第三章 化学修饰电极1

1、内容简介引言电极的预处理制备修饰层的方法化学修饰电极的表征化学修饰电极在分析化学中的应用一一 引言引言 随着科学的发展，近年来电分析化学取得了随着科学的发展，近年来电分析化学取得了长足的进展。长足的进展。在方法上：在方法上：追求高灵敏度和高选择性追求高灵敏度和高选择性在研究手段上：在研究手段上：从宏观到微观尺度迈进从宏观到微观尺度迈进在技术上：在技术上：实现了原位，实时，在线和活体分析实现了原位，实时，在线和活体分析在应用上：在应用上：越来越侧重于生命科学领域中某些基越来越侧重于生命科学领域中某些基本过程本过程 和分子识别的研究和分子识别的研究 利用化学或物理的方法，将特定功能利用化学或物理的

2、方法，将特定功能的分子、离子、聚合物等固定在电极表面，的分子、离子、聚合物等固定在电极表面，实现功能设计。实现功能设计。 基底材料基底材料：碳：碳( (石墨石墨) )、玻璃、金属等、玻璃、金属等化学修饰电极 (CME)Chemically Modified Electrodes 由于在固体电极上电化学行为的重现性差，由于在固体电极上电化学行为的重现性差，在修饰前必须对电极表面进行清洁处理。在修饰前必须对电极表面进行清洁处理。 固体电极重现性差的主要原因：固体表面固体电极重现性差的主要原因：固体表面状态差异。状态差异。 二. 电极的预处理 金属和碳材料的表面具有一定的表面能，这种金属和碳材料的表

3、面具有一定的表面能，这种表面能的分布不均匀。晶面上存在的缺陷，如台阶、表面能的分布不均匀。晶面上存在的缺陷，如台阶、纽结、位错和吸附原子等，使溶液中的许多物质很纽结、位错和吸附原子等，使溶液中的许多物质很容易吸附到这些具有高能的位点上而造成污染。容易吸附到这些具有高能的位点上而造成污染。 同时金属和碳的表面都能被化学的或电化学同时金属和碳的表面都能被化学的或电化学的方法氧化，氧化作用的同时也增加了表面粗糙度，的方法氧化，氧化作用的同时也增加了表面粗糙度，容易形成惰化层。容易形成惰化层。清洁电极表面的方法：清洁电极表面的方法：机械研磨，抛光至镜面。机械研磨，抛光至镜面。 当电极表面存在惰化层和很

4、强的吸附层时必须当电极表面存在惰化层和很强的吸附层时必须用机械或加热的办法处理。用机械或加热的办法处理。 抛光电极的材料抛光电极的材料：金刚砂，金刚砂，CeO2，ZrO2，MgO，Al2O3粉等粉等。 抛光时按粒径降低的顺序进行研磨。抛光后移抛光时按粒径降低的顺序进行研磨。抛光后移入超声水浴中清洗，直至干净。入超声水浴中清洗，直至干净。 2. 化学法和电化学法处理化学法和电化学法处理 化学的和电化学的处理，是最常用来清洁，活化学的和电化学的处理，是最常用来清洁，活化电极表面的手段。化电极表面的手段。 电化学法常用强的矿物酸或中性电解质溶液，电化学法常用强的矿物酸或中性电解质溶液，有时也用配位作

5、用弱的缓冲溶液在恒电位，恒电流有时也用配位作用弱的缓冲溶液在恒电位，恒电流或循环电位扫描下极化，可获得氧化的、还原的或或循环电位扫描下极化，可获得氧化的、还原的或干净的电极表面。干净的电极表面。 鉴定电极表面是否清洁的方法鉴定电极表面是否清洁的方法l 对于碳电极，采用观测对于碳电极，采用观测Fe(CN)63-在中性电解质水在中性电解质水溶液中的伏安曲线的方法。在溶液中的伏安曲线的方法。在110-3 mol/L的的K3Fe(CN)6磷酸盐缓冲溶液中扫描，直到出现可磷酸盐缓冲溶液中扫描，直到出现可逆的阴极和阳极峰。逆的阴极和阳极峰。l 对于铂电极，在稀硫酸中进行循环电位扫描，观对于铂电极，在稀硫酸

