（分析化学专业论文）卟啉化合物在液液界面上的电化学研究.pdf

摘要 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 ，u l ) 被认为是最简单的模拟生物膜模型。这 种非互溶界面在过去的几十年中得到了许多人广泛而深入的关注。相当一部分的 研究和显著的发展体现在这种模拟生物膜上电荷转移的探索。基于较成熟的理论 和实验的成果，结合现代化强有力的电化学分析手段，这种模拟界面便无可厚非 地成为了研究生物体系电荷转移( 包括离子转移和电子转移) 一个简单而又良好 的模型。而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。 本文结合由a n s o n 等人于1 9 9 8 年提出的薄层循环伏安法( t h i n - l a y e rc y c l i c v o l t a m m e t r y ，t l c v ) 和b a r d 等人于上世纪8 0 年代末提出和发展的扫描电化学 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 ) 技术探究了界面电子转 移过程及抗坏血酸抗氧化性的研究。 本文共分为三部分，主要包括以下内容： 1 概要地回顾了液，液界面电化学的发展历史，以t l c v 和s e c m 两种方 法为主综述了其它电化学方法在液液界面电化学研究中的应用和发展。主要包 括：( 1 ) 薄层循环伏安法( t l c v ) 和电化学隧道扫描显微镜( s e c m ) 两种技 术的工作原理及其在界面电化学研究中的应用；( 2 ) 离子液体在界面研究中的应 用与发展；( 3 ) 光电技术在液液界面研究中的方法与应用；( 4 ) 抗氧化研究的方 法与进展；( 5 ) 结合生物技术活体单细胞检测的信息与进展。 2 应用薄层循环伏安法( t l c v ) ，以氨基锌卟啉( z n t p p ( n h 3 ) ) 为探针分 子研究了硝基苯( n b ) 水界面上的电子转移过程并求得速率常数；同时研 究了不同支持电解质a 0 4 ) 对液液界面电化学性质的影响：( 1 ) 亚铁氰化钾 k 4 v e ( c i ，水相) 氨基锌卟啉( z n t p p ( n h 3 ) ，有机相) 为反应体系，研究 了其界面电子转移过程；( 2 ) 改变水相中支持电解质( - c 1 0 4 ) 离子的浓度，探 究了其对抗坏血酸( a a ) 单羟基锌卟啉z n t p p ( o h ) 反应体系界面电子转移过程的 影响。 3 结合薄层循环伏安法( t l c v ) 和电化学隧道扫描显微镜( s e c m ) 两种 实验手段，探究了界面电子转移过程中模拟生物膜上抗坏血酸抗氧化的反应过 研究生：张海瑞 专 业：分析化学 导师：卢小泉教授研究方向：电分析化学 i 摘要 程。实验中不同取代基的卟啉( 四苯基锌卟啉、甲氧基锌卟啉、单羟基锌卟啉) 对抗坏血酸的抗氧化能力有明显的影响，并且模拟界面上电子转移速率常数值的 大小也是对其抗氧化能力强弱的体现。由于不同的取代基表现出化学性质的差 异，选用不同取代基的锌卟啉来模拟不同性质的自由基和被氧化物，从而使得模 拟生物膜上抗氧化性的研究较为合理。实验中应用的检测方法简单快捷，是模拟 生物膜研究经常采用的有力手段。 随着科学技术的飞速发展及各学科之间日益的相互渗透，界面化学的研究也 会遇到越来越多的挑战和机遇，而更多精密技术和更合理方法的应用，必将为人 类认识自然开拓更广阔的前景。 关键词：薄层循环伏安法：扫描电化学显微镜；抗氧化性；电子转移 研究生：张海瑞专业：分析化学 导师：卢小泉教授研究方向：电分析化学 i i a b s t r a c t a l i q u i d l i q u i d ( i l ) i n t e r f a c eh a sb e e ns u g g e s t e d 路as i m p l em o d e l f o r b i o l o g i c a lm e m b r a n e s e l e c t r o c h e m i c a li n v e s t i g a t i o na tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt w o i 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 ( r r m s ) h a sr e c e i v e di n t e n s i v es t u d yi nt h el a s t d e c a d e s c o n s i d e r a b l ei n t e r e s th a sb e e ne m e r g i n ga n dr e m a r k a b l ed e v e l o p m e n t s 啪 b es o c ni nt h ef i e l do fc h a r g et r a n s f e ra tl i q u i d - l i q u i di n t e r f a c e t h el i q u i d l i q u i d i n t e r f a c ei st h es i m p l e s ta n dm o s tp r o m i s i n gm o d e lf o ru n d e r s t a n d i n 8c h a r g et r a n s f e r p u g e s s e si nb i o l o g i c a ls y s t e m s , w h i