（分析化学专业论文）新型金属配合物的电致化学发光分析研究.pdf

摘要 摘要 电致化学发光( e l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c e ，简写成e c l ) 的机理及分析应用 已经得到了广泛的关注。作为一种检测方法，通过电化学反应产生光信号，e c l 具有较 高的灵敏度。联吡啶钌及其衍生物是目前研究最多的电致化学发光物质。然而这些昂贵 试剂在分析应用中不断被消耗会导致分析成本变高的问题，使它们的应用受到限制。所 以此类e c l 试剂的固定化研究引起了人们的极大兴趣。例如联毗啶钌采用的固定化方 法有：l a n g m u i r - b l o d g g c t 、自组装、聚合、溶胶凝胶法等等，但大多数钌配合物本身 是水溶性的，固定化之后的灵敏度和检测限均不是特别理想。由于金属铱配合物与联吡 啶钌配合物具有相似的基态、激发态氧化还原电位，且许多金属铱配合物本身具有水不 溶性，因此，研究金属铱配合物的固定化及其应用意义比较大。在这个背景下，本文展 开了如下的工作： 1 多壁碳纳米管聚乙烯醇( p q ) 2 i r ( n - p t 山i a ) 修饰电极的研制。改进了碳纳米管在水 溶液中的分散方法，引入了聚乙烯醇( p v a ) 作为分散剂，采用滴涂法制备出多壁碳纳米 管聚乙烯醇( p q ) 2 i r ( n - p h m a ) 修饰电极。以三丙胺为共反应物，通过对碳纳米管的量、 铱配合物的浓度、修饰剂的用量、扫描速率、酸度等条件的优化，使得修饰电极达到最 佳的发光效率。 2 论文首次报道了n h 4 作为共反应物，在( p q ) 2 k 0 n - p h m a ) 电致化学发光中参与发 光过程，并能够被灵敏的检测。研究了n h 4 + 作为共反应物参与反应的机理问题，用修 饰电极检测了一系列的氨基酸和其它的共反应物，并概括总结了芳香胺，脂肪族胺和无 机铵的发光规律。肉类在腐败过程中产生氨气，并且随着放置时间的增加，释放的氨气 也越多。本课题对样品产生的气体进行了采集，对气体样品中的氨气进行测定，从而对 肉类的新鲜程度进行判断。 3 合成了一种多联吡啶钌配合物( b p y ) 2 r u ( p h e n c l 4 ) ( p f 6 ) 2 ，并用元素分析、红外光谱、 核磁共振谱对其结构进行了表征。此化合物在紫外和可见光区都有吸收，在可见光区的 最大吸收波长是4 4 0 n m ，这是典型的金属到配体( m l c t ) 的跃迁，其光致发光性能也显 示出m l c t 迁移特征，并且随溶剂不同，其最大发射波长从6 3 0 n m 变化到6 4 9 n m 。值 得注意的是，此配合物的电致化学发光性能受酸度影响不大，尤其在强碱条件下，其背 景电致化学发光很小。这与联吡啶钌有很大不同，其电致化学发光强度随酸度增大而显 著增大，不适合在碱性条件下使用。 关键词：电致化学发光，固定化，铱配合物，m w n t s ，氨 a b s t r a c t e c lh a sa t t r a c t e de x t e n s i v es t u d i e sb o t hi nf u n d a m e n t a la s p e c t sa sw e l la si na n a l y t i c a l a p p l i c a t i o n s a sa d e t e c t i o nm e t h o d ，e c lp r o v i d e sh i g hs e n s i t i v i t yt h r o u g ht h eg e n e r a t i o no f a no p t i c a ls i g n a lt r i g g e r e db ya ne l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n t h er u t h e n i u mt r i s ( b i p y r i d i n e ) ( r u ( b p y ) 3 2 + ) a n di t s d e r i v a t i v e sa r en od o u b tt h em o s te x t e n s i v e l ys t u d i e dc o m p l e x e s h o w e v e r , t h e s ee x p e n s i v ei nt h ea n a l y s i so fr e a g e n tc o n s u m p t i o nw i l lc o n t i n u et ob r i n g h i g h - c o s ta n a l y s i s t h e r e f o r e ，s u c he c lr e a g e n ti m m o b i l i z e do n a c a u s ef o rg r e a ti n t e r e s t f o r e x a m p l e ，r u ( b p y ) 3 什h a sb