6、中进行循环电位扫描，观察氢和氧的电化学行为，即出现了氢和氧的各自察氢和氧的电化学行为，即出现了氢和氧的各自的吸附和氧化峰就表示表面已清洁。的吸附和氧化峰就表示表面已清洁。l 金电极表面清洁的鉴定1.20.80.40.0-0.4-0.20.00.20.4 Current/mAPotential/V vs SCE 对于金电极，在稀硫酸中进行循环电位扫描，对于金电极，在稀硫酸中进行循环电位扫描，观察其氧化与还原峰电位。直到其氧化和还原峰完观察其氧化与还原峰电位。直到其氧化和还原峰完全重合，即表示电极表面已清洁。全重合，即表示电极表面已清洁。三三. .制备修饰层的方法制备修饰层的方法常规方法常规方法（

7、1 1）吸附型修饰电极）吸附型修饰电极 将特定官能团分子吸附到电极表面；将特定官能团分子吸附到电极表面；（2 2）共价键合型修饰电极）共价键合型修饰电极 通过化学反应键接特定官能团分子或聚合物。通过化学反应键接特定官能团分子或聚合物。（3 3）聚合物型修饰电极）聚合物型修饰电极 通过电化学聚合、有机硅烷缩合和等离子体聚通过电化学聚合、有机硅烷缩合和等离子体聚 合连接而成。合连接而成。（1）吸附修饰电极 单层吸附膜单层吸附膜 复合膜复合膜化学吸附法化学吸附法：是利用固体：是利用固体/ /溶液界面间的自然吸附溶液界面间的自然吸附现象来制备单分子层修饰电极的简便方法，具有简现象来制备单分子层修饰电极

8、的简便方法，具有简单，直接的优点。单，直接的优点。金属的欠电位沉积（金属的欠电位沉积（UPD）：）： 是指金属在比其热力学电位更正处发生沉积的是指金属在比其热力学电位更正处发生沉积的现象，这种现象常发生在金属离子在异体底物上的现象，这种现象常发生在金属离子在异体底物上的沉积，又称吸附原子。该法是制备精细结构单层修沉积，又称吸附原子。该法是制备精细结构单层修饰电极的一种方法，通常是将一些饰电极的一种方法，通常是将一些重金属元素重金属元素欠电欠电位沉积在某些位沉积在某些贵金属或过渡金属贵金属或过渡金属基底上，形成一定基底上，形成一定空间结构的单原子层。空间结构的单原子层。LB膜膜：不溶于水的表面活

9、性物质在水面上形成排不溶于水的表面活性物质在水面上形成排列有序的单分子膜，列有序的单分子膜，(Langmuir-Blodgett，LB膜膜)。 SA膜法能获得可控制的和均一的粗糙膜法能获得可控制的和均一的粗糙度的表面，表面具有很好的耐久力和稳定性，度的表面，表面具有很好的耐久力和稳定性，比比LB膜法更加简单易行。膜法更加简单易行。优点SA膜膜：基于分子的自组作用，在固体表面形基于分子的自组作用，在固体表面形成高度有序的单分子膜，自组装膜（成高度有序的单分子膜，自组装膜（self assembing， SA膜）。膜）。纳米金自组装电极的制备方法纳米金自组装电极的制备方法 裸金电极裸金电极 预处理

10、预处理 cysteine 冲洗冲洗 浸泡浸泡 纳米金纳米金 4 C下保存下保存（2 2）共价键合型修饰电极）共价键合型修饰电极键合方法：键合方法：基底电极表面处理基底电极表面处理引入化学活性基团引入化学活性基团修饰物修饰物基底电极基底电极：碳电极，金属电极、金属氧化物电极；：碳电极，金属电极、金属氧化物电极；用烷试剂的分子键合过程用烷试剂的分子键合过程（3）聚合物型修饰电极）聚合物型修饰电极 通过电化学聚合、有机硅烷缩合和等离子体聚通过电化学聚合、有机硅烷缩合和等离子体聚合以及浸涂等方式在电极表面形成聚合物层。合以及浸涂等方式在电极表面形成聚合物层。 将处理好的玻碳电极浸入缓冲液中通电聚合，将

