（分析化学专业论文）基于六氰合铁酸盐的化学与生物传感器研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 本论文的土要研究l 。作是研制基r f 鲁十监及其类似物的化学与生物传感器。重点是 在化学修饰电极的研制中引入纳米技术，利川电极表面修饰的纳米粒子，提高电极电催化 效率、电极利酶之间的电子交换速率。制作纳米增强型普鲁士监及其类似物修饰电极在 此基础上构造化学与生物传感器。采 = 循环伏安技术、线性扫描技术、计时电流法、傅立 时变换红外光谱法、扫描电子显微镜技术对f 刮定的修饰剂进行了性能表征。 制各了表面容易更新的普鲁士蓝掺杂i 甜沐右蜡碳糊电极，研究了该电极对过氧化氢的 电催化还原及对水台肼的电催化氧化特性。电极对过氧化氢和水合肼的检测线性范围分别 为6 4 x 1 0 4 2 2 x 1 0 4 m o l l 和1 2 x 1 0 。6 3 o x l 0 。m o l l 。该电极稳定性高于以电化学法制备 p b 敏感膜为基础构造的化学修饰电极。 采用溶胶凝胶法制各了含有纳米普鲁十监颗粒的二氧化钛溶胶一凝胶。得到的溶胶- 凝 胶适合制作印刷型化学修饰电极。制备了纳米普鲁士蓝修饰电极与一次性葡萄糖传感器。 纳米普鲁士蓝修饰电极对h 2 0 2 的电还原催化性能较常规普鲁士蓝修饰电极显著提高。电极 上固载的酶保持了原有的活性，葡萄糖传感器可在低还原电位( 0 0 5 v ) 下检测人血清中葡 萄糖含量。对葡萄糖标准样品检测的线性范围为o 5 2 4 m m o l l ，表观米氏常数蠕= 8 0 4 m m o l l 。该传感器的重现性、稳定性好。论文所研究的溶胶凝胶法可望用于批量制作 高灵敏度一次性化学和生物传感器。 以自制印刷碳电极为基底电极，溶胶凝胶法制备了六氰台铁酸铜( c u h c f ) 与六氰合 铁酸镍( n i h c f ) 修饰电极。c u h c f 修饰电极用于过氧化氢的测定，线性范围1 0 x 1 矿 1 5 1 0 4 m o l l 。n i h c f 化学修饰电极伏安法检测多巴胺，线性范围5 1 0 4 1 8 x 1 0 4 m o l l ， 安培法检测多巴胺，线性范围2 o x l 0 1 0 1 0 m o l l 。其中伏安法检测多巴胺。峰电位低， 选择性好。 关键词：六氰合铁酸盐，普鲁十蓝，溶胶一凝胶，化学修饰电极，葡萄糖生物传感器 多巴胺，水合肼，纳米材料 i i i 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ep r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fc h e m i c a la n d b i o l o g i cs e n s o r sb a s e do np r u s s i a nb l u e ( p b ) a n dp ba n a l o g u ec h e m i c a l l ym o d i f i e d e l e c t r o d e s ( c m e s ) i t w a s e m p h a s i s i nt h i st h e s i st h a t p r e p a r a t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o no f s o l g e l d e r i v e d p b n 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 s n a n o t e c h n o l o g yo f f e rt h ep o s s i b i l i t yo ft h es t r o n g l ys u p p o r tt oi m m o b i l i z ee n z y m e s n a n o p a r t i c l e sc a ni m p r o v ec a t a l y t i ce f f i c i e n c ya n da l t e rt of a c i l i t a t et h ed i r e c tc h a r g e t r a n s f e rb e t w e e ne n z y m ea n dt h ee l e c t r o d e w ec o n s t r u c t e dt h eg l u c o s eb i o s e n s o r e n h a n c e db y n a n o p a r t i c l e s c h a r a c t e r i z e d t h e s e n s i t i v em a t e r i a l sm o d i f i e do n e l e c t r o d e sb yc y c l i cv o l t a m m e t r yt e c h n o l o g y ，l i n e a rs w