分析科學(xué)課件

1、分析科學(xué)中的電化學(xué)發(fā)光新技術(shù)主要內(nèi)容：第一章、緒論第二章、Ru(bpy)32+-HA-SiO2-PVA修飾電極用作為FIA固態(tài)ECL檢測器第三章、Ru(bpy)32+- ZrO2-Nafion修飾電極用作為CE的固態(tài)ECL檢測器第四章、Ru(bpy)32+-Al2O3-Nafion修飾電極用作為MCE固態(tài)ECL檢測器第五章、微流控固態(tài)電致化學(xué)發(fā)光傳感器分析檢測藥物曲瑪多、利多卡因和氧氟沙星 第六章、微芯片電泳液相電化學(xué)發(fā)光檢測第七章、碳納米管增強(qiáng)CdS納晶固相電致化學(xué)發(fā)光 第一章、背景介紹電化學(xué)發(fā)光Ru(bpy)32+的固定化技術(shù)流動(dòng)體系中固態(tài)Ru(bpy)32+電化學(xué)發(fā)光機(jī)理電化學(xué)發(fā)光192

2、7年，格氏試劑ECL1929年，魯米諾ECL1959年，Ru(bpy)32+的ECL1960 80年，碳?xì)浠衔?、金屬配合物和團(tuán)族ECL現(xiàn)象1980年 ，分析科學(xué)中的ECL電化學(xué)發(fā)光原理示意圖Ru(bpy)32+的固定化技術(shù)LB膜自組裝單層膜陽離子交換聚合物膜溶膠-凝膠膜Ru(bpy)32+的結(jié)構(gòu)圖主要工作：利用溶膠-凝膠技術(shù)，成功制備了Ru(bpy)32+-HA-SiO2-PVA，Ru(bpy)32+-Nafion-ZrO2和Ru(bpy)32+-Nafion-Al2O3固態(tài)ECL傳感器。研制了流動(dòng)注射流動(dòng)池和微芯片操作平臺，先后搭建了ECL-FIA，ECL-CE和ECL-MCE流動(dòng)操作系統(tǒng)

3、 ，成功檢測了一系列藥物。研究了ECL新物質(zhì)，半導(dǎo)體納晶的ECL行為，發(fā)現(xiàn)碳納米管不但能增強(qiáng)半導(dǎo)體納晶的ECL強(qiáng)度，而且能降低ECL的起始電位，為促進(jìn)半導(dǎo)體納晶的ECL在分析科學(xué)上的應(yīng)用提供了途徑。第二章、Ru(bpy)32+-HA（腐質(zhì)酸）-SiO2-PVA修飾電極用作為FIA固態(tài)ECL檢測器HA含量決定Ru(bpy)32+的固載量 氧化峰電流HA含量陽極電流在一定范圍內(nèi)隨著HA含量的增加而逐漸增加。HA的含量正比于HA飽和溶液和二氧化硅-PVA溶膠的體積比。體積比為3時(shí)，氧化峰電流達(dá)到最大值。 腐質(zhì)酸黑色:C；紅色:O；黃色:S；其余:H HA結(jié)構(gòu)單元示意圖腐質(zhì)酸是一種非均相、多分散的大分

4、子，是土壤和水域中的主要有機(jī)組成部分?；窘Y(jié)構(gòu)單元包含芳環(huán)結(jié)構(gòu)、酚羥基、氨基、羥基、羧基、酰氨基以及巰基等。腐質(zhì)酸不但具有很高的吸附容量而且在酸性溶液不溶解，能溶于堿性溶液呈聚陰電解質(zhì)的特性。陽離子電活性物質(zhì)極易摻雜到腐質(zhì)酸薄膜中。固態(tài)Ru(bpy)32+傳感器在TPA（三丙胺）體系中的電化學(xué)和電化學(xué)發(fā)光行為 傳感器在TPA溶液中的循環(huán)伏安曲線和電化學(xué)發(fā)光曲線Ru(bpy)32+的陽極電流增加而陰極電流下降，說明Ru(bpy)33+能催化TPA的電氧化。電化學(xué)發(fā)光的起始電位大約在0.9-1.0V，這與固定化的Ru(bpy)32+的氧化電位一致，隨后電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度迅速增加。 ECL-FIA裝置示