11、处理好的玻碳电极浸入缓冲液中通电聚合，膜厚扫描速度进行控制。如聚苯胺、聚吡咯、聚膜厚扫描速度进行控制。如聚苯胺、聚吡咯、聚甲基噻吩等甲基噻吩等优点优点 寿命长、制备方便，灵敏度高，选择性好，寿命长、制备方便，灵敏度高，选择性好，应用广泛应用广泛碳纳米管修饰电极碳纳米管修饰电极 又叫巴基管，碳的同素异形体；又叫巴基管，碳的同素异形体； 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。缝、中空纳米管。单壁碳纳米管单壁碳纳米管直径为直径为1-2 nm多壁碳纳米管多壁碳纳米管直径直径225nm CNT的性质的性质 优良的导体和半导体特性。量子

12、限域所致优良的导体和半导体特性。量子限域所致 高的比表面积。高的比表面积。 强的吸附性能。强的吸附性能。 优良的光学特性优良的光学特性 发光强度随发射电流的增大而增强。发光强度随发射电流的增大而增强。 n高的机械强度和弹性。高的机械强度和弹性。 强度强度100倍的钢，密度倍的钢，密度1/6倍的钢倍的钢制备方法制备方法 电弧放电法。（已用于工业化生产）电弧放电法。（已用于工业化生产） 激光蒸发法。激光蒸发法。 碳氢化合物催化分解法（碳氢化合物催化分解法（CVD法）。法）。 化学气相沉淀法。化学气相沉淀法。 .分析化学方面的应用实例：分析化学方面的应用实例： 原子力显微镜针尖：原子力显微镜针尖：

13、优点优点：纳米级直径，高：纳米级直径，高的长径比，高的机械柔的长径比，高的机械柔软性，电子特性确定。软性，电子特性确定。分辨率高，探测深度深，分辨率高，探测深度深，可进行狭缝和深层次探可进行狭缝和深层次探测。测。Hafner J H在室温下能够清晰的观测到在室温下能够清晰的观测到G型型球蛋白球蛋白IgG的的Y型结构。型结构。 化学修饰电极是当前电化学、电分析化学修饰电极是当前电化学、电分析化学方面十分活跃的研究领域。它突破了化学方面十分活跃的研究领域。它突破了传统电化学中只限于研究裸电极传统电化学中只限于研究裸电极/ /电解液界电解液界面的范围，开创了从化学状态上人为控制面的范围，开创了从化学

14、状态上人为控制电极表面结构的领域。电极表面结构的领域。结语四.化学修饰电极的表征 电化学法电化学法 光谱电化学法光谱电化学法 波谱法波谱法 能谱法能谱法 显微学法显微学法 石英晶体微天平法石英晶体微天平法 通过研究电极表面修饰剂发生相关的电通过研究电极表面修饰剂发生相关的电化学反应的电流、电量、电位和电解时间等化学反应的电流、电量、电位和电解时间等参数的关系来定性、定量的表征修饰剂的电参数的关系来定性、定量的表征修饰剂的电极过程和性能。极过程和性能。1、电化学方法 循环伏安法循环伏安法 计时电流法计时电流法 计时电位法计时电位法 计时库仑法计时库仑法 脉冲伏安法脉冲伏安法 交流阻抗法交流阻抗法

15、中性鲁米诺体系在纳米金自组装金电极与在裸中性鲁米诺体系在纳米金自组装金电极与在裸金电极上金电极上CV行为的比较行为的比较65432101.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-40481.41.21.00.80.60.020.010.00 ECL Intensity/A.U.Potential/V vs SCEC3421 ECL Intensity/A.U. luminol on a bulk Au electrode luminol on a self-assembled electrode+B0.60.40.20.0-0.2-0.40.10.20.30.4543 Current/m

16、APotential/V vs SCEb0.760.720.680.640.60-0.015-0.010-0.0050.0001a Potentail/V vs SCESemi-derivative of CV/mA.V-1654321 Current/mAPotential/V vs SCE blank on a bulk Au electrode luminol on a bulk Au electrode blank on a self-assembled electrode luminol on a self-assembled electrode+AECL-1: 0.69 VECL-

