（分析化学专业论文）卟啉等生物分子在液液界面上的电子转移过程研究.pdf

砘北师范人：学硕十学何论文 摘要 液液界面( l i q u i d l i q u i di n t e r f a c e ，l l ) 被认为是最简单的模拟生物膜模型， 电荷( 电子和离子) 在其上的转移过程是最基本的物理化学过程之。它与许多重 要的生物、化学体系，如化学传感器、药理学中的药物释放、相转移催化以及 模拟生物膜的研究密切相关。所以，建立完善合理的界面过程动力学理论，对 于认识、理解、掌握许多重要的生理过程，揭示生物体内物质和能量的代谢， 探究活体内自由基的产生、消除及其致病机理具有重要意义。 薄层循环伏安法( t h i n l a y e rc y c l i cv o l t a m m e t r y ，t l c v ) 是a n s o n 等人于 1 9 9 8 年提出来的种研究液，液界面上电荷转移过程的新方法。它不仅对实验仪 器要求较低，还具有简单、快速、易操作等优点。扫描电化学显微镜( 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 e ，s e c m ) 技术是b a r d 等人于上世纪8 0 年代末提出 和发展的一种新型的扫描探针显微镜技术。s e c m 不但可以研究探头与基底上的 异相及溶液中的均相反应动力学，分辨基底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。 本文共分为三部分，主要包括以下内容： 1 回顾了液液界面电化学的发展历史，详述了t l c v 和s e c m 两种方法的 工作原理及其在界面电化学研究中的应用。主要包括：( 1 ) 研究化学修饰电极 界面或导电聚合物薄膜界面，获得界面的结构和多相反应的机理等相关信息； ( 2 ) 研究固定化酶，获得酶活性等信息：( 3 ) 研究界面上的电子转移和离子转 移以及中性分子的转移；( 4 ) 采用纳米级的探头，研究单分子的电化学反应：( 5 ) 结合其它相关电化学技术，实现对单细胞活性的检测。 2 结合s e c m 技术，应用t l c v 方法研究了以下两个体系在硝基苯( n b ) 水( w ) 界面上的电子转移过程：( 1 ) 抗坏血酸( h 2 a ，水相) 一二茂铁( f c ，有 机相) 体系；( 2 ) 多巴胺( d a ，水相) 二茂铁( f c ，有机相) 体系。两种方 法获得的实验结果相吻合，不但证实了t l c v 方法研究液液界异相电子转移反 应的可靠性，并且拓展了t l c v 的研究范围。 3 利用s e c m 技术，将本实验室合成的三种不同取代基的锌卟啉( 四苯基 研究生：胡丽娜 专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授 研究方向：电分析化学 ( i ) 摘要 锌卟啉、甲氧基锌卟啉、单羟基锌卟啉) 分别作为有机相反应物，亚铁氰化钾 作为水相反应物。应用s e c m 的反馈模式研究了三个体系中液液界面上的电子 转移过程，并计算了异相电子转移的表观速率常数。同时，以c 1 0 4 - 离子作为共 同离子，研究了共同离子对液液界面电位差的控制过程。通过研究不同体系界 面反应的差异，进一步探讨了金属卟啉的取代基对液液界面上电子转移过程的 影响。 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 学的研究中，对自然界中复杂体系的研究具有极大地现实意义。 关键词：液液界面；薄层循环伏安法；扫描电化学显微镜；界面电子转移 研究生：胡丽娜 专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授 研究方向：电分析化学 ( 1 1 ) 曲j 匕师范人学硕十学f 论文 l i i i i 一f i - i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i a b s t r a c t al i q u i d l i q u i d ( l i 。) i n t e r f a c eh a sb e e n s u g g e s t e d a sas i m p l em o d e lf o r b i o l o g i c a lm e m b r a n e sa n dt h ec h a r g e ( e l e c t r o na n di o n ) t r a n s f e ra c r o s si th a sb e e n s t u d i e da sa l le s s e n t i a l p h y s i c a l c h e m i c a lp r o c e s s m a n yi m p o r t a n tc h e m i c a l a n d b i o l o g i c a ls y s t e m s ( s u c h a sc h e m i c a l s e n s o r s ，d r u gr e l e a s