e e ni m m o b i l i z e di nl a n g m u i r - b l o d g g e tf i l m s ，s e l f - a s s e m b l e df i l m s ， p o l y m e rf i l m s ，s 0 1 _ g c lc o m p o s i t e s ，h o w e v e r , m o s tr u t h e n i u mc o m p l e x e sa r ew a t e rs o l u b l e ， s e n s i t i v ea n dt h ed e t e c t i o nl i m i t so b t a i n e db yt h e s er u t h e n i u md e r i v a t i v e sa 托n o ts a t i s f a c t o r y d u et om e t a li r i d i u mc o m p l e x e sa n db i p y r i d i n er u t h e n i u mc o m p l e xi ss i m i l a rt ot h eg r o u n d ， e x c i t e ds t a t ee h ，a n dm o s ti r i d i u mc o m p l e x e sa r ei n s o l u b l ei nw a t e r , t h u s ，t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n so fs o l i d - s t a t ee l e c t r o c h e m i l u m i n e s e e n e eo fi r i d i u mc o m p l e x e si sm o s ti m p o r t a n t s ot h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ei m m o b i l i z a t i o no ft h i se c lr e a g e n t t h em a i nr e s u l t sw e r e g i v e na sf o l l o w s ： 1 c o n s t r u c t e dt h em u l t i - w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s p l o y v i n y la l c o h o l ( p q ) 2 i r f n - p h m a ) m o d i f i e de l e c t r o d e t h em e t h o do fc a r b o nn a n o t u b e sd i s p e r s i o ni nt h es o l u t i o nw a s m o d i f i e d ， i n t r o d u c ep o l y v i n y la l c o h o la st h ed i s p e r s a n t t h em w n t p v a ( p q ) 2 i r ( n - p h m a ) m o d i f i e d e l e c t r o d ew a sc o n s t r u c t e db yd r o p p i n gt h em o d i f i e ds o l u t i o n , u s i n gt p aa sc o r e a c t a n t ， o p t i m i z e df o rt h ea m o u n to fm w n t s ，( p q ) 2 i r ( n - p h m a ) ，m o d i f i e ds o l u t i o ni nt h ef i l m , p h a n ds c a nr a t e m a k em o d i f i e de l e c t r o d et oa c h i e v et h eb e s te f f i c i e n c y 2 w er e p o r th e r e i nt h a ta m m o n i u mi o n , c a nb es e n s i t i v e l yd e t e c t e da sac o r e a c t a n ti nt h e e c lr e a c t i o no fan o v e li r i d i u mc o m p l e x ( 1 柚2 i r ( n - p h m a ) r e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fn h 4 + a sar e a c t a n tt op a r t i c i p a t ei nt h ee c lr e a c t i o n