（分析化学专业论文）卟啉自组装单分子膜的扫描电化学显微镜（secm）研究.pdf

摘要 摘要 扫描电化学显微镜( s e c m ) 是一种新型电化学技术。由于其具有化学灵敏 性，可以研究探头与基底上的异相反应动力学及溶液中的均相反应动力学。 s e c m 的优势是在稳态条件下测量，可以克服双电层电流和电势降，从而提高测 定数据的准确性和可靠性。此外，利用为探针技术，s e c m 可分辨电极表面微区 的电化学不均匀性，给出导体和绝缘体表面的形貌。目前，s e c m 已广泛应用于 生物系统，如细胞成像、酶反应研究、叶面氧的转化、以及皮肤表面物质转移的 研究。但由于卟啉合成和后续分离纯化的困难，关于卟啉自组装膜的研究十分有 限。传统电化学技术和s e c m 的联用可以从微观和宏观角度提供电化学信息。 本文共分为三部分，主要包括以下内容： 1 由于本文实验工作的开展主要是建立在以s e c m 为主要研究手段的基础 之上，因此在本文的第一章，详细介绍了s e c m 的仪器构造和工作原理和发展 情况。主要包括以下几方面的内容：( 1 ) 简述了s e c m 的实验装置；( 2 ) 详细介 绍了s e c m 的八种工作原理；( 3 ) 对s e c i d 的定量分析理论进行了介绍：( 4 ) 对近几 年来g e c m 在多方面取得的发展和应用情况进行了总结。 2 应用扫描电化学显微镜( s e c m ) 表征了金电极上的巯基卟啉自组装单分 子膜。通过基底形貌技术不仅清晰表征了成膜过程，而且提供了许多电化学信息。 通过循环伏安法和s e c m 技术我们获得了一致的结果。表明电子转移受到探针 分子的结构，溶剂性质的影响。通过和b 一巯基环糊精的比较，证明足够正的基底 电压可以使卟啉环被氧化，电子转移通过三种模式进行。相比较仅充当绝缘膜的 卟啉膜上电子的转移模式，双分子反应的发生极大地促进了电子转移。计算了相 应的电子转移速率值，为进一步证明实验结果提供了理论依据。 3 由于s e c m 测量在稳态下测量，可消除双电层电荷和其他的瞬时贡献， 如氧化膜的形成和还原。而且，探针的尺寸很小，在微米级。因此最小化了电势 降，提高了数据的准确度和可靠性。利用s e c m 的这一特点，研究了具有不同 碳链长度的四苯基巯基卟啉自组装膜上电子转移及吸附量等参量之间的差异，并 对此进行了分析和解释。 随着化学与物理学、信息科学、生命科学及医学的不断交叉和渗透，使得界 面电化学的研究越来越重要。因此，将更多的新技术、新方法引入界面电化学的 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 摘要 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 i i 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 摘要 a b s t r a c t ： s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y ( s e c m ) d e v e l o p e di sa ne l e c t r o c h e m i c a l t o o lt h a tc a nb eu s e dt os t u d ye tr e a c t i o n sa tv a r i o u si n t e r f a c e sw i t hh i g l ls p a t i a l r e s o l u t i o n ，a n dc a no b t a i nr a t ec o n s t a n t so fh o m o g e n e o u sa n dh e t e r o g e n e o u sr e d o x r e a c t i o n sp r e c i s e l y a na d v a n t a g eo ft h i st e c h n i q u ei st h a tt h es e c mm e a s u r e m e n t s a r ec a n i e do u tu n d e rs t e a d y s t a t e c o n d i t i o n s ，s ot h a tt h ec o m p l i c a t i o nc a u s e db y o h m i cp o t e n t i a ld r o pa n dc h a r g i n gc u r r e n tc a l lb eo v e r c o m e ，t h e r e f o r e ，t h er e l i a b i l i t y o ft h ed a t aw a ss t r e n g t h e n e d u s i n gt h eu l t r a m i c r o e l e c t r o d e ( u m e ) a st h et i p ，s e c m c a na l s ob ea p o w e r f u lt o o lt oo b t a i ni m a g e so fd i f f e