（分析化学专业论文）纳米金修饰电极的制备与应用研究.pdf

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研究了鸟嘌呤在纳米金修饰电极上的电化学行为，考察了扫速的影响并计 算了相关电极反应动力学参数。与玻碳电极相比，纳米金修饰电极显著提高了鸟 嘌呤的氧化峰电流，使得测定灵敏度大大提高。对富集电位和时间等实验条件进 行优化，在最佳条件下测定鸟嘌呤氧化峰电流与浓度线性范围较宽，为9 x l f f 8 2 9 x 1 0 一m o l l ，最低检测限为7 x l f f 8 m o l l 。1 0 0 倍n 矿，k + ，c i 。，s 0 4 玉和等浓 度的尿酸、抗坏血酸对测定没有干扰。对人体血清样品中鸟嘌呤的含量进行测定， 平均回收率为1 0 4 9 2 ，相对标准偏差为2 7 4 。 3 对腺嘌呤在纳米金修饰电极上的电化学行为进行了考察并对相关电极反 应动力学参数进行计算。腺嘌呤在纳米金修饰电极上有很好的电化学响应，对实 验条件进行优化后测定腺嘌呤氧化峰电流与浓度线性范围为9 x 1 0 3 - 3 x l f f 6 m o l l ，最低检测限为7 x 1 0 一m o l l 。1 0 0 倍n a + ，k + ，c 1 ，8 0 4 2 ，1 0 倍的鸟嘌 呤和等浓度的尿酸、抗坏血酸对测定没有干扰。该电极可以很好的实现鸟嘌呤和 腺嘌呤的分离。对人体血清样品中鸟嘌呤的含量进行测定，平均回收率为1 0 1 2 8 ，相对标准偏差为1 7 4 。 ， 关键词：纳米金，自组装，血清素，鸟嘌呤，腺嘌呤 、 每 z 、+ a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e sh a v eb e e nd u r a t i v e dr e p o r t e ds i n c e 廿l e y w e r ed e v e l o p e di nt h em i d d l eo f1 9 7 0 s i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n ya r e a s s u c ha sl i f es c i e n c e ，e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e , a n a l y t i c a ls c i e n c ea n dm a t e r i a ls c i e n c e , e t c w h e ns o m em e d i a t o r sw e m o d i f i e do nt h ee l e c t r o d e ，i tc o u l db eu s e dt o f a c i l i t a t et h ee l e c t r o nt r a n s f e ra n dc a t a l y s et h ee l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n s m a l ls i z eo f n a n o - m a t e r i a l sp r o d u c e dm a n ys p e c i f i cp h e n o m e n a g o l dn a n o p a r t i c l e sh a sb e e n w i d e s p r e a dc o n c e r n e di nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo fi t s e x c e l l e n tb i o l o g i c a lt o t a l c a p a c i t a n c ea n ds u p e r i o rc a t a l y t i cp e r f o r m a n c e t h em a i nw o r k si nt h i st h e s i si n c l u d e ： ( 1 ) g o l dn a n o p a r t i c l e s ( g n p ) w e r es e l f - a s s e m b l e dt oal - c y s t c i n em o d i f i e d g l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ， w h i c hw a sa san e wv o l t a m m e t r i c 踮n s o rf o rs e l e c t i v e d e t e r m i n a t i o no fs e r o t o n i ni nh u m a nb l o o d 剐= r 啪t h i ss e n s o rs h o w sal i n e a r v o l t a m m e t r i cr e s p o n s ef o rs e r o t o n i ni nt h ec o n c e n t r a t i o nr a n g eo f6 0 xl0 。