化學(xué)前沿傳感器

化學(xué)前沿傳感器第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一典型參考文獻(xiàn)Fujii,H.;Yoshimura,T,;Kamada,H.Imidazoleandp-NitrophenolateComplexesofOxoiron(IV)Porphyrina-CationRadicalsasModelsforCompoundsIofPeroxidaseandCatalase.Inorg.Chem.1997,36(27),6142.——卟啉類模擬酶Molenveld,P.;Engbersen,J.F.J.;Reinhoudt,D.N.Dinuclearmetallo-phosphodiesterasemodels:Applicationofcalix(4)arenesasmolecularscaffolds.Chem.Soc.Rev.2000,29(2):75-86.——主體試劑Strikovsky,A.G.;Hradil,J.;Wulff,G.Catalyticallyactive,molecularlyimprintedpolymersinbeadform.React.Funct.Polym.2003,54(1-3):49-61.——MIP模擬酶Fendler,J.H.MembraneMimeticChemistry,JohnWiley&Sons,NewYork,1982.——膜體系第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一5.Mohajer,D.;Rezaeifard,A.Efficientoxygenationofhydrocarbonswithtetrabutylammoniummonopersulfatecatalyzedbymanganesemeso-tetraphenylporphyrininthepresenceofimidazole.Tetrahedron.Lett.2002,43(10):1881-1884.——配合物6.董紹俊,車廣禮,謝遠(yuǎn)武,化學(xué)修飾電極(修訂版)北京:科學(xué)出版社,2003.27.GuoSJ,DongSJ.Biomolecule-nanoparticlehybridsforelectrochemicalbiosensors.TRAC-TRENDSINANALYTICALCHEMISTRY

2009,28(1):96-109.---電化學(xué)生物傳感器第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一序1.通過對酶模型物的研究有助于揭示酶的作用機(jī)理。2.生物傳感技術(shù)已形成一個備受關(guān)注的新興科技領(lǐng)域?？梢詼y定許多無機(jī)、有機(jī)和生物物質(zhì)，有著極為廣闊的研究領(lǐng)域和應(yīng)用前景。第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.1模擬酶的研究與發(fā)展

1.1.1引言

生物體內(nèi)進(jìn)行的生命活動恰是一個完全綠色化的過程，其中酶和激素扮演著極其重要的角色啟發(fā)引導(dǎo)科學(xué)工作者探索實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)品檢測及反應(yīng)后處理等的“綠色化”的可能開展工作的切入點模擬酶研究與開發(fā)第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一酶：一類生物催化劑，是具有催化功能的蛋白質(zhì)

有催化劑的共性：如少量酶存在即可大大加速反應(yīng)速度；有時也參與反應(yīng)，但反應(yīng)前后本身無變化。自身特性：更高的催化效率、更高的反應(yīng)專一性、溫和的反應(yīng)條件。有些酶如脫氫酶需要輔酶或輔基，有奇特的酶活性調(diào)節(jié)能力。缺陷：天然酶易變性失活、提純困難、價格昂貴，給儲藏及使用帶來不便。第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一生物活性配合物的模擬

三個層次：1、模擬物只含有與實物活性酶相同的金屬離子第一級近似。如：超氧化物歧化酶(SOD)是以銅為輔基的蛋白質(zhì)配合物，而銅的某些氨基酸或羥基配合物，可用作模擬物，它們具有一定程度的SOD活性。現(xiàn)實意義：盡管模擬物的作用機(jī)理、選擇性及反應(yīng)效率不同于原來的酶，但因可大量合成，仍有實用價值。第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一2、模擬活性中心結(jié)構(gòu)

如：用三亞乙基四胺合鐵(III)配合物來模擬過氧化氫酶。該鐵(III)配合物催化分解過氧化氫的速度相當(dāng)接近過氧化氫酶的速度第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一3、整體模擬