r e n ts u b s t r a t e si m m e r s e di n e l e c t r o l y t es o l u t i o n ，t od i s t i n g u i s hr e g i o n so fd i f f e r e n tc o n d u c t i v i t yo re l e c t r o c h e m i c a l a c t i v i t y i na d d i t i o n ，s e c mh a sb e e nu s e dw i d e l yf o rb i o l o g i c a ls y s t e m s ，s u c ha s i m a g e so fc e l l s ，s t u d i e so fe n z y m a t i cr e a c t i o n s ，o x y g e ne v o l u t i o n0 nl e a fs u r f a c e sa n d i n v e s t i g a t i o n o ft h et r a n s p o r to fs p e c i e st h r o u g hs k i n r e m a r k a b l ep r o g r e s si nt h ef i e l d o fs e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r so ft h i o lh a se n a b l e du st od e s i g na n dg r a f tt h ee l e c t r o d e s u r f a c e s h o w e v e r , d u et o t h e d i f f i c u l t yr e l a t e dt os y n t h e s i sa n ds e p a r a t i o no f p o r p h y r i n s ，t h er e p o r t sa b o u tp o r p h y r i ns a m sa r el i m i t e d t h ec o m b i n a t i o no ft h e t r a t i o n a lm e t h o d sa n ds e c mc a l lp r o v i d em a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i ci n f o r m a t i o n o ft h i o l p o r p h y r i nm o n o l a y e ro nag o l de l e c t r o d e t h e r ea r et h r e ep a r t si nt h i sp a p e r , m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b e c a u s eo u rw o r ka t ec o m p l e t e do nt h eb a s i so ft h en e w t e c h n i q u e ，s e c m ， r e v i e ww a s g i v e no nt h es c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y i ti n c l u d e st h a t ( 1 ) t h e i n t r o d u c t i o no fs e c mi n s t r u m e n t ( 2 ) e i g h tw o r kp r i c i n p l ew a si n t r d u c e d ( 3 ) t h e t h e o r yo fq u a n t i v a t i v ea n a l y s i sa b o u ts e c m ( 4 ) t h ed e v e l o p m e n to fs e c mi n v a r i o u sf i e l di nt h e s ey e a r 2 s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y ( s e c m ) w a si n t r o d u c e dt oc h a r a c t e r i z e t h em o d i f i c a t i o no ft h et h i o l p o r p h y r i nf i l mo nt h eg o l de l e c t r o d e t h ea p p l i c a t i o no f i m a g en o to n l ys h o w sc l e a r l yt h ef o r m a t i o np r o c e s so fs e l f i a s s e m b l e dm o n o l a y e ra t d i f f e r e n tp e r i o