第17章电分析化学新方法.

第17章电分析化学新方法随着电分析化学发展，不断出现一些新的方法和技术，如化学修饰电极、电化学生物传感器、微电极、纳米电分析化学等。同时，电分析化学方法与其他测试技术相结合，又发展了光谱-电化学、色谱-电化学等联用检测方法。本章就这方面的内容作一简要介绍。17.1.化学修饰电极所谓化学修饰电极是将化学修饰剂（单分子、多分子、离子或聚合物等）固定在电极表面，通过电子传递反应而使其呈现出某些电化学性质的一类电极。17.1.1.化学修饰电极的类型化学修饰电极按照修饰方法的不同，它可以分为吸附、共价键合、聚合物和复合型等几种主要类型。17.1.1.化学修饰电极的类型1.吸附型(1).静电吸附，即带电荷的离子型修饰剂在电极表面发生静电吸引而集聚，形成多分子层。这类吸附在热力学上是不可逆的。(2).基于修饰剂分子上的电子与电极表面发生交叠、共享吸附。如，含苯环的分子在电极上的强烈吸附；醇类、胺类、酮类及羧酸类化合物的疏水吸附等。(3).分子自组装，即分子通过化学键相互作用在电极表面自然地形成高度有序的单分子层薄膜。17.1.1.化学修饰电极的类型2.共价键合型电极预处理（如研磨、氧化还原等）后其表面具有许多可供键合的基团，如羟基、羧基等含氧基团，氨基，卤基等，利用这些基团与化学修饰剂之间的共价键合反应，在电极表面修饰上一层化合物，这样获得的电极称为共价键合型修饰电极。17.1.1.化学修饰电极的类型3.聚合物型利用聚合物或聚合反应在电极表面形成修饰膜的电极称为聚合物型修饰电极。(1).滴涂、旋转涂覆及溶剂挥发法(2).电化学沉积或氧化还原沉积法(3).电化学聚合4.复合型所谓复合型化学修饰电极是将两种或两种以上的材料，如粉末状电极基体材料与修饰剂，按一定比例混合后压制成的电极。17.1.2.化学修饰电极的功能电极经过修饰以后，其表面具有了某些新的功能，它对于提高电极的灵敏度和选择性、改善电极的稳定性和重现性以及开展表面电化学研究都是有利的：1.富集作用2.化学转化3.电催化4.渗透性17.1.3.化学修饰电极表面的传质与电子传递过程17.1.4.化学修饰电极的应用化学修饰电极在化学与生物分析中的应用非常广泛。在化学分析方面，化学修饰电极作为化学传感器已广泛地用于无机离子及有机化合物的测定。在环境分析中常用于重金属离子及多种污染物的检测，它不仅能同时测定多种离子，而且具有很高的灵敏度。在食品分析中，可用于各种防腐剂、添加剂及亚硝盐等物质的检测等。在生物分析方面，化学修饰电极不仅直接用于多种生物物质如蛋白质、DNA、神经递质以及代谢调控分子的检测，而且可以构建各类生物电化学传感器。17.2.生物电化学传感器生物电化学传感器是一种将生物化学反应能转换为电信号的装置。通常将生物成分，如酶、抗原/抗体、植物或动物组织等连接到电极表面，起到生物分子识别或生物化学受体的作用。17.2.1.酶传感器根据检测信号的不同，酶传感器有电位与电流型之分，前者是以Nernst方程作为定量的基础，后者则是基于伏安或电流检测技术，目前电流型酶电极是发展的主流。考虑到第14章已介绍过电位型酶传感器，这里仅讨论电流型的酶传感器。17.2.1.1.以氧作为电子受体的酶传感器由一种称为Clark型氧电极来制备的，用透气膜将酶包裹固定在氧电极表面。葡萄糖传感器通常使用葡萄糖氧化酶（glucoseoxidase，GOD），该传感器对葡萄糖具有选择性响应，其检测原理为：GOD2222+O+HO+HO葡萄糖葡萄糖酸+-222HO=2H+O+2e17.2.1.2.介体型酶传感器所谓介体是一种具有良好电化学活性的相对分子质量小的化合物，它担负从酶的氧化还原中心到电极表面传递电子的作用。在催化还原过程中，介体首先与还原性的酶反应，然后扩散到电极表面并进行快速的电子交换。介体的选择非常重要，它需满足几个条件：(1).能够快速地与还原性的酶反应；(2).具有可逆的异相反应动力学行为；(3).生成氧化型介体的过电位低而且与pH无关；(4).它的氧化或还原形态都是稳定的；(5).还原型介体不与氧发生反应；(6).在应用中无毒化作用。常用介体有氧化还原染料，铁氰化物，二茂铁及其衍生物，导电有机盐类，醌及其衍生物等。17.2.1.2.介体型酶传感器22+GOD/FAD+HO+GOD/FADH葡萄糖葡萄糖酸2+OXRedGOD/FADH+2MGOD/FAD+2M+2H-RedOX2M2M+2e17.2.1.3.直接电子传递型酶传感器对于下述生物催化反应：22+GOD/FAD+HO+GOD/FADH葡萄糖葡萄糖酸产物直接在电极上氧化：+2-GOD/FADHGOD/FAD+2H+2e17.2.2.电化学免疫传感器免疫法是利用抗体与抗原或半抗原之间的高选择性反应而建立起来的分析方法，它具有很高的选择性和低的检出限。电化学免疫传感器是基于抗原与抗体反应而进行特异性的定量或半定量分析的集成器件，其中抗原和抗体是分子识别单元，它们与电化学换能单元相连接，并通过换能器将被测物质的浓度信息转变为相应的电信号，可以应用于多种抗原、半抗原或抗体的检测。