8t o6 x10 6 t o o ll 1w i t hd e t e c tl i m i to f2 x1 0 m o ll 1 t h ee s t a b l i s h e dm e t h o dp o s s e s s e s e x c e l l e n ts e l e c t i v i t yf o rd e t e r m i n a t i o no fs e r o t o n i ni n s p i t eo ft h ep r e s e n c eo f d o p a m i n e ，e p i n e p h r i n e ，a s c o r b i ca c i da n df o l i ca c i d t h ev e r a c i t yw a se s t i m a t e db y d e t e c t i n gr e c o v e r yi nh e a l t h yh u m a nb l o o ds e r u mw i t ha v e r a g ev a l u eo f10 4 6 7 ( 2 ) t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fg u a n i n eo nt h eg o l dn a m o p a r t i c l e sm o d i f i e d e l e c t r o d ew a si n v e s t i g a t e db yc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) i ts h o w e dt h a tt h eg o l d n a n o p a r t i c l e sm o d i f i e de l e c t r o d ep o s s e s s e sa ne f f i c i e n te l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yf o rt h e e l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o no fg u a n i n e d 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 i c ( d p v ) w a su s e d i nt h i s , t e x t t h el i n e a rr a n g ef o ri n d i v i d u a lm e a s u r e m e n to fg u a n i n ew a s9 x l o 5 2 9 x 1 0 。5m o f lw i t hd e t e c t i o nl i m i t7 x 1 0 一m o f l 1 1 1 ev e r a c i t yw a se s t i m a t e db y d e t e c t i n gr e c o v e r yi nh e a l t h yh u m a nb l o o ds e r u mw i t ha v e r a g ev a l u eo f10 4 9 2 ( 3 ) 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 d e n i n eo nt h eg o l dn a m o p a r t i c l e sm o d i f i e d e l e c t r o d ew a si n v e s t i g a t e db yc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n dt h er e l a t e de l e c t r o d e k i n e t i cp a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e d i ts h o w e dt h a tt h eg o l dn a n o p a r t i c l e sm o d i f i e d e l e c t r o d ep o s s e s s e sa ne f f i c i e n t e l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t y f o r t h ee l e c t r o c h e m i c a l o x i d a t i o no fg u a n i n e 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 i c ( d p v ) w a su s e di nt h i st e x t t h e l i n e a rr a n g ef o ri n d i v i d u a lm e a s u r e m e n to fg u a n i n ew a s9 x10 。