链巯基化合物s a m 的制各、表征及其分析应用的研究报道则较少。在本论文中，我们 选用了链长较短的疏基化合物4 ，4 - - - 巯基毗啶( p y s s p y ) 和2 一氨基乙硫醇，( 2 - a m i n e t h a n e t h o i l ，2 a t ) 作为修饰和来制备s a m ，以期研究感兴趣的短链巯摹s a m 的性质和 物理化学硕i ：研究生论文 用途。同时，通过制各卟啉( 5 ，l o ，1 5 ，2 0 一t e t r a k ( 4 一m e t h o x y p h e n y l ) 一2 1 h ，2 3 h p o r p h i n e c o b a l t ( n ) ，c o t m p p ) p y s s p y 修饰电极，对自组装膜的功能化进行探索。 ( 2 ) 抗坏血酸( a s c o r b i ca c i d ，a a ) 是人体所必须的由外界提供的营养物质，其 含量高低常作为某些疾病诊断及营养分析的重要指标，因此a a 的定量分析在食品、医 药等领域相当重要。目前测定a a 的方法很多，包括药典中的标准方法碘量法、比 色法和紫外分光光度法 4 6 等，有些方法要求的实验条件和操作技术较高，而有些方法步 骤烦琐，不利于快速分析；而电化学分析方法具有分析速度快，操作简便易行，成本低及试 剂用量少，检测灵敏度高等优点，是a a 含量测定的不可缺少的有力予段。然而，在a a 的电化学研究中，由于a a 在玻碳电极或金属电极上的氧化需要较高的氧化电位，因此在 对a a 的检测过程中往往受到其它牛物物质的干扰，降低a a 的氧化电位已成为众多电 化学工作者研究的重点p7 1 。本实验中应用分了白组装技术制备修饰电板来探索利研究 新的测定a a 的电化学方法具有一定的理论意义和实际应用价值。 ( 3 ) 中革药是我国的文明瑰宝。明代李时珍著本草纲目记载了上千种中草药 4 8 1 。近年来出版的中药大辞典 4 9 】、中国本革彩色图鉴 5 0 1 等更收载了近万种来 源于植物、动物和矿物的各类中药。然而，由于中跸药成分复杂，对其牛殚功能、疗 效，以及相关的基础研究带来了很大的冈难，一定程度上影响了其应用领域的扩展。 迄今1 1 7 仅有数百种中草药的活性有效成分被系统详细地予以研究f 5 ”。大量的中草药 原药及复方还有待于应用各类现代仪器分析于段对其进行深入细致的研究。 电化学分析技术作为现代仪器分析手段的重要分支之一，它具有灵敏度高、选择性 好、响应时间短和方法简便等优点【”1 。电化学分析技术在药物分析研究领域也扮演着 十分活跃的角色，尤其在药物有效成分鉴定，微量及痕量元素的检测，药物代谢动力 学研究、临床药理及药效分析和药物与生物细胞的相互作用等领域均有着较广泛的应 用 5 1 6 “。 物理化学硕f ： | ：究生论文 芦t ( r u t i n ) 又名芸香苷、紫槲皮苷，是槲皮素的3 o 芸香糖营，为一来源很广的 黄酮类化合物( 图1 2 ) 。主要存在于豆科植物槐的花蕾( 槐米) 、果实( 槐角) ，芸香科植 物芸香全单，金丝桃科植物红早莲全：荦：及蓼科植物养麦的籽卣中。芦丁及其衍牛物 具有广泛的药理活性，临床上丰要用于防治脑出血、高血压、视网膜出血、紫癜和急 性出血性肾炎，其治疗慢性支气瞥炎总有效率为8 4 1 4 。研究芦丁在具有牛物仿牛 及牛物亲和性短链自组装膜修饰电极上的电化学行为，对认识药物作用机理及其在人 体内代谢过程中的作用具有重要的意义。 图1 2 ；芦丁的结构 f i g 1 2 t h es t r u c t u r eo fr u t i n 目前，芦丁的测定方法丰要是液相色谱法【6 4 】利光谱法【6 m 。f u 高效液相色谱法等存 在色谱杜易污染、价格较高的缺点。由于电化学检测具有设备简单，检测周期短等优 点【6 ”。所以，用电化学方法检测芦丁的研究报道也已见报道【6 6 - 6 8 1 。 然丽，芦丁与a a 共存的体系中不经预分离而同时检测几乎未见报道。这是因为用 紫外光谱法测定时，因a a 与芦丁的特征吸收峰相近而存在瓦相干扰。