eo fp h a r m a c o l o g y ，p h a s e t r a n s f e rc a t a l y s i s ) a n ds i m u l a t i o no fb i o m e m b r a n ec o u l db ei n v e s t i g a t e da tt h el l i n t e r f a c e ，w h i c hw a ss i g n i f i c a n tf o ra d v a n c i n gt h ed y n a m i ct h e o r i e st oi n t e r f a c e p r o c e s s a n d u n d e r s t a n d i n gm a n yi m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a lp r o c e s s e s ，p 吕e n e r g y m e t a b o l i z i n g ，f r e e r a d i c e lp r e s e n t i n ga n dd i s a p p e a r i n g t h i n l a y e rc y c l i cv o l t a m m e t r y ( t l c v ) w a sd e v e l o p e db ya n s o n e la li n19 9 8 ， w h i c hh a sb e e nu s e dt os t u d yc h a r g et r a n s f e ra tl li n t e r f a c e a n dt h ea d v a n t a g e so f t l c vi n c l u d ei t ss i m p l i c i t ya n dc o n v e n i e n c e a san e w t e c h n o l o g yo f s c a n n i n gp r o b e m i c r o s c o p e ，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 sd e v e l o p e db yb a r d a n dc o - w o r k e r si n1 9 8 9 s e c mc a nb eu s e di nav a r i e t yo fw a y s ，e g ，a sa n e l e c t r o c h e m i c a lt o o lt o s t u d yh e t e r o g e n e o u sa n dh o m o g e n e o u sr e a c t i o n s ，a s a n i m a g i n gd e v i c e ( n f i c r o s c o p e ) t oa c q u i r eg r a p h i c so f t h es u b s t r a t e sa n dd i s t i n g u i s ht h e d i f f e r e n c e so ft h es u r f a c e ，a n di tc a l lb eu s e df o rf a b r i c a t es o m em i c r o s t r u c t u r e sa n d s t u d ym a n yb i o s y s t e m s 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 as h o r tr e v i e ww a sg i v e no ne l e c t r o c h e m i s t r yo fl ，li n t e r f a c e t h eh i s t o r i c a l b a c k g r o u n da n d t h eb a s i c p r i n c i p l e s o u t l i n e do ft l c va n ds e e mw a sb r i e f l y s u m m a r i z e d e s p e c i a l l y , t h ea p p l i c a t i o n s o ft h et w o t e c h n o l o g i e s i ni n t e r r a c i a l e l e c t r o c h e m i s t r yw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e s ea p p l i c a t i o n si n c l u d e d ：( 1 ) s e c m w a su s e dt op r o v i d eam e a n so f c h a r a c t e r i z i n gt h i nf i l m s ，m o d i f i e de l e