武汉大学分析化学第17章电分析化学新方法ppt课件

1、第第17章章 电分析化学新方法电分析化学新方法 随着电分析化学开展，不断出现一些新的方法随着电分析化学开展，不断出现一些新的方法和技术，如化学修饰电极、电化学生物传感器、微和技术，如化学修饰电极、电化学生物传感器、微电极、纳米电分析化学等。同时，电分析化学方法电极、纳米电分析化学等。同时，电分析化学方法与其他测试技术相结合，又开展了光谱与其他测试技术相结合，又开展了光谱-电化学、电化学、色谱色谱-电化学等联用检测方法。电化学等联用检测方法。 本章就这方面的内容作一简要引见。本章就这方面的内容作一简要引见。 2345/?k1035835 17.1. 化学修饰电极化学修饰电极所谓化学修饰电极是将化

2、学修饰剂单分子、所谓化学修饰电极是将化学修饰剂单分子、多分子、离子或聚合物等固定在电极外表，经过多分子、离子或聚合物等固定在电极外表，经过电子传送反响而使其呈现出某些电化学性质的一类电子传送反响而使其呈现出某些电化学性质的一类电极。电极。17.1.1. 17.1.1. 化学修饰电极的类型化学修饰电极的类型化学修饰电极按照修饰方法的不同，它可以分化学修饰电极按照修饰方法的不同，它可以分为吸附、共价键合、聚合物和复合型等几种主要类为吸附、共价键合、聚合物和复合型等几种主要类型。型。 17.1.1. 化学修饰电极的类型化学修饰电极的类型1. 1. 吸附型吸附型 (1). (1).静电吸附，即带电荷的

3、离子型修饰剂在电静电吸附，即带电荷的离子型修饰剂在电极外表发生静电吸引而集聚，构成多分子层。这类极外表发生静电吸引而集聚，构成多分子层。这类吸附在热力学上是不可逆的。吸附在热力学上是不可逆的。 (2). (2).基于修饰剂分子上的基于修饰剂分子上的 电子与电极外表发电子与电极外表发生交叠、共享吸附。如，含苯环的分子在电极上的生交叠、共享吸附。如，含苯环的分子在电极上的剧烈吸附；醇类、胺类、酮类及羧酸类化合物的疏剧烈吸附；醇类、胺类、酮类及羧酸类化合物的疏水吸附等。水吸附等。 (3). (3).分子自组装，即分子经过化学键相互作用分子自组装，即分子经过化学键相互作用在电极外表自然地构成高度有序的

4、单分子层薄膜。在电极外表自然地构成高度有序的单分子层薄膜。 17.1.1. 化学修饰电极的类型化学修饰电极的类型2.2.共价键合型共价键合型 电极预处置如研磨、氧化复原等后其外表电极预处置如研磨、氧化复原等后其外表具有许多可供键合的基团，如羟基、羧基等含氧基具有许多可供键合的基团，如羟基、羧基等含氧基团，氨基，卤基等，利用这些基团与化学修饰剂之团，氨基，卤基等，利用这些基团与化学修饰剂之间的共价键合反响，在电极外表修饰上一层化合物，间的共价键合反响，在电极外表修饰上一层化合物，这样获得的电极称为共价键合型修饰电极。这样获得的电极称为共价键合型修饰电极。 17.1.1. 化学修饰电极的类型化学修

5、饰电极的类型3. 3. 聚合物型聚合物型 利用聚合物或聚合反响在电极外表构成修饰膜利用聚合物或聚合反响在电极外表构成修饰膜的电极称为聚合物型修饰电极。的电极称为聚合物型修饰电极。 (1). (1).滴涂、旋转涂覆及溶剂挥发法滴涂、旋转涂覆及溶剂挥发法 (2). (2).电化学堆积或氧化复原堆积法电化学堆积或氧化复原堆积法 (3). (3).电化学聚合电化学聚合4. 4. 复合型复合型 所谓复合型化学修饰电极是将两种或两种以上的所谓复合型化学修饰电极是将两种或两种以上的资料，如粉末状电极基体资料与修饰剂，按一定比资料，如粉末状电极基体资料与修饰剂，按一定比例混合后压制成的电极。例混合后压制成的电