m o d i f i e dc a r b o ne l e c t r o d ed e t e c tal o t so f a m i n oa c i da n do t h e rc o - r e a c t a n t s ，g e n e r a l i z et h ee c ll a wo fa r o m a t i ca m i n e s ，f a t t ya m i n e ， i n o r g a n i ca m m o n i l l l l l m e a tr e l e a s ea m m o n i ai nt h ep r o c e s so fc o r r u p t i o n , a st i m et oi n c r e a s e ， a m o u n to fa m m o n i u mw a si n c r e a s e d i nt h i sp a p e r , w ec o l l e c ta i rs a m p l e st ot e s tf o r a m m o n i u mi nt h ea i r , t oj u d g et h ed e g r e eo ff r e s h n e s so fm e a t 3 c o p y ) 2 r u ( p h e n c l 4 ) ( p f 6 ) 2h a sb e e ns y n t h e s i z e da n dt h es t r u c t u r eo ft h ec o m p l e x w a s c h a r a c t e r i z e db ye l e m e n ta n a l y s i s ，i rs p e c t r o s c o p ya n dp r o t o nn m rs p e c t r o s c o p y t h e c o m p l e xd i s p l a y sa b s o r p t i o n si nt h eu va n dv i s i b l er e g i o n s ，w i t hv i s i b l em a x i m u ma b s o r p t i o n a t4 4 0s l n ，at y p i c a lm e t a l - t o - l i g a n dc h a r g et r a n s f e r0 v i l c t ) t r a n s i t i o n s p h o t o l u m i n e s c e n c e e m i s s i o na l s oh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em l c tt r a n s i t i o n sw i t ht h em a x i m aw a v e l e n g t h s r a n g e d f r o m6 3 0t o6 4 9n n l d e p e n d i n g o n t h ed i f f e r e n ts o l v e n t s t h e e l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c e ( e c l ) o ft h ec o m p l e xw a sf o u n dt ob el e s sd e p e n d a n to nt h ep h ， f u r t h e r m o r et h eb a c k g r o u n de c ls i g n a lo ft h ec o m p l e xd i dn o ti n c r e a s ee v e ni na s t r o n g a l k a l i n ec o n d i t i o n w h i c hw a sd i s t i n c t l yd i f f e r e n tf r o mt h a to fr u t h e n i u mt f i s ( b i p y r i d i n e ) c o m p l e x ，a n di sn o ts u i t a b l ef o ru s e di na l k a l i n ec o n d i t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c e ，i m m o b i l i z a t i o n ，i r i d i u m ( i i i ) c o m p l e x ， m w n t s ，a m m o n i a i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是拳人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留，使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 袁整壹 导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电致化学发光( e l e c t r o g e n e r a t e dc h e m i l u m i n e s c e n c e ，e c l ) ，又称电化学发光，是指 通过施加一定电压进行的电化学反应，在电极表面产生电生物质，然后这些电生物质之 间或电生物质与体系中某些组分之间通过电子传递形式形成激发态，由激发态回到基态 而产生的一种发光现象【i 】。