17、1: 1.03 V ECL-1: _ 0.45 VECL-1: _ 1.22 V Cvp1: 0.67 VCvp2: 1.15 VCvp3: 0.66 VCvp4: 0.47 VCvp5: _ 0.45 VCvp6: _ 0.95 V 交流阻抗法2004006000100200 Z(ohm)Z(ohm) modified GE bare GE交流阻抗可以明显的看出修饰电极表面的电子传递速率优于裸金电极 用小幅度交流信号扰动电解池，观察体用小幅度交流信号扰动电解池，观察体系在稳态时对扰动跟随的情况。系在稳态时对扰动跟随的情况。 红外光谱红外光谱 拉曼光谱拉曼光谱 荧光光谱荧光光谱 偏振光谱偏振光

18、谱 紫外可见光谱紫外可见光谱 圆二色谱圆二色谱2、光谱电化学法 光谱电化学法是用各光谱电化学法是用各种光谱技术和电化学种光谱技术和电化学相结合。相结合。 在同一个电解池内进在同一个电解池内进行测量的一种方法，行测量的一种方法，其特点是同时具有电其特点是同时具有电化学和光谱学二者的化学和光谱学二者的特性。特性。 可以在电极反应过程可以在电极反应过程中获得多种有用的信中获得多种有用的信息。息。纳米金自组装金电极的紫外-可见等离子体共振吸收差谱200300400500600700800-2-101234Reflection/A.U.Wavelength/nm 扫描电子显微镜（SEM） 原子力显微镜（

19、AFM） 扫描隧道显微镜（STM） 扫描电化学显微镜（SECM）3、显微学裸金电极和纳米金自组装金电极的SEM照片 裸金电极裸金电极16 nm金修饰金电极金修饰金电极Hb-纳米金自组装金电极的AFMreference电子自旋共振（电子自旋共振（ESRESR）：是专门用于研究含有未成对电子物质的波谱技术。把它应用于修饰电极可以推断形成的自由基结构。表面分析能谱法：表面分析能谱法：用于研究修饰表面的微观结构、组成和状态。常用的能谱有X射线光电子能谱(XPS)，俄歇电子能谱(AES)，二次离子质谱等。 是一种具有是一种具有1010-9-9g g数量级测量质量变化能力数量级测量质量变化能力的特别灵敏的

20、检测器。可用于测量固体电极的特别灵敏的检测器。可用于测量固体电极表面层中质量、电流和电量随电位的变化关表面层中质量、电流和电量随电位的变化关系。从而认识电化学的界面过程，膜内物质系。从而认识电化学的界面过程，膜内物质传输，膜生长动力学和膜内的化学反应等。传输，膜生长动力学和膜内的化学反应等。4、石英晶体微天平五、化学修饰电极在分析化学中的应用化学修饰电极的应用包括：化学修饰电极的应用包括：电化学传感器电化学传感器伏安分析伏安分析催化分析催化分析化学修饰生物传感器化学修饰生物传感器LB膜吸附传感器等膜吸附传感器等中性中性鲁米诺体系在纳米金自组装金电极与在裸金电鲁米诺体系在纳米金自组装金电极与在裸

21、金电极上的极上的PRECL和和CV行为的比较行为的比较生物活性物质生物活性物质鲁米诺的鲁米诺的ECL 提高提高2-3个数量级个数量级传感器传感器免疫分析免疫分析pH 7 10-8 MpH 8 10-10 M新新ECL通道通道 纳米金修饰金电极的重现性纳米金修饰金电极的重现性2101.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-4048 B freshly prepared 7 days 30 days+4321 Potential/V vs SCE A freshly prepared 7 days 30 days+654321Current/mAECL Intensity/A.U. 稳定性

22、好稳定性好电极表面电极表面易处理易处理纳米金对鲁米诺纳米金对鲁米诺ECL体系具有优异的体系具有优异的催化特性、反应活性和良好的表面特催化特性、反应活性和良好的表面特性。性。 此项工作进一步丰富了人们对纳米材此项工作进一步丰富了人们对纳米材料特殊性质的认识。料特殊性质的认识。Hb/纳米金/cysteamine修饰金电极的电催化reference还原峰电流增强氧化峰电流消失修饰电极对于H2O2的还原有电催化效应 可利用电催化反应以提高测定的选择性和灵敏可利用电催化反应以提高测定的选择性和灵敏性。如聚乙烯二茂铁修饰膜可催化氧化抗坏血性。如聚乙烯二茂铁修饰膜可催化氧化抗坏血酸。酸。 可利用离子交换反应

