（环境科学专业论文）金属酞菁聚合膜化学传感器及其环境监测应用研究.pdf

北京工业大学工学硕士学位论文 地消除生物样品中常见的物质，如抗坏血酸、尿酸、亚硝酸根等，对一氧化氮测 定的干扰。 4 将乙酰胆碱酯酶( a c h e ) 和胆碱氧化酶( c h o ) 通过交联的方法固定在 p - n i t a p c 修饰电极上，制各了测定有机磷农药的新型生物传感器，该生物传感 器对于对硫磷的响应灵敏，在1 0 1 0 k 1 o 1 0 。4 m o l l 范围内，对硫磷对乙酰胆 碱酯酶的百分抑制率与其浓度的对数值具有良好的线性关系，线性相关系数为 o 9 9 4 1 ，测定对硫磷的检测限达6 5 x1 0 一m o l l ，该传感器在检测蔬菜、水果等农 产品中残留有机磷农药方面有着良好的应用前景。 关键词亚硝酸：一氧化氮；有机磷农药；修饰电极；传感器 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i c h e m i c a ls e n s o rw a s w i d e l yu s e di nt h ed e t e c t i o no fp o l l u t a n t s r e c e n t l y t h e r ea r em a n y r e p o r t sa b o u r te l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r sb a s e do nc 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 sm e t a lt e t r a a m i n o p h t h a l o c y a n i n e ( m t a p c ) p o s s e s s e ss t a b l ec h e m i c a l p r o p e r t i e st h a tc a nr e s i s tt h ee r o s i o no fa c i d ，a l k a l i ，a n dm a n y o r g a n i cs o l v e n t s a st h e a r o m a t i ct i n g sc a nn o to n l yp r o v i d ee l e c t r o n sb u ta l s oa c c e p te l e c t r o n s ，t h u sm e t a l p h t h a l o c y a n i n e i sa ne x c e l l e n t e l e c t r o c a t a l y s t n i c k e l t e t r a a m i n o p h t h a l o c y a n i n e ( n i t a p c ) a n dc o p p e rt e t r a a m i n o p h t h a l o c y a n i n e ( c u t a p c ) w e r er e s p e c t i v e l ye l e c t r o p o l y m e r i z e do nt h es u r f a c eo fg l a s s y c a r b o ne l e c t r o d e st op r e p a r ep o l y m e r i ct e t r a a m i n o p h t h a l o c y a t a n o n i c k e l ( p - n i t a p c ) o rp o l y m e r i ct e t r a a m i n o p h t h a t a n o c o p p e r ( p c u t a p c ) m o d i f i e de l e c t r o d e s i na d d i t i o n ， b a s e do nt h eg o o de l e c t r o c a t a l y t i cp r o p e r t i e so f p h o s p h o t u n g s t i ca c i da n dt h eg o o d c o n d u c t i v i t yp r o p e r t i e s o f p o l y p y r r o l e ，t h ep h o s p h o t u n g s t i ca c i d p o l y p y r r o l e ( p w l 2 p p y ) m o d i f i e de l e c t r o d e sw e r e m a d e i t ss t u d i e dt h a t p - n i t a p cm 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 s w e r eu s e da s a m p e r o m e t r