5、意圖P：蠕動(dòng)泵； V：進(jìn)樣閥；E：電化學(xué)儀；F：檢測池；PMT：光電倍增管；R：數(shù)據(jù)記錄儀；Sample:樣品；Carrier:載液；Waste:廢液流動(dòng)注射池流動(dòng)注射池結(jié)構(gòu)圖聚四氟乙烯墊片厚度為50 m，保證了流動(dòng)池的死體積最小;工作電極通過空心螺孔固定到流動(dòng)池上;參比電極為Ag/AgCl電極;不銹鋼針管充當(dāng)了流動(dòng)池的出口和對電極;電化學(xué)發(fā)光檢測窗口為光透石英玻璃。小結(jié) HA作為修飾劑，成功地?fù)诫s進(jìn)了SiO2溶膠-凝膠。HA-SiO2-PVA復(fù)合膜非常適合固定電致化學(xué)發(fā)光試劑，Ru(bpy)32+。同時(shí)，固定的Ru(bpy)32+非常穩(wěn)定適合用作為電致化學(xué)發(fā)光傳感器。Ru(bpy)32+的固

6、定量取決于HA- SiO2-PVA復(fù)合膜中HA的含量。Ru(bpy)32+-HA- SiO2-PVA復(fù)合膜的電致化學(xué)發(fā)光傳感器和流動(dòng)注射聯(lián)用成功地用于TPA和草酸的檢測。該傳感器具有很高的靈敏度、較短的響應(yīng)時(shí)間和很好的穩(wěn)定性。 第三章、Ru(bpy)32+- Nafion - ZrO2修飾電極用作為CE的固態(tài)ECL檢測器固態(tài)Ru(bpy)32+傳感器在TPA體系中的電化學(xué)行為 循環(huán)伏安曲線在沒有TPA的支持電解質(zhì)中，固定在純Nafion膜和53%二氧化鋯-Nafion膜上的Ru(bpy)32+的峰電流相近，說明兩種膜固定Ru(bpy)32+的量相近。在TPA存在的條件下，陽極峰電流明顯增大，而

7、陰極峰電流減小，甚至消失。說明TPA的氧化能被Ru(bpy)32+的電化學(xué)氧化產(chǎn)物Ru(bpy)33+所催化。同時(shí)，二氧化鋯-Nafion膜上的電催化電流遠(yuǎn)大于純Nafion膜上的電催化電流 固態(tài)Ru(bpy)32+傳感器在TPA體系中的ECL行為電化學(xué)發(fā)光曲線純Nafion膜上的電致化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度顯著地小于在二氧化鋯-Nafion膜上的電致化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度(13倍） ZrO2含量對傳感器電信號和發(fā)光強(qiáng)度的影響二氧化鋯含量影響EC 和ECL不同含量的二氧化鋯修飾電極，其氧化峰電流值都相近。不同二氧化鋯含量的修飾電極的電致化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度卻并不一樣 CE系統(tǒng)組成示意圖CE-ECL檢測池CE-ECL檢測池結(jié)

8、構(gòu)示意圖(1) working electrode; (2) PMT; (3) optic glass window; (4) stainless steel tube; (5) separation capillary; (6) counter electrode: (7) reference electrode; (8) working electrode alignment screws.距離對檢測光信號強(qiáng)度的影響最佳距離為50-80 m ECLDistance 曲線 pH的影響TPA的電致化學(xué)發(fā)光峰隨pH從6.0增加到9.0不斷增大，但pH達(dá)到10.0時(shí)開始下降。對于脯氨酸和利多卡因，

9、pH從6.0增加到10.0過程中，其峰高隨pH的增加一直增大 ECLpH曲線分離檢測三種物質(zhì)的電泳譜圖TPA、脯氨酸和利多卡因的理論塔板數(shù)分別為73 000、24 000和50 000。 固態(tài)檢測器的穩(wěn)定性檢測器始終浸泡在含0.1 mol L-1的磷酸鹽緩沖溶液的檢測池中（pH9.0）。固態(tài)檢測器始終施加1.2V的檢測電位。待測物質(zhì)TPA的電泳峰高很快就能達(dá)到穩(wěn)定，并且能穩(wěn)定使用時(shí)間長達(dá)90小時(shí)之久，這樣長的穩(wěn)定時(shí)間歸功于陽離子交換聚合物，Nafion。Nafion對于Ru(bpy)32+這類具有很多疏水配體的大體積的陽離子絡(luò)合物，有很大的交換系數(shù)，并且阻止Ru(bpy)32+向外部溶液中的滲