d sb u ta l s op r o v i d e sm a n ye l e c t r o c h e m i c a li n f o r m a t i o n s t h ec o n s i s t e n t r e s u l t sw e r eg a i n e df r o mt h ec o n v e n t i o n a lc y c l i cv o l t a m m e t r ya n dt h en e ws e c ma n d c o r r e p o n d i n gt h e o r yw a su s e dt oe x p l a i nt h er e s u l t s ，w h i c hs h o w e dt h a tt h ee l e c t r o n 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 i i i 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 摘要 t r a n s f e r a l s oc o u l db ea f f e c t e db ys u b s t r a t ep o t e n t a i l ，t h es t r u c t u r eo ft h ep r o b e m o l e c u l e sa n dt h ep r o p e r t yo ft h es o l u t i o n w h a t m o r e ，t h r o u g ht h ec o m p a r i s i o nw i t h t h ee f f e c to fs u b s t r a t ep o t e n t i a lo nt h i o lb - c y c l o d e x t r i na d s o r b e dg o l de l e c t r o d e ，i tw a s p r o v e dt h a t t h ep o r p h y r i n sr i n g sc o u l da f f e c tt h em o d e l so ft h ee ta td i f f e r e n t s u b s t r a t e dp o t e n t i a l t h em a i nm o d e lo fe l e c t r o nt r a n s f e rw o u l db ec h a n g e df r o mt h e e tt h r o t i g ht h ed i r e c tt u n n e l i n g ，p i n h o l e sa n dd e f e c t st oas i m i l a rb i m o l e c u l a rr e a c t i o n w h e nt h es u b s t r a t ep o t e n t i a lw a si n c r e a s e dt o9 0 0m va n dt h ep o r p h y r i n sr i n gw a s o x i d i z e d t h ec o r r e p o n d i n ge l e c t r o nt r a n s f e rr a t e sc a l c u l a t e dv e r i t yt h ea c c u r a c yo f t h ee x p e r i m e n t s 3 d u et ot h ea d v a n t a g eo fs e c mo ns t u d i n ge l e c t r o nt r a n s f e r , w es t u d i e dt h e d i f f e r e n c eo fm a n yp a r a m e t e ra b o u tp o r p h y r i n ss e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e rw i t h d i f f e r e n tc h a i nl e n g t ha n dd i f f e r e n tn u m b e ro fm e t h y l e n e ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n g e x p l a n a t i o na n da n a l y s i sw e r eg i y e l l k e yw o r d s ：p o r p h y r i n ，s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r , s c a n n i n g e l e c t r o c h e m i c a l m i c r o s c o p y ( s e c m ) ，e l e c t r o nt r a n s f e r ，b i m o l e c u l a rr