该技术集成了发光分析高灵敏度和电化学电位可控性等优点， 已经成为分析化学工作者十分感兴趣的研究领域之一【2 - 鲥。 联吡啶钌r u ( b p y ) 3 2 + 由于具有水溶性好，化学性能稳定，氧化还原可逆，发光效率 高，可电化学再生和激发态寿命长等特点而广泛应用于e c l 的研究中删。但是很多情 况下联吡啶钌的发光体系是在水溶液中进行的，由于昂贵的联吡啶钌试剂被大量消耗， 导致较高的分析成本，从而限制了r u ( b p y ) 3 2 + 电致化学发光的应用 9 1 。由于联吡啶钌在 电极表面的反应是可逆的，为此人们提出利用电极修饰方法，将r u ( b p y ) 3 2 + 固定在电极 上，减少试剂的消耗，制成可重复使用的电致化学发光传感器。目前文献上报道对 r u ( b p y ) 3 2 + 及其衍生物的固定化方法已经有很多，如b a r d 等人首先报道了用 l a n g m u i r - b l o d g c t t 技术固定在固体电极表面单分子层联吡啶钌衍生物的e c l t l u j ，但用 l a n g m u i r - b l o d g e t t 技术形成的单分子层仅仅是物理吸附于电极表面，被固定的e c l 膜 有时候会很不稳定，很容易被有机溶剂所破坏，使得l a n g m u i r - b l o d g e t t 固定技术所获得 的固相膜的使用寿命受到一定的限制；b a r d 等人还报道了用自组装技术固定在电极表面 单分子层联吡啶钌衍生物的e c l ，但自组装膜较容易从电极表面脱落i l l j ；r u b i n s t e i n ， b a r d 等将联毗啶钌固定在n a t i o n 膜中，但是电化学稳定性不好【1 2 】；溶胶凝胶法( s o l g e l m c 1 0 m 是湿化学材料制备的新兴方法，但效果都不是特别理想【1 3 1 ，因此需要寻找新的 发光试剂以及固定化方法。 1 2 电致化学发光概述 1 2 1 电致化学发光的研究进展 对电致化学发光现象的详细研究始于2 0 世纪6 0 年代中期，伴随着电子技术的迅猛 发展，高灵敏度的光电传感器的出现，为化学发光和电致化学发光的研究提供了有力的 工具。k u w a n a 等人率先利用脉冲电压研究了铂电极上鲁米诺的电致化学发光动力学及 其发光机理，使人们对鲁米诺的电致化学发光，乃至电致化学发光机理有了更近一步的 认识和了解。 进入2 0 世纪7 0 年代以来，电子技术水平的提高、集成电路的广泛使用极大地推动 了电化学仪器的发展。这期间除了在脉冲信号发生器的线路上有所改进之外，已经开始 使用多种脉冲信号，这为电致化学发光提供了更为有力的工具，使得电化学方法在研究 电子转移等方面更加得心应手。仪器的发展提高了检测的灵敏度，使仪器能够检测到更 微弱的光信号，从而拓宽了电致化学发光的研究领域。 江南大学硕士学位论文 进入2 0 世纪8 0 年代，电致化学发光的研究力度不断加强，范围不断扩大，有关电 致化学发光研究的报道逐年增加，电致化学发光也开始进入了实际分析应用中。在这一 时期电致化学发光的理论和研究的技术手段也得到了进一步的发展和深化。电致化学发 光分析与流动注射分析( f i a ) 、高效液相色谱( h p l c ) 和毛细管电泳( c e ) 等分离技术的联 用，提高了发光信号的重现性和稳定性，为其实际应用打下了良好的基础【1 4 6 1 。三联吡 啶钌r u ( b p y ) 3 2 + 的电致化学发光是8 0 年代的重大发现之一，它可用于草酸、有机酸、胺 类化合物、氨基酸、辅酶n a d h 、丙酮酸的测定。固定于n 蚯o n 修饰电极的联吡啶钌 电致化学发光也开始得到研究。 2 0 世纪世纪9 0 年代以后，电致化学发光的仪器装置、电极材料和光信号的传导材 料等，都得到了进一步的发展。铟锡氧化物电极0 t o ) 的使用及其光导纤维波导技术的 结合，使得光信号的检测更为简便。微电极及超微电极的使用使得电致化学发光更适用 于生物活体分析。阵列电极技术以及超声技术等在电化学分析研究中的使用，使得电致 化学发光的特性得到了进一步的提高，这为电致化学发光分析技术的实际应用奠定了基 础。 进入2 1 世纪，电致化学发光越来越成为一个比较活跃的研究领域。电致化学发光 除了原有的方法和技术更进一步发展之外，还扩展了更多的研究领域，使电致化学发光 应用范围更广、性质更完善、对反应机理的认识更深入。b a r d 小组和r i e h t e r 小组应用 联吡啶钌的衍生物灵敏地测定了一些非电活性金属离子，进一步拓宽了电致化学发光的 应用范斟瑚。