10、漏。 ECLTime 變化曲線小結(jié)溶膠-凝膠衍生化的二氧化鋯-Nafion復(fù)合膜被證明是固定Ru(bpy)32+，發(fā)展固態(tài)電化學(xué)傳感器的有效基體。所制備Ru(bpy)32+-二氧化鋯-Nafion檢測器的電化學(xué)和電致化學(xué)發(fā)光行為與復(fù)合膜內(nèi)二氧化鋯的含量有著很強(qiáng)的依賴關(guān)系。當(dāng)二氧化鋯的含量為53%時(shí)，傳感器在共反應(yīng)劑，TPA溶液中有著最強(qiáng)的發(fā)光效率。固態(tài)傳感器優(yōu)良的穩(wěn)定性適宜充當(dāng)毛細(xì)管電泳的檢測器。對于75 m的毛細(xì)管，固態(tài)檢測器與毛細(xì)管出口端之間能保持較小的距離，從而提高了分離效率和檢測靈敏度。該CE-固態(tài)ECL系統(tǒng)已成功用于TPA、脯氨酸和利多卡因的檢測。第四章、Ru(bpy)32+-Al2

11、O3-Nafion修飾電極用作為MCE固態(tài)ECL檢測器固態(tài)檢測器在TPA溶液中的伏安行為和ECL行為 固定化的Ru(bpy)32+循環(huán)伏安行為與復(fù)合膜的組成密切相關(guān)。在純Nafion膜中，Ru(bpy)32+循環(huán)伏安曲線是對稱的（曲線a）而在50% Al2O3-Nafion復(fù)合膜中，Ru(bpy)32+循環(huán)伏安曲線明顯表現(xiàn)出了擴(kuò)散拖尾現(xiàn)象（曲線b）。 Current and ECLPotential 曲線Al2O3含量對電信號和發(fā)光信號強(qiáng)度的影響Al2O3的含量 影響EC和ECLMCE-ECL平臺的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖（1）：玻璃芯片（2）：壓板（3）：光透玻璃（4）：對電極（5）：工作電極（6

12、）：三維調(diào)節(jié)器（7）：參比電極（8）：固定螺絲（9）：有機(jī)玻璃架高壓電場對固態(tài)檢測器電化學(xué)及電化學(xué)發(fā)光的影響循環(huán)伏安曲線高壓電場對電泳譜圖的影響a: 100 V/cmb: 200 V/cmc: 300 V/cm電泳譜圖距離的影響ECLDistance曲線不同濃度的脯氨酸的電泳譜A: 10-5B: 10-4C: 10-3分離電泳譜圖檢測器的穩(wěn)定性ECLTime變化曲線小結(jié) 本章構(gòu)建了一種簡單價(jià)廉的MCE-固態(tài)ECL工作平臺。通過溶膠-凝膠技術(shù)制備的三氧化鋁-Nafion有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料能有效的固載Ru(bpy)32+發(fā)展成為ECL固態(tài)電致化學(xué)發(fā)光傳感器。50%三氧化鋁-Nafion復(fù)合膜固定的

13、Ru(bpy)32+具有很高發(fā)光效率，能滿足充當(dāng)MCE檢測器的要求。該MCE-固態(tài)ECL檢測系統(tǒng)成功檢測了TPA和脯氨酸，表明這種MCE-固態(tài)ECL檢測系統(tǒng)將在化學(xué)以及生化分析上大有用武之地。第五章、微流控固態(tài)電致化學(xué)發(fā)光傳感器分析檢測藥物曲瑪多、利多卡因和氧氟沙星固態(tài)ECL-MCE操作平臺三維示意圖固態(tài)檢測器在利多卡因溶液中的EC和ECL行為循環(huán)伏安曲線分離高壓電場對檢測器電化學(xué)行為的影響循環(huán)伏安曲線CV過程中施加高壓分離電場循環(huán)伏安曲線高壓對電信號和發(fā)光信號的影響固態(tài)ECL-MCE系統(tǒng)的重現(xiàn)性分離模式常規(guī)分離（a）夾流分離（b）運(yùn)行緩沖溶液濃度對分離效率的影響a:10 mol L-1 PB

