（分析化学专业论文）氨基酸共价修饰碳电极及其在生物分析中的应用.pdf

中国科学技术大学博士研究生毕业论文 中文摘要 在综述了碳电极的电化学共价修饰方法的基础上，结合x - 射线光电子能谱 ( x p s ) 及其它的电化学手段，系统地研究了通过电化学氧化法将氨基酸，特别 是神经递质类氨基酸，共价修饰在玻碳电极表面的方法。并详细研究了神经递质 多巴胺及在生物样品中与其共存的抗坏血酸和尿酸在氨基酸修饰玻碳电极上的电 化学行为。由此，建立了多巴胺、抗坏血酸和尿酸的选择性测定以及对其进行同 时测定的新方法。对生物样品的分析，尤其在临床分析中的应用具有重要的意义。 f 在非水介质( 乙腈，0 im o l ln b u 4 b f 4 ) 中，采用电化学氧化法，首先将 氨基酸分子中的氨基氧化成氨阳离子自由基，此自由基再与电极表面的碳形成 c - n - 键，从而将氨基酸分子固载在玻碳电极表面。基于此，分别研制了甘氨酸、 谷氨酸、十氨基丁酸、丙氨酸和天冬氨酸等氨基酸共价修饰玻碳电极。 采用x p s 对在不同电位范围内氧化修饰后的玻碳电极表面氮的含量进行了 跟踪测定，结果表明电化学氧化法可以将氨基酸分子固载在玻碳电极表面。另外， x p s 谱中n ( 1 s ) 峰的位置( 3 9 8 6 0e v ) 显示氧化后的氨阳离子自由基确实与电 极表面的碳形成了- c - n - 键；再者，修饰电极的化学稳定性实验( 在水和非水介 质中洗涤或进行高温脱附) 以及修饰电极在只含有支持电解质的乙腈溶液中出现 的还原波也充分证实了氨基酸在碳电极表面的牢固固载。从还原峰以及电极的面 积，可以计算出氨基酸在电极表面的覆盖量约为1 0 。1 0m o l c m 2 ，表明为单分子层 修饰。 甘氨酸修饰玻碳电极( g i y g c e ) 能够改善多巴胺( d a ) 和抗坏血酸( a a ) 的电化学行为，使d a 和a a 的氧化过电位降低，峰电流增加，可逆性变好。并 且能将在g c e 上d a 和a a 所呈现出的完全重叠的氧化峰分成两个完全独立的氧 化峰。循环伏安图上峰峰间距为1 5 0m v ，差分脉冲伏安图上峰峰间距为1 7 0m v ， 因而可对二者进行同时测定。在最佳实验条件下，建立了同时测定d a 和a a 的 新方法。将该法应用于混合样品的分析，获得满意的结果。该修饰电极具有灵敏 度高，选择性好，适宜于长期使用等特点。 由于谷氨酸修饰电极( g l u g c e ) 对尿酸( u a ) 和a a 的电催化作用，分别 使其氧化峰电位负移2 0 0m v 和3 0 0m v 到o 2 7m v 和o 1 6m v ，且氧化电流明显 增加。由此g l u g c e 可将在g c e 上u a 和a a 的完全重叠的氧化波分成两个完 中国科学技术大学博士研究生毕业论文 全独立的氧化波。选择了最佳实验条件，建立了对混合溶液中的u a 和a a 进行 同时测定的新方法。该法对人体尿液中u a 和a a 的成功分析表明该修饰电极具 有重要的临床应用价值。 在丙氨酸修饰电极( a l a g c e ) 上，a a 的氧化峰电位负移2 8 0m v 至1 7 0 m v ， 峰电流增加，可逆性变好，表明a i a g c e 对a a 有强的电催化氧化功能。a l a g c e 不仅能改善a a 的电化学行为，而且能将d a 和a a 在g c e 上的完全重叠的氧化 波分成两个独立的方波伏安峰，峰间距为1 8 0m v 。由此，可在d a 的共存下对样 品中的a a 进行选择性地测定。 在研究y - 氨基丁酸( a b a g c e ) 修饰电极时发现，该修饰电极不仅对d a 、a a 和u a 的氧化有电催化作用：降低d a 、a a 和u a 的氧化过电位，增加氧化峰电 流，而且能将其在g c e 上重叠的氧化波分成三个独立的方波伏安峰，峰电位分别 位于o 4 5v 、o 2 5v 和o 0 7v ，分别对应于u a 、d a 和a a 的氧化，峰一峰间电 位差足以允许对三者进行同时测定。 以f e ( c n ) 。3 和r u ( n h ，) ，为探针，研究了其在天冬氨酸( a s p g c e ) 修饰 电极上的电化学行为。并根据在不同p h 的溶液中f e ( c n ) 6 3 一的电化学特性，测定 了电极表面修饰膜的p k ( 3 3 - 3 8 ) 。根据静电相互作用，该修饰电极可将多巴胺 ( p i = 8 s 2 ) 和抗坏血酸( p i 墨= 4 1 2 ) 的氧化信号进行区分。在修饰电极上，荷正 电的多巴胺的响应信号被大大加强，而荷负电的抗坏血酸的氧化信号却被显著地 抑制。由此，用该修饰电极可在抗坏血酸的存在下对多巴胺进行选择性地测定。该 修饰电极具有较高的灵敏度和好的选择性，这主要是由于修饰电极对多巴胺和抗 坏血酸的区分功能及其在电极表面的富集作用所造成的。将该修饰电极用于对多 巴胺和抗坏血酸的混合液中的多巴胺进行测定，获得满意的结果。 利用经过预氧化的蜡饱和石墨电极，在温和条件下将谷氨酸以酰胺键( c o n h ) 的形式键合在电极表面，并用x p s 对修饰电极表面进行了表征。该修 饰电极不仅使d a 和a a 的氧化波电位分别向负电位方向移动1 0 0m v 和3 7 0 m v 而且将d a 和a a 的相互重叠的氧化峰分成出两个独立的氧化峰，峰一峰间 距为2 0 0m v 。此峰间距足以对混合样品中的d a 和a a 进行同时测定。