c h i n c l u d en o to n l yi o nt r a n s p o r tb u ta l s oe l e c t r o n t r a n s p o r t e l e c t r o nt r a n s f e ra tt h el i q u i d - l i q u i di n t e r f a c ei sf u n d a m e n t a l l yi m p o r t a n t f o ru n d e r s t a n d i n gt h ee n e r g yc o n v e r s i o na n df u r t h e ri n v e s t i g a t i o ni ns i m u l a t e d b i o m e m r a n e t h ep a p e ra p p l i e db o t ht h i n - l a y e rc y c l i cv o l t a m m e t r y 田c v ) w h i c hw a s d e v e l o p e db ya n s o na n dc o - w o r k e r si n1 9 9 8 , a n ds c a n n i n ge 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 ) w h i c hw a sd e v e l o p e db yb a r da n dc o - w o r k e r s i n1 9 8 9t o i n v e s t i g a t et h ee l e c t r o nt r a n s f e ri ni n t e r f a c ea n dt h ea n t i o x i d a n tp r o p e r t yo fa s c o r b i c a c i d ( 从) t h e r ea g 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 g ea sf o l l o w s ： 1 t h eh i s t o r i c a lb a c k g r o u n da n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fu li n t e r f a c ew c g c r e v i e w e ds u m m a r i l y s p e e d yb a s e do nt i l ta n ds e c mm e a s u r e m e n t s , t h e p r o s p e c to fv a r i o u sm e t h o d sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t eu l i n t e r f a c ew c t eo u t l i n e db r i e f l y a l lc o n t e n ta r c ：( 1 ) w o r k i n g - p r i n c i p l ea n dm e c h a n i s mo ft h et w ot e c h n o l o g i e sa t i n t e f f a c i a le l e c t r o c h e m i s t r yw e r ed l 涮a s e di nd e t a i l ；( 2 ) p r o p e r t i e so fs o m ei m p o r t a n t g o o l nt e m p e r a t u r ei o n i cl i q u i d sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa ss o l v e n t sw e g ci n t r o d u c e d ；( 3 ) p h o l t g n r r e n tr e s p o n s e sa s s o c i a t e dw i t ho t h e re l e c t r o c h e m i c a lt e c h n o l o g i e si n d i c a t e d t h es u p e r i o r i t yo ft h ei n v e s t i g a t i o na tl i q u i d l i q u i di n t e r f a c e ；( 4 ) t h ep r o s p e c to ft h e i n v e s t i g a t i o no ft h ea n t i o x i d a n tp r o p e r t y ( 5 ) d e v e l o p m e n to ft h ei n v e s t i g a t i o n 砒 c e l l u l a ra 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 a p p l i e dt i e vm e t h o d , t h er e a c t e ds y s t e m “z n t p p ( n h ，) k 扛 c ( c n ) 6 ) w a s 研究生：张海瑞 专业：分析化学 导师：卢小泉教授研究方向；电分析化学 m m v 鹤f i g a t e da tn b w a t e ri n t e r f a c e a sc