e a c t i o n 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 i v 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重i 垦监塾盘堂或其他教 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：亟盏盛签字日期：互! ：墨：8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堕i 垦竖整盘茔有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权量i 垦竖芷盘堂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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：盈壅也 导师 签字e t 期：墨塑：! 垂： 第一章电化学扫描显微镜( s e c m ) 技术研究进展 第一章电化学扫描显微镜( s e e m ) 技术研究进展 化学、生物学及医学的相互交叉与渗透对分析科学在科学进步中发挥更为重 要的作用提出了新的挑战。对于和生命体系相关的化学分析研究方法，除要求具 备高灵敏度、高准确度、高选择性之外，对复杂体系的多元素同时检测，实时、 在线、原位、微损或无损以及活体内分析将成为分析化学的研究重点。二十世纪 7 0 年代末超微电极( u l t r a m i c r o e l e c t r o d e s ，u m e s ) 出现以后，u m e s 在电化学研 究方面的优势越来越明显。1 9 8 4 年e n g s t r o m 把生理学上的离子电渗技术引入化 学领域，研究了固体电极表面微区电化学活性，达到1 叩m 的分辨率。1 9 8 6 年 e n g s t r o m 小组利用微电极探针监测扩散层内毫秒级寿命反应中间体n a d 等电极 产物的空间分布，可达2 a m 分辨率“1 。同年，b a r d 小组在使用扫描隧道显微镜 f s t m ) 首次进行溶液中导体表面研究时，为了弥补s t m 不能提供电化学信息的不 足，明确提出了扫描电化学显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y , s e c m ) 的概念并于实验实现。 s e e m 是基于7 0 年代末超微电极( u m e ) 及8 0 年代初扫描隧道显微镜的发 展而产生出来的一种分辨率介于普通光学显微镜与s t m 之间的电化学现场检测 新技术。由于其具有化学灵敏性，因而不但可以研究探头与基底上的异相反应动 力学及溶液中的均相反应动力学，分辨电极表面微区的电化学不均匀性，给出导 体和绝缘体表面的形貌，而且还可以对材料进行微加工，研究许多重要的生物过 程等，目前可达到的最高分辨率约为几十纳米。1 。随着相关理论的成熟与完善， 又发展出如电位法嘲、电阻法”1 等新测量方法：与微、纳米管结合嘲，其研究和应 用领域得到了进一步拓展，并发展出许多联用技术睁”1 。在过去的二十多年中， s e e m 得到了迅速的发展，现在它已经发展成为一个较为成熟的技术。s e c m 的 应用，使许多重要的生物、化学体系，如化学传感器，药理学中的药物释放，相 转移催化，模拟生物膜等研究中的快速、动态过程的检测成为现实。近年来s e c m 的应用发展迅速，更是增强了电分析化学技术对于各类学科的推动作用1 。 1 2 s e c m 的实验装置 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 1 第一章电化学扫描显微镜( s e c m ) 技术研究进展 1 2 1 s e c m 的实验装置 s e c m 的主要装置包括双恒电位仪、压电控制仪、压电位置仪及电解池和计 算机( 示意图见图1 1 ) 。其扫描探头的移动可以通过相应的压电位置仪和压电控 制仪来操纵，使探头在x 、y 、z 三个方向运动，精度可以达到纳米级。一般用超 微电极( s e c m 的探头) 作为工作电极，根据具体实验选择适当的对电极和参比电 极，以基底作为研究对象。双恒电位仪用来控制探头和基底的电位，由于大多数 s e c m 的实验都是在稳态下完成的，所以双恒电位仪不需要太灵敏，但重要的是 能够测量非常小的电流。例如，对于半径为1p m 探头在浓度为1 1 0 0m o l l 1 的典型氧化还原中介体( d = 5 1 0 。6c m 2s 。1 ) 中的扩散控制电流为2 0 0 p a ，要测 图1 1s e c m 装置示意图 f i g u r e1 1 b l o c kd i a g r a mo ft h es c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y ( s e c m ) a p p a r a t u s 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 2 第一章电戡譬拓描显徽镜s e 掰) 凌拳臻囊进庭 爨如此小的电流，必须要求双恒电位仪的j 腱能符合要求。