光譜分析技術(shù)與電分析化學(xué)最新

1、 光譜分析技術(shù)與電分析化學(xué)主講：聶華貴本課程主要講解內(nèi)容：本課程主要講解內(nèi)容： 四大波譜分析技術(shù) 電分析化學(xué)本課程參考書目：1. 1.高等結(jié)構(gòu)分析高等結(jié)構(gòu)分析馬禮敦馬禮敦 復(fù)旦大學(xué)出版社復(fù)旦大學(xué)出版社 ， 200520052. 2.儀器分析儀器分析 方惠群方惠群 于俊生于俊生 史堅(jiān)史堅(jiān) 科學(xué)出版社，科學(xué)出版社， 200220023. 3. 波譜分析波譜分析陳集，饒小桐，蔣曉蕙陳集，饒小桐，蔣曉蕙 電子科技大學(xué)出版社，電子科技大學(xué)出版社，2003 2003 4. 4. 電化學(xué)方法原理與應(yīng)用電化學(xué)方法原理與應(yīng)用阿倫阿倫. J. . J. 巴德巴德 化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社， 20052005

2、四大波譜分析技術(shù)四大波譜分析技術(shù) 紫外光譜 紅外光譜 核磁共振 質(zhì)譜有機(jī)化合物金屬納米粒子的表面等離子體共振吸收 (SPR)(SPR)金屬納米粒子的SPR譜圖納米金獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)納米金獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)（1）利用納米金本身特有的顏色）利用納米金本身特有的顏色：對于：對于13 nm左左右的顆粒，本身為紅色，根據(jù)顏色的深淺可判斷右的顆粒，本身為紅色，根據(jù)顏色的深淺可判斷待測物的含量。該方法簡便快速、成本低、實(shí)用待測物的含量。該方法簡便快速、成本低、實(shí)用性強(qiáng)。性強(qiáng)。（2）利用納米金顆粒間距離不同產(chǎn)生不同的顏）利用納米金顆粒間距離不同產(chǎn)生不同的顏色色：納米金本身呈紅色，團(tuán)聚后變?yōu)樽仙蛩{(lán)色，：納米金本身呈

3、紅色，團(tuán)聚后變?yōu)樽仙蛩{(lán)色，且表面等離子體共振吸收峰也發(fā)生紅移，利用這且表面等離子體共振吸收峰也發(fā)生紅移，利用這種性質(zhì)可檢測蛋白質(zhì)、核酸、離子、小分子等多種性質(zhì)可檢測蛋白質(zhì)、核酸、離子、小分子等多種目標(biāo)物質(zhì)。種目標(biāo)物質(zhì)。 納米材料的近紅外光譜(NIR)(NIR) 電分析化學(xué)入門電分析化學(xué)入門 電化學(xué)生物傳感器電化學(xué)生物傳感器 電分析化學(xué)概述電分析化學(xué)概述 常用的電分析化學(xué)方法常用的電分析化學(xué)方法電分析化學(xué)電分析化學(xué) 電分析化學(xué)研究的內(nèi)容電分析化學(xué)研究的內(nèi)容 1. 1. 什么是電分析化學(xué)什么是電分析化學(xué) 應(yīng)用電化學(xué)的基本原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，依據(jù)物質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)來測應(yīng)用電化學(xué)的基本原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，依據(jù)物

4、質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)來測定物質(zhì)組成及含量的分析方法稱為電化學(xué)分析或電分析化學(xué)。定物質(zhì)組成及含量的分析方法稱為電化學(xué)分析或電分析化學(xué)。 電分析化學(xué)概述電分析化學(xué)概述2 2. . 電化學(xué)分析法的特點(diǎn)電化學(xué)分析法的特點(diǎn)（1 1）靈敏度、準(zhǔn)確度高，選擇性好）靈敏度、準(zhǔn)確度高，選擇性好 被測物質(zhì)的最低量可以達(dá)到被測物質(zhì)的最低量可以達(dá)到1010-1-15 5 molL molL-1-1數(shù)量級。數(shù)量級。2 2. . 電化學(xué)分析法的特點(diǎn)電化學(xué)分析法的特點(diǎn)（3 3）應(yīng)用廣泛）應(yīng)用廣泛 傳統(tǒng)電化學(xué)分析：無機(jī)離子的分析。傳統(tǒng)電化學(xué)分析：無機(jī)離子的分析。 測定有機(jī)化合物也日益廣泛：測定有機(jī)化合物也日益廣泛： 有機(jī)電化學(xué)分析、

5、藥物分析。有機(jī)電化學(xué)分析、藥物分析。 電化學(xué)分析在藥物分析中也有較多應(yīng)用。電化學(xué)分析在藥物分析中也有較多應(yīng)用。 活體分析?；铙w分析。（2 2）電化學(xué)儀器裝置較為簡單，操作方便）電化學(xué)儀器裝置較為簡單，操作方便 直接得到電信號，易傳遞，尤其適合于化工生產(chǎn)中的自直接得到電信號，易傳遞，尤其適合于化工生產(chǎn)中的自動控制和在線分析。動控制和在線分析。1.1 水的電解實(shí)驗(yàn)問題：1. 電解時(shí)一般選用碳電極，那么碳電極與導(dǎo)線聯(lián)接時(shí)需要注意什么？銅線、焊線等不能裸露2.一般電解水時(shí)要在水中加硫酸或氫氧化鈉為什么？ 電分析化學(xué)入門電分析化學(xué)入門電化學(xué)入門作用：提高水的電導(dǎo)率硫酸、氫氧化鈉-支持電解質(zhì)問題3：如何測