活性中心必須處在一個特定的微環(huán)境和整體結(jié)構(gòu)之中，所以高級模擬是包括微環(huán)境在內(nèi)的整個活性部分如：Collman等合成了圍柵型鐵(II)卟啉用以模擬血紅蛋白的可逆載氧，效果良好第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一諾貝爾獎獲得者Cram、Pederson與Lehn相互發(fā)展了對方的經(jīng)驗，提出了主客體化學(xué)和超分子化學(xué)，奠定了模擬酶的重要理論基礎(chǔ)。根據(jù)酶催化反應(yīng)機(jī)理，若合成出能識別底物又具有酶活性部位催化基團(tuán)的主體分子，同時底物能與主體分子發(fā)生多種分子相互作用，就能有效模擬酶分子的催化過程。具有模擬酶功能的各種體系：第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.1.2卟啉類模擬酶

卟啉：是四個吡咯分子通過次甲基橋連成的大環(huán)化合物，其主體骨架是卟吩。卟啉的離域p鍵大環(huán)體系極穩(wěn)定,并具有芳香性。分子具有剛性結(jié)構(gòu)和較大表面，周邊功能團(tuán)的位置和方向可控，使其具有高效識別功能。

卟啉

第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一自然界中卟啉化合物主要是原卟啉IX、酞菁：

酞菁

酞菁是一個平面大環(huán)化合物,環(huán)內(nèi)有一空穴,空穴的直徑約為2.7×10-10

m,可以容納鐵、銅、鈷、鋁、鎳、鈣、鈉、鎂、鋅等許多金屬元素.酞菁環(huán)本身是一個具有18個π電子的大π體系,其上的電子密度分布相當(dāng)均勻,分子中的4個苯環(huán)幾乎沒有變形,各個碳-氮鍵的長度幾乎相等.第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一#金屬酞菁衍生物:R1

或R2為H以外的原子或基團(tuán)#四羧基金屬酞菁衍生物:R1=COOH,R2=H#八羧基金屬酞菁衍生物:R1=R2=COOH#四甲酸酯基金屬酞菁衍生物:R1=COOR(R=CH3,C2H5,C3H7,C4H9

等),R2=H.#金屬酞菁:R1=R2=H

金屬酞菁衍生物的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，催化反應(yīng)可通過反應(yīng)物分子與金屬的軸向配位而發(fā)生。芳香環(huán)既具有電子給體的特性，又有電子受體的特性。其給受電子的能力可以通過變換金屬及酞菁環(huán)周邊的取代基進(jìn)行調(diào)節(jié)。其作為金屬輔酶模型的研究十分活躍。

第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用鐵和錳的四苯基卟啉配合物模擬單加氧酶細(xì)色素P450，在常溫常壓下催化PhIO（次碘酸苯酯）、NaClO、H2O2等氧化劑將烷烴和烯烴分別氧化成醇和環(huán)氧化物。氧橋連接的三價雙核金屬卟啉穩(wěn)定性與單核金屬卟啉相同。如用氧雙四苯基卟吩合鐵[TPPFe(III)]2O催化PhIO氧化環(huán)己烷成環(huán)己醇，在CH2Cl2或C6H12溶劑中，氧化產(chǎn)率分別為15及62.6%，均高于相應(yīng)的單核金屬卟啉TPPFe(III)Cl。通過選擇不同底物以及和其它酶催化反應(yīng)偶聯(lián)可分析葡萄糖、氨基酸、抗壞血酸、腎上腺素及核酸等許多重要的生物物質(zhì)。第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.1.3冠醚、環(huán)糊精及杯芳烴類模擬酶1962年P(guān)ederson發(fā)現(xiàn)冠醚.合成了不同結(jié)構(gòu)的線性和大環(huán)型聚醚。作為第一代主體試劑，由于其環(huán)內(nèi)空腔的親水性，根據(jù)尺寸大小借助離子偶極作用高選擇性地測定Na+、K+、Ca2+、Mg2+等具有生理意義的堿金屬及堿土金屬離子如：人們設(shè)計了含有一個結(jié)合位和兩個反應(yīng)位的巰基冠醚，利用它已合成了含GlyAlaLeu的三肽，較好地模擬了肽合成酶的功能將多種雜原子引入到冠醚環(huán)中形成了種類繁多的衍生物：如環(huán)狀多胺(cyclicpolyamine)、環(huán)狀多硫醚(cyclicpolythioether)、氮雜冠醚(azacrownether)、氮硫雜冠醚(azathiocrownether)、穴醚(cryptand)、球苑(spherand)等。聚醚適于模擬金屬或類似極性輔因子的酶及對底物有光學(xué)選擇性的酶。但由于存在毒性及合成較困難，使其作為酶模型受到限制。第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一環(huán)糊精(CD)