仪器的操作j j ；【l 数据的采 集、分辑都通过与仪器穗连的计算规来完成。s e c m 与| 曩捺隧道显徽镜( s t m ) 的工作原理类钕。尽管s e c m 豹分辨率较s 骶低，餐s e c m 的样品可戳楚导体、 锪缘体或半导体，而s t m 只限于导体表面和半导体表面的测量。s e c m 除了能给 搬榉晶表面的形貔终，还能提供丰富的化学信息，其可观察表面豹范围也大穆多。 1 , 2 ，2 is e c m 的探头( 超徽电极) 超微电极魑s e c m 中重要的部件，所有s e c m 测量中获得的信号都依赖于探 头熬影获窝大夺。s e c mt - 最翠使强戆搽头都是黢寒缀戆，夔羞毫极裁终窝翔工 技术的不断提高，微电极的半径越来越小“”。为了满足各种目的的分析测试需要， 分析化学工作者制备了各种舆有特殊功能的微电极并应用到包括s e c m 在内的 各耱邀佬学技术中“8 。趣徽魄投垂毒应曩，经褥各秘电纯学方法熬溅鬃灵敏凄褥 到了极大地提商。 1 2 2 1 探针的制备 s e c m 探针为被绝缘层凭謦的超徽霹纛电极( u m d e ) ，第为责金藉袋碳纤维 “”1 ，半径在微米或亚微米级。制作时把清洗过的微电极丝放入除氧罨细玻璃管 内，趟端加热封鞠，然后打磨至魄极部分露蹦，由粗到细用擞光毒依次撼光至搽针 尖灞为平蟊。毪少量涉及到拳球面电极。舔锥形静电辍尖端因探针奄流不随d 丽 变化，故很少使用慨”1 。再小心地把绝缘层打磨成锥形“，以在实验中获得尽可能 小的探针基底阈题( d ) ”1 。 1 , 2 2 2 探钎的新发展 1 9 9 5 年，b a r d 等人“”研制出一种新型玻璃微管探针。它利用电子在两种互 不稳溶懿电掰痰溶液赛瑟静j 乏移进程捡溺。掰于半导俸奄绽学研究豹搽赞氇有撮 道，可检测基底上光化学反成的产物乜5 1 。谶年来，又研究出纳米级探针。6 1 和亚纳 升体积的s e c m 微电解池。”，而且对于超微电极的研究也从平板电檄和半球体 惫檄嘲发震到了趋簸强环电校糊及环盘奄搬啪。s e c m 的分籍率主要取浃予探簧 的尺寸、形状及探针基底间蹑( d ) 。能够做融小而平的超微盘电极是掇高分辨率 的关键所在o “，飘足够小的d 与a 能够较抉获得探针稳态电流1 。同射要求绝缘 嚣漤薄“，藏小搽钎嗣圈静爨一证羼蔽层尺寸r g = r a ，f 为探针尖灞半径) 值，鞋 研究生：张立敏 警师：卢小泉教授康敬万教搜 专业：务析化学 研究方向：电分析化学 3 第一章电化学扫描显微镜( s e c m ) 技* - m 究进展 获得更大的探针电流响应。尽可能保持探针端面与基底的平行，以正确反映基底 形貌信息。f u l i a n 等人报道边界元法( b e m ) 可用于模拟和考察非规则形状的 s e c m 电极咖2 “。另外，也可通过数值处理或探针位置调制锁相检测技术3 来 提高扫描图像的清晰度。 1 3 s e c m 的工作原理 1 3 1 电流反馈模式( f e e d b a c k ) 常规的s e c m 实验可以在3 或4 电极的模式下进行。u m e 探头作为工作电 极，施加一定的电位，测量探头和对电极之间的电流。所研究的样品通常称之为 基底，在此情况下，一个双恒电位仪可用于控制探头和基底的电位。当电极放在 含有电活性中心介体的溶液中( 如，还原型，r ) ，样品固定在基底上，在探头 上施加足够正的电位，则有如下反应发生 3 2 1 ： r 一厅e - 一o ( t i p )( 1 ) 此反应的速率受r 向探头的扩散控制。当探头离基底很远时，探头上的稳态扩 散电流可由下式计算： it,8=锄fdca(2) 其中，此式中n 为转移的电子数，f 为法拉第常数，d 为r 的扩散系数，c 为r 的浓度，a 为探头的半径。( 2 ) 式是针对超微圆盘电极推导出来的，对于 其它形状的电极同样适用。当探头不断靠近基底时，探头上的电流f t 将随基底性 质的不同而发生改变，当探头移至绝缘样品基底时，反应物o 从本体溶液向探 头的扩散受到阻碍，流过探头的电流会减小。探头越接近于样品，电流i ，就越 小，即i t i l 。，这个过程则 被称为“正反馈”( 图1 2b ) 。以上的两种简单的反馈原理就构成了s e c m 工作 原理的基础。氧化性物质o 在基底上被还原的速率决定了探头电流变化的程度， 通过这种变化，可以研究反应的动力学过程o “。 研究生：张立敏 导师：卢，1 - 泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 4 第一章电化学扫描显微镜( s e c m ) 技术研究进展 ； 盘 ( a ) 探头在本体溶液中( b ) 正反馈 i t = f ，玉 “。 ( c ) 负反馈 l t 1 , 0 7 8 3 7 7 l 趋近于0 0 3 3 1 5 e x p ( - 1 0 6 7 2 l ) 趋近于 o 3 3 1 5 ，故l l l o d o a ；而当l 1 时，o 7 8 3 7 7 几趋近于无穷大，0 0 3 3 1 5 e x p ( - 1 0 6 7 2 l ) 趋近于0 ，又因为l = d a ，故m o d o d ，这符合薄层电解质的行为， 从而说明s e c m 在研究快速异相电子传递反应方面很有用。