电致化学发光分析技术还可以应用于微流控分析系统、微阵列光化学传感 器、电致化学发光成像和量子点电致化学发光等领域【1 9 2 1 】。总之，电致化学发光分析正 朝着灵敏、特异、普适、低检测电位、水相电致化学发光分析的方向发展；电致化学发 光仪器朝着遥控化、微型化和高速检测的方向发展。 1 2 2 电致化学发光基本类型 许多试剂都能产生电致化学发光，但只有几种类型的电致化学发光反应可以在实际 中得到应用。按发光试剂的种类，电致化学发光体系可以分为酰肼、吖啶、多环芳烃、 过氧草酸酯和金属配合物五类。 酰肼类化合物是一类典型的电致化学发光物质。酰肼类化合物的电致化学发光行为 具有发光效率高、试剂稳定、反应在水相中进行等优点。酰肼类电致化学发光的研究比 较成熟，已经在许多领域中得到应用。大多数观察到的酰肼类化合物的化学发光和电致 化学发光都有过氧化氢参加或中间过程生成过氧化型化合物。作为电致化学发光试剂的 酰肼类有机化合物很多，其中最具有代表性的化合物为鲁米诺。 典型的吖啶类电致化学发光化合物有光泽精体系和吖啶酯体系，这类发光剂不需要 催化剂的存在，在过氧化氢的稀碱溶液中即能发光。具有背景低、信噪比高的优点，其 检测限可以达5 0 x 1 0 母m o l l ，发光强度与分析物浓度呈良好的线性关系。 有机物电致化学发光物质中研究最多的是芳烃，尤其是多环芳烃( p a n ) 。多环芳烃 又称稠环芳烃，它的电致化学发光反应已经得到了广泛的研究，典型的多环芳烃有机物 电致化学发光是基于高能量的电子转移反应机理进行的。多环芳烃类物质的电致化学发 2 第一章绪论 光反应一般在非水介质如乙腈、二甲酰胺、苯基腈、四氢呋喃、l ，2 二甲基乙氧已烷 等中进行，并且要求体系除氧去杂质，因而在许多情况下因使用有机溶剂而限制了它们 在分析方面的应用。 过氧化草酸酯的化学发光反应被认为是目前最有效的非生物化学发光反应，该反应 最大的量子产率可达3 4 。由于具有很高的化学发光效率，过氧化草酸酯在分析化学领 域被广泛地研究和应用以外，还较多地用来研制开发便携光源。但在具体的分析应用中 发现过氧化酸酯存在一些缺点，如试剂的溶解性和稳定性均不理想，反应速度比较慢， 发光强度受诸多因素的影响的等等。 许多金属配合物和簇类化合物都可以产生电致化学发光。但是由于自旋轨道的耦 合，过渡金属配合物的自旋允许激发态迅速失活，发光主要是通过从最低能量激发态 返回基态；多数情况下，这些激发态五种的寿命非常短，光发射主要是来源于自旋禁 阻激发态产生的磷光。目前已研究了r u 、o s 、c r 、c d 、p d 、p t 、r e 、i r 、m o 、t b 、e u 及c u 等金属配合物的电致化学发光。其中r u 、o s 及r e ，考虑不同配体对配合物电致 化学发光性质的影响，研究了与其对应的一系列不同配体发的性质，将配体的结构进行 适当的修饰，修饰后的配合物可固定到电极上，也可以结合到不同的分析物活生物分子 上。 1 2 3 电致化学发光定量基础 电致化学发光的定量基础与化学发光是相同的。在化学发光体系中，化学发光反应 所发出的光的强度依赖于发光体系电子激发态的形成，或者说依赖于反应动力学，而一 切影响反应速度的因素都可以作为建立测定方法的依据【l 】。若某种分析物与过量试剂作 用而发光，则此时的化学发光强度与分析物浓度有如下关系： l c l ( 0 = i p c l d e d t i c l ( t ) 为t 时刻的化学发光强度( 光子秒) ，d c d t 是t 时刻化学发光反应的速度( 分子数秒) ， 慨为与分析物相关的化学发光效率，发光效率可以定义为发射光子的数目( 或速度) 与参 加反应的分子数( 或速度) 之比。对于特定的化学发光反应在恒定的反应条件下为一常数， 化学发光和电致化学发光的慨一般都小于1 。 在发光试剂过量的情况下，其浓度值可以视为常数，因此化学发光反应可以视为准 一级动力学反应，t 时刻的化学发光强度与该时刻的分析物的浓度成正比。在化学发光 分析中通常以峰高表示发光强度，利用峰高与分析物浓度成正比的关系即可进行定量分 析。当然，根据类似的推理也可以对发光物质进行定量。 为了取得发光强度与浓度之间直接联系的更为有效的方法，可以对强度时间曲线 在一个定时时间间隔内进行积分，积分强度正比于浓度。 1 2 4 电致化学发光的分析特点 大量的研究表明电致化学发光分析除了具有荧光分析和化学发光分析的一些特点 之外，同时还具有电化学的一些特点。它克服了化学发光分析中所存在的一些缺点，如 一些化学发光试剂不易保存或在特定条件下不稳定，难以实现时间和空间上的控制，化 3 江南大学硕士学位论文 学发光试剂难以重复使用，以及溶液混合不均匀所带来的重现性相对较差等。概括起来， 电致化学发光分析主要有以下几方面的特点【2 2 - 2 4 。 ( 1 ) 灵敏度高，线性范围宽。在电化学反光反应中，发光反应是在电极表面附近的 扩散层进行的，在一定的电化学信号的激发下，电极表面的扩散层中的发光物质浓度很 高。因此，电致化学发光的灵敏度高于化学发光，可检测低浓度的分析物，并且它的线 性范围所展示的浓度区间可高达几个数量级。 ( 2 ) 反应可控性、时空可控性好。与化学发光相比，电致化学发光反应不是反应物 之间简单的混合过程，而是在电化学激发信号作用下，在电极表面附近发生的化学反应。 所以，反应的速率、方式、时间等是严格受电化学信号的激发控制的。因而可通过改变 电化学激发信号的波形、强度对反应进行控制，比其它的化学发光方法更方便。同时优 化电极材料、电极的尺寸及位置也可实现对电致化学发光的控制。此外，发光反应的可 控性，有利于对发光信号的检测和捕获，这也是电致化学发光灵敏度高的一个原因。与 电化学检测方法相比，电致化学发光不受电的干扰，光的检测还允许多参数的测定，利 用寿命和波长的差别，可同时检测不同的物质。 ( 3 ) 仪器简单，分析速度快。由于电致化学发光是在电极表面现场反应，所以与磷 光和荧光相比，电致化学发光需要激发光源和额外的装置来消除激发光源所产生的散射 光；与化学发光相比，电致化学发光也需混合反应物及输送反应物所需要的泵。这样就 克服了光散射和杂质的发光干扰，因此背景信号低，无需昂贵的仪器就可以达到进行高 灵敏度的检测。 ( 4 ) 节约试剂。参加发光反应的反应物在电极表面现场产生，因此在一般化学发光反 应中不能获得的不稳定试剂，可以通过电致化学发光手段获得。另外就被测组分的形态 而言，有些组分进电化学氧化或还原之后，可以被修饰成具有发光活性或发光活性更高 的反应物，从而进一步拓展了电致化学发光分析的应用范围。某些电致化学发光试剂如 联吡啶钌，在反应过程中可在电极表面循环使用，这样不仅可以增大光强、提高灵敏度， 而且还节约了试剂。尤其在被固定到电极表面上时，这些可循环使用的化合物可用于无 试剂电致化学发光传感器的研制。 ( 5 ) 分析范围更广。电致化学发光已经广泛应用于草酸、有机胺、葡萄糖、蛋白质、 氨基酸、核酸、药物、免疫等分析和其它物质的测定。电致化学发光可以高效液相色谱、 毛细管电泳技术联用，从而实现了对复杂样品中特定组分的灵敏、准确检测。高效液相 色谱、毛细管电泳以及流动注射分析与化学发光结合时，需要在分离载流中加入发光试 剂以进行化学发光检测，不仅需要昂贵的仪器设备，还会造成样品稀释、峰宽增大等现 象，而电致化学发光可以通过现场产生试剂克服以上缺点。试剂可预先放在样品液中， 并在电极表面活化，这种现场活化方法可用于产生活性的反应物，因而可检测更广泛的 物质。 4 第一章绪论 1 3 贵金属配合物电致化学发光研究进展 1 3 1 贵金属配合物电致化学发光现状 r u 、o s 、c r 、c d 、r d 、p t 、r e 、i r 、m o 、t b 、e u 及c u 等金属配合物都可以产生 e c l f 2 5 。2 7 1 。而联吡啶钌的e c l 性能是发现最早，也是应用最广泛的。亮红色的联吡啶钉 早在1 9 3 6 年就由b u r s t a l l 合成，并被发现具有一些光学活性【2 引。三十年后，h e r c u l e s 和 l y t l e 首次报道了联吡啶钌的化学发光，他们在强酸强碱的联吡啶钌溶液中加入芳香胺， 观察到桔红色的发光 2 9 1 。1 9 7 2 年，t o k e l 和b a r d 报道了通过电化学的方法形成激发态 r u ( b p y ) 3 2 + ，他们的研究揭开了联吡啶钌电致化学发光在分析科学应用研究的序幕。但 是，在早期联吡啶钌电致化学发光的研究发展相当缓慢。将近十年后，k a r a v a e v 报道了 联吡啶钌与丙酮酸溴化c e 2 ( s 0 4 ) 3 c e 2 ( s 0 4 ) 2 体系的电致化学发光以及在分析化学上的 运用【3 0 1 。 联吡啶钌水溶性好，化学性能稳定，发光效率高，应用的酸度范围较宽，电化学再 生和激发态寿命长，被广泛应用于e c l 的研究中。联吡啶钌e c l 检测具有灵敏度高、 重现性好、选择性强、操作简单、快速等优势，更为可取的是所用试剂毒性低，无放射 性危害并且有良好的稳定性。目前，联吡啶钌正在越来越广泛地应用于环境分析、食品 分析、免疫分析、药物分析和核酸杂交分析等众多分析科学领域【3 1 3 3 1 。 1 3 2 金属配合物电致化学发光机理 在具有e c l 性能众多金属配合物中，联吡啶钌的e c l 是应用最广泛的，其机理也 是研究最深入的。而且金属配合物的e c l 原理也相似，所以鉴于本文的工作，这里主 要介绍联吡啶钌e c l 机理。 一般认为r u ( b p y ) 3 2 + 的e c l 是由于激发态的r u ( b p y ) 3 ”产生所致，其发光波长6 1 0 r i m 。总体来说有以下两种类型发光机理。一种为自我湮灭电致化学发光，另一种为共反 应物参与的电致化学发光。自我湮灭电致化学发光是通过在一个电极上依次改变电位来 依次产生氧化剂和还原剂，或在不同电极上施加不同电位来产生氧化剂和还原剂。 r u c o p y ) 3 2 + 在1 3 v ( v sa g a g c i ) 被氧化成r u ( b p y ) 3 3 + ，在一1 3v 被还原产生成r u ( b p y ) 3 + ， 两种产物通过扩散接触发生湮灭产生激发态r u c o p y ) 3 ”，激发态r u ( b p y ) 3 ”跃迁回基态 时发光( 6 1 0 r i m ) ，最初的物质r u ( b p y ) 3 2 + 会在整个反应过程中再生成。