i cs e n s o r sf o rd e t e c t i n gn i t r i t e ( n 0 2 ) p - n i t a p c ，p c u t a p c o rp w l 2 p p y m o d i f i e d g l a s s y c a r b o ne l e c t r o d e sw e r e r e s p e c t i v e l y u s e da st h es e n s o r sf o r d e t e r m i n a t i o nn i t r i co x i d e ( n 0 ) a f t et h e yw e r ef u r t h e rm o d i f i e dw i t l ln a t i o n a tl a s t ， t h eb i o s e n s o r sb a s e do nd o u b l e e n z y m e ( c h o l i n e o x i d a s ea n d c h o l i n e s t e r a s e ) e l e c t r o d e sf o ro r g a n o p h o r o u sp e s t i c i d e sd e t e r m i n a t i o n 啪a l s os t u d i e d t h e r ea r ef o u rs e c t i o n si nt h i sp a p e ra sb e l o w ： 1 t h e a p p l i c a t i o n s o fc h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e si nt h e a n a l y s i s o f p h a r m a c e u t i c a l b i o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a ls a m p l e se t c w e r er e v i e w e d t h e r e c e n t r e a s e r c h p r o g r e s so fn 0 2 a n dn o d e t e r m i n a t i o nw a sd i s c u s s e d i na d d i t i o n ，t h e p r o g r e s sa n da p p l i c a t i o n so f b i o s e n s o r sf o ro r g a n o p h o r o u sp e s t i c i d ed e t e c t i o nw e r e a l s or e v i e w e d 2 ag l a s s yc a r b o ne l e c t r o d em o d i f i e dw i t h e l e c t r o p o l y m e r i z e d t e t r a a m i n o - p h t h a l o c y a n a t o n i c k l e ( n i t a p c ) c a nb e u s e dt od e t e c tn i t r i t e 1 1 圮m e c h a n i s mo f e l e c t r o c a t a l y s i so nt h es u r f a c eo f t h ee l e c t r o d ew a sd i s c u s s e d i tw a sf o u n dt h a tt h e s e n s o re x h i b i t e df a s t r e s p o n dt o w a r dn i t r i t e t h e d e t e r m i n a t i o nc o n d i t i o n sw e r e o p t i m i z e d v b r h e nd i f f e r e n t i a lp u l s ea m p e r o m e t r yw a sa p p l i e d ，t h el i n e a rr a n g eo f t h e 北京工业大学工学硕士学位论文 s e n s o rd e t e c t i o nn i t r i t ew a sf r o m5 1 0 “t o8 x 1 0 3 m o l l w i t hac o r r e l a t i o nt o e m c i e n t o fo 9 9 9 2a n dad e t e c t i o nl i m i to f1 1 0 m o l l t h e i n f l u e n c e so fc o m l n o n i n t e r f e r e n t i a l i o n so nt h ed e t e r m i n a t i o no