通过减小探头与基底 问的距离，质量传递速率增加幅度很大，因而可以用于电子传质动力学的定量研 究。 由于公式( 5 ) 是在假设探头表面的电流密度保持不变的前提下得到的，因 此不很准确。公式( 7 ) 由于不需要上述假设因而更为准确。 州耻，= 丽0 7 8 3 7 7 + 赤等器裂端裂 式中 k r l 。= z c d ( o o + 环) 徊坟) k 一( 舾七。4 d o ) e x p 一a n f ( e e 。) 】 利用公式( 5 ) 和( 7 ) 分别得到的乙腈中二茂铁在探头上发生快速氧化反应的a 和e 0 值是相等的。但k o 值的差别在2 0 左右。 当基底电极上发生的不可逆异相反应动力学是个慢反应时，可以应用上述理 论来研究。发生在基底上的不可逆异相反应的速率可以通过把实验得到的电流一 距离曲线与公式( 8 ) 至( 1 1 ) ，进行拟合来求算。 ，；= ，：( 1 一，? 5 睇) + ，? 5 ( 8 ) ；0 7 8 3 7 7 l 0 + 1 a ) + 0 6 8 + 0 3 3 1 5 e x p ( - 1 0 6 7 2 l ) 1 1 + f ( l , a ) ( 9 ) 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：e , ：f f 析4 b 学 9 第一章电化学扫描显微镜( s e e m ) 技术研究进展 i s o = k o n ( 1 + 1 5 l ) 2 1 i s ，。：_ - i s ，o + l i s ( 1 0 ) ( 1 1 ) 对为动力学控制的基底电流：硝为有限基底动力学控制的探头电流：a 靠f d d ， k f 是多相反应的表观速率常数( c m s ) ；f a ) ：0 1 + 7 3 a ) 4 1 1 0 4 0 l i 。在 0 i = l = i 5 ，且2 = 1 0 9 = 3 ，人= k f a i d 时，上述表达式的误差不超过2 。 1 5 s e c m 的应用 s e c m 的应用范围相当广泛，本实验室王小强”1 等曾就s e c m 的工作原理、 仪器构造和测量方法等作了相关介绍，并简要评述了s e c m 在电化学研究方面 的应用。上世纪8 0 年代以来，随着界面间电化学反应的研究迅速发展以及化学 与物理学、信息科学、生命科学及医学的不断交叉和渗透，新技术不断被应用于 界面电化学的研究，而s e c m 在研究乔面间的多相电化学和化学过程中的许多 应用是其他方法无法取代的，简述如下： 1 5 1 样品表面扫描成像 通过在靠近样品表面的x y 平面上扫描探头并记录作为x y 坐标位置函数的 探头电流i t ，可以得封三维的s e c m 图像。s e c m 能被用于导体或绝缘等各种样 品表面的成像“。图像的分辨率取决于探头电极的直径。目前人们能够制作的最 小探头的直径为2 0 3 0 n m ，相当于扫描电子显微镜的分辨率。除了可以得到样品 表面的形貌外，s e c m j 还可以测量样品表面化学或生物活性的分布及表征纳米孔 中的扩散传质呻1 。他们被多参数表征，从而加强了数据的质量。这方面在样品的 复杂性分析中具有重要的意义。化学反应的侧面变化，甚至包括异相催化和酶的 复杂的动力学过程都可以通过形貌技术可见。这种技术可以直接比较出表面不同 部分的性质，并且指定出活性点所在1 。 目前，本实验室已将s e c m 用于卟啉自组装单分子膜的研究，形象和直观地 表征了卟啉膜在金电极表面的形成过程，获得了多种电化学信息。 1 5 2 液液界面的研究 液液界面是一个稳定的、在尺寸上处于亚微米级的界面，从而可以作为 s e c m 的基底“。应用固体探头来研究i l 界面，界面电位差由两相中共同离子 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 1 0 第一章电化学扫描显徽镜( s e c m ) 技术研究进展 的浓度来决定的，这样i _ 儿界面是一个非极化的界面。在此情况下，界面可以不 受i r 降、充电电流以及电位窗的影响和限制。通过适当地控制共同离子在两相 中的浓度比，可控制液液界面上的电位差，实现两相中的逆向电子转移反应u i o l l 屏面的混合溶剂层的厚度一直是界面电化学研究中很难测定的问题，应 用一个2 5 n m 的探头来研究硝基苯水界面，从实验数据可以估算此混合溶剂层的 厚度为。 4 n m 。另外应用锌卟啉在苯溶液中作为氧化还原电对，研究了水相中不 同的氧化还原电对之间的双分子电子转移反应。并证明了当l l 界面上的电位差 不是很高时，常用的电子转移理论也适于于电子在l l 界面上的转移反应 7 2 o 当苯水界面上用磷脂修饰以后，应用上述体系，已证明了m a r c u s 的著名的异 相电子转移中的反向区域m 1 。m 用于液液界面研究时，两相的电位取决于两相中 电对的浓度。此时电子转移在探针附近微区内发生，而离子转移在整个相界面发 生，因而可以区分电子转移与离子转移过程，减少电容电流和非水相i r 降的影 响。主要用于研究界面电子转移及膜的形成”“”1 、界面离子的转移“7 7 1 和界面反 应沿陛”。