6、定分解電壓？電流-電壓曲線02468101214160123電壓（V）電流（mA）用調(diào)壓器調(diào)節(jié)恒電壓電源或電流電源的流出，慢慢地增加兩極間的電壓，觀察電流的變化。1.2 雙電極和三電極體系問：水的電解實(shí)驗(yàn)中，測定了陽極與陰極間的電壓-電流曲線，知道氫和氧可分別在陰極和陽極產(chǎn)生，那么各電極又是在怎樣的電壓下進(jìn)行反應(yīng)的呢？二電極體系，難以測定電極電位。三電極體系參比電極：測量陰陽極反應(yīng)電極電位的一個(gè)基準(zhǔn)電極三電極體系問：輔助電極（對電極）的作用是什么？答：當(dāng)研究電極與參比電極之間設(shè)定在某一電位時(shí)，電流隨設(shè)定電位以及電解液濃度而變化。輔助電極的作用是和研究電極組成一個(gè)讓電流暢通的回路。注：在三電極體

7、系中，為了能夠在測定研究電極和參比電極之間電壓的同時(shí)，又能任意調(diào)節(jié)研究電極的電位，不能使用恒電壓電源，一般用具有自動調(diào)節(jié)功能的恒電位儀（potentiostat)。1.3 基礎(chǔ)電化學(xué)過程氧化還原電位體系/Fe(CN)例：Fe(CN)4636鉑電極和參比電極，用內(nèi)阻足夠大的電位計(jì)（電流為零）測定鉑電極對參比電極的電位。氧化還原電位的測定氧化還原電位的測定氧化還原電位氧化還原平衡鉑電極只起傳遞電子的載體的作用。鉑電極電位的大小由以上的氧化還原平衡決定，這種平衡狀態(tài)下的電極電位-氧化還原電位（redox potential)常用的電化學(xué)儀器瑞士萬通公司瑞士萬通公司PGSTAT30德國德國Im6ex電

8、化學(xué)工作站電化學(xué)工作站CHI 760d電化學(xué)工作站電化學(xué)工作站電分析化學(xué)研究什么？電分析化學(xué)研究什么？研究對象：反應(yīng)物和產(chǎn)物研究對象：反應(yīng)物和產(chǎn)物反應(yīng)場所：電極表面及固液界面區(qū)反應(yīng)場所：電極表面及固液界面區(qū)過程：氧化，還原過程：氧化，還原, ,電遷移電遷移, ,擴(kuò)散擴(kuò)散, ,對流對流降低復(fù)雜性：單電極上反應(yīng)降低復(fù)雜性：單電極上反應(yīng)可控制反應(yīng)：電極電勢可控制反應(yīng)：電極電勢/ /電流電流可測量：電勢可測量：電勢/ /電流電流/ /濃度濃度/ /時(shí)間時(shí)間/./.可分析：各變量間的關(guān)系可分析：各變量間的關(guān)系 結(jié)論結(jié)論/ /規(guī)律規(guī)律（1 1）如何研究？）如何研究？ 電分析化學(xué)研究的內(nèi)容電分析化學(xué)研究的內(nèi)

9、容步驟構(gòu)成：步驟構(gòu)成：(1)(1)反應(yīng)物粒子從溶液向電極表面移動傳質(zhì)步驟，如擴(kuò)散，反應(yīng)物粒子從溶液向電極表面移動傳質(zhì)步驟，如擴(kuò)散，強(qiáng)制攪拌，超聲攪拌等，強(qiáng)制攪拌，超聲攪拌等，(2)(2)可能可能的化學(xué)反應(yīng)前置步驟，如化學(xué)反應(yīng)，吸附等的化學(xué)反應(yīng)前置步驟，如化學(xué)反應(yīng)，吸附等（2 2）電極上反應(yīng)）電極上反應(yīng)(3)(3)在電極表面得失電子電化學(xué)步驟，在電極表面得失電子電化學(xué)步驟，(4)(4)可能的化學(xué)反應(yīng)后置步驟，如脫附，化學(xué)反應(yīng)等，可能的化學(xué)反應(yīng)后置步驟，如脫附，化學(xué)反應(yīng)等，(5)(5)產(chǎn)物粒子離開電極表面向溶液移動，或生成新相如氣體或沉產(chǎn)物粒子離開電極表面向溶液移動，或生成新相如氣體或沉積固體。積