电化学免疫传感器可分为电流型和电位型两种主要类型。17.2.2.1.电流型免疫传感器电流型免疫传感器通常是利用标记物，例如酶，将免疫反应的信号放大以后，间接测定抗原或抗体。17.2.2.2.电位型免疫传感器电位型免疫传感器是根据免疫反应过程中某种离子电位的变化来实现抗原或抗体的检测。例如，利用碘离子选择性电极作为基底电极可制备出测定乙型肝炎抗原的传感器。制作这种传感器时，需要将乙型肝炎抗体固定在碘离子选择性电极表面的蛋白质膜上。测定时，传感器插入含有乙型肝炎抗原的溶液中，抗体与抗原结合，再用过氧化酶标记的免疫球蛋白抗体处理，形成了抗体/抗原/抗体夹心式的结构。将此传感器插入过氧化氢和碘化物的溶液中，在过氧化酶标记的免疫球蛋白的催化作用下，过氧化氢在过氧化氢酶催化下被还原，而碘化物因被氧化而消耗，碘离子选择性电极上測定的碘离子浓度减少量与乙型肝炎抗原的量呈正比，由此可以推算乙型肝炎抗原的浓度。17.2.3.生物成分的表面固定化方法酶电极的制备都需要将生物成分固定在电极表面，因此有必要了解电极表面生物成分（酶、抗体、抗原等）的固定方法，常用的方法有：1.夹心法2.交联法3.包埋法4.共价键合法5.吸附法17.3.微电极微电极是电分析化学的一门新技术。微电极也称超微电极，通常是指其一维尺寸小于100μm，或者小于扩散层厚度的电极。特点，1.电极表面的液相传质速率加快；2.微电极上通过的电流很小；3.稳态电流密度与电极尺寸呈反比，而充电电流密度与其无关，有助于降低充电电流干扰，提高灵敏度；4.微电极几乎是无损伤测试，可以应用于生物活体及单细胞分析。17.3.1.微电极的基本性质1.容易达到稳态电流2ooo1/2=4[+]()rinFDcrDtoo=4inFDcr2.微电极的时间常数很小3．适用高阻抗溶液体系17.3.2.微电极的应用微电极的一维尺寸很小，所以电极的形状各异，不仅有盘、柱、针形，还有带形、交指状、阵列微电极（芯片）及粉末微电极等。制作微电极的材料常有碳纤维、铂丝、石墨粉、金、铜、银等。经化学或生物成分修饰的微电极，既可作化学传感器，又可作生物传感器。17.4.纳米电分析化学纳米电化学是电化学新出现的一门技术，它是研究材料在纳米尺寸时所呈现出电的及电化学的性质。纳米电分析化学是在纳米电化学的基础上发展起来的,它已建立起了一系列新的分析方法。17.4.1.纳米微粒膜电极纳米微粒膜电极是指将微粒嵌于薄膜中所制成的薄膜电极。通常选用两种组分制成溶液，让其在电极表面自然干燥形成薄膜，改变膜材中的组分或组分的比例，可以很方便地改变膜中微粒的列阵、分布及形态，从而控制膜电极的特性。17.4.2.功能化纳米结构电极纳米材料表面经化学、物理处理，可组装为功能化的纳米结构电极。由于功能化分子千差万别，这类电极通常呈现出千变万化的结构和性质。以碳纳米管为例，在其表面修饰上一层Nafion(一种全氟化阳离子交换剂)溶液，制备出一种新型膜电极。由于Nafion分子上有磺酸基团，使得碳纳米管膜表面带负电，它会排斥荷负电的物质而吸附带正电荷的物质，因此可用于含多巴胺、抗坏血酸、尿酸的生物样品中多巴胺的测定。17.4.3.纳米阵列电极纳米阵列电极的制备通常采用模板法，其中最普遍是以多孔氧化铝作为模板。（a）氧化铝模板扫描电镜图，（b）氧化铝模板剖面图，（c）纳米孔洞内沉积金，（d）纳米阵列电极17.4.4.应用纳米电分析化学在化学与生物传感器的制备以及低浓度分子的检测方法上起着重要作用。在信息技术领域，科学家利用纳米技术使芯片体积更小、速度更快。在疾病诊断、疾病治疗等医学领域，纳米电化学传感器已经能够在实验室环境下实现对前列腺癌、直肠癌等多种癌症类型的早期诊断。例如，将人的血液滴在用纳米材料做成的传感器上，当传感器中预置的某种癌细胞抗体遇到相应的抗原时，传感器中的氧化还原电流会发生变化，通过这种电流变化可以判断血液中癌细胞的种类和浓度。17.5.电分析化学联用技术17.5.1.流动注射-电催化检测利用化学修饰电极的电催化特性不仅加快了被测物的反应速率，同时降低了被测物的过电位，这样有利于减少共存物的干扰和降低背景电流，这种电催化特性非常适用于流动注射的电化学检测。例如，聚甲苯胺蓝修饰电极对抗坏血酸具有良好的催化作用，利用流动注射-化学修饰电极检测方法，灵敏度可提高数十倍。纳米PbO2修饰电极用作流动注射分析中的安培检测器，可快速测定水体中的化学需氧量，检出限可达20mg•L-1。17.5.2.光谱电化学当一束光透过电极和溶液的时候，根据溶液或电极表面物质吸收光谱的变化，可以判断电极反应的分子信息。17.5.4.电化学石英晶体微天平电化学石英晶体微天平(EQCM)是在压电石英晶体微天平基础上发展起来的高灵敏电化学质量传感器。它可同时检测电极表面电活性物质的质量、电流和电量随电位的变化情况，与Faraday定律相结合可以定量计算反应每一Faraday电量所引起的电极表面物质的质量变化，为判断电极反应机理提供了新的信息。