fn i t r i t ew e r ei n v e s t i g a t e d n l ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dw a s a p p l i c a b l et ot h ed e t e c t i o no f n i t r i t ei n r e a ls a m p l e s s a t i s f a c t o r yr e s u l t sw e r eo b t a i n e d 3 t h r e ed i f f e r e n tm o d i f i e d e l e c t r o d e s ( n a f i o r d p - n i t a p c g c ，n a f i o r d p c u t a p c g c ，n a t i o n p w l 2 p p y o c ) f o r s e l e c t i v ed e t e r m i n a t i o no fn i t r i c o x i d e ( n o ) i n a q u e o u ss o l u t i o na n db i o l o g i c a ls a m p l e sw e r ep r e p a r e d 1 1 1 er e s p o n s em e c h a n i s m w e r et e n t a t i v e l ys t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d i f i e de l e c t r o d e sp o s s e s s e d h i g hs e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yf o r n od e t e r m i n a t i o n t h en a t i o nm e m b r a n em o d i f i e d o nt h es u r f a c eo fe l e c t r o c a t a l y s tc o u l de f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei n f e r e n c e sf r o m c o m m o n s p e c i e si nb i o l o g i c a ls a m p l e s s u c ha sa s c o r b a t e u r i ca c i da n dn i t r i t e 4 ，an o v e lb i o s e n s o rf o ro r g a n o p h s p h o r u sp e s t i c i d e sh a sb e e nd e v e l o p e db y i m m o b i l i z e da c e t ) ，l c h o l i n e s t e r a s e ( a c h e ) a n dc h o l i n eo x i d a s e ( c h o x ) o nt h es u r f a c e o fp - n i t a p cm o d i f i e de l e c t r o d e sv i ac r o s s - l i n k i n gm e t h o d n 伦r e s p o n s eo ft h e b i o s e n s o rt op a r a t h i o ni ss e n s i t i v e ，i nt h er a n g eo f1 o x l o s 1 o x l o - 4m o l l ，t h e p e r c e n t a g ei n h i b i t i o no fp a r a t h i o nt o w a r d sa c l l e i sl i n e a r l yr e l a t e st ot h el o g a r i t h m i c v a l u e so fp a r a t h i o nc o n c e n t r a t i o nw i t hac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f0 9 9 4 1 a n da d e t e c t i o nl i m i to f6 5 1 0 4m o l l t h es e n s o rp o s s e s s e sg o o dp r o s p e c t s i nt h e a p p l i c a t i o n so fd e t e c t i n gt h er e s i d u e o fo p p e s t i c i d e si na g r i c u l t u r a lp r o d u c t s s u c ha