10、固體。 電子線路：控制測量電勢電子線路：控制測量電勢/ /電流電流/ /濃度濃度/ /時(shí)間時(shí)間/./.計(jì)算機(jī)：分析數(shù)據(jù)，獲取各變量間的關(guān)系計(jì)算機(jī)：分析數(shù)據(jù)，獲取各變量間的關(guān)系 結(jié)論結(jié)論/ /規(guī)律規(guī)律（3 3）測量分析）測量分析實(shí)驗(yàn)控制測量實(shí)驗(yàn)控制測量 獲得變量關(guān)系獲得變量關(guān)系 分析動力學(xué)，熱力學(xué)，速度常數(shù)，平衡常數(shù)，反應(yīng)歷分析動力學(xué)，熱力學(xué)，速度常數(shù)，平衡常數(shù)，反應(yīng)歷程，控制步驟。程，控制步驟。（4 4）目標(biāo)）目標(biāo)多種物種粒子多種物種粒子多種串接或并發(fā)的反應(yīng)多種串接或并發(fā)的反應(yīng)復(fù)雜的反應(yīng)環(huán)境：異相反應(yīng)復(fù)雜的反應(yīng)環(huán)境：異相反應(yīng)( (材料，表面積，活性中材料，表面積，活性中心，吸附，界面電場心，吸

11、附，界面電場) )，影響因素：化學(xué)作用和電場作用影響因素：化學(xué)作用和電場作用（5 5）復(fù)雜特點(diǎn)）復(fù)雜特點(diǎn) 常用的電分析化學(xué)方法常用的電分析化學(xué)方法 電化學(xué)阻抗法電化學(xué)阻抗法 極譜分析法極譜分析法 溶出溶出 伏安分析法伏安分析法 脈沖伏安法脈沖伏安法 循環(huán)伏安法循環(huán)伏安法 計(jì)時(shí)安培法計(jì)時(shí)安培法 伏安分析法：伏安分析法：以測定電解過程中的電流以測定電解過程中的電流- -電壓電壓曲線為基礎(chǔ)的電化學(xué)分析方法；曲線為基礎(chǔ)的電化學(xué)分析方法； 極譜法極譜法( (polarography)polarography)：采用滴汞電極的伏安分析法。采用滴汞電極的伏安分析法。1.1.極譜分析基本原理與過程極譜分析基本

12、原理與過程 極譜分析：極譜分析：在特殊條件下進(jìn)行的電解分析。在特殊條件下進(jìn)行的電解分析。 特殊性：特殊性：使用了一支極化電極和另一支去極化使用了一支極化電極和另一支去極化電極作為工作電極；電極作為工作電極； 在溶液靜止的情況下進(jìn)行的非完全的電解過程。在溶液靜止的情況下進(jìn)行的非完全的電解過程。 極譜分析法極譜分析法極譜圖極譜圖 （以測定（以測定 Pb2+為例）為例） 1 1取試液（含鉛離子取試液（含鉛離子1010-2 -21010-5 -5mol/Lmol/L，極譜分析的測定范圍如此）于極譜，極譜分析的測定范圍如此）于極譜分析的電解池中，加入大量的分析的電解池中，加入大量的KClKCl作支持電解

13、質(zhì)（約作支持電解質(zhì)（約1 mol/L1 mol/L），再滴入少），再滴入少量動物膠；量動物膠； 2 2向試液中通入氮?dú)饣驓錃鈹?shù)分鐘，以除去試液中的氧氣；向試液中通入氮?dú)饣驓錃鈹?shù)分鐘，以除去試液中的氧氣； 3 3以滴汞電極為陰極、飽和甘汞電極為陽極，在電解液保持靜止的狀態(tài)以滴汞電極為陰極、飽和甘汞電極為陽極，在電解液保持靜止的狀態(tài)下進(jìn)行電解；電解時(shí)，外加電壓從小到大逐漸增大，并同時(shí)記下不同電壓下進(jìn)行電解；電解時(shí)，外加電壓從小到大逐漸增大，并同時(shí)記下不同電壓時(shí)相應(yīng)的電解電流值；時(shí)相應(yīng)的電解電流值； 4 4以所測得的電流（用以所測得的電流（用I I表示）為縱坐標(biāo)，電壓（用表示）為縱坐標(biāo)，電壓（用V

14、V表示）為橫坐標(biāo)作表示）為橫坐標(biāo)作圖，得到圖，得到I IV V曲線，此曲線叫做極譜波或叫極譜圖。最后利用此圖就可求曲線，此曲線叫做極譜波或叫極譜圖。最后利用此圖就可求出溶液中的鉛的濃度。出溶液中的鉛的濃度。電壓由電壓由 0 V0 V逐漸增加到逐漸增加到-1.2 V-1.2 V左右，繪制電流左右，繪制電流- -電壓曲線。電壓曲線。圖中圖中段，僅有微小的電流流過，這時(shí)的電流稱為段，僅有微小的電流流過，這時(shí)的電流稱為“殘余電流殘余電流”或背景或背景電流。當(dāng)外加電壓到達(dá)電流。當(dāng)外加電壓到達(dá)PbPb2+2+的析出電位時(shí)，的析出電位時(shí)，PbPb2+2+開始在滴汞電極上迅速反應(yīng)。開始在滴汞電極上迅速反應(yīng)。繼