c t r o d e sa n d c o n d u c t i v ep o l y m e r si nt e r m so fs t r u c t u r ea n dm e c h a n i s m ；( 2 ) t h ec a t a l l y - t i ca c t i v i t y o fi m m o b i l i s e dr e d o xe n z y m e sw e r es t u d i e db ys e c m ；( 3 ) e m p l o y e dt l c va n d s e e mt o s t u d yc h a r g et r a n s f e r ( i r o nt r a n s f e r ( i t ) a n de l e c t r o nt r a n s f e r ( e t ) ) ；( 4 ) 曼詈置邕im i 量皇鼍量皇曼曼曼蔓鼍 研究生：胡丽娜专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授研究方向：电分析化学 o i t ) a b s t r a c t s i n g l em o l e c u l a re l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n sc o u l db e d e t e c t e dw i t ht h es e c ma n d n a n o m e t r e - s c a l et i p s ；( 5 ) s e c mw e r e p r o v i d e d a sat o o lt o i n v e s t i g a t e c e l l u l a r a c t i v i t i e sa tt h es i n g l ec e l ll e v e l 2 c o m b i n e dw i t hs e c m ，t h ep r o c e s s e so fe ti n f o l l o w i n gt w os y s t e m sa t n b wi n t e r f a c ew e r e i n v e s t i g a t e db yt l c v ：( 1 ) a s c o r b i ca c i d ( h 2 a ，i n w a t e r ) 一f e r r o c e n e ( f c ，i nn b ) s y s t e m ；( 2 ) d o p a m i n e ( d a ，i nw a t e r ) - f e r r o c e n e ( f c ，i nn b ) s y s t e m t h e r e s u l t sf r o mt h et w od i f f e r e n ta p p r o a c h e ss h o w e dar e a s o n a b l ea g r e e m e n t ， w h i c hn o to n l yd e m o n s t r a t e dt h es i m p l i c i t ya n dt h ec o n v e n i e n c e b u ta l s oe x p a n d e d t h er e s e a r c hr e g i o no f t l c v 3 t h e p r o c e s s e s o fe tb e t w e e n z i n c o p o r p h y r i n s w i t hd i f f e r e n tr a d i c e l s ( t e t r a p h e n y l p o r p h y r i nz i n c ( z n p o r ) ，m e n o h y d r o x y lp o r p h y r i nz i n c ( z n p o r ( o h ) ， m e t h y l o x yp o r p h y r i nz i n cz n p o r ( o c h 3 ) i nn bp h a s e ) w h i c h w e r e s y n t h e s i z e di no u r l a ba n df e r r o u s f e r r i c y a n i d e ( i na q u e o u sp h a s e ) w e r ei n v e s t i g a t e db ys e c mw i t h f e e d b a c km o d e la n dt h ef o r m a lr a t ec o n s t a n t so fh e t e r o g e n e o u se tw e r ec a l c u l a t e d t a k i n gc 1 0 4 a sc o m m o n i o n t h ep r o c e s so fi t s c o r t r o l l i n gt