o m m o ni o n , t h er o l eo f - c 1 0 4 w a s t oc o n t r o l t h ep 口t 蛐t i a ld r o pa tt h en b w a t e ri n t e r f a c ea n dt h ee f f e c t so f d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s o fo m l m o ni o no ne l a ti n t e r f a c eh a v eb e e nd i s c u s s e d 3 t h ea n t i o x i d a n tp r o p e r t yo fa a w a sd e m o 璐t r a t e dd u r i n gt h ep r o c e s so fe l e c t r o n t r a n s f e r 但i ) a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge f f e c t so fa aw c 他v i s i b l ya f f e c t e db yu s i n g p o r p h y r i nz i n cw i t hv a r i o u ss u b s t i t u t e sa so x i d a n t s a se l e c t r o n - c a p t o r s , p o t p h y r i n z i n cm o l e c u l a ro b t a i n e dt h ee l e c t r o nc a m ef r o mt h ee l e c t r o nd o n o ra aa n dp r o v i d e d v a r i o u sc o n d i t i o n st oi t , w h i c hw e r e p e r f e c t l yc o n v e n i e n tf o r t h es i m u l a t e da n f i o m d 柚t i f a c t i o i lt h er e s u l t so f t h eo b t a i n e dk i n e t i c sd a t as h o w e dt h a tt h ea n f i o x i d a n tp r o p e r t y o fa a m a y b ea f f e c t e do w i n gt ot h ed i f f e r e n c eo ft h eo x i d a n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tt h et w om e t h o d o l o g i e sa p p l i e da si n v e s t i g a t i n gm e a l l $ t oe v a l u a t er a t e c o n s t a n to fe l e c t r o nt r a n s f e ra c h i e v e da n de x p r e s s e dc o n c e r l l sa b o u tt h es i m p l i c i t ya n d r e f i a b i l i t y , a n da l s oi n o l l ov i g o r o u sm e t h o dt os t u d yt h es i m u l a t e db i o m e m b r a n e w i 也t h ea c c e l e r a t e dd e v e l o p m e n to fn a t u r es c i e n c ea n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n v e s t i g a t i o n o fi 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 ym a ye n c o u n t e rm o r ec h a n c e a n d c h a l l e n g e h o w e v e r , m o g ep r e c i s et e c h n o l o g i e sa n dm o r er e a s o n a b l e m e t h o d s d e s t i n e dt h eb r o a df o r e g r o u n do f u n d e r s t a n da n dd e p l o i t a t i o no f n a t u r e k e y w o r d s ：t h i n - l a y e rc y c l i cv o l t a m m e t r yc 1 1c v ) ；s c a n n i n ge 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 ) ；a n t i o x i d a n tp r o p e r t y ；e l e c t r o nt r a n s f e r 研究生；张海瑞专 业：分析化学 导师：卢小泉教授研究方向：电分析化学 i 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，也不包含为获得量韭堙蓝盘茔或其他教 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：主墨垒晕日期：垒卑至：7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解委韭堙整盘鲎有关保留、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。