武漢大學(xué)分析化學(xué)課件第17章電分析化學(xué)新方法

1、第第17章章 電分析化學(xué)新方法電分析化學(xué)新方法 隨著電分析化學(xué)發(fā)展，不斷出現(xiàn)一些新的方法隨著電分析化學(xué)發(fā)展，不斷出現(xiàn)一些新的方法和技術(shù)，如化學(xué)修飾電極、電化學(xué)生物傳感器、微和技術(shù)，如化學(xué)修飾電極、電化學(xué)生物傳感器、微電極、納米電分析化學(xué)等。同時，電分析化學(xué)方法電極、納米電分析化學(xué)等。同時，電分析化學(xué)方法與其他測試技術(shù)相結(jié)合，又發(fā)展了光譜與其他測試技術(shù)相結(jié)合，又發(fā)展了光譜-電化學(xué)、電化學(xué)、色譜色譜-電化學(xué)等聯(lián)用檢測方法。電化學(xué)等聯(lián)用檢測方法。 本章就這方面的內(nèi)容作一簡要介紹。本章就這方面的內(nèi)容作一簡要介紹。 http:/ 17.1. 化學(xué)修飾電極化學(xué)修飾電極所謂化學(xué)修飾電極是將化學(xué)修飾劑（單分子

2、、所謂化學(xué)修飾電極是將化學(xué)修飾劑（單分子、多分子、離子或聚合物等）固定在電極表面，通過多分子、離子或聚合物等）固定在電極表面，通過電子傳遞反應(yīng)而使其呈現(xiàn)出某些電化學(xué)性質(zhì)的一類電子傳遞反應(yīng)而使其呈現(xiàn)出某些電化學(xué)性質(zhì)的一類電極。電極。17.1.1. 17.1.1. 化學(xué)修飾電極的類型化學(xué)修飾電極的類型化學(xué)修飾電極按照修飾方法的不同，它可以分化學(xué)修飾電極按照修飾方法的不同，它可以分為吸附、共價鍵合、聚合物和復(fù)合型等幾種主要類為吸附、共價鍵合、聚合物和復(fù)合型等幾種主要類型。型。 17.1.1. 化學(xué)修飾電極的類型化學(xué)修飾電極的類型1. 1. 吸附型吸附型 (1).(1).靜電吸附，即帶電荷的離子型修飾

3、劑在電靜電吸附，即帶電荷的離子型修飾劑在電極表面發(fā)生靜電吸引而集聚，形成多分子層。這類極表面發(fā)生靜電吸引而集聚，形成多分子層。這類吸附在熱力學(xué)上是不可逆的。吸附在熱力學(xué)上是不可逆的。 (2).(2).基于修飾劑分子上的基于修飾劑分子上的 電子與電極表面發(fā)電子與電極表面發(fā)生交疊、共享吸附。如，含苯環(huán)的分子在電極上的生交疊、共享吸附。如，含苯環(huán)的分子在電極上的強烈吸附；醇類、胺類、酮類及羧酸類化合物的疏強烈吸附；醇類、胺類、酮類及羧酸類化合物的疏水吸附等。水吸附等。 (3).(3).分子自組裝，即分子通過化學(xué)鍵相互作用分子自組裝，即分子通過化學(xué)鍵相互作用在電極表面自然地形成高度有序的單分子層薄膜。

4、在電極表面自然地形成高度有序的單分子層薄膜。 17.1.1. 化學(xué)修飾電極的類型化學(xué)修飾電極的類型2.2.共價鍵合型共價鍵合型 電極預(yù)處理（如研磨、氧化還原等）后其表面電極預(yù)處理（如研磨、氧化還原等）后其表面具有許多可供鍵合的基團(tuán)，如羥基、羧基等含氧基具有許多可供鍵合的基團(tuán)，如羥基、羧基等含氧基團(tuán)，氨基，鹵基等，利用這些基團(tuán)與化學(xué)修飾劑之團(tuán)，氨基，鹵基等，利用這些基團(tuán)與化學(xué)修飾劑之間的共價鍵合反應(yīng)，在電極表面修飾上一層化合物，間的共價鍵合反應(yīng)，在電極表面修飾上一層化合物，這樣獲得的電極稱為共價鍵合型修飾電極。這樣獲得的電極稱為共價鍵合型修飾電極。 17.1.1. 化學(xué)修飾電極的類型化學(xué)修飾電極