在最佳 实验条件下，建立了对混合样品中的d a 和a a 同时测定的新方法。将其应用于 混合样品中d a 和a a 的分析，获得了满意的结果。y i n 中国科学技术大学博士研究生毕业论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fr e v i e w i n gt h e c o v a l e n t l y m o d i f i e dc a r b o ne l e c t r o d ew i t h e l e c t r o c h e m i c a l p r o c e d u r e s ，x p s a n dv a r i o u se l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d sw e r e e m p l o y e d t o s t u d y t h ec o v a l e n t m o d i f i c a t i o no f g l a s s y c a r b o ne l e c t r o d ev i a e l e c t r o c h e m i c a lp r o c e d u r ew i t ha m i n oa c i d s ，e s p e c i a l l yo ft h eg l u t a m i ca c i d ，g l y c i n e a n d 3 - a m i n o b u t y r i ca c i d ，w h i c hb e l o n g s t ot h en e u r o t r a n s m i t t e r st h e e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so fd o p a m i n e ( d a ) ，ak i n do fn e u r o t r a n s m i t t e r , a n dt h e e x i s t e du r i ca c i d ( u a ) a n da s c o r b i ca c i d ( 从) i n b i o l o g i c a ls a m p l e so n t h em o d i f i e d e l e c t r o d e sw e r e i n v e s t i g a t e d i nd e t a i l b a s e do nt h e i m p r o v e d e l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o r sa n dt h e o p t i m a le x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，s e v e r a l n e wm e t h o d sf o rt h e s i m u l t a n e o u so rs e l e c t i v ed e t e r m i n a t i o no ft h e s es u b s t a n c e sw e r ed e v e l o p e d t h e s e m e t h o d sa r eo f i m p o r t a n c ei nt h ea n a l y s i so fb i o l o g i c a ls a m p l e s ，e s p e c i a l l yi nt h e c l i n i c a la n a l y s i s i nt h es o l u t i o no fa c nc o n t a i n i n g0 1m o l l n b u 4 b f 4 ，t h e o n e e l e c t r o n o x i d a t i o no ft h ea m i n o g r o u pt u r n si n t oi t sc o r r e s p o n d i n gc a t i o nr a d i c a l s t h e s ec a t i o r a d i c a l st h e nf o r m c a r b o n n i t r o g e nl i n k a g e s a tt h ec a r b o ne l e c t r o d es u r f a c et o i m m o b i l i z et h ea m i n oa c i d so fg l y c i n e ，g l u t a m i ca c i d ，3 - a m i n o b u t y r i ca c i d ，a l a n i n e a n da s p a r t i ca c i da tt h eg c es u r f a c e x p sw a su s e dt o v e r i f y t h ei m m o b i l i z a t i o no ft h e ma tt h eg c es u r f a c e b y f o l l o w i n gt h ec h a n g e si nt h er e l a t i v en i t r o g e nc o n