8 - 一3x10 6 m o l lw i t h d e t e c t i o nl i m i t7 x10 一m o l l a d e n i n ec a nb ew e l ls e l e c t e df r o mg u a n i n ea n do t h e r c a t i o n s t h ev e r a c i t yw a se s t i m a t e db yd e t e c t i n gr e c o v e r yi nh e a l t h yh u m a nb l o o d u 8 e i u l i lw i t ha v e r a g ev a l u eo f101 2 8 k e y w o r d s ：g o l dn a n o p a r t i c l e s ，s e l f ：a s s e m b l y , s e r o t o n i n , g u a n i n e , a d e n i n e 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 纳米材料简介1 i 2 化学修饰电极5 1 3 化学修饰电极的表征跚7 1 4 化学修饰电极的应用8 1 5 纳米金修饰电极的制备与应用l o 1 6 研究工作设想和意义1 1 参考文献1 2 第二章纳米金修饰电极对血清素的分离与测定1 7 2 1 前言1 7 2 2 实验部分1 7 2 3 结果与讨论1 8 2 45 一h t 在纳米金修饰电极上的电极反应动力学参数2 6 2 5 结论2 6 参考文献2 7 ， 第三章纳米金修饰电极对鸟嘌呤的测定2 9 3 1 前言2 9 3 2 实验部分- 2 9 3 3 结果与讨论3 0 3 4 鸟嘌呤在纳米金修饰电极上的电极反应动力学参数3 4 3 5 结论：3 5 参考文献3 6 第四章纳米金修饰电极分离测定腺嘌呤3 7 4 1 前言3 7 i v 目录 4 2 实验部分3 7 4 3 结果与讨论3 8 4 4 腺嘌呤在纳米金修饰电极上的电极反应动力学参数4 2 参考文献4 4 个人简历4 5 致谢4 6 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纳米材料简介 信息科学技术和生命科学技术是2 1 世纪科学技术发展的主流。社会的进步、 生存环境改善及人体健康的保障都将直接或间接依赖这两项技术。纳米材料被誉 为2 1 世纪最有前途的材料n 1 ，一种观点认为，信息和生命科学技术能够进一步 发展的共同基础是纳米科学技术。因此，纳米材料已逐渐成为各国研究开发的重 点，引起了人们极大的关注嘲纳米材料是指尺寸介于原子、分子与宏观物体之 间，通常泛指1 l o o n m 范围内的微粒材料锄。纳米材料具有大量的界面，界面原 子可达5 0 以上，这种特点产生了四大效应：表面效应、体积效应、量子尺寸效 应和宏观量子隧道效应h 一。 ( 1 ) 表面效应 表面效应是由于纳米粒子的表面原子与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减 小而急剧增大引起的性质上的变化。例如，固体材料的表面原子与内部原子处于 不同的环境。当材料粒径远大于原子直径时，表面原子可以忽略，但当材料粒径 接近于原子直径时，表面原子的数目及作用就不能忽略。如图： 图1 1 ：水相中金纳米粒子微观结构示意图 当材料粒径在1 0 h m 以下，表面原子数所占比例增加。而当粒径降到i n m 时， 表面原子数比例达到9 0 以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米 粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它 原子相结合而稳定下来，故有很高的活性。 ( 2 ) 体积效应 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许 多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象 第一章绪论 通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论 是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保把金属纳米粒 子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它 们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距6 和金属纳米粒 子的直径d 的关系为： 6 = 蛆f 疆0 0v - i t d 3 其中n 为一个金属纳米粒子的总导电电子数，v 为纳米粒子的体积；e f 为 费米能级。