e e pv o l t a m m e t r yt e c h n o l o g y ， c h r o n o a r n p e r o m e t r y ，f ti n f r a r e ds p e c t r o m e t e ra n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e f a b r i c a t e dp bm o d i f i e ds o l i dp a r a f f i nc a r b o np a s t ee l e c t r o d e so nw h i c hs u r f a c e w e r er e f r e s h e de a s i l y w er e s e a r c h e dt h e e l e t r o c a t a l y t i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h e h y d r o g e np e r o x i d er e d u c t i o na n dt h eh y d r o g e nh 3 7 d r a t eo x i d a t i o no nt h ep bc m e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep e a kh e i g h ta n dt h ec o n c e n t r a t i o no f h y d r o g e np e r o x i d e a n dh y d r o g e nh y d r a t ew a sl i n e a rf r o m6 4 1 0 - 6 2 2 1 0 - 4 m o l la n d1 2 1 0 - 6 3 o x l 0 4 m o l lr e s p e c t i v e l y t h es t a b i l i t yo f t h i st y p eo f e l e c t r o d ew a sb e t t e rt h a nt h e e l e c t r o d eo nw h i c hm o d i f i e dr e g e n tw a sp r e p a r e db yc h e m i c a lm e t h o d s w eh a v ec o m b i n e dt h es o l g e lt e c h n o l o g ya n dp r i n t i n gm e t h o d st of a b r i c a t ep b n a n o p a r t i c l e s - c o n t a i n i n gt h i c k - f i l mm o d i f i e de l e c t r o d e sa n dt h ed e r i v e dd i s p o s a b l e g l u c o s ee n z y m a t i ce l e c t r o d e s t h ee n c a p s u l a t e dg l u c o s eo x i d a s ei sr e a d i l ya c c e s s i b l e t or e t a i ni t sc a t a l y s i sp r o p e r t i e s ，a n dt h a tt h eb i o s e n s o ro f f e r sf a c i l ed e t e c t i o no ft h e h y d r o g e np e r o x i d ep r o d u c t t h es e n s i t i v i t yo ft h i se l e c t r o d e ( w i t hal i n e a rr a n g eo f r e s p o n s et oh 2 0 2o f0 5 4 0 0l a m o l l ) w a sh i g h e rt h a nn o r m a lp r u s s i a nb l u ep a r t i c l e s m o d i f i e de l e c t r o d e ( 1 i n e a r r a n g e o l 2 5 5 0 0 p m o l l ) g l u c o s e s e n s o r sw e r e c o n s t r u c t e d b y g l u c o s eo x i d a s e( g o d ) i m m o b i l i z e do nt h ee l e c t r o d e s t h e r e s u l t i n gb i o g e n s o r ss h o w e da m p e r o m e t r i cr e s p o n s e st og l u c o s