本人授权亟些埋整盘鲎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) 靴敝储戤：啤一名黟期：皿吐 第一章漉德界面电化学研究进展及概况 1 1 前言 第一章液液界面电化学研究进展及概况 液，液界面电化学是电化学分析的一个新的分支，它利用物质的电学及电化 学性质进行分析，以测定电解池中的电流电压特性曲线为基础现在人们对两 种不相混溶电解质间界面( 液液或l l 界面) 的兴趣起源于k o r y t a ( 1 9 7 6 年) 的思想，他首先使用了t r i e s ( i n t e r f a c eb e t w e e nt w oi n 喇 b l ce l c c t r o l y t c s o l u t i o n s ) 即两种不相混溶电解质溶液间界面的概念1 9 7 7 年，s a m e c 等引入了 四电极恒电位方法，使得界面电势差的恒电位控制成为可能，同时他们还提出用 正反馈回路来补偿i r 降效应1 9 8 4 年，汪尔康等发展了循环线性电流扫描计时 电势法等方法，为分析应用打下了基础f 1 两互不相溶的液，液界面被认为是最 简单的模拟生物膜模型【2 1 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因为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、消除及其致病枧理具有重要意义 在过去的2 睥中，界面电化学的研究得到了广泛的关注阁将液，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上个世纪初 首先，n c r n s t 等人研究了水苯酚界面上电流流动。1 9 0 6 年c r c 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 耐这方面的研究，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 n , e y 和n i c s s c n 发表了第 一篇描述液液界面双电层和电势分布的文章上个世纪5 0 、6 0 年代，g u a s t a u 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2 0 世纪初到6 0 年 代末，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高的阻抗所引起诹降带来的获 得可靠数据方面的困难。上个世纪印年代末，法国的g a v a c h 等发现在一定的实验 条件下，液，液界面类似于金属电栅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 c r w c y - n i c s s c 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 研究生；张海瑞 专业：分析化学1 导师：卢小泉教授 研究方向；电分析化学 第一章液，液界面电化学研究进展及概况 和s a m e c 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， 葭，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h 液液界面的结构由于其与随后各种电荷在液液界面上的转移反应过程的 热力学和动力学研究密切相关，所以从一开始就受到人们的重视。在过去2 0 多 年的研究中，人们采用各种窀化学手段和其它技术进行了深入和细致的探讨，主 要的共识可以概括为如下三点：( 1 ) 液液界面可被认为是一个混合溶剂层分开 两个扩散层；( 2 ) 大多数电荷是分布在两个背对背的扩散层中，可较好地应用 g o u y - c h a p m a n 理论来定性地描述；( 3 ) 在零电荷电势( p z c ) 附近，穿过界面 混合溶剂层的电势降可忽略不计啊。 液液界面研究的主要争论点在于在界面上是否存在有特性吸附最近 s c l f i f f f i a 嘲等采用b i c 耻m 离子对形成理论计算了特性吸附对于界面电容的贡献， 所提出来的液液界面是一个混合溶剂层，离子对可进入其中( 与离子的半径有 关) ，可能是代表了目前液液界面结构的最好模型。另外，k h a a a t s 和u l s u u p ” 考虑了离子的大小和介电镜像相互作用，从理论上计算了离子在两个不同的介电 常数相之问的静电g 1 1 3 b s 能的变化b e n j a m i n 【1 0 j 等采用分子动力学数值模拟法 对一些模型体系进行了模拟计算，从微观和皮秒( p i c o s e c o n d ) 时间尺度上对 液液界面进行了研究，指出对于水1 ，2 一二氯乙烷所形成的界面，是一个在分子 水平上分明但租糙的界面。 e 、 鬻 删 献 郴 图1 1 电位窗口内的界面过程 瑰i it h e 劬删嘶i a lp r o c e s si nap o t e n t i a lw m d o w 研究生：张海瑞专业：分析化学2 导师：卢小泉教授 研究方向；电分析化学 第一章液腋界面电化学研究进展及概况 在两种不相混溶的电解质溶液的界面。