随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增 大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。 ( 3 ) 量子尺寸效应 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，纳米半导体微粒存在不连续的最高被占 据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称 为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波 动性带来了纳米粒子的多种特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化 性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与 磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的 颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。 如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。利 用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质j 可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位 移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等。 由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑 性大为提高。其结构颗粒对光，机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的 结构颗粒，使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性，例如：纳米相铜强度 比普通铜高5 倍；纳米相陶瓷是摔不碎的，纳米材料从根本上改变了材料的结构， 可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子 规模复合材料等新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开 拓了新的途径。 ( 4 ) 宏观隧道效应 低温下，在宏观体系中，宏观变量贯穿有效势的两个极小势阱之间能垒的能 力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如颗粒的磁化强度，量子相 干器件中的磁通量以及电荷仍具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产 生变化，故称为宏观量子隧道效应两1 。 2 第一章绪论 正因有以上这些特殊效应，当物质颗粒达到纳米水平时，就会表现出许多特 殊的物理，化学性质，因此在许多领域拥有广泛的发展和应用空间。 在纳米材料中，纳米金是最稳定的，也是目前应用最广的贵金属材料之一。 由于其独特的化学稳定性和光学性质，在材料学m ，光学嘲，电学嘲，催化n 0 川1 ， 生物分析n 纠帕等多个领域具有广泛的应用前景。 1 1 1 金纳米粒子 金纳米粒子是由一个基础金核( 原子金a u ) 及包围在外的双离子层构成， 紧连在金核表面的是内层负离子( a u c l 2 。) ，外层离子层h + 贝j j 分散在胶体间溶液 中，以维持金纳米粒子的稳定状态。图1 1 是金纳米粒子微观结构示意图【1 5 】。 图1 1 ：水相中金纳米粒子微观结构示意图 金纳米粒子的基础金核并非是理想的圆球核，较小的金纳米粒子基本是圆球 形的，较大的金纳米粒子多呈椭圆形。金粒子具有很高的电子密度，在电子显微 镜下可以很清楚地观察金纳米粒子颗粒的形态。纳米金的颜色随其直径大小和周 围化学环境的不同而呈现红色至紫色。由于金纳米粒子是非各向异性纳米材料， 所以单分散状态的会纳米粒子的吸收光谱只有一个峰位于5 2 0 r i m 左右6 1 。 制备金纳米粒子的相关研究工作开展的时间较长，纳米金的水相合成方式最 早由1 9 5 1 年t h r k v c i t h c 提出，到目前为止，已经发展了许多制备金纳米粒子的 方法，总体上可划分为物理法和化学法。物理法是利用各种技术将块状固体金分 散为金纳米微粒。化学法是以金的化合物为原料，利用还原反应生成金纳米微粒， 在形成金纳米颗粒时控制粒子的生长，使其维持纳米尺度。 