14、Sb: 50 mol L-1 PBS三種藥物的電泳分離譜圖藥物曲瑪多利多卡因氧氟沙星線性范圍5.010-52.510-31.010-51.010-31.010-52.510-3檢測限2.510-51.010-55.010-6微通道表面修飾殼聚糖修飾 殼聚糖/納米金修飾 表面改性對分離效果的影響N1(/m)N2(/m)N3(/m)R1,2R2,3微通道未修飾2400018000290000.71.5微通道修飾殼聚糖2100023000310001.33.7微通道修飾殼聚糖納米金8800091000500001.72.5(a)(b)小結(jié)本文對一種新型MCE-固態(tài)ECL檢測系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究檢測，

15、并對曲瑪多、利多卡因和氧氟沙星等藥物進(jìn)行了分離檢測。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ru(bpy)32+- ZrO2-Nafion 故態(tài)ECL-MCE系統(tǒng)具有靈敏度較高，成本較低，檢測時(shí)間較短等特征，微芯片的特殊性能得到了很好的體現(xiàn)。進(jìn)一步的改進(jìn)和完善將使這種MCE-固態(tài)ECL檢測系統(tǒng)有望用于臨床分析檢測等實(shí)際工作中。 第六章、微芯片電泳液相電化學(xué)發(fā)光檢測 液相ECL-MCE操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖WE: 工作電極; CE: 輔助電極; RE: 參比電極; GE: 接地電極; PS: 電位儀; HV: 高壓電源; PMT: 光電倍增管柱前檢測模式下的發(fā)光試劑CV曲線柱前檢測模式下Ru(bpy)32+的循環(huán)伏安曲線 兩種操

16、作模式下的信噪比與發(fā)光試劑濃度的關(guān)系a: 柱前模式b: 柱后模式信噪比濃度曲線工作電極和芯片出口之間的最佳距離柱后模式柱前模式兩種模式分離三種物質(zhì)電泳譜圖a: 柱后模式b: 柱前模式柱前模式對三種物質(zhì)的分離檢測TPA、曲瑪多和利多卡因，檢測限（信噪比等于3）分別為5.010-7 mol L-1、1.010-6 mol L-1和3.010-6 mol L-1；線性范圍分別為1.010-6mol L-1到1.0 10-4 mol L-1 、2.0 10-6 mol L-1到1.0 10-4 mol L-1和5.0 10-6 mol L-1 到1.0 10-4 mol L-1 小結(jié) Ru(bpy)3

17、2+電致化學(xué)發(fā)光耦合微芯片電泳以柱端式結(jié)構(gòu)400 m的工作電極進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。兩種檢測模式，柱前模式和柱后模式，的在MCE-ECL中的操作參數(shù)得到了優(yōu)化和比較。利用柱前模式，TPA、曲瑪多和利多卡因能夠完全分離并有很高的分離效率。該體系成功檢測了藥物如曲瑪多和利多卡因。本章工作對促進(jìn)ECL檢測在微全分析系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要意義，并且顯示了MCE-ECL系統(tǒng)在臨床分析中檢測藥物的良好應(yīng)用前景。 第七章、碳納米管增強(qiáng)CdS納晶固相電致化學(xué)發(fā)光TEM圖Toolbar :20 nm光譜表征UV spectrum FL spectrum ECL spectrum Spectra of CdS nanocrystals filmSEM圖a: CdS/CNTsb: CdS nanoparticles電化學(xué)和電化學(xué)發(fā)光行為A: CdS/CNTsB: CdS nanocrystalsECLPotential 曲線電化學(xué)發(fā)光穩(wěn)定性ECLTime 關(guān)系圖不同濃度H2O2的ECL強(qiáng)度ECLPotential曲線小結(jié)CdS納晶摻雜碳納米管不但能增強(qiáng)電致化學(xué)發(fā)光而且能降低電致化學(xué)發(fā)光的起始電位。這種性質(zhì)有助于構(gòu)建半導(dǎo)體納晶電致化學(xué)發(fā)光傳感器，促進(jìn)半導(dǎo)體材料在分析科學(xué)上的應(yīng)用。 全文總結(jié)：本論文利用溶膠-凝膠技術(shù)，制備有機(jī)-無