由于自我湮灭电致 化学发光产生的光强度比较小，所以应用受到了限制。在实际分析应用中，共反应物参 与的电致化学发光研究的比较多，这里主要介绍共反应物参与的电致化学发光。共反应 物参与的e c l 机理主要可分为两种，即氧化还原型和还原氧化型。 。 氧化还原型是指当在电极上施加一个合适的氧化电位时，r u ( b p y ) 3 2 + 被氧化为 r u ( b p y ) 3 计，同时另外一种物质也被氧化并进一步分解形成一种强还原剂，它与 r u ( b p y ) 3 3 + 发生氧化还原反应直接产生激发态的r u ( b p y ) 3 2 + 或者与r u ( b p y ) 3 2 + 发生还原 反应生成r u ( b p y ) 3 + ，r u ( b p y ) 3 + 和r u ( b p y ) 3 3 + 发生湮灭反应再产生激发态的r u 唧y ) 3 2 + 。， 当激发态的r u ( b p y ) 3 ”跃迁回基态时就出现发光现象。草酸盐、烷基胺、氨基酸、蛋白 质以及含有胺基团的药物的电致化学发光大多属于这种类型。该类型反应主要用于分析 5 江南大学硕士学位论文 高灵敏度、快速测定上述分析物。 r u o a p y ) 3 肿- e _ r u ( b p y ) 3 十 r u ( b p y ) 3 3 + + c 2 0 4 2 _ r u ( b p y ) 3 2 + + c 2 0 4 2 一 c 2 0 4 2 一_ c 0 2 一+ c 0 2 r u ( b p y ) 3 3 + + c 0 2 一_ r u ( b p y ) 3 2 + * + c 0 2 或者 r u ( b p y ) 3 z 十+ c 0 2 一一r u ( b p y ) 3 十 r u ( b p y ) 3 ”+ r u ( b p y ) 3 + 一r u ( b p y ) 3 2 + + r u ( b p y ) 3 2 + r u ( b p y ) 3 2 + - r u ( b p y ) 3 2 + + h v r u ( b p y ) 3 2 + 与胺的e c l 强度与胺本身的结构有关。对伯、仲、叔胺而言，由于它们 氨基的第一级电离化所需能量为伯 仲 叔胺，使得它们的e c l 强度为伯 伯胺； ( 2 ) 对于脂肪族胺，氮取代基的烷基链越长，e c l 值越大； ( 3 ) 对于芳香族胺，苯环上的供电子会导致e c l 值增强，相反苯环上的吸电子基会 导致e c l 值减弱； ( 4 ) 与脂肪族胺发光相比较，芳香族胺的e c l 值更强一些。 正如我们推测的反应机理，( p q ) 2 i r ( n - p h m a ) 电致化学发光过程中，作为共反应物 的含氮物质，首先会产生短暂的阳离子自由基，之后失去质子，生成具有强还原性的中 枷 鲫 枷 啪 枷 o ，一 l 1 骂3 a 江南大学硕士学位论文 间态，随后与( p q ) 2 i r ( n p h m a ) 斗反应，产生化学发光。在电致化学发光反应中，激发态 的( p q ) 2 i r ( n - p h m a ) 是能量的来源，而中间态的含氮物质则是产生激发态的 ( p c l ) e i r * ( n - p h m a ) 的重要物质，所以产生中间态的含氮物质对e c l 影响很大。据文献报 道，供电子基团有利于中间态的稳定存在，且由于脂肪烃基团电子供电子的诱导作用， 随着氮上烷基链的增长，能够增强中间态的含氮物质的稳定性，从而导致e c l 值增大。 表3 - l 各种不同的脂肪胺对修饰电极的电致化学发光响应 t a b3 - 1e c lr e s p o n s e so f m o d i f i e dc a r b o ne l e c t r o d ew i t hd i f f e r e n tk i n d so f a m i n e s 共反应物( 脂肪胺)相对发光强度 三丙胺( t p a ) 二丁基氨基乙醇( d b a e ) 三羟甲基氨基甲烷 十六烷基三甲基溴化铵 四乙烯五胺 组胺二盐酸盐 尿素 硫脲 乙二胺四乙酸钠 硫代乙酰胺 表3 - 2 各种不同的芳香胺对g - 9 0 电极的电致化学发光响应 t a b3 - 2e c lr e s p o n s e so f m o d i f i e dc a r b o ne l e c t r o d ew i t hd i f f e r e n tk i n d so ff a t t ya m i n e _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一 共反应物( 芳香胺) 相对发光强度 苯胺 邻苯二胺 间苯二胺 对苯二胺 对氨基苯甲酸 0 4 4 o 5 l o 5 9 0 4 9 o 3 3 表3 - 3 各种不同的无机铵对修饰电极的电致化学发光响应 t a b3 3e c lr e s p o n s e