23、进行选择性富集。如用可利用离子交换反应进行选择性富集。如用Nafion/GC电极可选择交换多巴胺等，而抗坏血酸电极可选择交换多巴胺等，而抗坏血酸和尿酸不干扰测定。和尿酸不干扰测定。 可利用表面配合反应进行富集分离，在电极表可利用表面配合反应进行富集分离，在电极表面修饰上配合剂和鳌合剂，使待测离子与之发面修饰上配合剂和鳌合剂，使待测离子与之发生配合反应而被选择分离。生配合反应而被选择分离。利用媒介作用，加速氧化还原蛋白质在电极表面利用媒介作用，加速氧化还原蛋白质在电极表面的电子传递过程。如亚甲蓝修饰电极对血红蛋白电的电子传递过程。如亚甲蓝修饰电极对血红蛋白电极反应的加速作用。极反应的加速作用。可

24、利用专一结合作用，将抗原可利用专一结合作用，将抗原/ /抗体专一结合反抗体专一结合反应与化学放大作用相结合，为新型电化学生物传感应与化学放大作用相结合，为新型电化学生物传感器提供设计依据。器提供设计依据。（1）概述）概述直径在直径在100m以下的电极；以下的电极；按材料分可分为微铂、金、汞电极和碳纤按材料分可分为微铂、金、汞电极和碳纤维电极；维电极；按形状分，可分为微盘电极、微环电极、按形状分，可分为微盘电极、微环电极、微球电极和组合式电极等。微球电极和组合式电极等。（2）微电极的基本特性）微电极的基本特性具有极小的电极半径：活体检测；具有极小的电极半径：活体检测；易于达到稳定的电流：研究快速

25、的电荷转移或易于达到稳定的电流：研究快速的电荷转移或化学反应，对短寿命物质进行监测；化学反应，对短寿命物质进行监测；具有很小的双电层充电电流：提高响应速度与具有很小的双电层充电电流：提高响应速度与信噪比；信噪比；具有很小的具有很小的iR压降：使用双电极体系。压降：使用双电极体系。（3）微电极的应用）微电极的应用扫描探针显微镜扫描探针显微镜生物细胞体内检测生物细胞体内检测分析化学分析化学电化学反应研究电化学反应研究单细胞检测手段单细胞检测手段脑神经组织中多巴胺、儿茶胺的实时监测。脑神经组织中多巴胺、儿茶胺的实时监测。扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明 光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可

26、以观察光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7m（人眼的分辨本领约为（人眼的分辨本领约为0.1毫米）。毫米）。电子显微镜是根据电子光学电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。大倍数下成像的仪器。 STM的工作原理的工作原理 隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在隧道效应是由于

27、粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数射系数T为：为： T与势垒宽度与势垒宽度a，能量差，能量差(V0-E)以及粒子的质量以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽宽)度度a的增加，的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。察到粒子隧穿势垒的现象。 （隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流） 扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针

28、和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近 (通常小于1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。STM的结构的结构 常用的常用的STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图所示，陶瓷支架上，如图所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖分别控制针尖在在x、y、z方向上的运动。在方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ，并以此反馈，并以此反馈控制施加在控制施加在Lz上的电压上的电压Vz；再利用计算机的测量软；再利用计算机的测

29、量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。 隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。品表面形貌图，这就是

30、扫描隧道显微镜的工作原理。 STM的工作方式的工作方式 恒电流模式恒电流模式 恒高度模式恒高度模式 探针在物质表面的微观图象STMSTM工作的特点：是利用针尖扫描样品表面，通过工作的特点：是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名正是得名 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 的原因。的原因。STM有明显的优势有明显的优势具有极高的分辨率；具有极高的分辨率；得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象；率图象；使用环境宽松；使用环境宽松；应用领域是宽广的；应用领域是宽广的；价格相对于

31、电子显微镜等大型仪器来讲是较价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。低的。“看见看见”了以前所看不到的东西了以前所看不到的东西 STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳纳米，垂直分辨率小于米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。原子、分子状态清晰可见。 实现了单原子和单分子操纵实现了单原子和单分子操纵利用利用STM针尖与吸附