15、續(xù)增加電壓，滴汞電極表面的繼續(xù)增加電壓，滴汞電極表面的PbPb2+2+ 迅速獲得電子而還原，電解電迅速獲得電子而還原，電解電流急劇增加。流急劇增加。由于由于溶液本體靜止溶液本體靜止，而電極附近的而電極附近的PbPb2+2+在電極表面迅速在電極表面迅速反應(yīng)，此時(shí)產(chǎn)生反應(yīng)，此時(shí)產(chǎn)生濃度梯度濃度梯度 （厚度約（厚度約0.050.05mmmm的擴(kuò)散層），也就是的擴(kuò)散層），也就是滴汞電滴汞電極表面產(chǎn)生極表面產(chǎn)生 “ “濃差極化濃差極化”，i = k(C-i = k(C-C Cs s)/ )/ 。外加電壓繼續(xù)增加，外加電壓繼續(xù)增加，C Cs s 趨近于趨近于0 0，(C-C(C-Cs s) )趨近于趨近于

16、C C 時(shí)，這時(shí)時(shí)，這時(shí)電流的大小完全受溶液濃度電流的大小完全受溶液濃度C C來控制來控制極限電流極限電流i id d， 注意：式中極限電流注意：式中極限電流 i id d 包括殘余電流包括殘余電流 i iR R ( (不由擴(kuò)散產(chǎn)生），故極限電流減去不由擴(kuò)散產(chǎn)生），故極限電流減去殘余電流即為極限擴(kuò)散電流。當(dāng)電流殘余電流即為極限擴(kuò)散電流。當(dāng)電流等于極限擴(kuò)散電流的一半時(shí)所對應(yīng)的等于極限擴(kuò)散電流的一半時(shí)所對應(yīng)的電位稱之為半波電位電位稱之為半波電位( (E E1/21/2) )，由于不同，由于不同物質(zhì)其半波電位不同，因此物質(zhì)其半波電位不同，因此半波電位半波電位可作為極譜定性分析的依據(jù)。可作為極譜定性分

17、析的依據(jù)。Kcid 平衡時(shí)，電解電流僅受擴(kuò)散運(yùn)動控制，形成極限擴(kuò)散電流 id （極譜定量分析的基礎(chǔ)）。極譜曲線形成條件極譜曲線形成條件 (1) 待測物質(zhì)的濃度要小，快速形成濃度梯度。 (2) 溶液保持靜止，使擴(kuò)散層厚度穩(wěn)定，待測物質(zhì)僅依靠擴(kuò)散到達(dá)電極表面。 (3) 電解液中含有較大量的惰性電解質(zhì)，使待測離子在電場作用力下的遷移運(yùn)動降至最小。 (4) 使用兩支不同性能的電極。極化電極的電位隨外加電壓變化而變，保證在電極表面形成濃差極化。擴(kuò)散電流理論擴(kuò)散電流理論(1) 擴(kuò)散電流方程 設(shè)其為平面的擴(kuò)散過程。 費(fèi)克擴(kuò)散定律：單位時(shí)間內(nèi)通過單位平面的擴(kuò)散物質(zhì)的量與濃差梯度成正比：A:電極面積;D 擴(kuò)散系

18、數(shù)。(id)t 電解開始后t 時(shí),擴(kuò)散電流的大小。) 1 (ddXcDtANf根據(jù)法拉第電解定律：)(XcnFADnFAfitXtXtd2)()(0,0, 在擴(kuò)散場中，濃度的分布是時(shí)間t 和距電極表面距離X 的函數(shù)： c = (t, X )3()(t0,XtDcXc(3)代入(2)，得：(4)(dtDcnFADit 將(6)代入(5)，得： (id)t=708nD1/2m2/3t 1/6c (7) 由于汞滴呈周期性增長，使其有效擴(kuò)散層厚度減小，為線性擴(kuò)散層厚度的 。 滴汞周期內(nèi)，擴(kuò)散電流的平均值：(5)73)(d/tDcnFADit 考慮滴汞電極的汞滴面積是時(shí)間的函數(shù)，t 時(shí)汞滴面積： At=

19、8.4910-3m2/3t 2/3 (cm2) (6)(8)d)(1)(0平均dtiitd (id)平均=708nD1/2m2/3 t 1/6c討論： （1） n，D 取決于被測物質(zhì)的特性 將708nD1/2定義為擴(kuò)散電流常數(shù)，用 表示。越大，測定越靈敏。 （2） m，t 取決于毛細(xì)管特性 m2/3 t 1/6定義為毛細(xì)管特性常數(shù)，用 表示。則(id)平均 每滴汞上的平均電流(A)；n 電極反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)；D 擴(kuò)散系數(shù)； t 滴汞周期(s)；c 待測物原始濃度(mmolL-1)；m 汞流速度（mg s -1 ）。擴(kuò)散電流方程：(id)平均 = c = K c (2)(2)影響擴(kuò)散電流的因素

20、影響擴(kuò)散電流的因素溶液攪動的影響 擴(kuò)散電流常數(shù) = 708nD1/2 = id /（ Kc ） （n和D取決于待測物質(zhì)的性質(zhì)） 應(yīng)與滴汞周期無關(guān)，但與實(shí)際情況不符。 原因：汞滴滴落使溶液產(chǎn)生攪動。 加入動物膠（0.005%），可以使滴汞周期降低至1.5s。被測物濃度影響 被測物濃度較大時(shí)，汞滴上析出的金屬多，改變汞滴表面性質(zhì)，對擴(kuò)散電流產(chǎn)生影響。故極譜法適用于測量低濃度試樣。溫度影響 溫度系數(shù) +0.013/ C，溫度控制在0.5 C 范圍內(nèi)，溫度引起的相對誤差小于1%。3 3. . 干擾電流與抑制干擾電流與抑制(1)殘余電流 微量雜質(zhì)等所產(chǎn)生的微弱電流 產(chǎn)生的原因：溶劑及試劑中的微量雜質(zhì)及微