对于理解电荷转移过程、化学传感器、药物释放过程、溶剂萃取过程 有着重要的意义。 在我们的研究中，主要采取了新兴的薄层循环伏安法( t l c v ) 和s e c m 技术， 针对生化体系，不仅证实了薄层循环伏安法的实用可靠性，还利用先进的s e c m 技术就卟啉在液液界面的双分子转移过程进行了研究“，并且有关t l c v 研究进 展的综述也已见报道0 1 。 1 5 3 异相电荷转移反应的研究 电子转移过程是最基本的化学行为，普遍存在于自然界的各个领域之中，涉 及化学、物理、生命科学、材料科学及微电子学等多学科，其研究具有重要的理 论意义及广泛的应用前景。有关电子转移反应的理论及实验研究自2 0 世纪5 0 年代以来，在m a r c u s 提出电子转移的基本理论之后，成为自然科学中十分活跃 的研究领域。尤其是近几年来随着实验检测技术水平的提高以及计算机的飞速发 展，对电子转移反应的理论和实验研究越来越成为科研工作者感兴趣的研究课题 之一。 s e c m 将探针接近相边缘，因此可以利用它检测通过界面转移过程速率。对 科学工作者而言，微电极是理想的探针，它们可以被用于同时发动电子转移反应 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：电分啼m 学 1 1 第一章电化学扫描显微镜( s e e m ) 技术研究进展 和通过两相界面边缘的化学物质。s e c m 完美的将微探针和薄层法的优点集 于一身。因此，对异相转移过程的分析，特别是电子转移，是s e c m 普遍的一 种应用，并得到了不断的发展。 s e c m 可以用于各种金属、碳和半导体材料的非均相动力学研究。在此应用 里，) ( _ _ y 扫描功能通常不用，而利用其在超微电极和薄层电化学上的优势。 s e c m 的探针可移至非常靠近样品电极表面从而形成薄层池，达到很高的传质系 数，且s e c m 探针电流测量很容易在稳态进行，具有很高的信噪比和测量精度，也 基本不受i r 降和充电电流的影响，被广泛用于异相电荷转移反应“”7 1 及其动力学 。”1 研究。s e c m 可检测到非常快的异相速率常数，最快可达1 0 0 c m s 。在多相 系统，可以复杂反应的机理研究，并且可以分析相和界面作为导体或定位电子或 离子转移反应中的作用。考虑到质量转移、异相和同相反应，通过将实验数据进 行模拟，可以提取电化学定量参数。 最近，我们将液液界面中双分子反应的相关理论用于活性卟啉膜上的双分 子转移过程研究，据我们所知此方面研究还鲜有报道。 1 5 4 薄膜的表征 s e c m 可监测微区反应也是研究电极界面上薄膜的十分有用的技术，可以 将探头电极插入膜中进行直接电化学测量，或通过媒介反应进行测量。这方面的 实例包括多种电解质、导电高分子、金属表面的钝化膜等的测量。它既可以通过 媒介反应进行测量，也可以把探针伸入膜中直接测量，为研究高分子膜内传质过 程。“1 提供了十分重要的手段。已用于研究膜动力学与光电化学性质畸“，考查 膜性质嘲和用离子选择膜证明离子流的存在等。 1 5 5 均相化学反应动力学研究 s e c m 的“针尖产生一基底收集”模式与r r d e 的测量模式相同，因此，特别 适于均相反应动力学的研究。s e c m 方法可以容易地检测不同的基底而无需采用 制作困难得r r d e ，无需旋转电极或造成溶液对流就可以实现电极间的流动。基 于s e c m 的收集模式、反馈模式及其与计时安培法、快扫描循环伏安法等电化学 方法的联用，已用于测定均相化学反应动力学和其它类型的与电极过程耦联的 化学反应动力学”“。 1 5 6 生物体系的测量和成像 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 1 2 第一章0 9 4 t ：, 学扫描显微镜( s e e m ) 技术研究进展 s e c m 可用于观察人工或天然的生物体系，电流法和电位法( 离子选择电极) 都被使用。这方面的例子包括人造和天然皮肤的离子和分子的渗透哪! ，生物酶活 性的分布和检测阳叼，原生质光合作用4 “、抗原抗体的成像”2 8 ”、有机和生物分子 微结构研究。“8 ”、活细胞研究。“州及媒介反应动力学。8 1 等。植物叶子的光合作用 和呼吸作用的研究，破骨细胞的钙离子和过氧化物的测量，抗原抗体及d n a 的 成像等。 s e c m 可用于测量酶与媒介反应的动力学，当葡萄糖氧化酶被固定在表面或 膜中并当氧化剂存在时能催化葡萄糖的氧化；溶液为媒介体的还原态r ，控制探 头电极使得r 能被氧化成o ，当探头移至样品表面时，探头上产生的o 将参与催化 反应，探头上的电流将取决于催化反应的动力学速度。 1 _ 5 7 纳米加工 当探头电极移至样品表面时，电子转移局限于靠近样品表面很小的局部区 域；这个特性能用于位区沉积或刻蚀。探头电极可作为工作电极或对电极来直接 进行表面加工，也可以在探头电极上产生试剂与样品作用。加工的分辨率取决于 探头电极大小、探头电极距样品的距离。除了金属和半导体的沉积刻蚀外，人们 还能沉积高分子、有机和生物分子，这是微电子照相刻蚀技术做不到的。 