6、极。 17.1.2. 化学修饰电极的功能化学修饰电极的功能 电极经过修饰以后，其外表具有了某些新的功电极经过修饰以后，其外表具有了某些新的功能，它对于提高电极的灵敏度和选择性、改善电极能，它对于提高电极的灵敏度和选择性、改善电极的稳定性和重现性以及开展外表电化学研讨都是有的稳定性和重现性以及开展外表电化学研讨都是有利的：利的： 1. 1.富集作用富集作用 2. 2.化学转化化学转化 3. 3.电催化电催化 4. 4.浸透性浸透性 17.1.3. 化学修饰电极外表的传质与电子传送过程化学修饰电极外表的传质与电子传送过程17.1.4. 化学修饰电极的运用化学修饰电极的运用 化学修饰电极在化学与生物

7、分析中的运用非常广化学修饰电极在化学与生物分析中的运用非常广泛。在化学分析方面，化学修饰电极作为化学传感器泛。在化学分析方面，化学修饰电极作为化学传感器已广泛地用于无机离子及有机化合物的测定。已广泛地用于无机离子及有机化合物的测定。 在环境分析中常用于重金属离子及多种污染物的在环境分析中常用于重金属离子及多种污染物的检测，它不仅能同时测定多种离子，而且具有很高的检测，它不仅能同时测定多种离子，而且具有很高的灵敏度。在食品分析中，可用于各种防腐剂、添加剂灵敏度。在食品分析中，可用于各种防腐剂、添加剂及亚硝盐等物质的检测等。在生物分析方面，化学修及亚硝盐等物质的检测等。在生物分析方面，化学修饰电极

8、不仅直接用于多种生物物质如蛋白质、饰电极不仅直接用于多种生物物质如蛋白质、DNA、神经递质以及代谢调控分子的检测，而且可以构建各神经递质以及代谢调控分子的检测，而且可以构建各类生物电化学传感器。类生物电化学传感器。17.2. 生物电化学传感器生物电化学传感器 生物电化学传感器是一种将生物化学反响能转换生物电化学传感器是一种将生物化学反响能转换为电信号的安装。通常将生物成分，如酶、抗原为电信号的安装。通常将生物成分，如酶、抗原/抗体、抗体、植物或动物组织等衔接到电极外表，起到生物分子识植物或动物组织等衔接到电极外表，起到生物分子识别或生物化学受体的作用。别或生物化学受体的作用。17.2.1. 酶

9、传感器酶传感器 根据检测信号的不同，酶传感器有电位与电流型根据检测信号的不同，酶传感器有电位与电流型之分，前者是以之分，前者是以Nernst方程作为定量的根底，后者那方程作为定量的根底，后者那么是基于伏安或电流检测技术，目前电流型酶电极是么是基于伏安或电流检测技术，目前电流型酶电极是开展的主流。思索到第开展的主流。思索到第14章已引见过电位型酶传感器，章已引见过电位型酶传感器，这里仅讨论电流型的酶传感器。这里仅讨论电流型的酶传感器。17.2.1.1. 以氧作为电子受体的酶传感器以氧作为电子受体的酶传感器 由一种称为由一种称为Clark型氧电极来制备的，用透气膜将型氧电极来制备的，用透气膜将酶包

10、裹固定在氧电极外表。葡萄糖传感器通常运用葡酶包裹固定在氧电极外表。葡萄糖传感器通常运用葡萄糖氧化酶萄糖氧化酶glucose oxidase，GOD，该传感器，该传感器对葡萄糖具有选择性呼应，其检测原理为：对葡萄糖具有选择性呼应，其检测原理为：GOD2222+ O + H O + H O 葡萄糖 葡萄糖酸+-222H O = 2H + O + 2e17.2.1.2. 介体型酶传感器介体型酶传感器 所谓介体是一种具有良好电化学活性的相对分子质量小的所谓介体是一种具有良好电化学活性的相对分子质量小的化合物，它担负从酶的氧化复原中心到电极外表传送电子的作化合物，它担负从酶的氧化复原中心到电极外表传送电