32、在材料表面的分子之间的吸针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为移动，具体又可分为“牵引牵引”、“滑动滑动”、“推推动动”三种方式；三种方式；通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面；后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面；通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。它的化学键。单分子化学反应已经成为现实单分子化学反应已经成为现实l 现在，科学家们可以一个个地将单

33、个的原子放在一起以构现在，科学家们可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。成一个新的分子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。l 单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现是可能实现“选键化学选键化学”对分子内的化学键进行选择对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个极具挑战性的目标，但现在已有性的加工。虽然这是一个极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈尔大学一些激动人心的演示性的结果。在康奈尔大学Lee和和Ho的的实验中，实验中，STM被用来控制单个

34、的被用来控制单个的CO分子与分子与Ag(110)表面的表面的单个单个Fe原子在原子在13K的温度下成键，形成的温度下成键，形成FeCO和和Fe(CO)2分分子同时，他们还通过利用子同时，他们还通过利用STM研究研究C-O键的伸缩振动特性键的伸缩振动特性等方法来确认和研究产物分子。他们发现等方法来确认和研究产物分子。他们发现CO以一定的倾以一定的倾角与角与Fe-Ag(110)系统成键系统成键(即即CO分子倾斜地立在分子倾斜地立在Fe原子上原子上)，这被看成是这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。原子局域电子性质的体现。扫描隧道显微镜的局限性扫描隧道显微镜的局限性: 扫描隧道显微镜在恒电流工作模式

35、下，有时它对样品表扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差辨率较差. 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。则根本无法直接观察。 扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝

36、，钨探针易生锈。锈。原子力显微镜（原子力显微镜（AFM）弹道电子发射显微镜（弹道电子发射显微镜（BEEM）近场光学显微镜（近场光学显微镜（Scanning Near-field Optical Microscope） 微型葡萄糖传感器及其在活体分析中的应用微型葡萄糖传感器及其在活体分析中的应用 1962年年, Clark首先报道了基于生物传感技术的电化学首先报道了基于生物传感技术的电化学葡萄糖传感器。发展至今葡萄糖传感器。发展至今, 葡萄糖传感器的研究一直是人葡萄糖传感器的研究一直是人们关注的热点。这主要是因为葡萄糖的监测在医学上有着们关注的热点。这主要是因为葡萄糖的监测在医学上有着极其重要的

37、意义。极其重要的意义。 绝大多数葡萄糖传感器均采用在电极表面上修饰葡萄绝大多数葡萄糖传感器均采用在电极表面上修饰葡萄糖氧化酶糖氧化酶(GOx)的方法来制备的方法来制备, 以期获得高灵敏度和高选择以期获得高灵敏度和高选择性的电极响应。原理如下性的电极响应。原理如下产生产生H2O2的可在电极表面氧化产生响应。的可在电极表面氧化产生响应。微型葡萄糖传感器的制备微型葡萄糖传感器的制备 目前报道较多的可用于活体分析的微型化葡萄糖目前报道较多的可用于活体分析的微型化葡萄糖传感器为针形。第一支可植人体内的针形葡萄糖传感传感器为针形。第一支可植人体内的针形葡萄糖传感器是使用一根铂丝插人镀银的针管中器是使用一根

38、铂丝插人镀银的针管中, , 在铂丝上覆盖在铂丝上覆盖一层含有葡萄糖氧化酶的醋酸纤维素膜一层含有葡萄糖氧化酶的醋酸纤维素膜, , 传感器外面传感器外面覆盖一层聚尿烷膜以限制葡萄糖的传质过程。覆盖一层聚尿烷膜以限制葡萄糖的传质过程。 此种传感器具有较高的灵敏度此种传感器具有较高的灵敏度(2.3nA/mmol/L), 较宽的线性范围较宽的线性范围(15mmol/L)一以及较快的电极响应一以及较快的电极响应(3.5min) 另一种具有代表性的微型化葡萄糖传感器的制另一种具有代表性的微型化葡萄糖传感器的制备方法是在铂丝表面电化学沉积铂黑和备方法是在铂丝表面电化学沉积铂黑和GOx。铂黑。铂黑微粒具有高度分