21、量氧等。 消除方法：可通過試劑提純、預(yù)電解、除氧等。 充電電流（也稱電容電流） 影響極譜分析靈敏度的主要因素。 產(chǎn)生的原因：分析過程中由于汞滴不停滴下，汞滴表面積在不斷變化，因此充電電流總是存在，較難消除。 充電電流約為10-7 A的數(shù)量級，相當(dāng)于10-510-6molL-1 被測物質(zhì)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流。(2) (2) 遷移電流遷移電流產(chǎn)生的原因： 由于帶電荷的被測離子（或帶極性的分子）在靜電場力的作用下運(yùn)動到電極表面所形成的電流。消除方法： 加入強(qiáng)電解質(zhì)。 加入強(qiáng)電解質(zhì)后，被測離子所受到的電場力減小。(3)(3)極譜極大極譜極大 在極譜分析過程中產(chǎn)生的一種特殊現(xiàn)象，即在極譜波剛出現(xiàn)時(shí)，擴(kuò)散電流隨

22、著滴汞電極電位的降低而迅速增大到一極大值，然后下降穩(wěn)定在正常的極限擴(kuò)散電流值上。這種突出的電流峰之為“極譜極大”。產(chǎn)生的原因：溪流運(yùn)動。消除方法：加骨膠。4.氧波、氫波、前波氧波、氫波、前波等產(chǎn)生干擾。1. 1. 基本原理基本原理 循環(huán)伏安法的基本原理與單掃循環(huán)伏安法的基本原理與單掃描極譜法相似。描極譜法相似。 單掃描極譜法：單掃描極譜法：鋸齒波。鋸齒波。 循環(huán)伏安法：循環(huán)伏安法：掃描電壓增加至某一數(shù)值后，再逐漸降低反向掃描掃描電壓增加至某一數(shù)值后，再逐漸降低反向掃描至起始值，形成一個(gè)等腰三角形。至起始值，形成一個(gè)等腰三角形。 極化曲線上部為物質(zhì)氧化態(tài)還原產(chǎn)生的極化曲線上部為物質(zhì)氧化態(tài)還原產(chǎn)生

23、的i- i- 曲線，下部為還原態(tài)曲線，下部為還原態(tài)又重新氧化生成的又重新氧化生成的i- i- 曲線。曲線。 若電極反應(yīng)是可逆的，則在一次掃描中，完成了還原、氧化兩個(gè)若電極反應(yīng)是可逆的，則在一次掃描中，完成了還原、氧化兩個(gè)過程的循環(huán)而又回到始態(tài)，故稱為循環(huán)伏安法。過程的循環(huán)而又回到始態(tài)，故稱為循環(huán)伏安法。 循環(huán)伏安法循環(huán)伏安法對于可逆電極對于可逆電極反應(yīng)：反應(yīng)：2525，兩峰電位之差為：，兩峰電位之差為： 1pcpaiimV)(56pcpapn 2. 2. 應(yīng)用應(yīng)用 研究電極反應(yīng)的性質(zhì)、機(jī)理；研究電極反應(yīng)的性質(zhì)、機(jī)理； 測定電極過程動力學(xué)參數(shù)；測定電極過程動力學(xué)參數(shù)； 研究電化學(xué)研究電化學(xué)- -

24、化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)過程化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)過程( (電極反應(yīng)過程中電極反應(yīng)過程中伴隨有化學(xué)反應(yīng)伴隨有化學(xué)反應(yīng)) )； 研究化合物的電化學(xué)性質(zhì)等；研究化合物的電化學(xué)性質(zhì)等； 較少應(yīng)用在成分分析中。較少應(yīng)用在成分分析中。(1) (1) 判斷體系的不可逆程度判斷體系的不可逆程度 利用循環(huán)伏安過程中所獲得的參數(shù)可以判斷體系的利用循環(huán)伏安過程中所獲得的參數(shù)可以判斷體系的不可逆程度。如果：不可逆程度。如果： 1pcpaiimV)(56pn 即兩峰電流之比越小，峰電位差越大，體系的不可逆程即兩峰電流之比越小，峰電位差越大，體系的不可逆程度越大。度越大。 (2)(2)研究電化學(xué)研究電化學(xué)- -化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)過程化學(xué)偶聯(lián)反應(yīng)過

25、程 兩步串聯(lián)反應(yīng)的循環(huán)伏安曲線的形成過程，如兩步串聯(lián)反應(yīng)的循環(huán)伏安曲線的形成過程，如Cu(II)Cu(II) Cu(I) Cu(I) Cu(0) Cu(0)。 開始時(shí)，溶液中只有氧化態(tài)開始時(shí)，溶液中只有氧化態(tài)的的A A存在，掃描開始后，存在，掃描開始后，A A還原還原產(chǎn)生產(chǎn)生B B，B B又被繼續(xù)還原生成又被繼續(xù)還原生成C C。反相掃描時(shí)，反相掃描時(shí)，C C氧化成氧化成B B，B B繼續(xù)繼續(xù)氧化又生成氧化又生成A A。 對氨基苯酚的循環(huán)伏安曲線對氨基苯酚的循環(huán)伏安曲線 陽極峰陽極峰1 1：對亞氨基苯醌對亞氨基苯醌陰極峰陰極峰2 2：對亞氨基苯醌還原生成的：對亞氨基苯醌還原生成的原物質(zhì)（對原物質(zhì)