s v e g e t a b l e s o rf r u i t se t c k e y w o r dn i t r i t e ；n i t r i co x i d e ；o r g a n o p h o s p h r o u sp e s t i c i d e s ；m o d i f i e d e l e c t r o d e s ；s e n s o r s - 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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 繇避脚鳓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名导师签名：扇塾筮日期：坐r 7 第1 章绪论 第1 章绪论 随着现代科学技术的飞速发展，为了将化学信息转变成可测量的光、电、声 等信号，分析工作者综合物理、化学、生物、材料、计算机等多学科成果，研制 出各种类型的传感器。化学传感器已经得到越来越广泛的应用，分别成为化学、 生物学、环境科学、药学等各领域快速、简便检测各种化学物质的手段。 电化学传感器又是应用最为广泛的化学传感器之一，它主要由识别待测物的 敏感膜和将待测物的浓度转化为电信号的电化学转换器两部分组成，它是根据被 测物质在电池中引起的电化学信号的改变而反映物质浓度的方法。根据产生的电 信号类别，可将其分为电流型和电位型两大类。电流型传感器主要基于探测生物 识别或化学反应中的电活性物质，通过固定工作电极的电位给电活性的电子转移 反应提供驱动力，探测电流随时间的变化，该电流直接反映了电子转移反应的速 度，反映了生物分子识别的速度，即该电流正比于待测物质的浓度。电位型传感器 将生物识别反应转换为电信号，该信号与生物识别反应过程中产生或消耗的活性 物质浓度对数成正比，从而与待测物质浓度的对数成正比。电位型离子选择电极 的离子选择性渗透导电膜可设计成使特测离子产生电位信号的敏感膜，测试在电 流为零的条件下进行。 电化学分析技术已越来越引起分析工作者的重视，而其中的电化学传感器由 于在生物医学、环境分析领域中的广泛应用，已成为当前电化学研究的热点。开 发便携式的、适用于现场检测和便于操作的检测仪器是我们的主要目标。 提高化学传感器的选择性是化学传感器研究最为关键的技术，而寻找新的具 有高选择性的分子识别载体成为现代分析化学的一大热点，聚合金属酞菁是一种 具有催化活性的大分子环状化合物，它能催化具有氧化还原活性的基团，本文利 用聚合金属酞菁的这种性质，分别研究了将其用于制备对n 0 2 ，n o 和有机磷农 药有响应电化学传感器的制备。 1 1 化学修饰电极的应用进展 在电分析化学中，电化学研究中所用的工作电极一般是汞、贵金属和石墨电 极等，一般的电极反应都是电极与溶液界面发生电子转移的非均相反应，只有电 北京工业大学工学硕士学位论文 子授受的单一作用，溶液中大多数离子在电极上转移的速度较慢。在伏安研究中， 传统的电极常遇到的问题是，由于电极表面活性的改变，使测得的电流随时间 增长而变小。如何使电极能够有选择性地进行所期望的反应，并提供更快的反应 速度，一直是电化学工作者所期望解决的问题。化学修饰电极是通过化学修饰的 方法在电极表面进行分子设计，有目的地将具有功能性( 如：催化、配合、电色、 光电等) 和优良性质的分子、离子、聚合物引入电极表面，使之形成某种具有特 别功能的结构，从而使之成为具有特定功能和特定化学和电化学性质的电极。由 于电化学反应一般是在电极表面附近进行的，因此电极表面的性能在应用中是极 为关键的因素，现在的电极材料非常有限，如何改善现有电极的表面性能，使电 极获得化学工作者期望的性能，成了各电化学研究人员的感兴趣的课题。电极经 化学修饰后，不仅能作为一般的电位或者电流传感器，而且将化学修饰应用于固 定酶电极中也能扩展它们的应用范围，这对于提高传感器的灵敏度和选择性都是 很有效的。 化学修饰电极用于电化学传感器的报道很多。电化学传感器依修饰物的性质 可分为两大类，聚合物薄膜传感器和生物传感器。现已知道离子选择电极中存在 的许多问题的引起是与离子进出电极膜的过程有关，利用化学修饰电极表面上的 微结构所提供的多种能利用的势场，使待测物进行有效的分离富集，并借助控制 电极电位，进一步提高分析测定的选择性，同时把测定方法的灵敏性和修饰化学 反应的选择性相结合，成为分离、富集和选择性合三者为一的理想体系，化学修 饰电极上的膜一般很薄，故具有上述特点。另一方面聚合物薄膜是通过有相当 强度的作用力固定在电极表面上的，所以修饰物不容易损失，故其重现性以及寿 命都比较理想，而且抗干扰性好，制备使用方便，很适于生物体液中物质的测定。 基于上述特点，化学修饰电极被广泛用于分析化学、药物分析、生物样品分析、 食品分析及环境监测等各个领域中。 1 1 1 化学修饰电极( c m e ) 在分析化学中的应用 c m e 用于分析化学中，在提高选择性和灵敏度方面具有独特的优越性，其 在分析化学中有多方面的应用，包括电催化、选择性渗透、选择性富集分离以及 电化学传感器。 