h ep o t e n t i a ld r o pa tt h e l li n t e r f a c ea n dt h ee f f e c t so fv a r i o u sr a d i c e l so f m e t o p o t p h y r i n so ne t h a v eb e e n d i s c u s s e d ， w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc h e m i s t r y ，i t h a sb e e ni n t e r c r o s s e dw i t h p h y s i c s ， i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，l i f es c i e n c e sa n dm e d i c i n ee t c ，w h i c hm a k et h es t u d yo f i n t e r f a c ee l e c t r o c h e m i s t r ym o r e s i g n i f i c a n t t h e r e f o r e ，a p p e a r i n g o fs o m en e w m e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e so n s t u d y i n g i n t e r f a c e e l e c t r o c h e m i s t r y w i l lb em o r e a v a i l a b l et ou n d e r s t a n dt h ec o m p l e xs y s t e m si nn a t u r e k e y w o r d s ：l i q u i d l i q u i d ( l l ) i n t e r f a c e ；t h i n l a y e rc y c l i cv o l t a m m e t r y ( t l c v ) s c a n n i n g e 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 ) ；e l e c t r o n t r a n s f e r ( e t ) 1 m i i i - - 目! 目鼍 研究生：胡丽娜 专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授研究方向：电分析化学 ( 1 v ) 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，也不包含为获得垂i 垦墟蕉盘鲎或其他教 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：飘确嘶签字日期：舻年y 月和同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鱼i 垦竖基盘堂有关保留、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。本人授权重些竖整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：珊娜 签字同期：山曲哆年歹月矿同 导师签 签字r 扣同 髑l g i l i 范人学硕十学位论文 第一章液液界面电化学及研究进展 1 1 前言 在过去的2 0 年中，界面电化学得到了广泛的关注【1 。】。这是因为它与最基本 的物理化学问题( 如，同相、异相电子迁移【4 _ 8 1 ) ，电分析化学h 及重要的技术过 程( 如，溶剂萃取) 密切相关。液，液界面( l i q u i d l i q u i di n t e r f a c e ，l l i n t e r f a c e ) 或称之为油水界面( o i l w a t e r i n t e r f a c e ，o wi n t e r f a c e ) ，或两互不相溶的液，液界 面( t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt w oi m m i s c i b l ee l e c t r o l y t es o l u t i o n s ，i t i e s ) 被认为是最简 单的模拟生物膜模型1 1 0 】。电荷( 电子和离子) 在液液界面上的转移过程是最基本 的物理化学过程之一。它不仅与许多重要的生物、化学体系，如化学传感器， 药理学中的药物释放，相转移催化的研究有关，还与模拟生物膜的研究密切相 关。由于与生命过程息息相关的许多催化氧化反应普遍发生在生物膜上，所以 利用模拟生物膜研究各种生物活性物质在膜界面上的催化、电荷转移、动力学 过程，建立完善合理的动力学过程理论，对于认识、理解、掌握许多重要的生 理过程，揭示生物体内物质和能量的代谢，探究活体内自由基的产生、消除及 其致病机理具有重要意义。 