26、（對- -氨基苯酚）氨基苯酚）陰極峰陰極峰3 3：苯醌還原生成的對苯二酚苯醌還原生成的對苯二酚陽極峰陽極峰4 4：苯醌苯醌 它是電解富集與伏安分析相結(jié)合的一種極譜它是電解富集與伏安分析相結(jié)合的一種極譜分析技術(shù)。分析技術(shù)。1. 1. 基本原理與過程基本原理與過程（1 1）被測物質(zhì)在適當(dāng)電壓下恒電位電解，還原）被測物質(zhì)在適當(dāng)電壓下恒電位電解，還原沉積在陰極上。沉積在陰極上。（2 2）施加反向電壓，使還原沉積在陰極）施加反向電壓，使還原沉積在陰極( (此時(shí)變此時(shí)變陽極陽極) )上的金屬離子氧化溶解，形成較大的峰電上的金屬離子氧化溶解，形成較大的峰電流。流。（3 3） 峰電流與被測物質(zhì)濃度成正比，定量

27、依據(jù)。峰電流與被測物質(zhì)濃度成正比，定量依據(jù)。（4 4）信號呈峰形，便于測量，可同時(shí)測量多種）信號呈峰形，便于測量，可同時(shí)測量多種金屬離子。金屬離子。 溶出伏安分析法溶出伏安分析法Cu2+ ，Pb2+ ，Cd2+ 的溶出伏安圖2 2. . 影響溶出峰電流的因素影響溶出峰電流的因素 化學(xué)計(jì)量：被測物完全電積在陰極上?；瘜W(xué)計(jì)量：被測物完全電積在陰極上。 精確性好，時(shí)間長。精確性好，時(shí)間長。 非化學(xué)計(jì)量非化學(xué)計(jì)量( (常用方法常用方法) )： 約約 2% 2%3%3%電積在陰極上。電積在陰極上。 在攪拌下，電解富集一定時(shí)間。在攪拌下，電解富集一定時(shí)間。 （2 2）溶出過程）溶出過程 掃描電壓變化速率保

28、持恒定。掃描電壓變化速率保持恒定。（1 1） 富集過程富集過程3. 3. 操作條件的選擇操作條件的選擇（1 1）底液）底液 一定濃度的電解質(zhì)溶液一定濃度的電解質(zhì)溶液( (鹽濃度增加，峰電流降低鹽濃度增加，峰電流降低) )。（2 2）預(yù)電解電位）預(yù)電解電位 比半波電位負(fù)比半波電位負(fù)0.20.20.5 0.5 V V；或?qū)嶒?yàn)確定?；?qū)嶒?yàn)確定。 （3 3） 預(yù)電解時(shí)間預(yù)電解時(shí)間 預(yù)電解時(shí)間長可增加靈敏度預(yù)電解時(shí)間長可增加靈敏度, , 但線性關(guān)系差。但線性關(guān)系差。 （4 4） 除氧除氧 通通N N2 2或加入或加入NaNa2 2SOSO3 3 。（5 5）電極）電極汞膜電極：汞膜電極：銀電極或玻碳電極

29、上鍍上一薄層汞，汞膜很銀電極或玻碳電極上鍍上一薄層汞，汞膜很薄，沉積的金屬濃度高，擴(kuò)散出來的速率快，用汞膜電薄，沉積的金屬濃度高，擴(kuò)散出來的速率快，用汞膜電極要比使用懸汞電極時(shí)的靈敏度高極要比使用懸汞電極時(shí)的靈敏度高 1 12 2個(gè)數(shù)量級。個(gè)數(shù)量級。玻碳電極：玻碳電極： 用一種用一種玻璃態(tài)石墨制玻璃態(tài)石墨制成的電極。成的電極。懸汞電極：見懸汞電極：見右圖右圖4. 4. 溶出伏安分析法的應(yīng)用溶出伏安分析法的應(yīng)用（1 1）定量方法）定量方法 測量峰高測量峰高: :xxxxxxVVVcVcKhcKh SSSSxxxxxVhhVVVchKc SSSSS)( 標(biāo)準(zhǔn)曲線法標(biāo)準(zhǔn)曲線法: :略略 標(biāo)準(zhǔn)加入法標(biāo)

30、準(zhǔn)加入法: :（2 2） 應(yīng)用應(yīng)用金屬元素測定金屬元素測定 不需分離可同時(shí)測定各種金屬離子不需分離可同時(shí)測定各種金屬離子， 可測定約可測定約3030多種元素。多種元素。檢出限檢出限 10 10-8-81010-9-9 molLmolL-1-1 。應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 化學(xué)、化工；食品衛(wèi)生；化學(xué)、化工；食品衛(wèi)生； 金屬腐蝕；環(huán)境檢測；金屬腐蝕；環(huán)境檢測； 超純半導(dǎo)體材料。超純半導(dǎo)體材料。 脈沖伏安法脈沖伏安法 計(jì)時(shí)安培法計(jì)時(shí)安培法是一種比較特殊的電位階躍技術(shù)，在恒電位情況下，是一種比較特殊的電位階躍技術(shù)，在恒電位情況下，記錄電流隨時(shí)間變化的方法。記錄電流隨時(shí)間變化的方法。 交流阻抗譜（交流阻抗譜（E