可以发现类似于金属电极的性质。在 实验研究过程中，1 t i e s 体系一般由水相有机相和基底电解质组成，如采用水( 基 底电解质为l i c i ) 硝基苯( 基底电解质为四苯硼酸四丁基铵t p a t p b ) 体系m 埘、 1 ，2 - 二氯乙烷水( d e e w ) 体系等。在电位窗口内，极化液液界面具有理想 极化电极的性质。即其电位由电极上的电荷决定，而不依赖于溶液的组成，在这 个电位窗电位范围内的相界面没有离子通过图1 1 说明了理想极化界面的充电 过程，包括电极电解质和液液界面( i 儿) 荷电的情况在这种情况下，穿过 界面的离子转移起了电极反应的作用，而界面本身则起着电极的作用。 目前，国际上液液界面电化学研究存在的主要问题是界面结构不确定、可 供选择作为有机相的有机溶剂数目有限、没有很好的获取转移反应动力学的实验 手段、i r 降及充电电流较常规电化学更加严重等。为了解决液液界面电化学固 有的电化学测量方面的问题，国内外的研究者作了很多尝试： ( 1 ) 利用带有i r 降补偿的四电极恒电位仪进行研究。为了消除液液界面的 i r 降，s a m e c 等研制的四电极系统或类四电极系统是目前最常用的实验装置。例 如，徐忠等“”和狄俊伟等“”曾使用四电极恒电位仪，用循环伏安法分别研究了8 一 羟基喹啉配合质子在水1 2 二氯乙烷界面的转移过程和钐离子在油水界面迁 移的电化学行为 ( 2 ) 将液液界面支撑在玻璃微、纳米管的尖端或聚酯膜的微孔上，形成微、 纳米级液液界面，利用两电极体系进行研究。该法具有许多优点，如可以克服 充电电流和i r 降，数据分析相对简单，传质速率较高等另外，与金属超微电极 相比，微、纳米管很容易制备 对于一个简单离子转移反应，若用微米管进行循环伏安研究，由于其独特的 结构使其具有不对称的扩散场，可以观察到一个不对称的循环伏安图。这是因为 电荷从管外转移到管内是球形扩散，而电荷从管内转移到管外由于受管子大小的 限制是线性扩散，前者对应的伏安曲线是稳态曲线，而后者产生峰形伏安曲线” 例如，佟月红等“”研究了端烯基液晶冠醚推动钠离子在微液液界面的转移； 詹东平等“”研制出一种用于构造互不相溶电解质界面( i t i e s ) 的两亲性微孔电 极，并对发生于该界面的二苯并1 8 冠6 ( d b l 8 c 6 ) 促进钾离子的迁移反应进行了 研究 ( 3 ) 利用常规的三电极系统进行研究。 曼量皇量曼曼曼蔓曼曼量曼曼鲁旨_ 量量曼曼皇曼曼- 曼詈曼量曼曼_ _ 墨曼量量_ 皇篁奠- 皇皇曼曼曼_ 量曼量曼曼曼曼薯皇量_ 研究生：张海瑞专业：分析化学 3 导师；卢小泉教授 研究方向：电分析化学 第一章液i 茛界面电化学研究进展及概况 最近，s h i 等“町将微量的有机相吸附在石墨电极上，研究了有机相中电对与 水相氧化还原电对之间的异相电子转移反应，其主要问题在于无法准确遗控制界 面电位。袁艺等“”将含有摩尔比一定的氧化还原电对的水溶液滴涂到铂电极表 面，然后将该电极插入有机相溶液，由于氧化还原电对的浓度比一定，所以铂电 极与水相之间的电位恒定，铂电极可以作为一种参比电极，从而可 ；采用常规的 三电极系统研究水相与有机相之间界面( 液液界面) 上的电荷转移反应。这种 方法是一种全新的研究液液界面电化学的方法，对于扩展和普及该领域的研究 具有重要的意义。 液，液界面上电子转移反应的研究比较困难，可研究的体系也较少。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限刚自 从s a m e c 等在1 9 7 9 年发表了第一篇有关电子在液，液界面上的转移反应的研究以 来，这方面的研究在过去的2 0 年里取得了一些进展。s c h i f f 血等系统的研究了 【】p e ( c l q ) 6 】纠在水相，有机相中一些含有大的有机金属化合物，如金属卟啉等 时两相之问的电子转移反应1 2 k i h a r a 等阎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 2 3 1 i , 发表了相应的异相电子 转移反应理论。根据m a r c u s 的理论，当驱动力较小时，反应速率随驱动力的增 大而增大；当驱动力较大时，反应速率随驱动力的增大而减小后者称作反向电 子转移区域( i n v e r t e dr e g i o n ) b a r d 等最早提出了在稳态条件下应用s e c m 对快 速多相反应动力学参数的测定理论公式，观察到电子的反向转移，同时证明在较 小的驱动力下，界面的电子转移遵守b u f l c r - v o l m e r 公式但是至今未见用薄层 法观察的反向电子转移区域的报道 实际上，生命过程的实质是电子转移过程。随着科技的飞速发展与日益更新 生命科学的研究早已从宏观的检测进入分子水平的描述，开始了对生命起源、癌 症起因、遗传突变、药理机制、衰老等生命过程进往研究而生命过程中的电子 传递注定成为揭开这些秘密的焦点。利用电化学方法研究生命过程一电子传递， 将为设计和构建仿生传感器，发展与开拓生物电子器件提供有利条件。 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、 研究生：张海瑞 专业：分析化学 4 导师：卢小泉教授 研究方向：电分析化学 第一章液，i 瘦界面电化学研究进展及概况 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其电化学现场检 测等岬i 而进行液，液界面电化学研究的主要方法有：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( 1 r ic v ) ， 二次谐波生成法( s h g ) ，总频率生成法( s f g ) ，微液，液界面和计算杌模拟等 手段。