电化学方法测 定时，也存在芦丁和a a 在常规电极上的氧化电位相近而难以进行，也就是说限制了 电化学方法应用于芦丁和抗坏血酸的同时测定。 本文就是希望通过制备s a m 修饰电极，并探索芦丁和a a 在s a m 电极上的电化学性 物理化学硕 ：研究生论文 质，希望利用芦丁和a a 在修饰电极上的不同的电催化行为，从而达到建立一种同时检 测的电化学测试新方法。这不仅会拓宽s a m 的研究对象，而且也使得s a m 与其它应用 领域如药物和环境分析领域的结合成为可能 1 3 2 主要研究内容 制备p y s s p y a u 电极，c o t m p p p y s s p y a u 和2 a t a u 三种自组装膜修饰电极，采用 电化学、光谱学以及交流阻抗的方法对s a m 修饰电极进行表征，并研究从和芦丁在 s a m 修饰电极上的电化学行为。同时，采用高灵敏度的脉冲伏安法( d i f f e r e n t i a l p u l s ev o l t a m m e t r y ，d p v ) 建立一种用电化学技术测定芦丁的新方法，并对实际药物片 剂进行测定。 本论文的具体工作包括以下几个方面： ( 1 ) p y s s p y a u 、c o t m p p p y s s p y a u 年t 1 2 a t a u 修饰电极的制备和表征。 在a u 电极表面制备了p y s s p y a u 、c o t m p p p y s s p y a u 币i 1 2 a t a u 修饰电极。利用石 英晶体微天平、r a m a n 光谱，循环伏安、交流阻抗等方法考察s a m 电极表面的分予 结构和膜的电化学性质。 ( 2 ) a a 在p y s s p y 、c o t m p p p y s s p y 自组装膜修饰金电极上的电化学行为研究。 应用循环伏安法分别研究a a 在p y s s p y 、c o t m p p p y s s p ys a m 修饰电极上的电 化学行为，并探讨修饰电极对抗坏血酸的催化机理。 ( 3 ) a a * j 芦丁在2 a ts a m 修饰金电极上的电化学行为及其分析应用 应用循环伏安法和微分脉冲伏安法分别研究t a a 和芦丁在2 a ts a m 饰电极上的 电化学行为，探讨a a 和芦丁在2 a t a us a m 上的电化学反应机殚及其分析应用。 1 3 3 本文的创新性 ( 1 ) 利用p y s s p y 作桥键分予，使卟啉分子配位定向修饰在s a m ) 2 ，制备了 c o t m p p p y s s p ys a m 修饰金电极，并将其应用于对a a 的电催化。 ( 2 ) 应用交流阻抗法研究了a t 自组装膜上氨基的质子化，测定了2 一氨基乙硫醇 s a m 的表面离解常数p k a 。 ( 3 ) 利用短链疏基化合物制备s a m 修饰电极，成功地实现了对a a 和芦丁的催化， 物理化学硕士研究生论文 使两者的氧化电位分开，建立了一种可消除a a 干扰的新的芦丁电化学测定方法。该方 法操作简单、快速、选择性好、灵敏度高、准确度好。 物理化学硕：l 研究生论文 第二章p y s s p y 和c o t m p p p y s s p y 修饰金电极的制备 及其对a a 的电催化作用 如前所述，a a 和芦丁常常共存，而a a 在玻碳电极或金属电极上的氧化电位较 高，因而，对于用电化学方法检测牛- 物体系，尤其是本文确定的药物中a a 和芦丁的 同时检测带来了一定的困难。另一方面，o h s a k a 2 s j 等利用s a m 修饰电极获得了能同时 检测a a 和多巴胺的电化学方法，这为本研究工作提供了有益的参考。 巯基s a m 以其独特的性能在化学修饰电极上发挥了很大的作用，在巯基自组装膜 上进一步连接更多样的功能分予，从而可以达到有目的地设计电极表面的组成及特性， 扩展其研究和应用的范围。为此，本研究工作想在利用巯基s a m 的同时组装上卟啉分 了，以便赋予s a m 修饰电极更多的功能。 卟啉是在卟吩环上拥有取代基的一类大环化合物的总称。卟啉分予的母体是由4 个吡咯环和4 个次甲基桥相联的大兀共轭体系，卟吩自由碱的骨架结构如图2 1 所示。 