31、ISEIS）是一種常用的電化學(xué)測試方法是一種常用的電化學(xué)測試方法, , 該方該方法具有法具有頻率范圍廣、對體系擾動小頻率范圍廣、對體系擾動小的特點(diǎn)的特點(diǎn), , 是研究電極過程是研究電極過程動力學(xué)、電極表面現(xiàn)象、金屬腐蝕和耐腐蝕機(jī)理與性能、生動力學(xué)、電極表面現(xiàn)象、金屬腐蝕和耐腐蝕機(jī)理與性能、生物膜以及導(dǎo)電材料性能評價(jià)的重要工具。物膜以及導(dǎo)電材料性能評價(jià)的重要工具。 電解池是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的體系其中進(jìn)行著電量的轉(zhuǎn)移、電解池是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的體系其中進(jìn)行著電量的轉(zhuǎn)移、化學(xué)變化和組分濃度的變化等。這種體系顯然不同于出簡單的化學(xué)變化和組分濃度的變化等。這種體系顯然不同于出簡單的電學(xué)元件，如電阻、電容等組成的

32、電路。當(dāng)電學(xué)元件，如電阻、電容等組成的電路。當(dāng)個(gè)電極系統(tǒng)的電個(gè)電極系統(tǒng)的電勢變化時(shí)，流過電極系統(tǒng)的電流也相應(yīng)地變化。這種電流來自勢變化時(shí)，流過電極系統(tǒng)的電流也相應(yīng)地變化。這種電流來自兩個(gè)部分：兩個(gè)部分：一部分來自電極反應(yīng)的電流按照電極反應(yīng)動力學(xué)的一部分來自電極反應(yīng)的電流按照電極反應(yīng)動力學(xué)的規(guī)律隨電勢的變化而變化規(guī)律隨電勢的變化而變化，另一部分的電流變化則來自電勢改另一部分的電流變化則來自電勢改變時(shí)雙電層兩側(cè)電荷密度發(fā)生變化而引起的變時(shí)雙電層兩側(cè)電荷密度發(fā)生變化而引起的“充電充電”電流電流。由。由于后一部分不是直接由電極反應(yīng)引起的，叫非法拉第電流，于后一部分不是直接由電極反應(yīng)引起的，叫非法拉第電

33、流，而而直接用于電極反應(yīng)的電流，叫法拉第電流直接用于電極反應(yīng)的電流，叫法拉第電流。相應(yīng)于法拉第電流。相應(yīng)于法拉第電流的阻抗叫法拉第阻抗的阻抗叫法拉第阻抗Z ZF F。 交流阻抗法交流阻抗法2022-7-42022-7-41. 1. 電化學(xué)生物傳感概述電化學(xué)生物傳感概述2. 2. 酶傳感器酶傳感器3. 3. 免疫傳感器免疫傳感器4. 4. DNADNA傳感器傳感器 電化學(xué)生物傳感器電化學(xué)生物傳感器 電化學(xué)生物傳感器是一種將電化學(xué)檢測技術(shù)與生物分析技術(shù)相結(jié)合的新電化學(xué)生物傳感器是一種將電化學(xué)檢測技術(shù)與生物分析技術(shù)相結(jié)合的新的傳感器裝置。的傳感器裝置。 它除了和其他生物傳感器一樣具備高特異性，高靈敏

34、度的優(yōu)點(diǎn)它除了和其他生物傳感器一樣具備高特異性，高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)外，還因用于電化學(xué)檢測的裝置通常比較輕便簡單，易于實(shí)現(xiàn)微型化和集成化，外，還因用于電化學(xué)檢測的裝置通常比較輕便簡單，易于實(shí)現(xiàn)微型化和集成化，從而可以實(shí)現(xiàn)對大量樣本的在線快速同時(shí)分析。因此，近年來，電化學(xué)生物傳從而可以實(shí)現(xiàn)對大量樣本的在線快速同時(shí)分析。因此，近年來，電化學(xué)生物傳感器的研究引起了越來越多研究者的興趣，它開辟了分子生物學(xué)與電化學(xué)的研感器的研究引起了越來越多研究者的興趣，它開辟了分子生物學(xué)與電化學(xué)的研究新領(lǐng)域，為生命科學(xué)研究提供了一種新技術(shù)、新方法，它己成為生物電化學(xué)究新領(lǐng)域，為生命科學(xué)研究提供了一種新技術(shù)、新方法，它己成為