众所周知，生命科学的研究不仅已从宏观描述进入分子水平，而且开始了对 生命起源、癌症起因、遗传突变、药理机制、衰老过程等的研究。蛋白质、酶 及其它生物小分子在生命运动中扮演袭十分重要的脚色。而电子传递在生命过 程中又是普遍存在的，并且是生命过程的基本运动，因此研究生物分予的电子 传递过程有重大意义。利用电化学方法来研究这类生命过程，有特别的优越性。 可以将在体内温和条件下进行的各种氧化还原反应的机制( 电子传递过程) 在 体外进行模拟，以揭示生命过程的奥秘；另一方面，对生命过程电子传递的研 究，将为设计和构建仿生传感器，发展与开拓生物电子器件奠定理论基础或提 供设计依据。所以这一领域的研究，为相关领域的科学家所重视，并且已经成 为研究热点。目前表征模拟生物膜体系的手段包括：电化学方法( 伏安法、交 流阻抗法、电容测量法、电化学发光法) ，谱学和现场谱学电化学方法( 紫外一 可见吸收光谱、红外光谱、电喷雾质谱、圆二色光谱) ，以及扫描探针显微镜及 研究生：胡丽娜专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授研究方向：电分析化学 1 第一章液液界面i u 化学及研究进展 其电化学现场检测等。”。 将液液界面作为模拟生物膜，利用电化学方法进行液液界面的研究可以追 溯到本世纪仞。首先，n e r n s l 等人研究了水苯酚界面上电流流动。1 9 0 6 年c r e m e r 指出水油水浓度池与生物膜的类似性以及o s t w a l d 对这方面的研究，使液液界 面作为一个研究生物电势和电流的模型在生理学中得到普及。1 9 3 9 年v e r w e y 和 n i e s s e n 发表了第一篇描述液液界面双电层和电势分布的文章。5 、6 0 年代， g u a s t a l l a 和b l a n k 等对通电时水硝基苯界面上电吸附现象进行了研究。从本世 纪初到6 0 年代术，液液界面电化学的发展很缓慢，这主要是因为人们缺乏对液 液界面的结构及电势分布的了解和认识，以及由于所用有机相的高的阻抗所引 起i r 降带来的获得可靠数据方面的困难。6 0 年代末，法国的g a v a c h 等发现在 定的实验条件下，液液界面类似于金属电极电解质溶液界面可被极化，并用 现代电化学技术，例如，计时电势法对离子在液液界面上的转移过程进行了研 究，采用修饰的v e r w e y - n i e s s e n ( m v n ) 模型对实验结果进行了分析。随后捷克的 k o r y t a 等和s a m e e 等发展了液液界面的相应的理论基础，开创了加速离子在液 液界面上的转移过程的研究，提出了升( 滴) 水电极以及应用四电极恒电位仪来记 录电荷在液液界面上转移反应的循环伏安图，从而克服i r 降的影响。这样，液 液界面电化学在国际上得到了广泛的注意并进行了大量的研究。汪尔康等从 1 9 8 1 年开始在我国率先进行这方面的研究f i 。 液液界面电化学虽说经过近2 0 年的研究和努力，在离子、加速离子和电子 转移反应方面均进行了大量的工作【i 7 - 悖l ，但仍有不少理论和实验问题需要进一 步的研究和解决，特别是有关电荷转移反应动力学理论问题以及反应机理问题 等。应用计算机数值模拟和快速激光光谱等技术对于解决这些问题将有很大的 帮助。这些技术的结合可扩展研究多肽、酶、生物膜等的现场电化学，可研究 电荷在液液界面及修饰的液液界面上的相转移催化反应，抗体与抗原闯的相互 作用等。对于单细胞测量以及分析化学的最终目的单分子的测量有重要的意义。 电子在液液界面上的转移反应的研究比较困难，并且所研究的体系较少。 主要原因是要想观察到电子在液液界面上的转移反应，要求两相中氧化还原电 对的电势相匹配，且有机相中的电对( 或其氧化还原产物) 应很难溶于水相且 不以离子转移通过界面。这样有机相中氧化还原电对的选择比较困难且数目有 研究生：胡丽娜 专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授 研究方向：电分析化学 ， 阳北师范入学烦1 “，：何论文 i i i i i i i i l l t 一i i 叠i i i i ；i 限【1 7 1自从s a m e c 等在1 9 7 9 年发表了第一篇有关屯子在液液界面e 的转移反 应的研究以来，这方面的研究在过去的2 0 年争取得了一些进展。s c h i m i n 等系 统的研究了f f e ( c n ) 6 3 4 4 - a - z k 十h ，有机相中一些含有大的宵秽l 会描化合物，如会 属卟啉等时两相之问的电子转移反应【2 0 1 。k i h a r a 等2 i 也应用电流扫描极谱法研 究了一些体系。虽然在实验上研究电子在液液界面上的转移反应比较困难，合 适的体系较少，但在理论方面的进展还是比较快的，m a r c u s l 6 1 已发表了相应的异 相电子转移反应理论。 目前已采用微管技术，光谱电化学方法，微滴电化学方法，扫描电化学显微 镜( s e c m ) 。薄层循环伏安法( t l c v ) ，二次谐波生成法( s h g ) ，总频率生成法 ( s f g ) ，微液液界面和计算机模拟等手段进行液液界面电化学研究。