ew i t hal i n e a rr a n g eo f 0 5 - 2 4m m o l l t h ea p p a r e n tm i c h a e l i s m e n t e nc o n s t a n t w a s4 0 2 m m o l l t h e s o l g e lt e c h n o l o g yr e f e r r e di nt h i sp a p e rw a sp o t e n t i a lt op r o d u c eh i g hs e n s i t i v i t y i v 桂林工学院硕士学位论文 c h e m i c a la n d b ! o l o g i cs e n s o r s i nb a t c h p r e p a r e d c o p p e rh e x a c y a n o f e r r a t e s ( c u h c f ) c m e sa n dn i c k e l h e x a c y a n o f e r r a t e s f n i h c f ) c m e sb ys o l g e lm e t h o db a s e do nt h eh o m e m a d ep r i n t i n g c a r b o np o w d e rm i c r o e l e c t r o d e sal i n e a rr a n g eo fr e s p o n s et oh 2 0 2o nc u h c fc m e s w a s1 0 x 1 0 6 1 5 1 0 m o l l d o p a m i n ec a nb ed e t e r m i n e di nt h ec o n c e n t r a t i o n r a n g eo f5 x 1 0 6 1 8 x l o 。4m o l lb yc y c l i cv o l t a m m e t r yo r2 0 1 0 6 1 o x l o 。2 m o l l b ya m p e r o m e t r yo nn i h c fc m e s ，i tw a sa d v a n t a g et h a td e t e r m i n e dd o p a m i n eb y c y c l i cv o l t a m m e t r yb e c a u s eo fi t sl o wp e a kp o t e n t i a la n dr e s u l t i n gh i g hs e l e c t i v i t y k e y w o r d s ：m e t a lh e x a c y a n o f e r r a t e s ，p r u s s i a nb l u e ，s o l g e l ，c h e m i c a l l ym o d i f i e d e l e c t r o d e ，g l u c o s eb i o s e n s o r ，d o p a m i n e ，h y d r o g e nh y d r a t e ，n a n o p a r t i c l e s v 桂林工学院硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。、 签名都磁日 期 如? 一b 、l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林工学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 签 l i 期：堕丫 沙雄 礁 桂林工学院硕士学位论文 第一章绪论 在论文的升篇，对本论文工作涉及的些基本概念与背景知识作解释说明 并对所研究领域的历史与现状以及未来的某些发展趋势作扼要阐述。 1 1 六氰合铁酸盐修饰电极与生物传感器 1 11 普鲁士蓝与六氰台铁酸盐简介 从17 0 4 年德国柏林人d i e s b a c h 发现普鲁士蓝( p r u s s i a nb l u e ，p b ) 开始至 今，过渡金属氰化物化学已经有了整整3 0 0 年的发展历史。科技文献中报道最 早的多核络合物就是普鲁士蓝，当时发现f e ( c n ) 6 4 。与f e ”反应可以得到一种蓝 色物质。随后人们合成了许多具有不同特性的络合物，大大推动了科技的发展 普鲁士蓝由于其独特的颜色与光稳定性而成为一种重要的染料，长期以来被用 于工业生产涂料，烘烤搪瓷，印刷油墨着色剂和洗涤添加剂等。后来有人对普 鲁士蓝作了光谱研究【1 _ 3 l ，揭示了这种六氰合铁酸铁( 盐) 的光谱学特征。普鲁 上蓝和其类似物六氰合铁酸盐( m e t a lh e x a c y a n o f e r r a t e s ，m h c f ) 的化学键结构也 被明确的诠释【4 l 。普鲁士蓝作为一种典型的六氰合铁酸盐，以其为例说明普鲁士 蓝及其类似物的结构。