由6個或更多個D吡喃葡萄糖單元以1,4糖苷鍵相結(jié)合，互為椅式構(gòu)象的環(huán)狀低聚糖，具有獨特的“外親水、內(nèi)疏水”的分子結(jié)構(gòu)。利用其獨特的識別功能，已成為構(gòu)筑模擬酶的第二代主體試劑。、和環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)示意第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一-環(huán)糊精的形象表達(dá)式第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)用CDs及其修飾物能模擬胰凝乳蛋白酶催化帶疏基的羧酸酯、酰胺等的水解，具有酶的飽和動力學(xué)特征，且表現(xiàn)出良好的底物選擇性及立體選擇性磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是氨基酸代謝的兩個重要輔酶。在CD上引入吡哆胺即可得到轉(zhuǎn)氨酶模型將1,4二氫煙酰胺(NAH)引入CD上模擬脫氫酶(NADH),還原茚三酮的速率比NADH快15~50倍甚至兩個數(shù)量級第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一杯芳烴

是由酚單體通過亞甲基連接起來的環(huán)狀低聚物，因這類化合物的結(jié)構(gòu)象希臘圣杯(Calixcrater)而得名。杯芳烴的命名：習(xí)慣上將苯酚上的取代基放在calix-arene的前面,組成苯酚環(huán)的單元結(jié)構(gòu)夾在Calix與Arene之間。例如:當(dāng)R=t-Bu,n=4時,被命名為對叔丁基杯[4]芳烴(p–tert-butylcalix[4]arene)第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一特點及應(yīng)用柔韌性好、具有空腔大小、構(gòu)象、取代基等可選擇因素，能與離子及中性分子形成主客體包結(jié)物，被稱為第三代主體化合物將其構(gòu)象固定于錐形或部分錐形，就能選擇性絡(luò)合客體分子，若再將水溶性基團(tuán)和具催化功能基團(tuán)引入杯芳烴中，即構(gòu)成了一種典型的酶模型例：將兩個Cu(II)引入杯[4]芳烴上緣的苯環(huán)對位，合成了核酸酶模擬物。由于兩金屬離子可協(xié)同作用，比無大環(huán)骨架的模擬物更有效。將一帶側(cè)鏈的環(huán)四聚體杯芳烴，構(gòu)象固定于部分錐形作為醛縮酶模型，促進(jìn)羥醛縮合反應(yīng)迅速進(jìn)行。利用杯芳烴還成功模擬了甘油3磷酸脫氫酶第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.1.4印跡高分子(MIP)模擬酶分子印跡:指制備對某一特定分子(印跡分子)具有選擇性的聚合物的過程。首先選定具互補(bǔ)作用的印跡分子和單體，并在印跡分子單體復(fù)合物周圍發(fā)生聚合反應(yīng)，然后用抽提法除去印跡分子，可對該分子進(jìn)行識別，從而制備出催化聚合物.第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一印跡分子的選取：底物印跡高分子:底物印跡高分子的催化基團(tuán)被置于印跡識別位點區(qū)域。如：以吲哆苯甲酰胺為模板分子制備的印跡高分子可催化茚的異構(gòu)化反應(yīng)及苯甲酸酯的乙酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。過渡態(tài)印跡高分子:主要起到穩(wěn)定過渡態(tài)的作用，使反應(yīng)活化能降低，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行。如：以磷酸酯衍生物為單體制備的MIP催化聚碳酸酯的水解速度比無催化的水解速率快100倍。第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一3.產(chǎn)物印跡高分子:用中間產(chǎn)物的類似物作印跡分子制備的MIP使狄爾斯阿爾德成環(huán)反應(yīng)速率提高了270倍。此時最終產(chǎn)物不再是印跡高分子最優(yōu)識別物，從而使MIP的催化活性盡可能不受產(chǎn)物的抑制。4.與其它催化劑共同作用的助催化印跡高分子:一般用各種輔助金屬離子、輔酶的類似物作為模板分子來制備。如用活潑的過渡態(tài)分子與Co2+的復(fù)合物作模板制備的MIP，模擬吲哚酶催化苯乙酮與苯甲醛縮合，其反應(yīng)速率提高了8倍第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.1.5膜體系模擬酶