11、子的作用。在催化复原过程中，介体首先与复原性的酶反响，然后分用。在催化复原过程中，介体首先与复原性的酶反响，然后分散到电极外表并进展快速的电子交换。散到电极外表并进展快速的电子交换。 介体的选择非常重要，它需满足几个条件：介体的选择非常重要，它需满足几个条件： (1).可以快速地与复原性的酶反响；可以快速地与复原性的酶反响； (2). 具有可逆的异相反响动力学行为；具有可逆的异相反响动力学行为； (3).生成氧化型介体的过电位低而且与生成氧化型介体的过电位低而且与pH无关；无关； (4).它的氧化或复原形状都是稳定的；它的氧化或复原形状都是稳定的； (5).复原型介体不与氧发生反响；复原型介体

12、不与氧发生反响； (6).在运用中无毒化作用。在运用中无毒化作用。常用介体有氧化复原染料，铁氰化物，二茂铁及其衍生物，导常用介体有氧化复原染料，铁氰化物，二茂铁及其衍生物，导电有机盐类，醌及其衍生物等。电有机盐类，醌及其衍生物等。17.2.1.2. 介体型酶传感器介体型酶传感器22+GOD/FAD+H O +GOD/FADH 葡萄糖葡萄糖酸2+OXRedGOD/FADH +2MGOD/FAD +2M+2H -RedOX2M 2M+2e 17.2.1.3. 直接电子传送型酶传感器直接电子传送型酶传感器对于下述生物催化反响：对于下述生物催化反响：22 +GOD/FAD+H O +GOD/FADH

13、葡萄糖葡萄糖酸产物产物 直接在电极上氧化：直接在电极上氧化：+2-GOD/FADHGOD/FAD +2H +2e 17.2.2. 电化学免疫传感器电化学免疫传感器 免疫法是利用抗体与抗原或半抗原之间的高选择免疫法是利用抗体与抗原或半抗原之间的高选择性反响而建立起来的分析方法，它具有很高的选择性性反响而建立起来的分析方法，它具有很高的选择性和低的检出限。和低的检出限。 电化学免疫传感器是基于抗原与抗体反响而进展电化学免疫传感器是基于抗原与抗体反响而进展特异性的定量或半定量分析的集成器件，其中抗原和特异性的定量或半定量分析的集成器件，其中抗原和抗体是分子识别单元，它们与电化学换能单元相衔接，抗体是

14、分子识别单元，它们与电化学换能单元相衔接，并经过换能器将被测物质的浓度信息转变为相应的电并经过换能器将被测物质的浓度信息转变为相应的电信号，可以运用于多种抗原、半抗原或抗体的检测。信号，可以运用于多种抗原、半抗原或抗体的检测。 电化学免疫传感器可分为电流型和电位型两种主电化学免疫传感器可分为电流型和电位型两种主要类型。要类型。 17.2.2.1. 电流型免疫传感器电流型免疫传感器 电流型免疫传感器通常是利用标志物，例如酶，电流型免疫传感器通常是利用标志物，例如酶，将免疫反响的信号放大以后，间接测定抗原或抗体。将免疫反响的信号放大以后，间接测定抗原或抗体。17.2.2.2. 电位型免疫传感器电位

15、型免疫传感器 电位型免疫传感器是根据免疫反响过程中某种离子电位的电位型免疫传感器是根据免疫反响过程中某种离子电位的变化来实现抗原或抗体的检测。变化来实现抗原或抗体的检测。 例如，利用碘离子选择性电极作为基底电极可制备出测定例如，利用碘离子选择性电极作为基底电极可制备出测定乙型肝炎抗原的传感器。乙型肝炎抗原的传感器。 制造这种传感器时，需求将乙型肝炎抗体固定在碘离子选制造这种传感器时，需求将乙型肝炎抗体固定在碘离子选择性电极外表的蛋白质膜上。择性电极外表的蛋白质膜上。 测定时，传感器插入含有乙型肝炎抗原的溶液中，抗体与测定时，传感器插入含有乙型肝炎抗原的溶液中，抗体与抗原结合，再用过氧化酶标志的

16、免疫球蛋白抗体处置，构成了抗原结合，再用过氧化酶标志的免疫球蛋白抗体处置，构成了抗体抗体/抗原抗原/抗体夹心式的构造。将此传感器插入过氧化氢和碘抗体夹心式的构造。将此传感器插入过氧化氢和碘化物的溶液中，在过氧化酶标志的免疫球蛋白的催化作用下，化物的溶液中，在过氧化酶标志的免疫球蛋白的催化作用下，过氧化氢在过氧化氢酶催化下被复原，而碘化物因被氧化而耗过氧化氢在过氧化氢酶催化下被复原，而碘化物因被氧化而耗费，碘离子选择性电极上測定的碘离子浓度减少量与乙型肝炎费，碘离子选择性电极上測定的碘离子浓度减少量与乙型肝炎抗原的量呈正比，由此可以推算乙型肝炎抗原的浓度。抗原的量呈正比，由此可以推算乙型肝炎抗原