物理法包括以下几种制备方法： ( 1 ) 真空蒸镀法 这是一种常见的制备方法，在真空中高温加热或等离子体等将金原子蒸发，金 3 第一章绪论 原子在冷的固体基底( 如石英) 上冷凝，便可得到纳米尺寸的金粒子n7 1 。 ( 2 ) 激光消融法 将置于十二烷基磺酸钠水溶液中的金盘用激光烧蚀获得金纳米粒子，采用表面 活性剂阻止金纳米粒子的聚集。m a f l l l 0 1 8 】等用此方法制备了金纳米粒子，实验 证明，当表面活性剂的浓度 1 0 2 m o l m 3 就能形成稳定的金纳米粒子。 ( 3 ) 电分散法 以金作为电极，在水中产生电弧，形成金纳米粒子。 化学法包括以下几种制备方法： ( 1 ) 溶胶法 溶胶法通常是在含a u ( 1 1 1 ) 篚j 溶液中加入还原剂，金离子被还原而聚集成直径 为几纳米到几十纳米不等的金颗粒。1 8 5 7 年，m i c h a e lf a r a d a y 以磷为还原剂，在 溶液中加热还原 a u c h 。制得金溶胶【1 9 1 。随后，n a b h 4 ，抗坏血酸等还原剂被相 继报道【2 0 2 1 1 。其中柠檬酸钠( c i t r a t es o d i u m ) 还原四氯金酸( h a u c h ) 的方法是获 取金纳米粒子最经典的方法之一，在还原制备金纳米粒子时如果没有加入其它稳 定剂，柠檬酸三钠及其氧化产物也可以起到保护剂的作用【乜2 3 1 。1 9 5 1 年t u r k e v i c h 等就利用此方法成功地制备了金纳米粒子【2 4 1 。他们研究了柠檬酸钠还原h a u c l 4 制备金纳米粒子的成核和生长过程和化学反应机制，并提出了在柠檬酸钠的降解 过程中存在丙酮二羧酸这一中间产物的假设。g t s u t s u i 等人在柠檬酸钠还原法的 基础上，向其中加入少量的单宁酸以达到降低反应温度和稳定剂的作用，使得制 备纳米金的方法更为简便，并得到良好效果【2 5 1 。 ( 2 ) 晶种法 这种方法以事先合成的金纳米粒子为晶种，再用还原剂在晶种表面继续还原 氯金酸使粒子生长，通过调节晶种和氯金酸的比例控制产物的粒径。如n a t a n 2 6 1 以1 2 n m 的胶体金为晶种，加入适量的氯金酸及羟胺，利用金纳米粒子表面的自 催化反应使晶种逐渐长大，控制条件可制得3 0 1 0 0 n m 的金纳米粒子。 ( 3 ) 反胶束法或微乳液法 反胶团是指表面活性剂溶解到有机溶剂中，当其浓度超过临界胶束浓度 ( c m c ) 后会形成亲水性头朝内、疏水链朝外的液体结构。以反胶团或微乳作为制 备纳米颗粒的介质，可以制出1 0 2 0 n m 、分散均匀的金纳米粒子。适当调整反胶 团或微乳的组成和反应物的浓度，可以控制粒子的大小。 ( 4 ) 电化学法 电化学法也可用于金纳米粒子的制备。如用十六烷基三甲基溴化铵作分散 剂，a g n 0 3 作电解液，将金片和铂片置于电解液中分别作为阳极和阴极在4 5 恒温条件下电解5 0 m i n ，获得粒径约4 0 r i m 的球状金颗粒【2 7 】。方法简便易行。 4 第章绪论 1 2 化学修饰电极 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 ) 就是通过共价键键合， 强吸附或聚合等方法，把具有某种功能的化学基团赋予电极表面上，这种电极就 具有了某种特定功能。1 9 7 5 年m i l l d 弱 希i m u l a y 2 9 】首次报道了按人为设计的电极 表面进行化学修饰的研究，突破了传统电化学中只限于研究裸电极电解液界面 的范围，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，以便在其上有选择地进行所期望的反应， 在分子水平上实现了功能设计【3 叼1 1 。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，不仅对电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、电色、表面配合、富集和分离、开关和整流、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有吸引力的 前景。化学修饰电极的制备有以下几种方法 1 2 1 共价健合法 这是最早采用的化学修饰法。在电极表面上欲得到高浓度的功能团，首要 的是向电极表面引入可供键合的基团。s h a o j u nd o n g 等 3 刁制得二氨基烷烃修饰玻 碳电极，将该修饰电极用于r u ( n h 3 ) 6 3 + 和f e ( c n ) 6 3 的测定，比碳材料修饰 电极灵敏度更高。 1 2 2 吸附法 ( 1 ) 化学吸附法 此法是通过非共价作用将修饰试剂固定在固体基质表面的一种方法。余海 湖【3 3 】等利用静电技术在单晶硅片表面修饰了纳米金薄膜，并利用u v ，x p s ，t e m 等手段对硅片表面进行了表征，并对修饰硅片的导电性进行了研究。