膜體系包括單層、膠束、微乳、有組織多層集合體、泡囊等。作為酶模型較好的主體有膠束和泡囊

表面活性劑分子在水溶液中超過一定濃度可聚集成膠束。膠束在水溶液中提供了疏水微環(huán)境，可對底物進(jìn)行包絡(luò)，類似于酶結(jié)合部位。若再將一些催化基團(tuán)：如咪唑、硫醇、羥基和一些輔酶共價或非共價地連接或附著在膠束上，相當(dāng)于酶活性中心，就構(gòu)成具有催化活性的膠束模擬酶。第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一例：Cu2+與表面活性劑配體形成11配合物，模擬羧肽酶A催化吡啶甲酸對硝基苯酚酯(PNPP)時水解速度達(dá)最大值。而含2羥甲基吡啶單元的兩親分子配體與Cu2+形成的配合物催化PNPP水解可使反應(yīng)速度增大106倍。

磷脂或具有兩個長烷基鏈的表面活性劑分子在水中經(jīng)超聲等方法處理后可得到與天然膜一樣的雙分子層結(jié)構(gòu)，此即為泡囊。

雙分子層泡囊具有與天然膜相似的疏水微環(huán)境，若在泡囊的不同區(qū)域選擇性地引入一些有活性的輔酶、活性基團(tuán)或分子，就可以模擬一些酶促反應(yīng)。