1 1 1 1 电催化电催化是c m e 研究中的一个热点，利用一些电活性物质中具 - 2 一 第1 章绪论 有的催化功能，通过共价键或吸附等作用力将其固定在电极的表面上，能催化溶 液中发生的某些反应，从而间接测定溶液中被测定催化物的含量。董绍俊和金 利通”1 都分别详细介绍了电催化模型及其重要性。化学修饰电极的电催化作用用 于分析化学通常具有以下功能：降低基底物质的过电位：减小可能物质和背景的 干扰；增大被测物质的响应电流；防止杂质或生成物在电极表面的吸附。表卜l 列举了近些年来化学修饰电极在电催化方面的应用实例。 表卜1 化学修饰电极在电催化方面的应用实例 t a b i e i ie x a m p l e so f m o d i f i e de l e c t r o d e si ne l c t r o c a t a l y s i sa p p l i c a t i o n 待测物电极组成表面反应机理作用文献 0 2c o p c ( c o n ) 4 一p a g c催化还原降低峰电位，增大峰 卯 电流 血红蛋白甲基胺蓝石墨催化还原增大可逆性 4 1 卤代乙酸n i p c d d a b 石墨催化还原降低过电位 5 n a d + n q s p p y a u催化还原增加可逆性 6 n a d h 邻苯二酚紫石墨催化氧化增大峰电流 7 h c 0 0 h p a n ( p d ) g c 催化氧化协同催化氧化 8 1 n on a f i o n c o t a p c g c 催化氧化增大峰电流，降低峰 r g 电位 a h 2p e d t p t催化氧化增大氧化峰电流 t o 1 1 1 2 选择性渗透通过电极表面修饰膜的作用，电极表面与溶液隔开，使某 种分子或离子有选择性地透过孔膜，从而起到“分子筛”的作用，它主要是由于 溶液中分子或离子的大小、荷电、空间结构等的差异而在修饰膜上分离的。对于 共价聚合，电聚合及等离子体聚合的膜，离子的透过主要取决于其体积的大小。 而离子交换型的聚合物膜，离子的透过主要取决于其所带的电性。故选择合适的 膜可以使干扰物质阻隔在膜外，还能提高被测物在膜中快速扩散。表卜2 列出了 化学修饰膜在选择性渗透应用方面的实例。 北京工业大学工学硕士学位论文 表卜2 化学修饰膜在选择性渗透应用方面的实例 t a b l e l - 2t h e e x a m p l eo f m o d i f i e de l e c t r o d e si np e r m s e l e c t i v i t y 被测物电极涂层文献 甘油三酯 p v c 1 1 痕量金属 n a f i o n 1 2 i 抗坏血酸、尿酸聚乙烯吡啶 13 有机物水解的醋酸纤维膜( c a ) 1 4 d a c a n a f i o n 1 5 n 0n a f i o n c u t a p c 1 6 f e ( c n ) 6 3 c a p v p 1 7 1 1 1 3 选择性富集通过修饰电极表面的静电作用，对荷电相反的离子吸引或 者待测离子与修饰表面发生配位等而达到富集的效果。由于大多数用来修饰的有 机试剂为配合剂，通过配合剂的选择可对溶液中的组分进行选择性的富集，从而 大大提高测定的灵敏度。电极表面接着的活性基团与溶液中的待测物有四种相互 作用： 离子交换作用； 配位作用； 离子交换一配位协同作用，即可以将某些配位剂与离子交换剂混合制成 修饰剂，也可以利用溶液中的协同配位作用： 选择性吸附。 正是由于这些作用力，才使得化学修饰电极表面具有选择性富集作用。阳离 子交换剂n a i l o n 膜由于其化学和热稳定性好，常用于分析应用。”1 ，n a t i o n 是一 种磺酸基化的离聚体，起离子交换作用的是磺酸基团，形成亲水基团，而氟碳骨 架部分形成了憎水基团，正是由于这种结构的关系，其对阳离子的选择性特别高， 并且结合牢固。 同理。选择对阴离子有配合能力的修饰物，也可以用来富集分析试样中的阴 离子。常见的阴离子交换剂有聚4 一乙烯吡啶，季碱化聚乙烯吡啶等，它们在酸 性溶液中发生质子化而吸引溶液中的阴离子啪2 “。 第】章绪论 1 1 1 4 电化学传感器经过化学修饰的电极，既可以用作一般的电位型或者电 流型传感器，也可以将化学修饰方法应用于离子敏感场效应( i s f e t ) 及固定酶 电极中，从而扩大了他们的应用范围，这就大大提高了传感器的灵敏度及选择性。 通常依化学修饰膜的性质，电化学传感器可以分为聚合薄膜型传感器和生物传感 器，聚合物薄膜化学修饰传感器作为电位传感器的特点可以归结为：响应时间快、 无记忆效应、洗涤平衡时间短、检测下限低，这与修饰膜的厚度有直接关系。另 一方面，聚合物薄膜通过化学或物理的作用力牢固地嵌在电极表面上，不容易发 生活性的流失，故其重现能力好，电极寿命长，而且还有抗干扰、制备和使用方 便等优点，很适于生物体液内一些电活性物质的测定。 在聚合物薄膜化学修饰的电位传感器中研究最多的是p h 传感器，1 9 8 0 年 h e i n e m a n 等乜23 首先报道用电化学聚合的聚( 1 ，2 一二氨基苯) 修饰铂电极可用 作p h 传感器，修饰后的电极在p h4 l o 之间几乎成能斯特响应，斜率为5 3 m v ， 线性相关系数为0 9 9 1 。