x i o n g c e z h a o 等【3 4 】应用自组装的方法，将l ，4 二巯基苯四氢氟喃成功修饰于金电极表 面，形成了有序的修饰膜。化学吸附法的优点是简单，但电极的稳定性较差，修 饰层易脱落或失活。 ( 2 ) 自组装膜( s a m s ) 法 自组装膜是构膜分子通过分子间及其与基体材料问的物理化学作用而自发 形成的一种结构稳定、排列有序的单层或多层分子膜。以这种方式修饰电极的方 5 第一章绪论 法叫做自组装膜法。 常用的构膜材料有：含硫有机物、脂肪酸、有机硅、烷烃及二磷酯等五大 类。其中含硫有机分子通过与金、银、铜等过渡金属自发地形成s a u 、s a g 、 s c u 等化学键而形成分子水平的高度有序有机分子单层膜。其中硫醇及其衍生 物与金单质作用而形成的硫醇类单分子膜是研究最广泛的s m a s 体系。t a m a d a 等 【3 5 】用a f m 、x 咫和表面等离子体共振光谱对s a m s 的结构和性能进行了测定。图 像显示出非常有序的晶体，并得到其晶体常数；同时发现，随着烷基链的增长， 膜的结构则越来越混乱无序。x uc h e n 等t 3 6 】应用自组装的方法，制得了碳纳米管 修饰玻碳电极，并将该修饰电极用于半胱氨酸的测定。x uw a n g # 了7 】等将单壁碳纳 米管层层自组装到金电极表面，并对组装后电极的电化学性质进行了测定，结果 令人满意。 ( 3 ) 蘸涂法和滴涂法 将溶解在适当溶剂中的成膜物质涂覆于电极表面，待溶剂蒸发干固后，生 成涂膜结合在电极表面，达到化学修饰的目的。是一类最简单的纳米修饰电极的 制备方法。z h a n gj d 等人【3 8 】将1 t o 电极于4 n m 的金溶胶中浸泡2 4 , 时制备了纳米 金修饰的i t o 电极。罗红霞等【3 9 舯】报道了用滴涂法将单壁碳纳米管( s w n t ) 涂膜在 铂和金电极上以及将羧基化的s w n t 涂膜在玻碳电极上制成修饰电极。该电极稳 定性和重复性较好，克服了碳电极暴露面敏感的缺点。 1 2 3 电化学沉积法 电化学沉积法是制备配合物及一般无机物化学修饰电极的通用方法，形成 的膜修饰电极在进行电化学及其它测试时，中心离子和外界离子氧化态的变化不 导致膜的破坏。袁艳茹等【4 1 】在铂电极表面恒电位沉积一层普鲁士兰，然后用纳 米金和明胶构成的复合固酶基质，结合溶胶一凝胶技术将辣根过氧化物酶( h r p ) 固定在普鲁士蓝修饰的电极表面，再用戊二醛( g a ) 对复合酶膜进行交联改性， 从而制备了性能良好的过氧化氢传感器。金葆康等【4 2 】利用电沉积的方式制备了 纳米金修饰玻碳电极。该电极对多巴胺( d a ) 和抗坏血酸( a a ) 均有催化作用，很 好自j 实现了二者的分离。 6 第一章绪论 1 3 1 电化学方法 1 3 化学修饰电极的表征【3 0 1 电化学方法表征化学修饰电极是通过研究电极表面修饰剂发生相关的电化 学反应的电流、电阻、电位和电解时间等参数间的关系来定性、定量地表征修饰 剂的电极过程和性能。电化学方法更侧重研究膜内电荷传输过程。涉及的电化学 方法主要有循环伏安、计时电流、计时电位、计时库仑、脉冲伏安相交流阻抗等 方法。 1 3 2 光谱电化学法 光谱法是各种各样的光谱技术与电化学相结合，在同一个电解池内进行测 量的一种方法。光谱电化学法可分为非现场( e xs u i t ) 和现场( i ns u i 0 两种。前者是 在电化学反应发生之前和之后，考察反应物和产物的结构信息和界面信息；后者 是指用光谱技术在电极反应过程中研究电化学反应，这种方法能够获得分子水平 的、实时的信息。研究修饰电极的光谱技术主要有红外光谱、r a m a n 光谱法、荧 光光谱、偏振光谱、紫外一可见光谱、圆二色谱等。 1 3 3 显微学表征 ( ! ) 扫描电子显微镜( s e m ) - 扫描电镜由于观察试样的阱深大，图像富有立 体感，而且样品制各简便，适合于表征化学修饰电极表面形貌。但由于s e m 的分 辨能力的限制，更适于表征较厚的聚合物化学修饰电极。 ( 2 ) 扫描隧道显微镜( s t m ) ：s t m 具有原子高分辨率，可用于有周期性或不 具备周期性的表面结构研究，特别是监测表面修饰过程，可以观察单个原子层的 局部表面结构。 ( 3 ) 扫描电化学显微镜( s e c m ) s e c m 的响应与针尖核样品表面的传质和化 学反应有关，能够反映导体、绝缘体和半导体的表面形貌。 ， ( 4 ) 原予力显微镜( a f m ) ：a f m 具有与s t m 相近的分辨率，可用于观察非导 电材料。 7 第一章绪论 1 4 化学修饰电极的应用 1 4 1 在简单离子分析中的应用 化学修饰电极对简单离子的测定在实际应用中非常广泛。环境中微量的 p b 2 + 、c d 2 + 、n g + 是环境中的主要重金属污染物。当进入生物链后，危害人体的 正常生长发育，故而对它们的检测也是十分必要的。在早期的测定过程中，化学 修饰电极主要是在固体电极表面镀上汞膜。