例：將吡哆醛引入泡囊中，Cu2+存在時能有效催化L苯丙氨酸的氨基轉(zhuǎn)移生成苯丙酮酸，成功的模擬了VB6

為輔酶的轉(zhuǎn)氨酶作用。第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.1.6單核及雙核配合物模擬酶已知的酶有1000多種，其中1/3以上含有金屬離子。大多數(shù)情況下金屬離子是金屬酶的活性中心，它是進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移、鍵合外來分子和進(jìn)行催化反應(yīng)的部位。其成鍵方式、配位環(huán)境和空間結(jié)構(gòu)與配位化合物極為類似。通過對配體的設(shè)計和剪裁可合成出與天然酶活性中心結(jié)構(gòu)相似的配合物，用以模擬酶的結(jié)構(gòu)和功能。例：錳超氧化物歧化酶(MnSOD)及錳過氧化物酶(MnPOD)活性中心的錳結(jié)合位點，可視為單核錳配合物。羅勤慧等合成了幾類大環(huán)錳配合物，對其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及在模擬方面的實際效能和潛在用途作了較全面的研究。唐波等研究了Schiff堿Cu(II)配合物的辣根過氧化物酶(HRP)功能，SDS的加入改善了模擬酶所處的微環(huán)境，其增溶、增敏的雙重作用使其模擬酶性能顯著提高。第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一在水解和酯轉(zhuǎn)移反應(yīng)中，通常雙核金屬配合物在識別能力及催化活性等方面優(yōu)于相應(yīng)的單核配合物。雙核金屬離子具有雙倍的路易斯酸性，能有效降低底物中心原子的電荷密度，使之更利于親核試劑的進(jìn)攻，并可通過催化中心的協(xié)同作用加速過渡中間體的形成，同時促進(jìn)離去基團(tuán)的脫離。例：1、苯氧基橋聯(lián)配體的雙鈷配合物水解BPP(苯基磷酸單酯)的速度增加達(dá)到1011倍。2、以羥基磷酸單酯或磷酸二酯橋連的雙核鈷配合物，成功地模擬了紅紫酸磷脂酶、蛋白磷脂酶等的活性中心。水解斷裂速度較非配位的磷酸二酯快1011倍。3、以雙(二甲基氨甲基)吡啶修飾杯[4]芳烴的頂部，所得配體的雙鋅配合物將異羥丙基對硝基苯基磷酸二酯的酯基轉(zhuǎn)移反應(yīng)提高了23000倍。第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一脲酶是目前唯一含雙鎳金屬中心的酶，可催化尿素及小分子酰胺的水解，生成氨和羧酸。例：含酞嗪環(huán)的雙鎳配合物，其橋連的H2O可在生理條件下產(chǎn)生親核試劑OH，催化吡啶酰胺的水解速度較相當(dāng)?shù)膯魏伺浜衔锾岣?00倍小結(jié)隨著酶模擬化學(xué)的發(fā)展，對酶結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理的進(jìn)一步了解，在化學(xué)家及生物學(xué)家共同協(xié)作下，不斷改進(jìn)合成手段和采用新技術(shù)，必將有更多更好的酶模型和模擬酶問世，并將在理論研究和實際應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用。第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.2電化學(xué)傳感器的制備與應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)包括信息交換、信息處理及接口技術(shù)等三部分。其中以信息交換為核心內(nèi)容既所謂的傳感器Sensor?；瘜W(xué)傳感器(ChemicalSensor)，是應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的各種信息（如電化學(xué)現(xiàn)象、光效應(yīng)、熱效應(yīng)、場效應(yīng)及質(zhì)量變化等）而設(shè)計的各種精密而靈敏的探測裝置。其工作模式如下所示：被分析物與敏感膜作用產(chǎn)生化學(xué)信息→換能器→電信號輸出將輸出信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，便可知待測物的信息。20世紀(jì)六十年代化學(xué)傳感器問世以來，其主要類型：電化學(xué)傳感器(ElectrochemicalSensor)包括生物電化學(xué)傳感器(BioelectrochemicalSensor)、光化學(xué)傳感器(OpticalSensor)、生物傳感器(Biosensor)等。第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一電化學(xué)傳感器的電化學(xué)器件變換電信號的方式有電位測定法(Potentiometry)、電流分析法(Amperometry)、電導(dǎo)測定法(Conductrometry)、電容測定法(Capcitance)。電化學(xué)傳感器核心部件-電極的發(fā)展對各種電化學(xué)傳感器的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。在電分析化學(xué)中，一般電極反應(yīng)都是在電極與溶液界面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的非均相反應(yīng)。以往電化學(xué)中所用的電極：如汞、貴金屬、和石墨等只有電子接受的單一作用，溶液中大多數(shù)離子在電極上轉(zhuǎn)移的速度較慢。在伏安法研究中，傳統(tǒng)的電極常遇到的問題是測得的電流隨時間而變小，使電極表面的活性變化。如何使電極能夠有選擇性地進(jìn)行人們所期望的反應(yīng)并提供更快的電子轉(zhuǎn)移速度，一直是電化學(xué)家們希望解決的問題。第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一化學(xué)修飾電極(CME)的出現(xiàn)突破了以往電化學(xué)家所研究的范疇，把注意力轉(zhuǎn)移到電極表面。所謂化學(xué)修飾電極(CME)就是用化學(xué)或物理的方法對電極表面進(jìn)行修飾，形成具有預(yù)期特定功能的膜，以完成對電極的功能設(shè)計。CME用于分析化學(xué)在提高選擇性、靈敏度及適應(yīng)性等方面具有獨特的優(yōu)越性，可以認(rèn)為CME是把分子識別、預(yù)富集和測定三者相結(jié)合的較理想體系。自1975年CME問世以來，已經(jīng)成為整個化學(xué)界矚目的非?；钴S的電化學(xué)研究新領(lǐng)域，推動了電化學(xué)及電分析化學(xué)研究的發(fā)展，是近代電分析化學(xué)領(lǐng)域中一個重要的研究方向。在電催化、光電化學(xué)、有機(jī)合成、生物體內(nèi)活性物質(zhì)的電化學(xué)行為研究及含量檢測分析、痕量物質(zhì)的預(yù)富集及含量檢測、普通無機(jī)和有機(jī)分析、電化學(xué)傳感器、電色顯示等方面有著很大的理論研究和實際應(yīng)用潛力。下面就CME的制備及其相應(yīng)的電化學(xué)傳感器在分析化學(xué)中的應(yīng)用闡述如下。第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.2.1化學(xué)修飾電極(CME)的制備