其中，薄 层循环伏安法( t h i n l a y e rc y c l i cv o l t a m m e t r y ，t l c v ) 是a n s o n 等人于1 9 9 8 年提出来的，是一种研究液液界面上电荷转移过程的新方法1 2 2 0 2 7 1 。它不仅对实 验仪器要求较低，还具有简单、快速、易操作等优点。尤其t l c v 法中有机相 仅需几微升，可以大大减少所需试剂的用量，为一些产率较低的难溶化合物提 供了有利的分析手段。但是，截止目前这种方法还未得到广泛的应用。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 e ，s e c m ) 是b a r d 等人1 2 8 - 3 0 1 借鉴了扫描隧道显微镜( s c a n n i n g t u n n e lm i c r o s c o p e ，s t m ) 的技术原理，结合 超微电极在电化学研究中的优势，于上世纪8 0 年代末提如发展的一种新型的扫 描探针显微镜( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ，s p m ) 技术。s e c m 技术不但可以 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。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。 在我们的研究工作中。针对生化体系，利用t l c v 和先进的s e c m ，不仅进 行了液液界面上电子转移过程的研究，还证实了薄层循环伏安法的实用可靠性。 以上两种方法的实验装置及其工作原理如下所述。 1 2t l c v 的实验装置和工作原理 曼_ i i i e 基皇舅量皇置曼鲁曼皇皇群皇皇皇皇舅奠舅舅皇皇皇| 曼皇曾寰_ 研究生：胡丽娜专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授 研究方向：电分析化学 3 第章液液界面电化学及研究进展 j 2it l c v 的实验装置 t l c v 实验由常规电化学 j 作站完成，电解池具体如图1 1 所打i 。其中二f ：作 电极为环状热解石墨电极( e p g ) ，铂电极作为列电极，a g a g c i ( 饱和氯化钏) 电极为参比电极构建三电极系统。具体操作和数据的采集、分析都通过与工作 站相连的计算机来完成。 r 图1 1t l c v 电解池示意图 f i g 1 3 b l o c kd i a g r a mo f t l c ve l e c t r o c h e m i c a lc e l 1 2 2t l c v 的工作电极( e p g 热解石墨电极) e p g 热解石墨电极是t l c v 实验的重要部件。具体如文献所述【2 2 】，环状热 解石墨电极是由横截面积为o 3 2 e r a 2 的热解石墨棒和外面的聚四氟乙烯热敏收 缩管组成，为了使其具有良好的导电性电极内部的石墨和铜制导线之间由汞滴 连接。最后电极表面还需经过机械刨光。在每一次实验之前，都要用粒径为 o 3 0 p r o 和o 0 5 p m 的三氧化二铝抛光粉先后进行打磨，再用二次水冲洗。氮气吹 干3 0 秒各用。 研究生：胡丽娜 专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授 研究方向：电分析化学 4 曲北师范人宁硕十7 ：何论文 i i i i ii i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i 罩i i i 12 3t i ，c v 的实验原理 在f i n s o n 等人丌创的薄层法中，利用环状热解石墨电极( e p ( j ) 作为工作 电极，通过在e p g 电极表面形成有机相薄层将电极表面和水相隔丌而形成液液 界面，进行模拟生物膜上电荷转移机理及相关动力学过程研究。利用这种方法， 他们不仅对部分常规体系的电子转移过程进行了研究，还对两相离子强度、界 面离子迁移及水相反应物浓度等因素对液液界面上电子转移过程的影响进行 了探讨【2 ”j 。用t l c v 方法研究液液界面上的电子转移，首先要在e p g 电极表 面构筑有机相薄层，即将少量( 几微升) 有机溶剂用微量迸样器滴加到朝上的 电极表面，因为电极表面积较大( 约o 3 2 c m 2 ) 可以使有机溶剂在电极表面自然 铺展丌，形成有机相薄层。然后将电极朝下插入到事先准备好的水溶液中，e p g 电极上的有机相薄层可以将电极表面和水相隔开，在不相溶的有机相和水相之 间形成液液界面。并且可以通过事先在有机相和水相中分别添加的相应氧化还 原性物质，利用循环伏安法( c v ) 进行检测，研究界面上的电荷转移机理及动 力学过程。e p g 三电极系统不但具有简单、快速、易操作等优点，还因为工作 电极表面积较大，形成薄层较薄，所以在电极反应过程可以忽略边缘效应及有 机相的i r 降对液，液界面电荷转移过程的影响，可大大简化研究过程。