由于四个吡咯环的共轭效应，其性质相对较稳定。在自然界广泛存在的叶绿素、血红 素、维牛素b 等都是金属卟啉化合物。如起氧化传递作用的血红蛋白、电了传递平u 氧 活化作用的细胞色素c 、细胞色素p 4 5 0 及起酶催化作用的过氧化氢酶等都是金属铁 卟啉化台物。研究金属卟啉化合物不仅可以揭示此类化合物的结构与性质之间的关系， 也有助于生命科学的重要生物过程的研究。 图2 1卟吩分子的结构示意图 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo f p o r p h i n 4 物理化学颂： ：研究生论文 巯基卟啉自组装膜以巯基卟啉为自组装分予在基底上形成高度有序的单分了层。 其制备通常有以下两种方法：一是直接合成含有巯基的卟啉分予，然后直接自组装到 电极表面3 9 _ 6 9 , 7 0 。卢小泉等人合成了新型的巯基钴卟啉( m p p t p c o ( i i ) ) ，并采用自组 装技术修饰到电极上，发现其对a a 具有明显的催化作用。这种方法的嗣难在于巯基 卟啉的合成比较困难。另一种方法则是先在电极上自组装一层巯基小分子，然后，通 过金属1 3 h 啉中心离了与自组装小分子之间的轴向配位作用或者非共价键力的作用制得 卟啉电极修饰电极【7 。这种方法步骤比较简单，不用合成复杂的巯基卟啉。巯摹卟啉 自组装膜由于具有自组装膜和金属卟啉各自的特性，在电催化等方面有着广泛的应用 前景。 我们首先制备了p y s s p y 自组装膜修饰电极，再利用p y s s p y 作为桥键分予，制备了 钴卧啉( 5 ，l o ，1 5 ，2 0 一t e t r a k ( 4 一m e t h o x y p h e n y l ) 一2 t h ，2 3 h o o r p h i n ec o b a l t ( r i ) ，c o t m p p ) p y s s p y 修饰电极，并研究了a a 在这两种修饰电极上的电催化氧化。 2 1 p y s s p y 自组装膜和c o t m p p p y s s p y 修饰电极的制备和表征 2 1 1 仪器与试剂 c h l 6 5 0 电化学工作站( 美国c h i 公司) 以及相应的计算机操作软件。 电化学测量采用三电极体系：金圆盘电极( m = 2m m ) 及p y s s p y 修饰的金圆盘电极、 c o t m p p 修饰金电极币l i c o t m p p p y s s p y 修饰电极为工作电极，铂片为辅助电极，饱和 甘汞电极作参比电极，故以下电位均相对于饱和甘汞电极的电位( vw s c e ) 。 钴卟啉( 5 ，l o ，1 5 ，2 0 - t e t r a k ( 4 一m e t h o x y p h e n y l ) 一2 1 h , 2 3 h p o r p h i n ec o b a l t ( h ) ，c o t m p p ) 和4 ，4 联巯基毗啶( p y s s p y ) 购自美! 虱a l d r i c h 公司，其余试剂皆为国产分析纯；水为 超纯水( 1 8 m f j ，上海美雷公司超纯水器) 。实验中通氮气除氧，并在氮气氛保护下进 行测试。 拇曼光谱测试采用法国d i l o r 公司的s u p e rl a b r a m 1 1 型共焦显微激光拉曼仪。实 际测试时采用5 0 倍长距离物镜聚焦采样，1 8 0 0 9 m m 全息光栅提供2 c m o 的光谱分辨 率。采用液氮冷却型1 0 2 4 x8 0 0 像素c c d 检测器进行信号的收集与检测。光栅前置 物理化学坝l 研究生论文 狭缝为1 0 0p m ，针孔光阑孔径为1 0 0 岬。以6 3 2 8n mh e _ n e 激光器为激发光源，在 室温( 约2 5 0 c ) 条件下采谱。到达电极表面的激光功率约为8 r o w 。 s e r s 光谱测试中所用的金电极( 9 9 9 9 ) 采用电化学氧化还原循环( o r c ) 进行粗 糙化处理。s e r s 光谱测试在自制的以聚四氟乙烯为材料的光谱电化学原位池中进行。 