35、生物電化學(xué)的一個(gè)非常有生命力的科學(xué)前沿。的一個(gè)非常有生命力的科學(xué)前沿。電化學(xué)生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)電化學(xué)生物傳感器的基本結(jié)構(gòu)1. 1. 電化學(xué)生物傳感概述電化學(xué)生物傳感概述 電化學(xué)生物傳感器包括：電化學(xué)生物傳感器包括：酶傳感器、免疫傳感器、酶傳感器、免疫傳感器、 DNADNA傳感器、傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器和微生物傳感器。組織傳感器、細(xì)胞器傳感器和微生物傳感器。 電化學(xué)生物傳感器的分類電化學(xué)生物傳感器的分類2. 2. 酶生物傳感器酶生物傳感器酶電極電化學(xué)電極頂端緊貼一層酶膜酶電極電化學(xué)電極頂端緊貼一層酶膜酶的固定化技術(shù) 惰性載體惰性載體物理吸附法物理吸附法 離子載體離子載體交換法交換法

36、活化載體活化載體共價(jià)結(jié)合法共價(jià)結(jié)合法 物理包埋法物理包埋法物理吸附法酶分子通過極性鍵、氫鍵、疏水力或電子相互作用等吸 附于不溶性載體上。常用的載體有：多孔玻璃、活性炭、氧化鋁、石英砂、纖維素酯、葡聚糖、瓊脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯已用此法固定化的酶如： 脂肪酶、D葡萄糖苷酶、過氧化物酶等 交換法 選用具有離子交換劑的載體，在適宜的pH下，使酶分子與離子交換劑通過離子鍵結(jié)合起來，形成固定化酶。 常用的帶有離子交換劑的載體如下： DEAE一纖維素、TEAE一纖維素、 AE纖維素、CM纖維素、 DEAE一葡萄糖、肌酸激酶共價(jià)結(jié)合法a .重氮 b.迭氮 c.鹵化氰 d.縮合e.烷基化法 物理包埋法 將酶

37、分子包埋在凝膠的細(xì)微格子里制成固定化。 常用的凝膠有：聚丙烯酸胺、淀粉、明膠、聚乙烯醇、海藻酸鈣、硅樹脂 用凝膠包埋法制備的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纖維素酶、乳酸脫氫酶酶電極的發(fā)展主要經(jīng)歷三個(gè)階段：第一代電極基體電極酶O2底物產(chǎn)物H2O2H2OO2第二代電極基體電極酶MOX底物產(chǎn)物MRED 第三代電極基體電極酶底物產(chǎn)物酶的活性中心和電極表面直接進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移 Fernando Patolsky, Yossi Weizmann, and Itamar Willner. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 2113 21173. 電化學(xué)免疫傳感器電化學(xué)免疫傳感器 是一種將

38、電化學(xué)分析方法與免疫學(xué)技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展出來的具有快速、靈敏、選擇性高、操作簡便等特點(diǎn)的生物傳感器。 根據(jù)2001年的對生物傳感器分類標(biāo)準(zhǔn),電化學(xué)免疫傳感器是基于抗原 抗體反應(yīng)的,可進(jìn)行特異性的定量或半定量分析的自給式的集成器件,其中抗原/抗體是分子識別元件,且與電化學(xué)傳感元件直接接觸,并通過傳感元件把某種或者某類化學(xué)物質(zhì)濃度信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。 根據(jù)檢測信號的不同,電化學(xué)免疫傳感器可分為電位型、電流型、電導(dǎo)型和電容型。 電位型免疫傳感器 (1)直接型電位免疫傳感器 原理 利用抗原或抗體在水溶液中兩性解離本身帶電的特性,將其中一種固定在電極表面或膜上,當(dāng)另一種與之結(jié)合形成抗原抗體復(fù)合物時(shí),原

39、有的膜電荷密度將發(fā)生改變,從而引起膜的Donnan 電位和離子遷移的變化,最終導(dǎo)致膜電位改變。參比電極抗原結(jié)合抗體的膜(2) 酶標(biāo)記電位型免疫傳感器 將免疫化學(xué)的專一性和酶化學(xué)的靈敏性融為一體,對低含量物質(zhì)的檢測。 標(biāo)記酶:辣根過氧化物酶、葡萄糖氧化酶、堿性磷酸酶和脲酶。 最后均可歸結(jié)為是對NADH、苯酚、O2 、H2O2 、NH3及新近開發(fā)的電活性物質(zhì)的檢出。 電流型免疫傳感器 在恒定電壓的情況下監(jiān)測由于抗原抗體結(jié)合或繼后反應(yīng)中電流的變化 (1)非酶標(biāo)記電流型免疫傳感器標(biāo)記的電活性物質(zhì)： 鐵氰化鉀、二茂鉻鐵、Pb2+、Zn2+ 等主要是根據(jù)抗原和標(biāo)記抗原對定量抗體進(jìn)行競爭結(jié)合，而標(biāo)記抗原與抗體結(jié)合后氧化或還原電流減少。 （2）酶標(biāo)記電流型免疫傳感器 原理：主要是競爭法和夾心法 前者是用酶標(biāo)抗原與樣品中的抗原競爭結(jié)合電極上的抗體，催化氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電活性物質(zhì)而引起電流變化，從而可測得樣品中抗原濃度。 后者則是在樣品中的抗原與電極上的抗體結(jié)合后，再加酶標(biāo)抗體與樣品中的抗原結(jié)合，形成夾心結(jié)構(gòu)，從而催化氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流值變化。電流型酶標(biāo)記免疫傳感器的工作原理 第一代酶標(biāo)記電流型免疫傳感器以非電活性物質(zhì)如O2作為氧化還原的電