17、的浓度。17.2.3. 生物成分的外表固定化方法生物成分的外表固定化方法 酶电极的制备都需求将生物成分固定在电极外表，酶电极的制备都需求将生物成分固定在电极外表，因此有必要了解电极外表生物成分酶、抗体、抗原因此有必要了解电极外表生物成分酶、抗体、抗原等的固定方法，常用的方法有：等的固定方法，常用的方法有： 1.夹心法夹心法 2.交联法交联法 3.包埋法包埋法 4.共价键合法共价键合法 5. 吸附法吸附法 17.3.微电极微电极 微电极是电分析化学的一门新技术。微电极也称超微电极，通常是指其一维尺寸小于100m，或者小于分散层厚度的电极。特点，1.电极外表的液相传质速率加快；2.微电极上经过的电

18、流很小；3. 稳态电流密度与电极尺寸呈反比，而充电电流密度与其无关，有助于降低充电电流干扰，提高灵敏度；4.微电极几乎是无损伤测试，可以运用于生物活体及单细胞分析。17.3.1.微电极的根本性质微电极的根本性质 容易到达稳态电流2ooo1/2= 4 +()rinFDc rDto o = 4inFDc r2. 微电极的时间常数很小3适用高阻抗溶液体系17.3.2. 微电极的运用微电极的运用 微电极的一维尺寸很小，所以电极的外形各异，不仅有盘、柱、针形，还有带形、交指状、阵列微电极芯片及粉末微电极等。制造微电极的资料常有碳纤维、铂丝、石墨粉、金、铜、银等。经化学或生物成分修饰的微电极，既可作化学传

19、感器，又可作生物传感器。17.4. 纳米电分析化学纳米电分析化学 纳米电化学是电化学新出现的一门技术，它是研讨资料在纳米尺寸时所呈现出电的及电化学的性质。纳米电分析化学是在纳米电化学的根底上开展起来的,它已建立起了一系列新的分析方法。 17.4.1. 纳米微粒膜电极 纳米微粒膜电极是指将微粒嵌于薄膜中所制成的薄膜电极。通常选用两种组分制成溶液，让其在电极外表自然枯燥构成薄膜，改动膜材中的组分或组分的比例，可以很方便地改动膜中微粒的列阵、分布及形状，从而控制膜电极的特性。17.4.2. 功能化纳米构造电极功能化纳米构造电极 纳米资料外表经化学、物理处置，可组装为功能化的纳米构造电极。由于功能化分

20、子千差万别，这类电极通常呈现出千变万化的构造和性质。 以碳纳米管为例，在其外表修饰上一层Nafion(一种全氟化阳离子交换剂)溶液，制备出一种新型膜电极。由于Nafion分子上有磺酸基团，使得碳纳米管膜外表带负电，它会排斥荷负电的物质而吸附带正电荷的物质，因此可用于含多巴胺、抗坏血酸、尿酸的生物样品中多巴胺的测定。17.4.3. 纳米阵列电极纳米阵列电极 纳米阵列电极的制备通常采用模板法，其中最普遍是以多孔氧化铝作为模板。a氧化铝模板扫描电镜图，氧化铝模板扫描电镜图，b氧化铝模板剖面图，氧化铝模板剖面图，c纳米孔洞内堆积金，纳米孔洞内堆积金，d纳米阵列电极纳米阵列电极17.4.4. 运用运用 纳米电分析化学在化学与生物传感器的制备以及低浓度分子的检测方法上起着重要作用。 在信息技术领域，科学家利用纳米技术使芯片体积更小、速度更快。 在疾病诊断、疾病治疗等医学领域，纳米电化学传感器曾经可以在实验室环境下实现对前列腺癌、直肠癌等多种癌症类型的早期诊断。 例如，将人的血液滴在用纳米资料做成的传感器上，当传感器中预置的某种癌细胞抗体遇到相应的抗原时，传感器中的氧化复原电流会发生变化，经过这种电流