5、的類型3. 3. 聚合物型聚合物型 利用聚合物或聚合反應(yīng)在電極表面形成修飾膜利用聚合物或聚合反應(yīng)在電極表面形成修飾膜的電極稱為聚合物型修飾電極。的電極稱為聚合物型修飾電極。 (1).(1).滴涂、旋轉(zhuǎn)涂覆及溶劑揮發(fā)法滴涂、旋轉(zhuǎn)涂覆及溶劑揮發(fā)法 (2).(2).電化學(xué)沉積或氧化還原沉積法電化學(xué)沉積或氧化還原沉積法 (3).(3).電化學(xué)聚合電化學(xué)聚合4. 4. 復(fù)合型復(fù)合型 所謂復(fù)合型化學(xué)修飾電極是將兩種或兩種以上的所謂復(fù)合型化學(xué)修飾電極是將兩種或兩種以上的材料，如粉末狀電極基體材料與修飾劑，按一定比材料，如粉末狀電極基體材料與修飾劑，按一定比例混合后壓制成的電極。例混合后壓制成的電極。 17.

6、1.2. 化學(xué)修飾電極的功能化學(xué)修飾電極的功能 電極經(jīng)過修飾以后，其表面具有了某些新的功電極經(jīng)過修飾以后，其表面具有了某些新的功能，它對于提高電極的靈敏度和選擇性、改善電極能，它對于提高電極的靈敏度和選擇性、改善電極的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性以及開展表面電化學(xué)研究都是有的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性以及開展表面電化學(xué)研究都是有利的：利的： 1.1.富集作用富集作用 2.2.化學(xué)轉(zhuǎn)化化學(xué)轉(zhuǎn)化 3.3.電催化電催化 4.4.滲透性滲透性 17.1.3. 化學(xué)修飾電極表面的傳質(zhì)與電子傳遞過程化學(xué)修飾電極表面的傳質(zhì)與電子傳遞過程17.1.4. 化學(xué)修飾電極的應(yīng)用化學(xué)修飾電極的應(yīng)用 化學(xué)修飾電極在化學(xué)與生物分析中的應(yīng)用非常廣化

7、學(xué)修飾電極在化學(xué)與生物分析中的應(yīng)用非常廣泛。在化學(xué)分析方面，化學(xué)修飾電極作為化學(xué)傳感器泛。在化學(xué)分析方面，化學(xué)修飾電極作為化學(xué)傳感器已廣泛地用于無機離子及有機化合物的測定。已廣泛地用于無機離子及有機化合物的測定。 在環(huán)境分析中常用于重金屬離子及多種污染物的在環(huán)境分析中常用于重金屬離子及多種污染物的檢測，它不僅能同時測定多種離子，而且具有很高的檢測，它不僅能同時測定多種離子，而且具有很高的靈敏度。在食品分析中，可用于各種防腐劑、添加劑靈敏度。在食品分析中，可用于各種防腐劑、添加劑及亞硝鹽等物質(zhì)的檢測等。在生物分析方面，化學(xué)修及亞硝鹽等物質(zhì)的檢測等。在生物分析方面，化學(xué)修飾電極不僅直接用于多種生物

8、物質(zhì)如蛋白質(zhì)、飾電極不僅直接用于多種生物物質(zhì)如蛋白質(zhì)、dna、神經(jīng)遞質(zhì)以及代謝調(diào)控分子的檢測，而且可以構(gòu)建各神經(jīng)遞質(zhì)以及代謝調(diào)控分子的檢測，而且可以構(gòu)建各類生物電化學(xué)傳感器。類生物電化學(xué)傳感器。17.2. 生物電化學(xué)傳感器生物電化學(xué)傳感器 生物電化學(xué)傳感器是一種將生物化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)換生物電化學(xué)傳感器是一種將生物化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。通常將生物成分，如酶、抗原為電信號的裝置。通常將生物成分，如酶、抗原/抗體、抗體、植物或動物組織等連接到電極表面，起到生物分子識植物或動物組織等連接到電極表面，起到生物分子識別或生物化學(xué)受體的作用。別或生物化學(xué)受體的作用。17.2.1. 酶傳感器酶傳感器 根據(jù)