在CME的研究和應(yīng)用中，采用什么方法修飾是需解決的首要問題。因為修飾方法的可靠性，直接影響到CME的重復(fù)性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到CME的理論研究和實際應(yīng)用。依電極材料、修飾功能試劑及分析任務(wù)要求的不同，需采用不同的方法。目前所采用的基體材料金屬：如Au、Ag、Pt、Cu、Hg、Fe；金屬氧化物：如Fe2O3、SiO2、SnO2、Al2O3；光譜純石墨、碳糊、裂解石墨、玻碳、碳纖維、光導(dǎo)纖維。吸附法.1化學(xué)吸附法吸附法是通過非共價作用將修飾試劑固定在固體基質(zhì)表面第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一石墨基體表面碳原子可以通過共軛大鍵電子和含有大的共軛體系的有機(jī)基團(tuán)作用，把它們不可逆地吸附到電極表面上來。若該物質(zhì)無電活性，則可利用它與電活性物質(zhì)反應(yīng)達(dá)到修飾目的，也可以先兩者結(jié)合再修飾。有機(jī)基團(tuán)起定系基的作用。通常含有兩個苯環(huán)以上的有機(jī)物是良好的定系基。如菲醌、乙烯基吡啶菲等。例：鈷四磺酸酞菁配合物吸附到石墨基體上得到的CME對半胱氨酸陽極氧化過程有顯著的催化作用。利用核酸能在汞電極和高定向裂解石墨電極HOPGE表面產(chǎn)生較強(qiáng)烈的吸附，發(fā)展了一種簡便制備核酸NA修飾汞電極的方法。該方法只需5~10L的核酸溶液，將電極浸入溶液中，單鏈ssDNA、雙鏈dsDNA和RNA都產(chǎn)生不可逆吸附，經(jīng)過沖洗，得到穩(wěn)定的NA修飾汞電極。第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一龐代文等發(fā)展了一種制備DNA修飾電極的方法。首先將玻碳電極或金電極表面拋光、活化、超聲波清洗，然后將ssDNA溶液轉(zhuǎn)移至電極表面，涂勻，空氣中晾干，無菌二次水沖洗，充分浸泡大于24h，即得到幾乎單分子層的DNA修飾電極。該電極浸泡三天，信號基本不變，表明得到的修飾層相對穩(wěn)定，耐酸能力較強(qiáng)，耐堿能力較差。化學(xué)吸附法的優(yōu)點是簡單，但電極的穩(wěn)定性較差，修飾層易脫落或失活。第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一.2自組裝膜SAMs法SAMs是構(gòu)膜分子通過分子間及其與基體材料間的物理化學(xué)作用而自發(fā)形成的一種熱力學(xué)穩(wěn)定、排列規(guī)則的單或多層分子膜。以這種方式修飾電極的方法叫做自組裝膜法。常用的構(gòu)膜材料：含硫有機(jī)物、脂肪酸、有機(jī)硅、烷烴、及二磷酯五大類。它們在基體材料表面自組裝形成相應(yīng)的有機(jī)硫單分子膜、脂肪酸單分子膜、有機(jī)硅單分子膜、烷烴單分子膜及二磷酯多分子膜。研究表明構(gòu)膜含硫有機(jī)物在Au表面自組裝成膜分為兩個步驟：第一步吸附過程很快，膜的自組裝已完成80~90%。受有機(jī)物活性基團(tuán)與基體材料表面的反應(yīng)速度控制；第二過程為表面膜的重整過程，從無序態(tài)到規(guī)則排列，形成二維膜，花費(fèi)時間較長。與組裝膜的混亂度、鏈上的不同基團(tuán)及其在基體材料表面的移動性能有關(guān)。第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一共價鍵合法