在测定过程中汞会对人体产生危害 和造成环境污染。研究新型的“无汞的化学修饰电极引起了人们的极大兴趣。 h e l m s 等【4 3 】利用1 - ( 2 羟苯基) 2 萘酚修饰电极同时测定y p b 2 + 、h 9 3 + 、c u 2 + ， 黄衫生等【删利用t b p 碳糊电极测定了痕量p b 2 + 离子。吴建人【4 s 】等利用丁二酮肟碳 糊化学修饰电极测定钢铁中微量的镍。效果良好。另外，化学修饰电极也可用于 对无机阴离子的测定，兰雁华等m 】报导的一种具有高灵敏度高选择性的甲壳素 修饰碳糊电极可直接富集和测定水样中的n 0 2 。，大多数离子无干扰。f 是一种污 染物质，它首先由美国提出。工业废水排放f 可使地域蔬菜和地面中氟的含量增 加，当f 含量过低时容易引起蛀牙，反之若含量过高又对人体有毒害作用，故需 要控制饮用水中f 含量。而在各种准确检测f 含量的方法中，电位测定法优于其 它方法。离子选择性电极常用来测定环境中的c n 、f 、c i 等，较好地控制了工 业产品的质量 4 7 1 。 1 4 2 在生物样品和药品分析中的应用 近年来，化学修饰电极在生物样品分析中的应用取得了飞速发展，各种修饰 电极被应用于儿茶酚类神经递质、蛋白质类、氨基酸、d n a 碱基类的分析与测 定。在体测定和环境测定成为目前较为活跃的研究领域。k a n g b i n gw u ，z o n g h u a w a n g ，b e k u m a r as w a m y 4 8 - 5 0 等利用多壁碳纳米管修饰玻碳电极同时测定5 羟 色胺( 5 h t ) 和多巴胺( d a ) ，基本消除了抗坏血酸( 从) 和尿素( u a ) 对5 h t 和d a 的干扰。r a m 6 nj b a r r i o 【5 l 】等将多层聚合物膜修饰在碳纤维电极表面用以 测定人体尿样中血清素的含量。p j b r i t t o ，j j d a v i s 等【5 2 郧】利用碳纳米管修饰电 极对肾上腺素和细胞色素c 的氧化和化学性质进行研究。j w a n g 5 4 , 5 5 】发现碳纳米 管能够增加很多生物小分子如多巴胺和n a d h 等的电子传递速率。韩吉林【5 6 】等将 甲酚固紫吸附在石墨电极上以形成修饰电极，甲酚固紫能够加快血红蛋白在电极 表面的电子传递，在p h 5 5 的n a o a e - - - h o a c 缓冲溶液中，血红蛋白在该修饰电极 上呈现一对明显的氧化还原峰。彭图澍了7 】等用静电涂布法将修饰到电化学处理 后的碳纤维电极上，修饰后的电极具有一定的灵敏度和很好的选择性，在活体 第一章绪论 分析中阻断了抗坏血酸( 从) 、二羟基苯乙酸( d o p a c ) 5 羟吲哚乙酸( 5 - h i a a ) 、 尿酸( u a ) 及高香草酸( h v a ) 等阴离子性化合物的干扰直接检浏了神经递质多巴 胺的氧化电流，脑部微区注射试脸和药物注射的药理功能都充分证明了电极的 可靠性。方禹之等【5 8 5 9 根据碳纤维表面的多孔性，分别用n a t i o n 和硫辛酸来修饰 碳纤维微电极表面，在抗坏血酸共存下选择性测定神经递质去甲肾上腺素和多巴 胺，不仅有效地消除了高含量从的干扰，而且大大降低了电极的本底噪音，使 电极对分析d a 的灵敏度大大提高。施国跃等嘲首次将六氰合亚铁酸镍( n i h c f ) 修 饰电极用于色谱电化学检测，测定了大鼠脑尾核处的单胺类递质及其代谢产物， 发现n i h c f 修饰电极对d a 等单胺类递质及其代谢产物均具有不同程度的催化氧化 作用t e r e s al u c z a k 6 l 】比较了肾上腺素( e p ) 从和u a 在硫基丙酸、纳米金、胱胺分 别修饰与层层修饰金电极及裸金电极上的响应。结果表明，修饰电极对以上三种 物质的单对和分离测定都更胜一筹。g u a n p i n gj i n t 6 2 】等在新的聚芦丁修饰石蜡饱 和石墨电极上对肾上腺素，血清素，抗坏血酸的电化学行为进行探讨。李根喜等 删将聚苯胺修饰在玻碳电极上，成功分离了d a 和从。还有一些修饰电极用于测定 血液中的一氧化氮、在体p h 值测定等，在生化活性物的检测中显示出特殊功能。 测定生物体内微量元素的化学修饰电极的研制，为生物样品中不同结合状态的金 属辅基组分的分析测定提供了一个可靠有效的方法泓1 。胡劲波等【6 5 】在 0 i m o i l h a c n a a c ( p h 值4 6 2 ) 缓冲溶液中用钻离子注入修饰电极为工作电极测 定了尿样中的阿酶素。检出限为5 x 1 0 一m o l l 。并用于尿样的测定，得到满意的 结果。汪海燕等嘲】利用电还原氯金酸制备了纳米金f n a n o g o l d , n g ) 修饰a u 电极。 该电极对葡萄糖有明显的催化作用 1 4 3 在有机小分子测定分析中的应用 有机物污染时环境污染中的主要方面之一，对环境中有机小分子的检i 贝l i 也 是今年来修饰电极应用的主要方向。环境污染中主要的有机污染物为酚类，苯类 和胺类。