其中，由a n s o n 等人1 9 9 8 年提出来的薄层循环伏安法( t h i n - l a y e rc y c l i c v o l t a m m c t r y ，t i 屺v ) ，因其简单、快速、易操作等优点成为研究液，液界面上电 荷转移过程的新方法删l 。而由b a r d 等人借鉴扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l m i c r o s c o p e ，s t m ) 的技术原理，并结合超微电极在电化学研究中的优势，于上 世纪年代末提出并发展的扫描电化学显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a l m c r o s c o p e ，s e c m ) ，使得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。 在我们的实验研究中，利用方便而又易操作的t l c v 和先进的s e c m 技术， 对液液界面这个模拟生物膜上的电子转移动力学过程进行了研究和探索，通 过界面电化学性质的研究及界面电子转移速率常数值得求解，证实了两种研究方 法的实用性和可靠性。实验主要采用了这两种方法，相应的实验装置及其工作原 理如下所述 1 2 1 1 c v 的工作原理 1 2 1t l c v 的实验装置 电解池如图1 2 所示。其中工作电极为环状热解石墨电极( 四g ) ，对电极 为铂电极，参比电极为a g a g a ( 饱和氯化钾) 电极，这三根电极构成传统的三 电极系统，均置于水相中三电极系统与化学工作站、计算机相连接完成数据采 集和分析过程 1 2 2t i c v 的操作及实验原理 在a i i s o l l 等人开创的薄层法闭中，利用环状热解石墨电极( e p g ) 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开而形成液 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 研究生：张海瑞 专 业；分析化学 5 导师：卢小泉教授研究方向；电分析化学 第一章液，i 直界面电化学研究进展及概况 图1 2t t , c v 电解池示意图 您1 2 b l o c k d i a g r a m o f t i e v e l e c t r o c h e m i c a l c e l l 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 深入的探讨1 2 9 - 3 4 | 用t i e 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) 有机溶剂用微量进样器滴加到朝上 的电极表面，因为电极表面积较大( 约0 3 2 c m 2 ) 可以使有机溶剂在电极表面自 然铺展开，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，热 解石墨电极( 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诹降对液，液界面电荷转移过程的影响，可大大简化研究 过程。另外，t i e 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 1 1 j 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 工作电极测定永相反应物的循环伏安图，确定水相 研究生：张海瑞 专业：分析化学 6 导师；卢小泉教授 研究方向：电分析化学 第一章液腋界面电化学研究进展及概况 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蜂，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极都位 于水相中，所以第三步所测的电位实际上已包含了液，液界面电位差比较第一 步和第三步所得的c v 图，如果相对于两相反应物的半反应形成的界面反应，具 有较高的电位差，则界面反应可能发生。界面反应方程如下式所示： o l ( o ) + r 2 ( w l 竺+ r i ( o ) + 0 2 ( w ) ( 1 1 ) 式中括号里面的o 和w 分别代表有机相和水相，下标1 和2 分别代表有机 相和水相中的反应物，o 和r 分别代表氧化态和还原态物质，i l c 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 ) 如果 在两相中都加入相应的反应物( 有机相反应物浓度恒定，水相反应钫浓度不断变 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，在此方法中假定有机相中某种价态的反应物浓度恒定，则 在薄层中会出现一个有机相离子氧化还原的循环过程。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) ，而且随着 水相反应物浓度的增加，平台电流也会不断交大。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 3t l c v 的定量分析理论依据 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l 瓠 3 l ，可以计算相应的电子迁移速率常数： 量皇寰皂曼皇菖舅摹曼曼鼍量_ 鼍曼量皂量量_ | 量| 皇置詈皇量奠皇暑量鼍曼量量曼曼曼皇量曼量，摹ii 。 