t e n ta tg c e s u r f a c ea saf u n c t i o no f a n o d i c v o l t a g el i m i t i nc ve x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h ec v p r o c e d u r ec a n i m m o b i l i z et h e ma tt h eg c es u r f a c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h e p o s i t i o no f p e a km a x i m u m a t3 9 86 0e v , w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ef o r m a t i o no f c a r b o n n i t r o g e nb o n db e t w e e n t h ea m i n ec a t i o nr a d i c a la n da na r o m a t i c m o i e t yo fg c es u r f a c e ，a l s ov e r i f yt h e i m m o b i l i z a t i o no fa m i n oa c i d sa tt h eg c e s u r f a c e f u r t h e r m o r e ，t h es t a b i l i t yo ft h em o d i f i e r sa l s o s u p p o r t e d t h ef o r m a t i o no fa c o v a l e n t l i n k a g e t h ee l e c t r o d e sw e r es o n i c a t e df o r 15r a i ni nav a r i e t yo fs o l u t i o n ， i n c l u d i n gw a t e r , e t h a n o l ，a n dp h6 0p b s ，a n dt h e nt h e r m o - d e s o r b e di nh i g hv a c u u m ( 1 0 4t o r r ) f o r4 0r a i na tl1 0 c i na l lc a s e s ，t h ex p sd a t aw e r ea l m o s tc o n s t a n tf r o m i 里型兰垫查查兰苎主堕塑生望些堡奎 t h ea r e ao f t h ev o l t a m m o g r a m ，am o n o l a y e rc o v e r a g eo f a h o u t1 0 。1 0 m o l c m 2a tt h eg c e s u r f a c ec a nb eo b t a i n e d g l y c i n e m o d i f i e dg c e ( g i y g c e ) n o to n l yc a ni m p r o v et h ee l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o r so fd o p a m i n e a ) a n da s c o r b i ca c i d ( a a ) ，b u ta l s oc a nr e s o l v et h em i x e d v o l t a m m e t r i cr e s p o n s eo fd aa n da aa tg e ei n t ot w ow e l l d e f i n e dv o l t a m m e t r i c p e a k s t h es e p a r a t i o nb e t w e e nt h et w op e a kp o t e n t i a l sw e r ea b o u t15 0m v i nc va n d 17 0m vi n d p v , r e s p e c t i v e l y ，w h i c h w e r e l a r g ee n o u g h f o rt h es i m u l t a n e o u s d e t e r m i n a t i o no fd aa n da ai nt h ep r e s e n c eo fe a c ho t h e r u n d e rt h eo p t i m a l c o n d i t i o n s ，t h e p r o p o s e d a n a l y t i c a l m e t h o dw a s a p p l i e d t ot h es i m u l t a n e o u s d e t e r m i n a t i o no f d aa n da ai nm i x e ds a m p l e sw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s d u et ot h e s t r o n ge l e