另外， t l c v 也可以作为其它研究方法的辅助性手段，进行界面反应机理的研究。 t l c v 的具体实验过程分为以下四个步骤( 在所有过程中参比电极和对电极 均置于水相中) ：( 1 ) 用e p g 工作电极测定水相反应物的循环伏安图，确定水相 反应物的氧化还原半波电位( 即水相反应的表观电位) ：( 2 ) 在工作电极上加入 有机相薄层( 此时薄层中不含有机相反应物) ，水相含有相应的氧化还原电对， 作循环伏安图，观察有机相薄层是否将e p g 电极表面与水相隔开( 如果薄层已 完全覆盖电极表面，则在c v 图上观察不到水相反应物的氧化还原峰。c v 图的 氧化电流和还原电流平行) ，说明薄层已经成功的挂在工作电极表面，并且可以 阻断水相反应物到达电极表面；( 3 ) 事先在有机相中加入相应的反应物及支持 电解质，将其引入电极表面形成薄层。与上一步不同，水相不含反应物只含 有支持电解质。此时的c v 图上将出现属于有机相反应物的氧化还原峰，由此可 以确定有机相反应物的氧化还原电位。与第一步相比，它们的参比电极和对电 ! ! _ _ i e i ! ! ! e ! _ 研究生：胡丽娜专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授 研究方向：电分析化学 5 第一章液液界面【u 化学及研究进展 极都位于水相中，所以第三步所测的电位实际上己包含了液液界面电位差。比 较第一步和第三步所得的c v 图，如果相对于两桐反应物的半反应形成的界面反 应，具有较高的电位差，则界面反应可以发生。界面反应方程如下式所示： 0 1 ( o ) + r 2 ( w ) 二二 r i ( o ) + 0 2 ( w )( 1 1 ) 式中括号罩面的o 和w 分别代表有机相和水相，下标l 和2 分别代表有机相和 水相中的反应物，o 和r 分别代表氧化念和还原态物质，t i e 为界面反应过程中 迁移的电子数。具体界面上的电子转移过程可通过下面步骤观察，( 4 ) 在两相 中都加入相应的反应物( 有机相反应物浓度恒定，水相反应物浓度不断变化) 。 我们会发现对应于有机相反应物的出峰位置，将出现平台电流( 对应不同的研 究体系，平台电流可能出现在氧化峰的位置，也可能出现在还原峰的位置) ，这 说明界面反应发生，有机相中某种价态的反应物浓度恒定，薄层中出现了循环 过程( 具体见图1 1 ) 。实现了由有机相反应物扩散控制的界面反应( 一般认为 反应物在不同价态时的扩散系数相同) ，丽且随着水相反应物浓度的增加，平台 电流也会不断变大。最后，读取平台电流值，经过一系列数据处理，就可以得 到电子在界面上的迁移速率常数，进一步探讨反应物结构对液液界面上电子转 移过程的影响。 1 2 4t l c v 的定量分析理论 t l c v 在探讨液液界面上电子转移理论方面已具有一定的定量分析理论基 础【2 3 粕】，可以计算相应的电子迁移速率常数： ( 站如) 1 = ( i o ) “+ ( 如) 。( 1 - 2 ) d = n f a c u s d , v b 巧 ( 1 3 ) i k = n f a k c n 8 ch 2 。 ( 1 4 ) 式中如如是平台电流，抽是n b 薄层中由f c 扩散控制的扩散电流。瑶是两相间反 应的动力学电流，n 是反应过程中的电子数，f 是法拉第常数，a 是e p g 电极面 积，d n b 是n b 相中反应物的扩散系数，6 是n b 薄层厚度，c + n b 和c + h 2 0 分别 研究生：胡丽娜 专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授 研究方向：电分析化学 6 曲j 匕师范人学硕 。节伸论文 i i 宣i i i i 葺i i i 宣i i i i i i i 鼍宣i i 薯i i 嗣 m li 宣i i i i i i i i 萄 为n b 相与水相中反应物的本体浓度，k 是双分子速率常数。将1 3 式和l4 式 代入式1 ，2 就可得到下式： ( ) 一1 = 6 ( n f a c + n b d n s ) + ( n f a ( ；* n b ) ( ，肿) - i k 。1 ( 1 5 ) 将( j 。曲一。( 即平台电流的倒数值) 与对应【c h 2 0 ) - 1 ( 水相反应物浓度的倒数值) 作图，再通过线性拟合，根据拟合斜率( n f a c + n b k “) 就可以计算研究体系中液 液界面上的电子转移速率常数k 。 1 3s e c m 的实验装置和工作原理 1 3 1s 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 2 ) 。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l “m 的探头在浓度为1 1 0 。 m 0 1 l i 的典型氧化还原中介体( d = 5 1 0 。6c m 2s 。) 中的扩散控制电流为2 0 0 p a ， 要测量如此小的电流，必须要求双恒电位仪的性能符合要求。仪器的操作和数 据的采集、分析都通过与仪器相连的计算机来完成。 