so fm o d i f i e dc a r b o ne l e c t r o d ew i t hd i f f e r e n tk i n d so f i n o r g a n i ca m m o n i u m - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - l - _ _ _ _ - l _ - - _ _ _ _ _ _ - _ l - _ _ _ - _ - _ _ _ _ l _ - _ - _ - - l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 共反应物( 无机铵)相对发光强度 硫酸铵 乙酸铵 氯化铵 过硫酸铵 六水合硫酸铁( i i ) 铵 0 7 8 o 6 5 o 6 5 o 7 5 0 6 4 够记s!盯钉”“药 0 o o o o o o o 0 第三章m w n t s p v a 铱配合物修饰电极的应用研究 3 4 本章小结 本章工作主要是采用循环伏安和电致化学发光技术，对无机铵作为共反应物参与电 致化学发光进行了机理研究，包括对中间产物的推测。m w n t s p v a ( p q ) 2 i r ( n - p h m a ) 修饰电极对很多含氮物质均有很好的响应，因此我们检测了一些列的含氮物质，并从中 找出了一些规律。结合实际m w n r s p v a ( p q h i r o q p h m a ) 修饰电极的实际应用，我们 采用此修饰电极对来肉类的新鲜程度进行测定，达到了很高的灵敏度。 第四章配合物( b p y ) 2 r u ( p h e n c l 4 ) ( p f 6 ) 2 的合成及电致化学发光性质研究 第四章配合物( b p y ) 2 r u ( p h e n c l 4 ) ( p f 6 ) 2 的合成及电致化学发光性 质研究 4 1 引言 在大量的e c l 试剂中，联吡啶钌r u ( b p y ) 3 2 + 由于其较好的化学稳定性以及优异的电 化学性能，而得到了深入的研究以及广泛的应用【1 一。尽管r u ( b p y ) 3 2 靖很多优点，但是 人们也观察到它在碱性环境中有很强的背景发光，这将其造成使用在强碱环境中时，信 噪比会很大，不利于其应用。关于其详细的机理还没有很好的解释，但很多人认为这与 强碱溶液中高能中间体h 0 2 的形成有关。 近年来，人们为了寻找具有更优异e c l 性能的物质，合成了很多联吡啶钌衍生物。 据文献报道，联吡啶钌类配合物的配体共轭程度越高，发光效率越高。因此本文用邻菲 罗啉取代联吡啶，希望能够得到更好的发光效率【l 】。此外，由于联吡啶钌水溶性非常好， 由此带来了固定化较难的问题。本文在邻菲罗啉配体上引入了卤素取代基，希望能够降 低配合物的水溶性【7 0 ，7 。为此，本文拟合成了一种新型联吡啶钌衍生物 ( b p y ) 2 r u ( p h e n c l 4 ) ( p f 6 ) 2 ，研究了其e c l 性能，并与联吡啶钌做了比较。 4 2 实验材料与方法 4 2 1 仪器与试剂 元素分析是在v a r i o e li i i ( g e r m a n y ) 元素分析仪上进行的：红外光谱是用加拿大的 f t l a 2 0 0 0 1 0 4 型f t i r 仪；采用k b r 压片测定的：1 h n m r 谱是在b r u k e r a m 3 0 0 m h z 的光谱仪上测得的：紫外可见吸收是在t u 1 9 0 1 光谱仪上测定的：荧光性质是 r f 5 3 0 1 p l 仪上检测的。电化学性能及电致化学发光性能是在m p l 2 b 型多参数电致化 学发光化学发光分析测试系统( 西安瑞迈电子科技有限公司) 进行的，检测是在一个自制 的3 0m l 的h 型化学池中进行，以直径2m i l l 的铂盘电极为工作电极，a g a g c i ( 饱和 k c l ) 电极为参比电极，直径0 5m m 的铂丝为对电极。 r u ( b p y ) 3 2 + c 1 2 ( p u d t y _ _ 9 8 ) 和三丙胺均购于s i g m a - a l d r i c h 公司，1 ，1 0 - 邻菲罗啉、2 ，2 - 联吡啶、氯化锂、磷酸二氢钾、硼酸钠均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。 4 2 2 配合物( b p y ) 2 r u ( p h e n c l 4 ) ( p 蕾1 6 ) 2 的合成 该配合物的合成参考一般的联吡啶钌类配合物的合成方法进行，具体路线如图4 1 。 c i s r u ( b p y ) 2 c 1 2 和3 , 4 ，7 ，8 。四氯1 ，1 0 邻菲罗啉参照文献【7 2 】合成。将3 , 4 ，7 ，8 四氯1 ，1 0 邻菲 罗啉( o 5 4g ，1 7 0m m 0 1 ) 和c i s r u ( b p y ) 2 c 1 2 ( 0 7 3g ，1 5 4m m 0 1 ) 力【l 热将其溶于8 0m l 乙醇和 2