c t r o c a t a l y t i c f u n c t i o no fg l u t a m i ca c i dm o d i f i e d g c e ( g i u g c e ) t ou r i ca c i d ( u a ) a n da a ，s h i f t i n gt h eo x i d a t i o np o t e n t i a l so f u aa n da a n e g a t i v e l yb y 2 0 0m va n d3 0 0m vt o2 7 0m va n d1 6 0m v ，r e s p e c t i v e l y , w i t h g r e a t l y e n h a n c e dp e a kc u r r e n t s t h u s ，t h eg l u g c ec a nr e s o l v et h em i x e do x i d a t i o ns i g n a l so f u aa n da ai n t ot w od i s t i n c to x i d a t i o np e a k s ，w h i c hc a nb eu s e df o rt h es i m u l t a n e o u s d e t e r m i n a t i o no ft h e mi nt h es a m es a m p l e t h es u c c e s s f u la n a l y s i so f t h e mi nm i x e d s a m p l e s i n d i c a t e dt h a tt h e p r o p o s e da n a l y t i c a lp r o c e d u r e w a sv a l u a b l ei nc l i n i c a l a n a l y s i s a l a n i n em o d i f i e d e l e c t r o d e ( a i a g c e ) c a nc a t a l y s i z e t h eo x i d a t i o no fa a ， s h i f t i n gt h eo x i d a t i o np o t e n t i a lo fa an e g a t i v e l yb y2 8 0m v t o17 0m vw i t hg r e a t l y i n c r e a s e dp e a kc u r r e n t b a s e do ni t s c a t a l y t i ce f f e c tt oa a ，t h ea i a g c ec a nr e s o l v e t h em i x e dv o l t a m m e t r i cp e a ko fd aa n da ai n t ot w ow e l l d e f i n e ds w v p e a ka tt h e p o t e n t i a l so f0 15va n do 3 3v ，c o r r e s p o n d i n gt ot h e o x i d a t i o no fa aa n dd a ， r e s p e c t i v e l y t h es e p a r a t i o nw a sl a r g ee n o u g hf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fa a i nt h e p r e s e n c eo f d a t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so fd 久a a , a n du aa t 7 - a m i n o b u r y t i c a c i d m o d i f i e dg c e ( a b a g c e ) s h o w e dt h a ta b a g c eh a ds t r o n ge l e c t r o c a t a l y t i cf u n c t i o n t ot h e i ro x i d a t i o n ，r e d u c i n gt h eo v e r - p o t e n t i a l so fd a ，a aa n du aa n di n c r e a s i n g o x i d a t i o np e a kc u r r e n t s d u et oi t sc a t a l y s i st ot h e m ，a b a g c ec a nr e s o l v et h e i rm i x e d o x i d a t i o np e a ki n t ot h r e ed i s t i n c ts w v p e a k sa tt h ep o t e n t i a l so f 0 4 5v 0 2 5v 和0 0 7 vt h el a r g ep e a k t o - p e a ks e p a r a t i o n sc a na l l o wt h es i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no f i v 中国科学技术大学博士研究生毕业论文 t h e mi nt h es a m p l et h ep r o p o s e dm e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ea n a l y s i s o f t h e mi nm i x e ds a m p l e s t w o o p p o s i t e l yc h a r g e dr e d o xp r o b e s ，f e ( c n ) 6 3 。