研究生：张海瑞 专业：分析化学7 导师；卢小泉教授 研究方向，电分析化学 第章液，i 葭界面电化学研究进展及概况 ( k ) - 1 = ( 幻) d + ( 矗) d i d = n f a c 哺p 瓶i6 厶= 时r c k c 脚 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 a ) 式中毛h 是平台电流，毛是n b 薄层中由有机相扩散控制的扩散电流，豇是两相 问反应的动力学电流，一是反应过程中的电子数，是法拉第常数，一是e p g 电 极面积，d 衄是n b 相中反应物的扩散系数，万是n b 薄层厚度，c ? 船和c * m o 分别为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1 4 式代入式1 2 就可得到下式； ( 讧) - 1 - - 4 ( n f a c 么d ：髓) + ( 一剧c k ) ( c ) d ( 1 5 ) 将( 厶曲) - - 1 ( 即平台电流的倒数值) 与对应( c ? 脚) - 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 * 船矿) 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 。 薄层法具有简单、快速、易操作的特点，目前该研究还处在探索性阶段，理 论和数学模型还需进一步完善。由于合适的体系较难选择，限制了该方法的广泛 应用。但是，利用薄层法研究仿生界面电子传递以及生物小分子的界面行为有特 别的优越性，可以忽略有机相的氓降对液液界面电荷转移过程的影响，简化研 究过程，为解释生物小分子的某些功能提供科学信息 电子传递是生命过程的基本运动，液，液界面被认为是最简单的模拟生物膜 模型因此，用电化学方法通过研究液，液界面电子转移过程揭示生命过程的奥 秘有特别的优越性；另一方面，生命过程中电子传递的模拟研究，为设计和构件 仿生传感器，发展和开拓生物和电子器件奠定了理论基础或提供了设计依据，这 一领域已成为研究热点薄层法作为液液界面电荷转移动力学研究的一种重要 方法，如能和其它电化学方法和技术相结合，定会推动生命体系界面催化及电荷 转移研究的深入发展【明 1 3s e c m 的工作原理 1 3 1s e c m 的实验装置 研究生：张海瑞专业：分析化学8 导师：卢小泉教授研究方向：电分析化学 第一章液，液界面电化学研究进展及概况 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 3 ) 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 三个方向运动完成数据采集。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。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。 图1 3s e c m 仪器装置示意图 晦1 3b l o c kd i a g r a mo ft h es e a n m 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 & 1 3 2t 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、产生微集模式、 暑曼皇鼍囊量曼鼍曼鼍鼍量| 詈鼍奠e 量量冒量曼量置曼奠e 高皇鼍曼曼皇曼鼍置置一 研究生：张海瑞 专业：分析化学9 导师：卢小泉教授 研究方向：电分析化学 第一章液i 茛界面电化学研究进展及概况 穿透模式等，示意图见图1 4 。 盐k 竖竖函二叠业 圈1 4s e c m 操作模式示意图 啦i as c h e m a t i c d i a g r a m o f s e v e r a l t y p e s o f s e c m “p c 血咖l 反馈模式是s e c m 运用最广泛的模式。实验过程中也采用了电流反馈模式， 故这里详细介绍电流反馈模式的基本过程，如图1 5 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，在探头上旋加足够正的电位，则有如下反应发生p q ： r 一加一o ( 砸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 5 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 , - = 4 n f d c a ( 1 7 ) 式中一为转移的电子数，f 为法拉第常数，d 为r 的扩散系数，c 为r 的浓度， 4 为探头的半径，g o 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 研究生：张海瑞专 业：分析化学1 0 导师：卢小泉教授 研究方向：电分析化学 第一章漉触界面电化学研究进展及概况 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，如果 基底是导体，则探头上的氧化产物。将在基底上还原为r ，r 扩散至探头，使( 1 6 ) 式继续发生，从而使探头电流增大，即i t i t , ，出现“正反馈”现象( 图1 5 b ) 反之，若基底是绝缘体，则i t 随探头靠近基底而减小，即i 1