9、檢測信號的不同，酶傳感器有電位與電流型根據(jù)檢測信號的不同，酶傳感器有電位與電流型之分，前者是以之分，前者是以nernst方程作為定量的基礎(chǔ)，后者則方程作為定量的基礎(chǔ)，后者則是基于伏安或電流檢測技術(shù)，目前電流型酶電極是發(fā)是基于伏安或電流檢測技術(shù)，目前電流型酶電極是發(fā)展的主流?？紤]到第展的主流?？紤]到第14章已介紹過電位型酶傳感器，章已介紹過電位型酶傳感器，這里僅討論電流型的酶傳感器。這里僅討論電流型的酶傳感器。. 以氧作為電子受體的酶傳感器以氧作為電子受體的酶傳感器 由一種稱為由一種稱為clark型氧電極來制備的，用透氣膜將型氧電極來制備的，用透氣膜將酶包裹固定在氧電極表面。葡萄

10、糖傳感器通常使用葡酶包裹固定在氧電極表面。葡萄糖傳感器通常使用葡萄糖氧化酶（萄糖氧化酶（glucose oxidase，god），該傳感器），該傳感器對葡萄糖具有選擇性響應(yīng)，其檢測原理為：對葡萄糖具有選擇性響應(yīng)，其檢測原理為：god2222+ o + h o + h o 葡萄糖 葡萄糖酸+-222h o = 2h + o + 2e. 介體型酶傳感器介體型酶傳感器 所謂介體是一種具有良好電化學(xué)活性的相對分子質(zhì)量小的所謂介體是一種具有良好電化學(xué)活性的相對分子質(zhì)量小的化合物，它擔(dān)負(fù)從酶的氧化還原中心到電極表面?zhèn)鬟f電子的作化合物，它擔(dān)負(fù)從酶的氧化還原中心到電極表面?zhèn)鬟f電子的作用。在催化

11、還原過程中，介體首先與還原性的酶反應(yīng)，然后擴用。在催化還原過程中，介體首先與還原性的酶反應(yīng)，然后擴散到電極表面并進(jìn)行快速的電子交換。散到電極表面并進(jìn)行快速的電子交換。 介體的選擇非常重要，它需滿足幾個條件：介體的選擇非常重要，它需滿足幾個條件： (1).能夠快速地與還原性的酶反應(yīng)；能夠快速地與還原性的酶反應(yīng)； (2). 具有可逆的異相反應(yīng)動力學(xué)行為；具有可逆的異相反應(yīng)動力學(xué)行為； (3).生成氧化型介體的過電位低而且與生成氧化型介體的過電位低而且與ph無關(guān)；無關(guān)； (4).它的氧化或還原形態(tài)都是穩(wěn)定的；它的氧化或還原形態(tài)都是穩(wěn)定的； (5).還原型介體不與氧發(fā)生反應(yīng)；還原型介體不與氧發(fā)生反應(yīng)；

12、 (6).在應(yīng)用中無毒化作用。在應(yīng)用中無毒化作用。常用介體有氧化還原染料，鐵氰化物，二茂鐵及其衍生物，導(dǎo)常用介體有氧化還原染料，鐵氰化物，二茂鐵及其衍生物，導(dǎo)電有機鹽類，醌及其衍生物等。電有機鹽類，醌及其衍生物等。. 介體型酶傳感器介體型酶傳感器22+god/fad+h o +god/fadh 葡萄糖葡萄糖酸2+oxredgod/fadh +2mgod/fad +2m+2h -redox2m 2m+2e . 直接電子傳遞型酶傳感器直接電子傳遞型酶傳感器對于下述生物催化反應(yīng)：對于下述生物催化反應(yīng)：22 +god/fad+h o +god/fadh 葡萄糖葡萄糖酸產(chǎn)