马永钧等【6 7 】利用电化学沉积法制备了稀土铕( ) 离子掺杂的类普鲁士蓝 化学修饰电极( e u 2 p b g c c m e ) ，研究了该修饰电极上2 ，4 2 二硝基苯酚的电 化学行为。结果表明，该修饰电极与裸电极相比能显著提高2 ，4 二硝基苯酚的还 原峰电流。张雁等【6 8 】在碳纳米管修饰的玻碳电极上采用电沉积法制备了纳米铂 碳纳米管修饰电极( p t c n t s g c e ) 在0 o l m o l l 的硫酸溶液中，该电极对甲醛的 检测具有较高的灵敏度和良好的重现性。王广风【6 9 】等利用纳米银白组装金电极 对对苯二酚进行测定，结果令人满意。杨宏洲【_ 7 0 】等利用纳米金层层自组装电极 对甲醛进行测定。金利通等【7 1 】将c 6 0 修饰电极电位传感器用于十六烷基三甲基胺 的检测和应用，为c 6 0 在电分析化学方面的应用开辟了新的领域。 9 第一章绪论 1 5 纳米金修饰电极的制备与应用 1 5 1 纳米金修饰电极的制备 纳米金修饰电极的制备目前所知有恒电位沉积法，种子媒介法，自组装法， l b 技术等。金葆康【7 2 】等利用恒电位沉积法将纳米金修饰到玻碳电极表面测定去 甲基肾上腺素，黄建等【_ 7 3 】首先将处理好的玻碳电极放入配置好的纳米金种液生 长2 h 后取出，用超纯水冲洗干净，高纯氮气吹干，然后放入纳米金生长液中静置 2 4h 后取出，即得纳米金修饰玻碳电极。该法得到的纳米金修饰电极性能稳定， 灵敏度高，对a a ，u a 有良好的响应。b a r b a r ab a l l a r i n l 7 4 1 等分别利用3 硫丙基 甲氧基硅烷和3 丙胺基乙氧基硅烷将纳米金自组装修饰在i t o 玻璃上并对电极 进行了表征和应用。侯冬梅等r 7 5 】采用l b 技术制备了纳米金颗粒分布均匀的二维 纳米单层膜，将( 血红蛋白) h b 直接吸附在纳米金单层膜表面，制备了对h 2 0 2 具有良好电催化活性的修饰电极。由于采用l b 技术可精确控制成膜条件，制备 的电极具有良好的重现性。采用直接吸附方法固定的f i b 依然保持良好的电化学 活性，为大规模快速制备生物传感器提供了一种可能的选择方法。 1 5 2 纳米金修饰电极在生物样品和药物检测中的应用 单层纳米修饰电极具有优良的电催化活性，可以明显减小分析组分的过电 位，提高电化学传感测定的灵敏性和选择性，甚至某些在普通电极上氧化还原不 可逆的物质，在纳米修饰电极上成为氧化还原可逆物质f 7 6 】。例如在玻碳电极表 面通过纳米金的修饰从而实现对多巴胺的选择性测定【7 7 】。纳米金在研究蛋白质 氧化还原方面也有独特建树，1 9 9 6 年n a t 狃【7 8 l 等利用纳米金修饰s n 0 2 电极成功在 非自然环境下细胞色素c 的可逆电化学反应。 1 5 2 分析检测核酸及d n a 传德中的应用 d n a 是生物体内最主要的遗传物质，其基本单位是脱氧核糖核苷酸。一分 子脱氧核糖核苷酸由一分子磷酸和一分子脱氧核苷组成，而一分子脱氧核苷由一 分子脱氧核糖和一分子碱基组成。d n a d p 常见的4 种碱基分别为腺嘌呤( a ) 、鸟嘌 呤( g ) 、胞嘧啶( c ) 、胸腺嘧啶( t ) 。 d n a 分子作为最重要的遗传物质，对蛋白质的形成有至关重要的决定作 用。生物体的遗传信息以密码的形式编码在d n a 分子上，表现为特定的核苷酸 顺序，并通过d n a 的复制由亲代传递给子代。d n a 结构的精确性保证了生物体 l o 第一章绪论 表型的正常及各项生理功能的正常运行。因此，对d n a 的检测一直是科学家感 兴趣的内容。 金纳米颗粒与d n a 的结合目前受到极大的关注，因为此法可以形成有序的 纳米金颗粒聚集体，并且可以提供一个对精确的d n a 序列进行探测的方法。这 一领域的研究可用于生物传感器、疾病诊断、基因表达等方面。m i r k i n 掣7 9 】根据 这种特性采用直接的颜色检测法来分析寡聚核苷酸的杂交特性。缪谦【8 0 】等对 s s d n a 在纳米金修饰电极上的固载和传感进行研究。另外，d n a 的氧化性损伤 一般发生在嘌呤碱基，检测体液中嘌呤及核苷的升高水平可以预测聊呵a 的损伤 程度【8 l8 2 1 ，指示某些疾病的发生。 1 6 研究工作设想和意义 纳米材料在生命科学领域的应用是纳米材料出现以来研究的最为广泛的课 题之一，人类在对自身及生命体的了解方面投入了极大的热情l o 电化学方法作为 研究手段之一，由于其灵敏，快速而为人们所推崇，近年来，生物活性分子的直 接电化学研究引起了越来越多研究者的兴趣。这些研究不仅提供了热力学和动力 学性质的重要信息，也对了解生物分子的结构和各种物理化学性质，探索其在生 命体内的生理作用及作用机制具有重要意义。 本文利用电化学方法研究了： ( 1 ) 5 一羟色胺在纳米金自组装修饰电极上的电化学行为，建立了其电化学 检测方法，在多种干扰成分共存的情况下进行选择性测定，既具有电化学方法的 优势，也具有高效液相色谱法的高选择性优势。在模拟人体环境下进行实际应用 的检测。 ( 2 ) 鸟嘌呤在纳