普鲁士蓝分子基本结构为由亚铁与铁离子交错占据立方 品格位点的三维网络( 图1 1 ) ，在晶格结构中，点阵上的金属可以是不同类的， 因而普鲁士蓝有多种多样的类似物。普鲁士蓝晶格上f e ( i i ) 和氰根离子中的碳原 子联结，氰根离子中氮原子的末端则与f e ( i i i ) 联结。立方单位晶胞为1 0 2a 。 m o s s b a u e r 谱和红外光谱研究确证了在这种结构中，f e ( i i ) 呈低自旋、f e ( 1 1 1 ) 呈 高自旋的电予状态。残余负电荷则由钾、钠、铵根等或亚铁离子平衡。含钾、 钠、铵根的普鲁士蓝被称为“可溶性”普鲁士蓝，六氰合铁酸铁则被称为“不 百】溶性”普鲁士蓝。其实两种普鲁士蓝的溶解度都非常小( k m o 4 0 ) ，“可溶性” 普鲁j 一蓝的说法源于染料制造者与销售者的商业推销技巧，他们假设在过量钾 离f 存在下会形成可胶溶的化合物。普鲁士蓝的立方晶体内的一些缺陷、中间 位点、，八有可能被带相反电荷的离子或电中性分子所插入或占据。这种丌放 桂林工学院硕士学位论文 第一章绪论 d ： 仑文的玎篇，对本论文工作涉及的些基本概念与背景知识作解释说明 井对所研究领域的历史与现状以及未束的某些发展趋势作扼要阐娑 11 六氰合铁酸盐修饰电极与生物传感器 1 11 普鲁士蓝与六氰合铁酸盐简介 从1 7 0 4 年德国柏林人d i e s b a c h 发现普鲁士蓝( p r u s s i a n b l u e ，p b ) 开始至 今，过渡金属氰化物化学已经有了整整3 0 0 年的发展历史。科技文献中报道最 早的多核络台物就是普鲁士蓝，当时发现f e ( c n ) 6 4 与f e ”反应可以得到一种蓝 色物质。随后人们合成了许多具有不同特性的络合物，大大推动了科技的发展。 普鲁士蓝由于其独特的颜色与光稳定性而成为一种重要的染料，长期以来被用 于丁q k 生产涂利，烘烤搪瓷，印刷油墨着色剂和洗涤添加剂等。后来有人对普 鲁士蓝作了光谱研究【l 。3 j ，揭示了这种六氰合铁酸铁( 盐) 的光谱学特征。普鲁 上蓝和奠类似物六氰合铁酸盐( m e t a li - i e x a c y a n o f e r r a t e s ，m h c f 、的化学键结构也 被明确的诠释”j 。普鲁士蓝作为一种典型的六氰台铁酸盐，以其为例说明普鲁士 蓝及其类似物的结构。普鲁士蓝分子基本结构为由亚铁与铁离子交错占据立方 品格位点的三维网络( 图1 1 ) ，在晶格结构中，点阵上的金属可以是不同类的 闲而普鲁l 蓝有多种多样的类似物。普鲁士蓝晶格上f e ( i i ) 和氰根离子中的碳原 子联结，氰根离子中氮原子的末端则与f e ( i i i ) 联结。立方单位晶胞为1 0 2a 。 m o s s b a u e r 谱和红外光谱研究确证了在这种结构中，f e ( 1 i ) 呈低自旋、f e ( 1 1 1 ) 呈 高白旋的电子状态。残余负电荷则由钾、钠、铵根等或亚铁离子平衡。含钾、 钠、铵根的普鲁士蓝被称为“可溶性”普鲁蓝，六氰台铁酸铁则被称为“不 司溶眭”普鲁士蕊。其实两种普鲁士蓝的溶解度都非常小( k = 1 0 。4 0 ) ，“可溶性” 普鲁上篮的况法源于染料制造者与销售者的商业推销技巧，他们假设在过量钾 离子仔在下会形成u j 胶溶的化台物。普鲁士蓝的立方品体内的些缺陷、中问 位点、守穴有可能被带相反电荷的离子或电中性分了所插入或占据。这种丌放 付点、卒穴自可能被带相反电荷的离子或f 包中性分子所插入或占据。这种丌放 桂林工学院硕士学位论文 结构使普鲁士蓝分子能够容纳某些金属离子、水分子或其他一些电中性分子。 舣认为p b 膜巾含有共沉积或吸留的离子、不确定量的水、水解的亚铁氰根以 及结构无序的复杂化合物。 普鲁士蓝被发现以后，人们研究了普鲁士蓝的结构与化学特性。普鲁士蓝 可以作为不可浴混合价态金属络合物的原型来对待。普鲁士蓝在六氰合铁酸豁 的研究中有代表性。1 9 7 8 年n e 一4 】将普鲁士蓝修饰到电极上，从此将普鲁士蓝 及其类似六氰合铁酸赫带入了一个新的研究领域。随后出现了一些有关普鲁士 监及其类似六氰合铁酸盐的电化学与光电化学特性的报道。i t a y a 等人于1 9 8 6 年 发表了普鲁士蓝在电化学领域的综述文章【5 j 。 j l o w s p i nf e ( 1 1 i o n s h i g h - s p i nf e ( z z i ) i o n s 图1 1 普鲁士蓝的晶体结构 f i g 1 1c u b i cs tr u c t u r eo fp b 普鲁士蓝薄膜具有良好的化学稳定性、电一光电特性、电催化特性以及具有 制备方便、成本低廉的优点，引起了人们的关注。普鲁士蓝被用于制造化学传 感器、电色显示装置、燃料电池、固态充电电池、信号增强设备等。六氰合铁 酸盐在很多方面有重大应用价值，包括电显色、电荷存储、离子交换选择、电 子媒介、催化电化学反应等。 