2 1 2 修饰电极的制备 p y s s p y 修饰金电极的制备如下： 金圆盘电极先在金相砂纸上打磨，再依次在麂皮上用o 3 、0 0 5p m a l 2 0 3 粉抛光。 然后，用水超声清洗数分钟后取出，再用水淋洗后置于o 5 m o l lh 2 s o 。溶液中在一0 2 1 5v 的电位范围内进行循环伏安扫描( 1 0 v s 的扫速下，约1 0m l n 左右) 。在室温下， 将处理好的电极最于5 0m m o l lp y s s p y 乙醇溶液中进行自组装，6h 后取出、用水超 声清洗5 m i n 后备用。 c o t m p p 修饰金电极的制各： 将处理好的金电极在o 1m m o l l 的c o t m p p 二氯甲烷溶液中浸渍2r a i n ，然后， 用大量的二氯甲烷冲洗、再置于二氯甲烷溶液中超声3 m i n 后备用。 c o t m p p p y s s p y 修饰金电极的制各： 将制备好的巯基自组装膜修饰电极，浸入0 i m m o l l 的c o t m p p 二氯甲烷溶液中， 采用c v 方法，连续扫描几圈，然后将c o t m p pd e 位修饰白组装膜电极，用大量的二 氯甲烷冲洗，然后再将其在二氯甲烷溶液中超声3 分钟，备用。 2 1 3 修饰电极的表征 2 1 3 1 循环伏安对s a m 组装量的评价 利用循环伏安测得的c v 衄线上可以定性判别是否发牛分子的吸附，从还原电流峰 的面积还可以估算单分予层的吸附量。图2 2 是本实验制备的p y s s p y 单分予膜修饰金电 极在n a o h 溶液中测得的循环伏安图。可以清晰地看到，在0 7v 和0 1 lv 处出现二个 还原电流峰，可分别归属于电极表面不同晶面上组装的p y s s p y 的还原脱附峰阮7 。 物理化学硕l j 研究生论文 e m v v 8s o e 图2 2p y s s p y 修饰的金电极在氢氧化钠中的还原脱附图 f i g 2 2 c vo f t h er e d u c t i v ed e s o r p t i o no f p y s s p yi no 5m 0 1 ln a o h s c a nr a t e ：1 0 0m v s r - s - a u + e 2 a u + r - s p y s s p y 在电极表面的吸附量( r ) 可从下式进行估算 7 s 1 ： f = q n f a 式中，q 为电量，n 为电极反应的电子转移数，f 为法拉第常数，a 为电极的面积。 根据图2 ，2 估算的结果，本实验条件下组装的p y s s p y 为6 5 8 ( + 1 0 ) x 1 0 ”m o l c m 2 ， 这与文献报道的结果基本一致。 2 1 3 2r a m a n 光谱的表征 挣曼光谱是一种散射光谱，它是1 9 2 8 年印度物理学家c v r a m a n 发现的。挣曼 光谱作为一种物质结构的分析测试手段而被广泛应用，尤其是6 0 年代以后，激光光源的 引入、微弱信号检测技术的提高和计算机的应用，使拉曼光谱分析在许多应用领域取得 很大的发展。目前，拉曼光谱已j 泛应用于材料、化工、石油、高分子、生物、环保、 地质等领域。 物理化学硕t ：研究生论文 表面增强拧曼散射( s e r s ) 效应是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中， 吸附分了的拉曼散射信号比普通拉曼散射( n r s ) 信号大大增强的现象。表面增强掎曼 克服了挣曼光谱灵敏度低的缺点，可以获得常规拉曼光谱所不易得到的结构信息。因 而，已被广泛用于表面研究、吸附界面表面状态研究、生物大小分了的界面取向及构 型、构象研究、结构分析等，通过获得的谱峰可有效地分析分了在界面的吸附取向、 吸附态的变化、提供界面信息等【7 ”。可见，表面增强拉曼光谱是研究分子特性和金属 表面定向吸附分j 了的一种非常有用的工具。 图2 _ 3 是p y s s p y 在金电极上的自组装膜的表面增强拉曼光谱图。1 0 0 4 c m 。的峰归 属于吡啶环的呼吸振动：1