i 3 2s e c m 的探头 s e c m 实验所得信息与所用探头大小和类型密切相关，s e c m 探头就是电化 学研究中常用的超微电极( u m e ) 和离子选择性微电极。迄今为止，最常用的 还是用各种金属或碳纤维制作的s e c m 伏安式探头，这样就限制了s e c m 技术 仅可用于有电活性样品的研究中，所以为了检测与生命过程密切相关的非电活 性离子物质，如c l 、n h 4 + 等，人们又制作了以微米管为基础的电位式的离子选 择性微电极。最早使用的s e c m 探头都是微米级的，随着电极制作和加工技术 的不断提高，微电极的半径越来越小川。为了满足各种目的的分析测试需要， - _ ii i ! 目目 研究生：胡丽娜 专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授研究方向：电分析化学 7 第一章液液界而l b 化学及研究进展 分析化学工作者制备了各种只有特殊功能的微电极并应用到包括s e c m 住内的 图1 2s e c m 仪器装置示意图 f i g 1 , 2 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 各种电化学技术中3 2 j 3 1 。超微电极的应用，使得各种电化学方法的测量灵敏度得 到了极大地提高。 1 3 3s e c m 的工作原理 s e c m 是一种分辨率介于普通光学显微镜和s t m 之间的电化学现场检测 技术。在过去的十几年中s e c m 得到了迅速的发展，已有大量的有关s e c m 在 电化学测量，各种表面、界面的表征与微区加工以及快速反应动力学研究等方 面的报道。s e c m 具有多种不同的操作模式，如，电流反馈模式、产生收集模 式、穿透模式等，具体见图1 3 。 研究生：胡丽娜专业：分析化学 导师：卢小泉教授康敬万教授研究方向，电分析化学 8 前北师范人学硕十学位论文 5 e q u i l i b r i * a mp e n u r b a t i o n 6 p o t e n t i o m e i r i cd e t e c t i o n 图1 3s e c m 操作模式示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f s e v e r a lt y p e so f s e c me x p e r i m e n t 1 33 1 电流反馈模式( f e e d b a c k ) 电流反馈模式的基本过程如图1 4 所示。在电流反馈模式中，s e c m 的探头 插入含有电活性中介体( 如，还原型，r ) 的溶液中，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1 3 4 l ： r n e 一0 ( t i p ) ( 1 6 ) 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( 图1 4 a ) ，探 头上的稳态扩散电流( 又称为极限电流) 可由下式计算： i t ，。24 n f d c a( 1 7 ) 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， 口为探头的半径，m 表示探头与基底间距离很大( 一般为探头直径的几倍) 。式 ( 1 7 ) 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，因为 圆盘电极的灵敏性非常好，且极限电流受微电极绝缘外套的半径( k ) 影响不大。 当探头不断靠近基底时，探头上的电流i t 将随基底性质的不同而发生改变，如 研究生：胡丽娜 专业：分析化学 导师：卢小泉教授 康敬万教授 研究方向：电分析化学 9 第一章液液界面电化学及研究进展 超微探头( u m e )超微探头( u m e ) 超微搛头( u m e ) r 扩散导体基底 ( a ) 探头在本体溶液中( b ) 正反馈 f t h 一 绝缘基底 ( c ) 负反馈 f t i t 。，出现难反馈”现象 ( 图1 4 b ) a 反之，若基底是绝缘体则f t 随探头靠近基底而减小，即t 6 。， 出现“负反馈”现象( 图1 4 c ) 。 图1 5 s e c m 的典型反馈曲线：( a ) 止反馈曲线( b ) 负反馈曲线 f i g 1 5f e e d b a c kc u i v e so fs e c mo p e r a t i o n ( a ) t h ep o s i t i v ec u w ea n d ( b ) t h en e g a t i v ec u w e ，、i一 if|些 ；，一 量i监 、 阿北师范人学硕十学佗论文 对于导体基底和绝缘基底得到的典型s e c m 反馈曲线如图】5 所示，具体蹿为了f ： 反馈曲线，b 为负反馈曲线。其中纵坐标为归一化电流i t ( i - r i t 。) ，横坐标为 归化距离l ( d ( d 为探头与基底之间的距离) 。从这些曲线中，可以发现h i 与a 之问的关系。而