由于电极表面聚合物胺链中的质子化作用，修饰电极对 不同p h 值的溶液有不同的电位响应，从而可以间接测定溶液的p h 。王升富等” 采用动电位静电吸附法制备t k e g g i n 型磷钼杂多酸一一半胱氨酸自组装超分子 膜修饰金电极( p m o l 2 - l 。c y s a u 膜电极) ，与溶液中p m 0 1 2 0 4 0 孓相比，超分子膜 能在较宽的p h 范围内稳定存在，并对一有灵敏的电位响应，可以作为测定了p h 的敏感膜电位传感器。金利通等“4 3 以二氨基联苯、8 一羟基喹啉为电化学氧化聚 合膜制成电位传感器，在p hl 1 2 及4 5 1 3 的范围内有良好的线性关系，发现 用修饰后的电极所得的酸碱滴定曲线与玻璃电极相似，计量点相同，并且抗氧化 还原物质干扰的能力比未修饰电极有了很大的改进。i - s t a t 公司生产的便携式 血气分析仪，采用一次性集成生物传感器芯片可对血液中血气( c 0 2 ，p 0 2 ，p h ， n a + k + c l 等) 进行检测，取样量为1 0 0 l 全血，由于价格昂贵，市场仅限于医 院生化实验室“。化学修饰电极对金属离子的测定有着特殊的功能，并且这种 功能在实际应用中愈来愈广泛。特别在金属离子f e 2 + 、c u 2 + 、m 9 2 + 、p b 2 + 、c d 2 + 、 a u + 分析测定中有了很大发展。赵凯元等啪1 以卜( 2 一吡啶偶氮) 一2 苯酚( p a n ) 为修饰剂，制备了铅笔修饰电极，用该电极可以测定头发中微量元素铜，因其对 c u 2 + 有富集作用，并且铜在该电极上的阳极溶出峰电流与铜浓度呈线性关系，可 用来定量测定微量铜。魏小平等则以吡咯烷二代氨基甲酸盐作为修饰剂，制 备了碳糊修饰电极( a p d c ) ，该电极在p h 值为2 5 n i - h s 0 4 淫i 液中，铜离子的浓 5 北京工业大学工学硕士学位论文 度与其响应的有线性关系，故可作为铜离子的电位传感器而用于铜离子的测定。 用：j z p b ”测定的化学修饰电极也有很多报道，常用的化学修饰剂有卟啉，壳聚糖 修饰电极，用这些电极测定工厂排放水的测定结果表明有较强的抗干扰能力。例 如，杨天鸣等”制备t p v c 膜粉末微电极，可以用来测定自来水中的铅，具有性 能稳定，使用寿命长，运用电位范围宽，选择性好等优良特点，具有一定的实用 价值和应用前景。 近年来，分子筛修饰电极的研究引起人们广泛的关注。分子筛是一种电绝缘 体类物质，因此通常将分子筛与导电碳粉等混合而制备修饰电极。姜明霞o 1 等 用分子筛单独作为修饰电极的修饰材料，分别制得了m c m 一4 1 分子筛修饰电极 和聚苯胺分子筛修饰电极，前者对f e ( i i ) 和c a 的1 ，1 0 一氮杂菲的配合物有 较好的响应，后者用于测定溶液中的c d 2 + 和抗坏血酸。周益明等o o 则以1 3 x 型 分子筛修饰的玻碳电极用于测定水溶液中f e ( i i ) 时，取得了较好的效果。阳明 福等”3 以聚苯并眯唑修饰电极( p b i ) 为工作电极，把微分方法用于溶出伏安分 析，不仅拓宽了p b i 修饰电极的应用范围，用该电极测定水溶液中的铁含量时， 灵敏度也大大提高。化学修饰电极对其它离子的测定应用也较多，如8 一羟基喹 啉合镁碳糊修饰电极，可用于测定水泥熟料中m 孑+ 的测定，以脱乙酰壳多糖化 学修饰电极作为工作电极，可以测定未经分离的矿样中金的含量，聚吡咯肝素共 聚膜修饰电极则可用于儿童头发样品中钙的测定。 近年来，在化学修饰电极表面上固定酶的方法发展很快，在电极的表面顶端 紧贴一层酶膜就可以制成酶电极，溶液中的待测物质通过扩散进入酶膜，发生酶 促反应，产生或消耗一种电活性物质，这种物质与待铡物之间具有严格的化学计 量关系。电活性物质的产生或消耗由电极来检验。根据输出信号的异同，1 电极 可分为电流型和电位型二种，前者输出电流，后者输出电压，电流和电压的变化 与电活性物质的浓度相关，固定化酶电极具有可重复使用、稳定、选择性好、p h 范围宽等特点。酶电极的工作原理如图卜1 所示，直接在0 2 、c 0 2 或n h 3 等分 子选择性电极上涂覆一层稳定的固定化酶后，当被测物扩散至酶层时，便被转化 为产物并吸收或放出0 2 、c 0 2 或n h 3 等，这样就可被适当的离子选择性电极进 行电位和电流测定。固定化酶电极也可用共价键合法将酶键合在电极表面上，或 者通过物理的方法将酶固定在惰性基体中再覆于电极上。生物传感器是应用化学 和生物反应产生的各种信息( 电信息，包括电位、电流、电导) 而设计的各种精 喜 第l 章绪论 密而灵敏的检测装置。 电活绦袖质 图1 1 酶电极工作原理示意图 f i g 1 - 1s c h e m e o f t h e p r i n c i p l eo f e n z y m e e l e c t r o d e s 生物传感器自6 0 年代问世以来，由于化学、电子学和微电子学的不断融合渗 透，化学和生物传感器的功能已发展到活体测定、多指标测量和联机在线测定， 检测对象包括成百上千中化学物质，在临床医学、发酵、食品、化工和环保等方 面显示了广泛的应用前景。