13、物產(chǎn)物 直接在電極上氧化：直接在電極上氧化：+2-god/fadhgod/fad +2h +2e 17.2.2. 電化學(xué)免疫傳感器電化學(xué)免疫傳感器 免疫法是利用抗體與抗原或半抗原之間的高選擇免疫法是利用抗體與抗原或半抗原之間的高選擇性反應(yīng)而建立起來的分析方法，它具有很高的選擇性性反應(yīng)而建立起來的分析方法，它具有很高的選擇性和低的檢出限。和低的檢出限。 電化學(xué)免疫傳感器是基于抗原與抗體反應(yīng)而進(jìn)行電化學(xué)免疫傳感器是基于抗原與抗體反應(yīng)而進(jìn)行特異性的定量或半定量分析的集成器件，其中抗原和特異性的定量或半定量分析的集成器件，其中抗原和抗體是分子識別單元，它們與電化學(xué)換能單元相連接，抗體是分子識別單元，它

14、們與電化學(xué)換能單元相連接，并通過換能器將被測物質(zhì)的濃度信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電并通過換能器將被測物質(zhì)的濃度信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，可以應(yīng)用于多種抗原、半抗原或抗體的檢測。信號，可以應(yīng)用于多種抗原、半抗原或抗體的檢測。 電化學(xué)免疫傳感器可分為電流型和電位型兩種主電化學(xué)免疫傳感器可分為電流型和電位型兩種主要類型。要類型。 . 電流型免疫傳感器電流型免疫傳感器 電流型免疫傳感器通常是利用標(biāo)記物，例如酶，電流型免疫傳感器通常是利用標(biāo)記物，例如酶，將免疫反應(yīng)的信號放大以后，間接測定抗原或抗體。將免疫反應(yīng)的信號放大以后，間接測定抗原或抗體。. 電位型免疫傳感器電位型免疫傳感器 電

15、位型免疫傳感器是根據(jù)免疫反應(yīng)過程中某種離子電位的電位型免疫傳感器是根據(jù)免疫反應(yīng)過程中某種離子電位的變化來實現(xiàn)抗原或抗體的檢測。變化來實現(xiàn)抗原或抗體的檢測。 例如，利用碘離子選擇性電極作為基底電極可制備出測定例如，利用碘離子選擇性電極作為基底電極可制備出測定乙型肝炎抗原的傳感器。乙型肝炎抗原的傳感器。 制作這種傳感器時，需要將乙型肝炎抗體固定在碘離子選制作這種傳感器時，需要將乙型肝炎抗體固定在碘離子選擇性電極表面的蛋白質(zhì)膜上。擇性電極表面的蛋白質(zhì)膜上。 測定時，傳感器插入含有乙型肝炎抗原的溶液中，抗體與測定時，傳感器插入含有乙型肝炎抗原的溶液中，抗體與抗原結(jié)合，再用過氧化酶標(biāo)記的免疫球蛋白抗體處

16、理，形成了抗原結(jié)合，再用過氧化酶標(biāo)記的免疫球蛋白抗體處理，形成了抗體抗體/抗原抗原/抗體夾心式的結(jié)構(gòu)。將此傳感器插入過氧化氫和碘抗體夾心式的結(jié)構(gòu)。將此傳感器插入過氧化氫和碘化物的溶液中，在過氧化酶標(biāo)記的免疫球蛋白的催化作用下，化物的溶液中，在過氧化酶標(biāo)記的免疫球蛋白的催化作用下，過氧化氫在過氧化氫酶催化下被還原，而碘化物因被氧化而消過氧化氫在過氧化氫酶催化下被還原，而碘化物因被氧化而消耗，碘離子選擇性電極上測定的碘離子濃度減少量與乙型肝炎耗，碘離子選擇性電極上測定的碘離子濃度減少量與乙型肝炎抗原的量呈正比，由此可以推算乙型肝炎抗原的濃度?？乖牧砍收?，由此可以推算乙型肝炎抗原的濃度。17.2