39、散性微粒具有高度分散性, 有很大的表面积有很大的表面积, 对对H2O2有有很强的催化活性很强的催化活性, 同时对同时对GOx有很强的吸附能力。有很强的吸附能力。这样制备的葡萄糖传感器有很高的灵敏度和极快的这样制备的葡萄糖传感器有很高的灵敏度和极快的电极响应电极响应(达到达到100的响应仅需的响应仅需3s） 除铂外除铂外, 还有利用还有利用GOx和其它贵金属共沉积制和其它贵金属共沉积制备葡萄糖传感器的报道备葡萄糖传感器的报道, 如铑、钯等。如铑、钯等。微型葡萄糖传感器在活体分析中所遇到的问题微型葡萄糖传感器在活体分析中所遇到的问题 氧对传感器性能的影响氧对传感器性能的影响 干扰的消除干扰的消除

40、生物相容性和稳定性生物相容性和稳定性展望展望 综上所述综上所述, 虽然经过三十余年的发展虽然经过三十余年的发展, 葡萄糖传感器葡萄糖传感器的研究无论在理论上和实验上都取得了一系列成就的研究无论在理论上和实验上都取得了一系列成就, 已已经成为生物传感器研究中的重要组成部分和前沿课题。经成为生物传感器研究中的重要组成部分和前沿课题。但是但是, 就目前的发展水平来看就目前的发展水平来看, 其距人们的要求还相差甚其距人们的要求还相差甚远。突出表现在传感器的选择性不高远。突出表现在传感器的选择性不高, 在活体应用中易在活体应用中易受共存的电活性物的影响。受共存的电活性物的影响。 可以预计可以预计, 通过

41、化学家、医学家和工程师们的共同通过化学家、医学家和工程师们的共同努力努力, 人们期盼已久的梦想人们期盼已久的梦想, 即人造胰脏一定会成功地制即人造胰脏一定会成功地制备出来备出来, 从而造福于人类。从而造福于人类。 自自W. H. King J r. 利用石英晶体谐振器制作出第一只压电利用石英晶体谐振器制作出第一只压电式湿度计以来式湿度计以来,石英晶体微天平（石英晶体微天平（QCM，quartz crystal microbalance) 已经在化学传感器领域得到了广泛的研究和应已经在化学传感器领域得到了广泛的研究和应用。最初，用。最初，QCM 的应用主要为气相检测。其理论依据为的应用主要为气相

42、检测。其理论依据为1959 年年G.Sauerbrey 推出的厚度剪切式石英晶体谐振器的频率偏移推出的厚度剪切式石英晶体谐振器的频率偏移与其电极表面附着质量的关系：与其电极表面附着质量的关系： 式中，式中， f 0 为石英晶体基频为石英晶体基频;q 为晶体密度为晶体密度;m 为质量改为质量改变变;q为剪切模量为剪切模量; A 为石英晶体的反应面积。为石英晶体的反应面积。Amffqq220QCM 结构及特性结构及特性QCM检测系统具有如下显著特点检测系统具有如下显著特点: (1)实时性实时性 能够对生物大分子的反应动力过程进行监测，系统每能够对生物大分子的反应动力过程进行监测，系统每秒都可以收集

43、数个数据点当发生变化时可直接观测，除了秒都可以收集数个数据点当发生变化时可直接观测，除了分子吸附，分子吸附， QCM 提供结构信息。提供结构信息。 (2)高效性高效性 一般完成一个基本的测试用时在一般完成一个基本的测试用时在15min以内。以内。(3)简便性简便性 生物分子无需标记，设备简单；成本低生物分子无需标记，设备简单；成本低,电极可以再生电极可以再生和反复使用，任何表面都可以被涂上一个同质层（少于和反复使用，任何表面都可以被涂上一个同质层（少于5m）例如：金属、陶瓷、聚合体、化学改进表面等。）例如：金属、陶瓷、聚合体、化学改进表面等。QCM的应用范围的应用范围 测定表面物质的重量和粘弹

44、信息，主要应用于的领域：有机化学有机化学 电化学领域电化学领域QCM分析化学领域分析化学领域生物医学生物医学Ag-Ab 免疫结合蛋白质检测蛋白质检测 最广泛：病毒抗原固定在电极表面最广泛：病毒抗原固定在电极表面抗体抗体 经葡萄球菌蛋白经葡萄球菌蛋白A将病毒的单克隆抗体固定在将病毒的单克隆抗体固定在QCM电极上，直接检测病毒颗粒（电极上，直接检测病毒颗粒（510-4110-9/石英晶体表面）石英晶体表面） 比较比较 酶标免疫反应检测法：酶标免疫反应检测法：（1）无标记）无标记（2）假阳性反应降低）假阳性反应降低 应用：柯萨奇病毒、肝炎病毒、疱疹病毒、登革应用：柯萨奇病毒、肝炎病毒、疱疹病毒、登革