最早研究的酶电极传感器是检测葡萄糖传感器，在葡 萄糖氧化酶的催化下，f o u l d 平1 l o w e “3 3 最早提出用电化学聚合毗咯来固定葡萄糖 氧化酶，在这一基础上，为了提高传感器的灵敏度，可先在玻碳电极电镀一层铂 黑，以增加比表面，然后再用含有葡萄糖氧化酶和单体邻氨基苯酚的磷酸盐缓冲 溶液为电解液，进行电化学聚合，生成的电聚合高分子膜包埋着丰富的葡萄糖氧 化酶，这样就大大提高了检测葡萄糖的灵敏度，能检出低至5 o x l o 。m o l l 的葡萄 糖。李瑛等1 首次以碳糊为固定化载体，将g o d 固定在碳糊电极上，制成了光导 纤维电化学发光葡萄糖生物传感器。葡萄糖的酶催化反应、鲁米诺的电化学氧化 和化学发光反应可以在电极表面同时发生。该传感器制作简单，响应时间仅为 l o s ，线性范围宽，葡萄糖浓度在1 o 1 0 2 0 1 0 2 m o l l 范围内与发光强度里 线性关系，检出限为6 4 1 0 m o l l ，可应用于市售饮料中葡萄糖的测定。葡萄糖 在葡萄糖氧化酶( g o d ) 的作用下发生如下反应： c 6 h 1 2 0 6 + 0 2 _ c 6 h 1 2 u 6 0 + h 2 0 2 o - d 根据0 2 的消耗和h 2 0 2 的生成而产生的电流变化，可用来间接测量生物体内 葡萄糖的含量。邓家祺”1 等用分子筛将葡萄糖氧化酶固定在工作电极上，方法如 下：把分子筛用聚乙烯醇调制成浆状物，滴加在基础电极的表面，然后再将电极 镳哦h隅附饿槲隹懈 待测狲和底液 北京工业大学工学硕士学位论文 浸入含有葡萄糖氧化酶的溶液中，让其自行饱和，这样就制得葡萄糖传感器。由 于不再使用生物试剂来固定酶，不仅简化了制备的工艺，而且传感器的寿命也很 长。 辣根过氧化酶( 简称h r p ) 是商品化较早、应用最广泛的一种酶制剂。 g u i l b a u l t 小组。”对h r p 进行了深入研究，并利用其催化反应体系，测定了临床 化学中的过氧化氢，进而与多种氧化酶联用，测定了葡萄糖、胆固醇、尿酸等多 种人体内总要的有机物质和无机物质。 y a c y n y c h ”等在碳电极上利用三氯一s 一三嚷共价键合了l 氨基酸氧化酶， 制成酶修饰的氨基酸电位传感器。该修饰电极对1o - 2 1 0 m o l l 的一苯基丙氨 酸、l 一蛋氨酸、l 一亮氨酸有较好的响应，斜率为1 4 2 9m v ，而对d 一苯基丙 氨酸和l 一甘氨酸则无响应，这是由于酶反应产生的h 2 0 2 与电极上不同表面功 能团相互作用而产生的电位响应。 胆固醇在胆固醇酶催化下可迅速被氧化，因此只要把固定了胆固醇氧化酶的 膜与氧电极结合即组成胆固醇传感器，可用于医学临床中分析胆固醇，其发生的 反应如下： 胆固醇+ 0 2 胆甾烯酮+ h 2 0 2 ( 1 - 2 ) 表卜3 常见的一些酶传感器 t a b l e l - 3e x a m p l e so f e n z y m es e n s o r 测定对象酶检测电极 葡萄糖乳酸脱氢酶 0 2 ，h 2 0 2 ，1 2 ，p h 尿素脲酶 n h s ，c 0 2 ，p h 尿酸尿酸酶0 2 乳酸乳酸氧化酶0 2 青霉素青霉素酶p h 儿茶酚儿茶酚一1 ，2 - 力1 ：i 氧酶0 2 电极 丙酮酸丙酮酸氧化酶0 2 电极 醋酸乙醇氧化酶0 2 电极 - s - 第1 章绪论 1 1 2 化学修饰电极在药物分析中的应用 化学修饰电极在药物分析中研究最多的是对抗坏血酸的测定。研制的修饰电 极有二茂铁修饰青椒籽碳糊电极、四氰基醌二甲烷修饰碳糊电极、钴一5 ，1 0 ， 1 5 ，2 0 一四( 3 一甲氧基一4 一羟基苯基) 卟啉修饰玻碳电极、聚吡咯碳糊电极、聚 血红素修饰电极等。抗坏血酸( v c ) 广泛存在与食物、药物及人体中，是维持 人体生命的重要成分之一，利用化学修饰电极的测量方法，其突出的特点是电极 稳定性好，灵敏度高，对v c 有良好的电催化氧化作用，可以选择性地检测药物 中的v c ；同时，电极制作简单，价格低廉，使用方便。近年来，导电聚合物修 饰电极的研究引起了分析工作者们浓厚的兴趣。孙元喜。8 1 等将中性红( n r ) 在 弱酸陛溶液中于玻碳电极表面进行氧化聚合成膜，对v c 和亚硝酸盐等有电催化 作用，可用于定量测定v c 和n 0 2 的浓度。药剂中多巴胺和肾上腺素的测定分别 采用四氰基醌二甲烷修饰碳糊电极和聚吲哚乙酸修饰电极。另外，n a t i o n 膜具有 较高的稳定性，用其修饰的玻碳电极可进行活性阳离子药物地尔硫卓的痕量测 定。胡劲波。”等在0 1 m o l lh a c - n a a c ( p h4 6 2 ) 缓冲溶液中用钴离子诸如修 饰电极为工作电极测定了尿样中的阿霉素。用二茂铁作为工作电极测定了尿样中 的阿霉素。