2 桂林工学院硕士学位论文 11 2 化学修饰电极与生物传感器的基本概念与作用 根据1 9 8 9 年i u p a c 的电分析化学委员会提出的命名与定义建议，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 ) 的定义如下： 化学修饰电极：是由导体或半导体制作的电极，在电极表面涂敷了单分子 的、多分子的、离子的或聚合物薄膜的化学物薄膜，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、电化学、光学等性质。 化学修饰电极构成了一种近代的电极体系，在以下几个方面有用：1 可用 于广谱性的基础电化学研究，它包括了非均相电子传递与电极表面的化学活性 以及与电极表面静电现象之间的关系，也包括非均相电子传递与电子和离子在 聚合物膜中的传输关系。2 可用于化学敏感、能量转换和存储分子器件、电显色 以及电化学有机合成方面的电化学器件和体系的设计。 与电化学中其他电极的概念相比，化学修饰电极最突出的特性是，在电极 表面接着或涂敷了具有选择性化学基团的一层薄膜( 从单分子到几个微米) 。它 是按照人们意图设计的，并赋予了电极某种预定的性质，如化学的、电化学的、 光学的和传输性等。 从本质上看，化学修饰电极在提高选择性和灵敏度方面具有独特的优越性。 化学修饰电极表面上的微结构可提供多种能利用的势场，使待测物能进行有效 的分离富集，借助控制电极电位又能进一步提高选择性，而且还能把测定方法 ( 如脉冲伏安、溶出伏安法等) 的灵敏性利修饰剂化学反应的选择性相结合， 可以认为化学修饰电极是把分离、富集和选择性测定三者合而为一的理想体系。 在分析测定方面，化学修饰电极可利用电催化反应以提高测定的选择性和 灵敏性；可利用离子交换表面配合反应进行富集分离：可利用修饰膜的渗透选 择性，起到“分子筛”作用而进行分离；可利用媒介作用，加速氧化还原蛋白 质在电极表面的电子传递过程；可利用专一结合作用，将抗原，抗体专一结合反 应与化学放大作用相结合，设计新型电化学生物传感器。 化学修饰电极是当前电化学、电分析化学方面十分活跃的研究领域，突破 了传统电化学中只限于研究裸电极电解液界面的范畴，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，以便在其上有选择的进行所期望的反应，在分子水平上实现了电极 桂林工学院硕士学位论文 上j 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r 【l 极过程动力学理论的发展是一种新的推动，同时它显示出的催化、光电、 电娃色、表丽配合、富集与分离、开关与整流、立体有机合成、分子识别、掺 杂和释放等效应和功能，使整个化学领域的发展显示出诱人的前景。化学修饰 电极为化学和相关边缘学科丌拓了一个崭新和充满希望的广阔研究领域。 在分析化学中应用化学修饰电极的前途是广阔的，无论在无机物、有机物 和生物以及其他活性物质的测定、价态分析和用于流动体系等诸方面将发挥越 来越大的作用。 生物传感器( 1 9 8 9 年i u p a c 的电分析化学委员推荐定义) ：或称生物分析 传感器，是化学修饰电极或离子选择电极的一种特殊形式。它在电极表面接着 生物物质( 如酶、抗原抗体、l b 、脂质体、植物或动物的组织等) ，它的功能 犹如一化学受体。 一个完整的生物传感器是指能够持续和可逆的感受生物量的传感装置，它 既可以进行分子识别，还可以被视为信息采集和处理链中的一个逻辑元件。它 主要是由接受器、换能器和电子线路三部分组成。本论文所提到的生物传感器 概念是按照1 9 8 9 年i u p a c 的电分析化学委员推荐使用的定义衍生得到，不包括 非化学研究范畴的电子线路部分。 1 2 基于六氰合铁酸盐修饰电极的化学与生物传感器研究现状 1 2 1 普鲁士蓝化学传感器敏感膜的制备 不论是电化学型还是光学型的传感器，传感器表面敏感膜的制各都是制作 化学传感器的关键。对于p b 化学传感器，可用化学法、电化学法来制备p b 敏 感膜。 化学法先由化学方法合成p b 粉末，再用适当的方法将p b 粉末固定在传感 器的表面。常用的固定方法有碳糊法f 7 _ “j 、溶胶一凝胶法【1 2 , 1 3 1 、丝网印刷法 1 a , l $ 1 等。如h a l l o r a n 等人i7 j 将k 3 f e ( c n ) 6 1 水溶液与f e c l 3 溶液混合，加入丙酮使其结 舳。用真空抽滤分离出蓝色晶体，再在1 5 0o c 干燥、活化1 0 小时。得到的粉末 可通过碳糊电极法固定在导电基底上。w a n g 等 i o l 把石墨粉混在f e ( c n ) 6 】3 溶液 小，然后加入f e c l 3 ，在石墨粉表面生成p b 。此p b 覆盖的石墨粉与甲基三氧基 4 桂林工学院硕士学位论文 硅烷衍g i 的凝胶混合，便制成了碳糊p b 修饰电极。此外，还可将石墨i u 极= i ： ； p b 粉术上进行研糜，由于石墨电极的表面存存许多孔隙，通过机械研腑法一l 使 p b 的粉未固定在电极表面1 1 6 1 。 电化学法在制备p b 修饰电极中被广泛使用，一般以循环伏安法i ”1 、阳u j 流法i 】引、恒电位法将p b 电沉积于电极表面。 