45、热病毒及热病毒及HIV等感染性疾病。等感染性疾病。微生物检测微生物检测1 QCM 用于溶液中实时检测的问题用于溶液中实时检测的问题 然而在实际应用中，由于必须保证然而在实际应用中，由于必须保证QCM 元件仅有单元件仅有单面电极与液体接触，而另一面电极则必须处于阻尼较小的面电极与液体接触，而另一面电极则必须处于阻尼较小的气体环境中。因此需要一个溶液池，气体环境中。因此需要一个溶液池，QCM 元件通过机械元件通过机械装卡的方式成为溶液池壁的一部分。装卡的方式成为溶液池壁的一部分。2 QCM 的系统组成及特点的系统组成及特点 该方法的主要缺陷在于在检测中必须引入电活性的该方法的主要缺陷在于在检测中必

46、须引入电活性的氧化氧化/还原离子对，可能会对自组装膜形成一定的污染。还原离子对，可能会对自组装膜形成一定的污染。另一方面，由于所测到的电流反应的是整个工作电极表另一方面，由于所测到的电流反应的是整个工作电极表面的状况，所以对于那些较低覆盖率的自组装膜常常难面的状况，所以对于那些较低覆盖率的自组装膜常常难以观察到明显的峰值电流减小。以观察到明显的峰值电流减小。 在以生物膜技术为基础的生物传感器在以生物膜技术为基础的生物传感器,如如DNA 传感传感器研究方面的应用报道更是越来越多。尤其是对电极器研究方面的应用报道更是越来越多。尤其是对电极表面自组装膜的形态的分析。这种方法的突出优点在表面自组装膜的

47、形态的分析。这种方法的突出优点在于操作简单且直观。于操作简单且直观。3 电场存在对电场存在对QCM 的影响的影响 一般来说，由于电化学检测过程的电压变化速率比一般来说，由于电化学检测过程的电压变化速率比较起较起QCM 的谐振频率而言属缓变量，因此电信号之间的的谐振频率而言属缓变量，因此电信号之间的串扰问题并不明显。串扰问题并不明显。自组装膜上细胞色素自组装膜上细胞色素C的电化学石英晶体微天的电化学石英晶体微天平实时表征和定量检测平实时表征和定量检测 电化学石英晶体微天平电化学石英晶体微天平(EQCM ) 是一种非常灵敏是一种非常灵敏的质量检测器的质量检测器, 可同时测得质量变化和电化学信号。石

48、可同时测得质量变化和电化学信号。石英晶振电极上的质量变化会引起石英晶体谐振频率的英晶振电极上的质量变化会引起石英晶体谐振频率的变化。晶体谐振频率的降低正比于电极上物质质量的变化。晶体谐振频率的降低正比于电极上物质质量的增加增加, 如如Sauerbrey方程所描述。这是方程所描述。这是QCM 定量测定的定量测定的基础。基础。 采用采用EQCM 实时表征和定量检测了实时表征和定量检测了Cyt-C。1. 2实验方法实验方法 2. 1MUA 自组装自组装 将经过预处理的石英晶片迅速置于将经过预处理的石英晶片迅速置于Teflon 反应小池中反应小池中, 并并加入加入0110 mL0110 mmolL MUA 的无水乙醇溶液的无水乙醇溶液, 启动启动QCM 对此自组装过程进行实时监测对此自组装过程进行实时监测, 记录频率变化记录频率变化. 1. 2. 2与与Cyt-C 的作用的作用1. 从从Teflon 反应小池中取出晶片反应小池中取出晶片, 用无水乙醇和去离子水淋用无水乙醇和去离子水淋洗洗,用用N2 气吹干后滴加气吹干后滴加10L NHS/EDC 至自组装单层膜修至自组装单层膜修饰的石英晶片表面饰的石英晶片表面, 固化固化30 m in.用用1.0