以化學(xué)反應(yīng)的方法，將修飾試劑共價結(jié)合到電極表面的方法，叫做共價鍵合法。該方法一般分兩步進(jìn)行。首先將電極表面進(jìn)行電的、化學(xué)的和物理的預(yù)處理，然后修飾物分子與電極表面的活性基團(tuán)在適當(dāng)條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)使其得以固定于電極表面。.1電極的活化預(yù)處理A：石墨、玻碳電極的活化處理將電極拋光清洗之后，可在強(qiáng)氧化劑中氧化，使其表面產(chǎn)生含氧基團(tuán)：如羧基、羥基、羰基、酸酐等。氧化劑如K2Cr2O7、KMnO4、濃HNO3及濃度、溫度、處理時間等條件要進(jìn)行優(yōu)選。也可在空氣中加熱氧化或通氧氧化，有時可將電極用氬等離子侵蝕，以取消電極表面的含氧基團(tuán)，使表面的碳原子完全裸露，處于高活狀態(tài)。接下來即可氧化處理，也可以直接和伯胺類物質(zhì)反應(yīng)進(jìn)行修飾。該方法產(chǎn)生的含氧基團(tuán)濃度高，故電極的活性高，但操作較復(fù)雜。第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一B：金屬及其氧化物電極的活化處理鉑或金等金屬電極可先用Al2O3(0.30.6m)懸濁液拋光，爾后依次用濃硝酸、稀王水及二次蒸餾水充分洗凈，再把電極浸入1mol/LH2SO4溶液中5分鐘后，在電極電位+1.9V（vs.SCE）、電流1A/cm2下進(jìn)行電解約10~20秒，然后從電解液中取出電極用二次蒸餾水洗凈，再用丙酮洗滌干凈。此時電極表面就含有羥基活性基團(tuán)。SnO2等金屬氧化物電極可以先用庚烷等溶劑回流除去表面油污，或在空氣中加熱至450C除油，然后電極浸泡在熱鹽酸中數(shù)小時，取出后依次用二次蒸餾水、丙酮洗滌干燥。表面獲得了活性羥基基團(tuán)。

第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一.2共價鍵合修飾A：石墨、玻碳電極的化學(xué)鍵合法修飾將電極表面的含氧基團(tuán)如羧基先與酰氯試劑再與胺類作用生成肽鍵固定化學(xué)活性基團(tuán)R。也可將電極表面的羧基先與LiAlH4試劑作用，使之轉(zhuǎn)變?yōu)镺H基，然后與含有化學(xué)活性基團(tuán)R的有機(jī)硅化合物作用，通過生成硅氧基SiOR引入活性基團(tuán)R。如果電極表面含羧基較多，可以通過促進(jìn)劑雙環(huán)己基碳二亞胺DCC的促進(jìn)作用生成肽鍵固定化學(xué)活性基團(tuán)R。第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一B：金屬及其氧化物電極的化學(xué)鍵合法修飾將預(yù)活化處理的該類電極與有機(jī)硅化合物作用，把含R化學(xué)活性基團(tuán)的物質(zhì)鍵合到電極表面。再將電活性基團(tuán)與化學(xué)活性基團(tuán)R作用修飾到電極上去。例：使用水溶液的碳二亞胺EDC和N烴基琥珀酰亞胺NHS作為偶聯(lián)活化劑，將ssDNA共價結(jié)合到氧化的玻碳表面。并且發(fā)現(xiàn)只有鳥嘌呤G和胞嘧啶C才能與玻碳電極表面氧化后活化產(chǎn)生的O?；愲骞矁r結(jié)合。第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一電化學(xué)聚合法