p b 导电基底上的电化学沉积通常采用f e 3 + 和【f e ( c n ) 6 3 _ 的混合溶液在还原 电位下制各。i t a y a 等人用相同浓度f e 3 + g l f e c c n ) 6 】3 - 的混合溶液作计时库仑法研 究，得到的曲线上分别在o 7 v 和o 4 v ( v s s c e ) 出现两个平台。这两个平台分 别对应着f e f e ( c n ) 6 和f e ”的还原。在o 7 v 时f e f e ( c n ) 6 】还原生成p b ，在o 4 v 时，f e 3 + 还原为f e “，而后生成了普鲁士白。p b 也可以在开路下沉积1 1 9 1 ，其反 应机理可能为f e f e ( c n ) 6 1 氧化导电基底后，得到一个电子生成p b 。在电沉积 p b 膜的同时，若要将其它物质同时掺杂，则经常采用p b 与聚吡咯、聚苯胺等 生成复合聚合物的电沉积法 2 0 - 2 2 1 。 用于光学检测的敏感膜需要沉积在透明的支持物上，文献 2 3 在o 1 m o l l k 3 f e ( c n ) 6 和1 0 m o l l 的盐酸溶液中加入聚乙烯一苯甲酸，将聚酯薄片洁净透明 一面用硅胶保护，浸入混合溶液中，在紫外灯的照射下沉积一天。取出后分别 用1 m o l l 盐酸、0 1 m o l l 磷酸盐缓冲液、蒸馏水清洗。 一般情况下，电沉积法得到的p b 膜的电催化活性比化学合成法的要高，但 耐碱性、稳定性等性能比化学合成法的要差，并且催化性能还受电沉积条件影 响，电极表面受到污染时往往需要重新电解 i 引。所以，实际应用中两种方法要 综合考虑。 12 2 普鲁士蓝在化学修饰电极中的应用 1 2 2 1 在电分析化学中的应用 m u r r a y 等人于1 9 7 5 年提出化学修饰电极( c m e ) 这一概念后，多种无机聚 合物被用于化学修饰电极的研究。其中多核过渡会属氰化物足很重要的一类， p b 是多核过渡金属中的重要员。p b 修饰电极在分析化学尤其化学传感器中的 研究作得较多，不少研究成果已应用于实际样品的分析检测。按照所检测的对 象和机理，p 1 3 修饰电极在电化学分析中的应用可以分为以下4 类： 桂林工学院硕士学位论文 ( 1 ) 用作非电活性阳离子的检测 p b 侄氧化还原过程巾会伴宵阳离了m + 进出品格以维持p b 膜的电荷平衡： f e a ( + 3 ) f e ( c n ) 6 ( 4 - ) 3 + 4 m + + 4 e hm 4 f e ：i ( + 2 【f e ( c n ) 6 ( 4 - ) j 3 利用浚性质可制成电位型和电流型传感器，文献 2 4 】在o 2 3 8 v 下沉税p b 膜，得到的斜率5 1 5 7 m v ，n a + 不产牛干扰。k a h l e r t 等【2 5 l 研究了用p b 修饰电 极检测t i + 的情况。文献 2 6 】报道了k + 和c s + 的检测，其检测范围为1 0 x 1 0 1 m o l l 。还有可用于多种阳离子检测的传感器【2 7 _ 29 1 ，可应用于k + 、n a + 、r b + 、 l i + 、c s + 、n h 4 + ，其中选择性l i + n r k + r b + 寸 f i g5 5 0 00 5 1015 2 0 。i g 图5 4 不同k + 离子浓度的伏安图图5 ，5 ( - l ga 0 一e p 图 f ig 5 4v o l ta m m o g r a m sf o rc u h c fm o d i f ie de l e c tr o d ei nk c is o l u t i o nw i t h d i f f e r e n tc o n t e n tr a t i o n s ：( a ) 0 0 2 m 0 1 l ；( b ) 0 0 5 m o l l ；( c ) 0 10 m o l l ；( d ) 0 2 0 m o l l ； ( e ) 0 50 m 0 1 l ；( f ) 1 0 m 0 1 l ；( g ) 2 0 m o l l 5 3 1 2c u h c f 过氧化氢电极的研究 c u h c f 修饰电极对过氧化氢的氧化有显著的电催化作用( 图5 6 ) ，与过氧化 氢在自制裸基底电极上的响应对比，电流强度提高了1 0 0 倍以上。体系中过氧 化氢浓度在1 0 x 1 0 一1 5 x 1 0 。4 m o l l 范围内时，o 9 v 处响应电流与过氧化氢浓 度有良好线性天系，如图5 7 。线性回归方程为：i ( “a ) 一o6 4 4 7 + 0 1 1 6 1 c ( 1 0 。6 m o l l ) 5 】 v 9 6 l j ) c o j j ) u 桂林工学院硕士学位论文 相关系数r - - 0 9 9 5 2 。 