a n dr u ( n h 3 ) 6 3 + ，w e r ec h o s e nt o i n v e s t i g a t e t h ee f f e c to f a s p a r t i c a c i dm o d i f i e d g c e ( a s p g c e ) o n t h e i r e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d i f i e ra tt h eg c e w a sn e g a t i v e l y c h a r g e di np h 7 0s o l u t i o n b a s e do ne l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n s ，t h ec a t i o n i cd a c a ng e t a c c e s s st ot h ee l e c t r o d es u r f a c ea n dt h ea n i o n i ca aw a sr e s i s t e dt og e tt ot h ee l e c t r o d e s u r f a c e t h u s ，t h ea s p g c ec a nr e s p o n s et od as e l e c t i v e l yi nt h ep r e s e n c eo fa a ， w h i c hh a sb e e na p p l i e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fd ai nt h ec o e x i s t e n c eo fa aw i t h s a t i s f a c t o r y t h ew a x e dg r a p h i t ee l e c t r o d e ( w g e ) w a se l e c t r o c h e m i c a l l yp r e o x i d i z e d ，t h e n r e a c t e dw i t hg l u t a m i ca c i d ( g l u ) a tg e n t l ec o n d i t i o n st og r a f tg l ut ot h es u r f a c ev i a a m i d ef u n o t i o n x p sv e r i f i e dt h ei m m o b i l i z a t i o no fg l uo nt h ew g es u r f a c et h e g i u w g en o to n l yc a ni m p r o v et h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so f d aa n da a ，b u ta l s o c a nr e s o l v et h e i rm i x e do x i d a t i o np e a ki n t ot w ow e l l d e f i n e dv o l t a m m e t r i cp e a k st h e p e a k t o - p e a ks e p a r a t i o no f 2 0 0m vc a na l l o wt h es i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no ft h e m i nt h es a m es a m p l e t h ep r o p o s e dm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt ot h es i m u l t a n e o u s d e t e r m i n a t i o no f d aa n da aw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s v 中国科学技术大学博士研究生毕业论文 第一章电化学方法共价修饰碳电极 1 引言 在碳电极的共价修饰研究中，利用电化学方法对其进行共价修饰是近几年 才发展起来的。1 9 9 0 年，b a r b i e r 1 】等首次报道了在溶液中通过电化学方法而 生成的自由基可能与碳电极表面的碳原子以共价键的形式结合而将化合物修饰 在电极表面。该文报道胺化合物在溶液中被氧化成氨自由基而键合在电极表面。 