用二茂铁作为过氧化酶于玻碳电极之间的电子传递体，通过n a t i o n 把二茂铁固定在玻碳电极表面，制成n a t i o n - - 二茂铁修饰电极，然后以牛血清白 蛋白一戊二醛交联剂把葡萄糖氧化酶和过氧化酶固定在修饰电极上，制备了 n a t i o n - - 二茂铁一双酶修饰电极的葡萄糖传感器，用于测定葡萄糖，稳定性好， 抗干扰性能力强，响应快，线性范围宽，抗坏血酸、尿酸及氨基酸等一些电活性 物质对测定均不产生干扰。 1 1 3 化学修饰电极在环境监测中的应用 c m e 是在电极表面接上所需要的化学基团，以使其高选择性地进行所期待 的反应或使其拥有某种特定的电化学性质。因此在环境监测时采用c m e 来监测 时，在提高选择性和灵敏度以及实现遥测等方面具有独到的优越性。c m e 应用 于环境监测这一成果归功于8 0 年代聚合物薄膜c m e 的出现，与早期采用的吸 附制备的单分子层c m e 相比，聚合物薄膜c m e 不仅电化学响应灵敏，制备简 单，而且由于聚合物薄膜本身提供了固有的化学物理稳定性，故电极的重现性好 且使用寿命长。特别使聚合物薄膜表面结构造成空间的、静电的、化学的等特殊 0 北京工业大学工学硕士学位论文 微环境，可广为环境监测使用。 1 1 3 1 土壤污染监测化学修饰电极可以用于土壤中一些能导致土壤污染金属 离子的测定，特别是一些重金属。砷及其化合物是导致土壤污染的一种常见物质， 仰蜀熏”等采用n a t i o n 修饰电极同位镀金膜，采用阳极溶出伏安法测定痕量砷， 可以大大提高测定的选择性，当用于黄河底泥中砷含量分析时，取得较为满意效 果( 标准偏差为3 6 ) 。沙兆林“研究了聚吡咯化学修饰电极测定镉，并采用阳 离子聚吡咯衍生物涂覆玻碳电极，结合离子交换伏安法研究了痕量汞的测定。 1 1 3 2 大气污染监测用化学修饰电极来测定大气中的污染物主要用于测定含 氮含硫的些氧化物，作为酸雨的主要成分，s 0 2 是大气监测的重要指标之一。 目前常用来测定二氧化硫的标准方法是盐酸副玫瑰苯胺比色法。该方法测定过程 繁杂，重现性差，且由于使用了的试剂四氯化汞，将对环境造成一定的污染。王 政萍等“”通过电化学方法将性能稳定的铁氰化镍( n i h c f ) 聚合在玻碳电极表面 上，研究表明，以厚度适宜的聚n i h c f g c 膜修饰电极为工作电极，其用来测定 燃煤厨房及空气二氧化硫含量的测定，与库仑滴定法作对比实验，获得了较为满 意的结果。氮的氧化物是形成酸雨的另一种重要成分，也是导致光化学烟雾的主 要原因，在一定条件下，n o 与氮氧化物有着严格化学计量关系，因此对n o ； 的测定可以很好地反映氮氧化物的水平。利用杂多化物修饰电极在酸性条件下对 n 0 2 的还原有很好的催化作用特点，董绍俊“”等发现n 0 2 的催化电流与其浓度 的平方根成线性关系。 1 1 3 3 水质污染监测随着工业用水及生活用水的日益增多，地表水体受污染 的现象也日趋严重。由于水体环境的复杂性和特殊性，其中的污染物也是多种多 样的，其中有机污染物是最主要的污染源，聚吡咯c m e 在测定该类物质时有着 较大的价值。该类电极具有较好的稳定性及良好的导电性，而且响应敏感，因此 广泛应用于环境监测。 李春光等“”研究了聚吡咯水杨酸修饰电极的电化学行为，并将其应用于水杨 酸的测定，结果表明，其在1 0 x 1 0 5 1 0 x 1 0 3 m o l l 浓度范围内有线性响应。王 凯雄等“”则以聚乙烯吡咯烷酮修饰碳糊电极为工作电极，结合溶出伏安法测定水 中的硝基苯酚。除上述研究之外，其他类型的c m e 在水质有机污染物监测也有不 少的报道“6 删。 表卜4 列出了c m e 用于水质有机污染物监测的一些实例。 1 0 第1 章绪论 表1 4c m e 用于水中有机污染物监测 t a b l e l 一4 a p p l i c a t i o no f c m e f o r m o n i t o r i n go r g a n i c p o l l u t a n t s i n w a t e r c m e 分析对象检测手段或特点 玻碳n a t i o n对硝基苯酚邻硝基苯酚不干扰 玻碳氧化锰肼电催化 n a t i o n 一钉( i i i ) c m e肼化合物 催化氧化、流动检测 玻碳聚( 3 一甲基噻吩)酚类化合物选择性通过 二茂铁c m e丙二醛缩合富集、溶出 卟啉c m e有机卤化物仿生传感器 综上所述，c m e 广泛用于环境监测中的土壤、大气、水质的检测，尤其是 结合其他检测手段和一些新技术之后，其灵敏度和选择性都得到大大的提高。可 以预料，随着新型多功能c m e 、微型c m e 及微型电极阵列c m e 的发展，其在 分析领域的应用将更加广泛，显然在环境监测中也发挥越来越大的作用。 1 2 本研究课题的来源及研究工作主要内容 综上所述。有关用c m e 提高分析方法灵敏度和选择性方面的研究，已取得 了可喜的进展，以酞菁及其金属配合物为载体的化学传感器研究是十分活跃的领 域，寻找具有高选择性的新型酞菁类分子识别载体用于化学传感器的研究仍然是 一项非常有意义的工作，这方面的研究构成本论文的主体部分，除此之外，本论 文对多层膜修饰电极及酶膜修饰电极作了一些初步研究。 以上述内容为目标，本论文主要完成了以下几项工作： ( 1 )寻找或合成系列新型酞菁类及杂多酸类具有良好催化性能分子识