0 40 50 60 7 0 8 0 9 p o t e n t i a i n 1 8 1 5 矗1 2 主9 专6 七 8 3 0 图5 6c u h c f 修饰电极对h 2 0 ，的电催化氧化 f i g 5 6e l e c t r o c a t a l y s eo x i d a t i o n o fh 2 0 7o i lc u h c fc m e 5 3 2 六氰合铁酸镍化学修饰电极的研究 03 06 09 01 2 0 1 5 0 q ( 1 e - 6 m o l l ) 图5 7h 2 0 ：标准曲线 f i g 5 一c s l i b r s t i o nc u t v o o fd e t e c t i n gh 2 0 l 0 o0 2o 40 60 8 p o t e n t i a i ，v 图5 8n i h c f 修饰电极的循环伏安图 f i g 5 8c y c l i cv o l t a m m o g r a m so fn i h c f n i h c f 修饰电极作循环伏安实验，底液为含0 2 m o l l k c i 的p b s 缓冲溶液， 扫描速率为5 0 m v s 。还原峰峰电位6 3 8 v ，约0 6 v 有一氧化峰，还原峰与氧化 5 2 4 2 0 2 4 6 6 s c ! j n o 桂林工! 院硕士学位论文 峰电流比值远大于l ，电极反应为半可逆氧化还原反应。不同扫速下的循环伏安 图见图5 ，8 ，从最内圈曲线到最外圈曲线的扫描速率依次为1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、 6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 m v s 。 图5 9 显示的足n i h c f 修饰电极对多巴胺的电催化效果。其中曲线a 为 n i h c f 修饰电极在含0 2 m o l l 氯化钾p b s 电解质溶液( 空白) 中的循环伏安图， 曲线b k 分别出n i h c f 修饰电极在5 1 8 0 9 m o l l 多巴胺溶液中循环扫描得 到。 k a o 00 2o 4o6o8 p o t e n t i a l ，v 图5 9 多巴胺在n i h c f 修饰电极上的响应 f i g 5 ，9r e s p o n s eo fd o p a m i n eo nn i h c fc m e v o l t a m m o g r a m sf o rn i h c fm o d i f l e de l e c tr o d ei nd o p a m i n es o l u t i o nw l t hd i f f e r e n t c o n c e n tr a t i o i l s ：( a ) b l a n k ( p b sc o n t a i n i n g0 2 m e l lk c i ) ；( b ) 5 ；( c ) 20 ；( d ) 40 ；( e ) 60 ； ( f ) 8 0 ；( g ) 10 0 ；( h ) 1 2 0 ；( i ) 1 4 0 ；( j ) 160 ；f k ) 18o g m o l 几d o p a m i n e 从图5 9 中可以看到：n i h c f 修饰电极对多巴胺氧化起到了电催化作用， 阳极化扫描时，自大约0 4 5 v 起，含多巴胺溶液产生显著的氧化电流。0 5 到0 8 v 范围内电压均可以作为安培法检测多巴胺的工作电压。安培法测定多巴胺，极 化电压选择0 7 v ，结果如图5 1 0 。线性范围2 0 1 0 南1 o 1 0 m o l l 。 柱林工学院硕士学位论文 01 0 02 0 0 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 t ，s e c 图5 1 0 检测多巴胺的计时安培曲线 f i g 5 10c h r o n o a m p e r o m tr i cc u r v e so fd e t e c t i n gd o p a m i n e 我们发现实验所制n i h c f 修饰电极不仅可以电催化氧化多巴胺，而且在阳 极化扫描时，大约o 2 6 v 处出现一新的还原峰( 图5 9 ) ，推测是由于多巴胺的氧 化产物被电催化还原所致，这一现象在己发表文献中鲜见报道。利用电催化氧 化来榆测多巴胺，由于所施加极化电压高，在实际操作( 如活体现场检测) 中， 样品中可能存在的易氧化物质会产生干扰。因此，利用电催化还原作用在低电 位下测定多巴胺有很大的价值。 04 08 0 1 2 01 6 02 0 0 c a 一。( 1 e 一6 m o l t l ) 图5 1 1 伏安法检测多巴胺工作曲线 f ig 5 1 1c a l i b r a t io nc u r v eo fd e t e c t i n gd o p a m i n eb yv o l t a m m e tr y 伏安法测定约o 2 6 v 处峰电流增鼍( 图5 1 1 ) ，工作曲线的线性范围为 、 1 ad ) 女【jcjo 键林工学院颁一i 二，学位。j 文 5 1 0 一1 8 1 0 m o l i ，。线十牛回归方程：i ( 1 0 。