通過電化學(xué)氧化還原引發(fā)，使具有電活性的物質(zhì)就地在電極表面發(fā)生聚合，生成聚合物膜，達(dá)到修飾目的的方法就稱為電化學(xué)聚合法。由于CME表面有許多氧化還原中心，又稱為氧化還原聚合物CME。將預(yù)處理好的電極放入含有一定濃度的單體和支持電解質(zhì)的體系中進(jìn)行電化學(xué)聚合。常用恒電流、恒電位或循環(huán)伏安法。其中恒電流法應(yīng)用較廣，因為可根據(jù)聚合過程中的聚合電量估算聚合物薄膜的厚度，結(jié)果重現(xiàn)性好。恒電位法不能控制電聚合的速度，影響到電極的重現(xiàn)性。用循環(huán)伏安法CV亦能獲得良好的聚合物膜修飾電極，并能根據(jù)連續(xù)CV圖現(xiàn)場觀察聚合物膜的形成，便于了解聚合過程。隨著循環(huán)掃描周數(shù)的增加，伏安圖上相應(yīng)蜂電流不斷增長是形成聚合物膜的特征。Diaz在1979年首次報導(dǎo)了電化學(xué)氧化吡咯在電極表面形成聚吡咯PPy。隨后人們又在電極表面修飾了聚噻吩PTh、聚苯胺PAn及其相應(yīng)的衍生物等。第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一電化學(xué)沉積法用電化學(xué)氧化還原方法，在電極表面沉積具有電活性及其它功能的膜，這種修飾方法就是電化學(xué)沉積法。這是制備配合物及一般無機(jī)物CME的通用方法。該法要求在進(jìn)行電化學(xué)氧化還原時，能在電極表面產(chǎn)生難溶物薄膜。這種膜在進(jìn)行電化學(xué)及其它測試時，中心離子和外界離子氧化態(tài)的變化不導(dǎo)致膜的破壞。Zhuang等以該法在鉑、玻碳基體上電沉積形成具有電色效應(yīng)的普魯士藍(lán)PB修飾電極，比其它作者制得的PBCME穩(wěn)定性和重復(fù)性高很多。董紹俊等制得了六氰亞鐵釩修飾電極VHFCME。在循環(huán)伏安掃描過程中，可以清楚地觀察到膜的顏色變化。Bolarsly使用活性金屬材料作電極基體，直接在含配陰離子的溶液中電解，制得混合價態(tài)類普魯士藍(lán)配合物CME。第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一摻入法摻入法是制備碳糊修飾電極的常用方法。制備時，將一定量的修飾劑、石墨粉及粘合劑混合，研磨均勻制成CME。1969年Adams首創(chuàng)碳糊電極CPE以來，用各種修飾物修飾的CPE獲得了飛速發(fā)展。例1.Halbert等制得鈷酞菁配合物的碳糊修飾電極，研究了CME對半胱氨酸的催化氧化作用。2.Milan等將18烷基胺混入碳糊電極中，得到修飾的CPE。然后在EDC存在下將ssDNA固定到電極上?；?qū)?8烷基酸修飾到CPE上，然后在EDC和NHS共存下，ssDNA通過dG殘基與CPE中羧基結(jié)合制成ssDNA修飾電極。第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一涂漬法將溶解在適當(dāng)溶劑中的聚合物涂覆于電極表面，待溶劑蒸發(fā)干固后，生成涂膜結(jié)合在電極表面，達(dá)到化學(xué)修飾的目的。具體方法為：A將電極浸入修飾液中，取出后使附著于電極表面的溶液干固成膜；B用微量進(jìn)樣器把一定已知量的修飾液注射到電極表面，然后干固成膜；C電極在修飾液中旋轉(zhuǎn)，使其溶液附著于電極表面，然后干固成膜。顯然B法涂膜的量可以控制。而另兩種方法無法控制成膜的量。將聚合物與電活性物質(zhì)同時制成涂膜液，用該法制備CME。該法用途極廣。例：第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一Anson等將幾種金屬配合物修飾在聚乙烯吡啶涂層電極上，用以研究多種金屬配合物催化劑的循環(huán)催化作用。Adams等將全氟代磺酸酯(Nafion)修飾于電極上，用于動物腦中有關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)的活體(invivo)分析，提高了抗干擾能力。以上是制備CME的常用方法。此外還有催化誘導(dǎo)沉積法、化學(xué)沉積法、離子體聚合法、射線聚合法、干涂法、蒸著法等。第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一1.2.3CME在電分析化學(xué)中的應(yīng)用早期對CME化學(xué)特性研究的興趣主要集中于發(fā)生在修飾電極表面和分子、離子之間相互作用的機(jī)理探討，雖已認(rèn)識到它在分析化學(xué)上的應(yīng)用價值，但實際應(yīng)用是在八十年代出現(xiàn)電化學(xué)響應(yīng)靈敏、穩(wěn)定的聚合物薄膜CME后才開始的。選擇富集與分離當(dāng)電極表面修飾有對待測物質(zhì)有選擇性反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)時，CME將與待測物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到分離、富集的目的。例：董紹俊等在玻碳電極表面修飾以冠醚及Nafion的混合物，用于鉈、銀、鉛的測定。測定鉈時，檢測下限達(dá)1012mol/L。Price等利用修飾有胺基的CME與試液中羰基化合物反應(yīng)生成亞胺基基團(tuán)，借反應(yīng)時電極上產(chǎn)生的電流定量測定醛基化合物。第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一電催化分析化學(xué)中，電催化是CME重要的研究