1 5 8 单细胞的成像的检测研究 单个细胞的成像和观测分析及组分分析，是在细胞水平上了解生化反应的基 本要求，单细胞的直径一般为5 5 0 0 微米，体积为f i ，n l 级，组分复杂( 除无机物 外还有核酸、蛋白质、酶、脂质、碳水化合物等) ，而且组分的含量极微( 1 0 - ”一 1 0 埘m o l l ) ，则对分析技术提出具有最高选择、高灵敏、快响应和超小体积的要 求，且能在常温或低温下工作( 要求在生理条件下) ，晟好能进行活体、原位、 实时和在线分析的方法。 s e c m 现已经达到原子级和分子级的分辨能力，能在天然条件下或生理条件 下工作，是当今最适合单细胞成像的观测技术和方法。j y a s u k a w a 等人综述了用 s e c m 对单细胞成像表征和观测。“，并指出实验证明了s e c m 是揭示活细胞的神秘 功能的强有力的工具。用s e c m 测定了活的单细胞膜的渗透性，对单细胞活度进 行了定量表征和成像，以及研究了化学刺激对活度的影响。s e c m 技术已经用来 做生物分子如酶的知觉测定，它特别适合作酶芯片、抗体芯片和d n a 芯片的系 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 1 3 第一章电化学扫描显微镜( s e c m ) 技术研究进展 统成像。除成像外，还能作微加工工具，也能观测在超微探针上发生的一些反应 物质的电化学反应过程。它将成为广阔的生物工程领域内的通用工具。 。 1 5 9 联用技术 包括：( 1 ) s e c m 与石英晶体微天平( q c m ) 联用。由s e c m 提供电化学信息， 由q c m 提供质量效应信息来研究有机或无机薄膜性质”“。( 2 ) s e c m 与原子力显 微镜( a f m ) 联用，同时提供高空问分辨率的电化学和基底形貌信息，已用于表面 刻蚀“”和固液界面研究“。( 3 ) s e c m 与扫描光学显微技术联用，同时进行扫描 电化学、光学研究获得空间分辨信息。“”1 。 1 6s e c m 的展望 随着最近二十几年s e c m 方面研究的飞速发展，人们已经将注意力从简单的模 型实验推广到更为复杂的体系。更多的努力应该放在探讨微异相体系的区域特 征，例如，高分子薄膜、生物体系、人工和生物膜以及检测单分子及单细胞等。 发展纳米级的探头对于s e c m 未来研究至关重要，这方面的发展可以促进从腐蚀 动力学过程的研究到生物体系中现场高分辨的测量等。为了防止纳米级的探头在 探测基底时被损坏，应发展纳米级精度上控制探头和基底之间距离的方法。另外 s e c m 和其它技术如，q c m 、电化学发光、光谱技术相结合也将是s e c m 研究的 一个重要的发展方向，并对于拓宽s e c m 研究领域有重要意义。 研究生：张立敏 导师：卢小泉教授康敬万教授 专业：分析化学 研究方向：电分析化学 1 4 第一章电化学扫描显微镜( s e c m ) 技术研究进展 参考文献： 1 e n g s t r o mrc ，w e b e rm ，w u n d e rdj ，b u r q u i s ts a n a lc h e m 1 9 8 6 ，5 8 ( 4 ) ：8 4 4 2 】卢小泉，王小强，胡丽娜，张敏扫描电化学显微镜及其在界面电化学研究中的应用，纪 学通报。2 0 0 4 9 。6 7 3 3 v , j 秀辉，张立敏，胡丽娜，卢小泉薄层液液界面电子转移动力学的研究进展爿崩j 磐；芝 2 0 0 6 ，3 4 ( i ) 1 3 5 1 3 9 4 】j k w a k ，a 1b a r d s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y t h e o r yo ft h ef e e d b a c km o d e a n a lc h e m 1 9 8 9 ，6 1 ，1 2 2 1 5 】j k w a k ，a j - b a r d ，s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y , a p p a r a t u sa n dt w o - d i m e n s i o n a l s c a n so f c o n d u c t i v ea n di n s u l a t i n gs u b s t r a t e s ，a n a l c h e m 1 9 8 9 ，6 1 ，1 7 9 4 【6 b e n j a m i nr h o r r o c k s ，m i c h a e lvm i r k i n ，d a v i dt p i e r c e ，a l l e nj b a r d ，g e z an a g y , k l a r a t o t h ，s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a lm i c r o s c o p y 1 9 i o n - s e l e c t i v ep o t e n t i o m e t r i cm i c r o s c o p y a n a l c h e m 1 9 9 3 ，6 5 ( 9 ) ，1 2 1 3 【7 w e i