a ) = 0 0 4 8 7 c ( 1 0 t o o l l ) o 1 9 6 9 ， = 09 9 7 8 。 a d d e d00 6 m m o i l la s c o r b i ca c i d ，一一一一j 一一一一 7 i a d d e do 0 5 m m o l ld o p a m i n e | a d d e do3 m m o l lu r i ca c i d f2 e 7 a 02 04 06 08 01 0 0 1 2 01 4 0 t s e c 图5 12 抗坏血酸与尿酸对安培法测定罗巴胺的影响 f i 9 5 12e f f e c to fa s c o r b i ca c i da n du r i ca c i do nd e t e r m l n a t i o no fd o p a m i n eb y a m p e r o m e t r y 研究尿酸和抗坏血酸对n i h c f 修饰电极测定多巴胺的干扰程度，结果显示， 对于安培法测定多巴胺，如图5 1 2 所示，在0 0 5 m m o l l 多巴胺溶液中，0 3 m m o l i 尿酸使电极响应增大了1 2 4 9 6 ，0 0 6m m o l l 抗坏血酸使电极响应增大了 5 6 。而对于伏安法测定多巴胺，在0 0 5 m m o l l 多巴胺溶液中，0 3m m o l l 尿 酸与0 0 6 mm o l l 抗坏血酸对0 2 6 v 处峰电流的影响均小于5 。 5 4 小结 溶胶凝胶法制各了c u i i c f 和n i h c f 化学修饰电极，c u h c f 修饰电极可检 测过氧化氢的氧化电流，效果良好，线性范围1o x l o 石1 5 1 0 m o l l ，具有进 一步发展为生物传感器的潜力。应用n i h c f 化学修饰电极对多巴胺伏安法检测， 线性范围5 x l o 6 1 8 1 0 4 m o l l ，安培法检测多巴胺，线性范围2 0 x 1 0 6 1 o 1 0 m o l l 。两者相比，安培法线性范围宽，伏安法抗干扰能力强，选择性好。 桂林工学院硕士学位论文 第六章全文总结 针对电化学法沉积p b 制备敏感膜稳定性欠佳、膜催化性能受电沉积条件影 响等不足之处，研制了普鲁士蓝掺杂固体石蜡碳糊电极，并研究其对过氧化氢 的电催化还原及对水合肼的电催化氧化特性。电极对过氧化氢和水合肼的检测 线性范围分别为6 4 x 1 0 - 6 2 2 1 0 4 m o l l 和1 2 1 0 。3 0 x 1 0 4 m o l l 。该电极稳 定性高于以电化学法制备p b 敏感膜为基础构造的化学修饰电极。用于过氧化氢 与水合肼样品伏安分析，结果令人满意。 首次采用s o l g e l 技术制备出含有纳米普鲁士蓝颗粒的二氧化钛溶胶一凝 胶。制备了纳米普鲁士蓝修饰电极与葡萄糖传感器。研究了纳米普鲁士蓝修饰 电极对h 2 0 2 电化学还原的催化作用，表明其催化还原性能较普通普鲁士蓝修饰 电极显著提高，电流密度大约是普通普鲁士蓝修饰电极的2 4 倍。葡萄糖传感 器可在低还原电位( - 0 0 5 v ) 下检测人血清中葡萄糖含量。对葡萄糖标准样品 检测的线性范围为o 5 2 4 m m o l l ，表观米氏常数= 8 0 4 m m o l 。 研究了c u h c f 和n i h c f 化学修饰电极的电化学特性，制备了c u h c f 修饰 过氧化氢电极，线性范围1 0 1 0 6 1 5 x 1 0 。4 m o l l 。应用n i h c f 化学修饰电极 对多巴胺伏安法检测，线性范围5 1 0 4 1 8 x 1 0 。4 m o l l ，安培法检测多巴胺，线 性范围2 0 1 0 西1 0 x 1 0 m o l l 。其中伏安法是利用n i h c f 化学修饰电极电催化 还原多巴胺氧化产物，检测峰电位低，可以很好的消除抗坏血酸与尿酸的干扰。 论文中所采用的s o l g e l 途径反应合成在低温下进行，把对热不稳定性的化 学和生物分子固定在基质里，产物纯净、均匀。以s 0 1 g e l 为基础的凝胶聚合物 包埋法是行之有效的敏感物质固定方法，酶通过物理结合作用被包裹于多孔基 质中。该方法操作简单，与大多数试剂的相容性好。制备的溶胶凝胶适合以印 刷方式制作修饰电极，对于批量生产有一定的实用价值。作为次性电极使用， 效果良好，制作方便、成本低。采用印刷碳浆电极作为基底电极，稳定性、重 现性好。 研究结果显示，纳米粒子高的表面积与高的表面能可以提高化学修饰电极 电催化效率，纳米普鲁士蓝颗粒对电极的响应起到了增强效果，论文中纳米普 鲁士蓝葡萄糖传感器响应电流较普通普鲁士蓝葡萄糖传感器响应电流大约提高 桂林工学院硕士学位论文 了3 6 4 9 倍。在修饰电极中应用纳米技术是研制高灵敏度生物传感器的有效 途径。纳米普鲁上监粒子有可能深入到酶的多肽结构，与酶的活性中心直接相 连，提高酶与电极i 司电子交换速率，起到近似丁电子直接传递的效果。以纳米 材料修饰电极为基础的生物传感器对于第三代生物传感器的研制有现实的指导 意义。 研究工作表明，溶胶一凝胶技术不光是- - o o 理想的化学修饰电极