17、.3. 生物成分的表面固定化方法生物成分的表面固定化方法 酶電極的制備都需要將生物成分固定在電極表面，酶電極的制備都需要將生物成分固定在電極表面，因此有必要了解電極表面生物成分（酶、抗體、抗原因此有必要了解電極表面生物成分（酶、抗體、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.夾心法夾心法 2.交聯(lián)法交聯(lián)法 3.包埋法包埋法 4.共價鍵合法共價鍵合法 5. 吸附法吸附法 17.3.微電極微電極 微電極是電分析化學(xué)的一門新技術(shù)。微電極也稱超微電極，通常是指其一維尺寸小于100m，或者小于擴散層厚度的電極。特點，特點，1.電極表面的液相傳質(zhì)速率加快；2.微電極上通過的電流

18、很?。?. 穩(wěn)態(tài)電流密度與電極尺寸呈反比，而充電電流密度與其無關(guān)，有助于降低充電電流干擾，提高靈敏度；4.微電極幾乎是無損傷測試，可以應(yīng)用于生物活體及單細(xì)胞分析。17.3.1.微電極的基本性質(zhì)微電極的基本性質(zhì)1.容易達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流2ooo1/2= 4 +()rinfdc rdto o = 4infdc r2. 微電極的時間常數(shù)很小3適用高阻抗溶液體系17.3.2. 微電極的應(yīng)用微電極的應(yīng)用 微電極的一維尺寸很小，所以電極的形狀各異，不僅有盤、柱、針形，還有帶形、交指狀、陣列微電極（芯片）及粉末微電極等。制作微電極的材料常有碳纖維、鉑絲、石墨粉、金、銅、銀等。經(jīng)化學(xué)或生物成分修飾的微電極，既可作化

19、學(xué)傳感器，又可作生物傳感器。17.4. 納米電分析化學(xué)納米電分析化學(xué) 納米電化學(xué)是電化學(xué)新出現(xiàn)的一門技術(shù)，它是研究材料在納米尺寸時所呈現(xiàn)出電的及電化學(xué)的性質(zhì)。納米電分析化學(xué)是在納米電化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它已建立起了一系列新的分析方法。 17.4.1. 納米微粒膜電極納米微粒膜電極 納米微粒膜電極是指將微粒嵌于薄膜中所制成的薄膜電極。通常選用兩種組分制成溶液，讓其在電極表面自然干燥形成薄膜，改變膜材中的組分或組分的比例，可以很方便地改變膜中微粒的列陣、分布及形態(tài)，從而控制膜電極的特性。17.4.2. 功能化納米結(jié)構(gòu)電極功能化納米結(jié)構(gòu)電極 納米材料表面經(jīng)化學(xué)、物理處理，可組裝為功能化的納米結(jié)構(gòu)

20、電極。由于功能化分子千差萬別，這類電極通常呈現(xiàn)出千變?nèi)f化的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。 以碳納米管為例，在其表面修飾上一層nafion(一種全氟化陽離子交換劑)溶液，制備出一種新型膜電極。由于nafion分子上有磺酸基團(tuán)，使得碳納米管膜表面帶負(fù)電，它會排斥荷負(fù)電的物質(zhì)而吸附帶正電荷的物質(zhì)，因此可用于含多巴胺、抗壞血酸、尿酸的生物樣品中多巴胺的測定。17.4.3. 納米陣列電極納米陣列電極 納米陣列電極的制備通常采用模板法，其中最普遍是以多孔氧化鋁作為模板。（a）氧化鋁模板掃描電鏡圖，（）氧化鋁模板掃描電鏡圖，（b）氧化鋁模板剖面圖，（）氧化鋁模板剖面圖，（c）納米孔洞內(nèi)沉積金，）納米孔洞內(nèi)沉積金，（d）納米陣列電極）納米陣列電極17.4.4. 應(yīng)用應(yīng)用 納米電分析化學(xué)在化學(xué)與生物傳感器的制備以及低濃度分子的檢測方法上起著重