1 9 9 2 年p i n s o n 等报道通过对芳基偶氮盐化合物的电化学还原可在电极表面形成 一牢固的修饰层，而推测生成的芳基偶氮自由基是通过共价键合的形式修饰在 电极表面 2 。后来，s a v e a n t 等将芳基乙酸盐电化学氧化成自由基而共价修饰 在碳电极表面【3 】。最近，n o w a l l 和h a y e s 在溶液中通过对酰肼类化合物电解可 将其共价修饰在碳电极表面 4 ，5 。所有这些修饰方法都推测通过电化学或还 原后在溶液中存在有一种自由基。另外一种修饰方法是推测碳电极经过氧化后 在电极表面生成了一种表面自由基，这种自由基和溶液中的以非自由基形式存 在的化合物结合而将其修饰在电极表面 6 】。玻碳电极在无水乙醇溶液中的阳 极化处理是这种以醚键形式共价修饰的基础。 迄今为止，这种修饰方法的机制、修饰膜的结构以及修饰电极的潜在应用价 值一直是大家所关心的。将碳纤维进彳亍共价修饰以期改善其性能也已经引起了 大家广泛的兴趣 1 ，2 】。应用这种技术已经制备了许多具有传感性表面的修饰 电极 4 ，5 ，7 1 9 】和具有催化功能的修饰电极【2 0 ，2 1 。共价修饰电极也被用以 解释表面修饰层结构对碳电极表面电子转移的影响 2 2 ，2 3 。 2 修饰方法、机制和修饰单层的性质 2 1 含氨化合物的氧化 伯氨和仲氨化合物可通过在无水乙醇或乙腈溶液中电氧化而结合在电极表 面 1 ，7 】。电氧化方法可采用循环扫描法和恒电位电解法。但注意循环扫描的 最大电位和恒电解电位不能小于氨的不可逆氧化的电位以确保胺化合物被充 分氧化。b a r b i e r 和p i n s o n 在试验的基础上提出了这种修饰的机制( 机制1 ) 。 g c 。习+ h ：- g c e 爿+ r 山h ：i l g c s 务n r 机制1 中国科学技术大学博士研究生毕业论文 表1 中列出了通过电氧化法键合在碳电极表面的胺化合物。 b a r b i e r 和 p i n s o n 以伯胺为例研究了胺化合物在电极表面的修饰行为 1 】。后来，他们研 究了氨甲基9 蒽和对一氨甲基硝基苯的电氧化修饰行为，发现这些基团以单层形 式直立在电极表面。p o r t e r 等以仲胺和叔胺为例探讨了胺衍生物的电化学修饰 行为【7 】。结果发现，尽管所有胺衍生物都表现出良好的不可逆氧化行为，但是， 仲胺化合物在电极表面的覆盖量低于单层覆盖量，而叔胺化合物则根本不能在 电极表面结合。因此可以推测氨基上取代功能团所形成的空间效应对这些化合 物在碳电极表面的结合有阻碍作用。另外，从机制1 可知整个结合过程需要从 氨阳离子自由基失去一个质子，然而对于叔胺来说这个失质子过程是根本不可 能发生的。所以，这就是叔胺不能修饰在电极表面的原因。在试图用电氧化法 把多巴胺修饰在电极表面时发现，由于多巴胺的氧化产物在电极表面的吸附作 用而导致只有很少量的多巴胺结合在电极表面，因而不能对电极表面进行有效 的修饰。 表1 电化学氧化法共价修饰在碳电极表面的胺化合物 胺化合物参考文献 乙二胺 三亚乙基四胺 异丁基胺 4 - 硝机基苯胺 2 - 氨基4 甲基噻唑 氨甲基- 9 葸 杰弗里胺ed - 2001 ( a ) n - ( 2 - 氨乙基) - 4 - 氟苯甲基酰胺 n - ( 5 - 氨戊基) - 生物素酰胺 丁胺 n - 乙基丁胺 n - 乙酰基亚乙基二胺 n - 甲基丁胺 多巴胺 四甘醇二胺 半胱胺酸 咪唑 4 - 氨基吡啶 4 - 氨乙基毗啶 6 氨基1 - 己醇 十二烷基胺 葵基胺 1 ，20 ，2 5 1 25 24 24 ( a ) ：n h 2 c h ( c h a ) c h 2 - ( o c h ( c h 3 ) c h 2 ) - ( o c h 2 c h 2 ) b - ( o c h 2 c h ( c h 3 ) ) 。；a + c = 25 | b = 4 0 5 2 7 7 7 7 7 7 8 9 1 1 l 4 l 2 2 2 2 中国科学技术大学博士研究生毕业论文 对于烷基胺，实验发现烷基链的长度将影响胺化合物氧化的产率和自由基离 子与碳表面键合反应的效率。h o e k s t r a 和b e i n 比较了6 一氨基己烷、丁基胺、 葵胺和十二烷基胺在玻碳电极表面的覆盖量 2 4 。应用x 一射线光电子能谱 ( x e s ) ，n ( 1s ) c 0s ) 的峰面积比说明丁基胺在电极表面的覆盖量最大，而6 一氨基 己烷、葵胺和十二烷基胺在电极表面的覆盖量基本相同，只是丁基胺修饰量的 5 0 。但是，值得注意的是我们要谨慎利用这个峰面积比值，因为长链烷基中的 碳将增大c os ) 峰面积，从而降低峰面积比值。然而，对于分子量比较大的胺化 合物，要想在电极表面得到比较大的表面覆盖量，溶液中胺化合物的浓度必须相 当大或者延长修饰时间才能实现。充分表明长链烷基胺与电极表面的结合效率 比较低。 p o r t e r 等曾用高度有序的热解石墨电极( h o p g ) 为例来研究丁胺电氧化后 在其基面的结合情况。结果发现，尽管在循环扫描过程中观察到了丁胺的良好 的不可逆氧化峰，但是，x p s 分析结果显示，在h o p g 的基面上根本没有丁胺 存在。这意昧着在玻碳电极表面修饰应该发生在其棱面上的活性位点。由此， 作者推测电极表面的修饰过程应该受碳表面存在的含氧功能团( 如，醇基、羟 基、酮基、醌基和羧基等) 的影响。这个推测后来没有被深入研究。 d o w n a r d 等以四甘醇为例研究了电极修饰过程的重现性 8 。结果发现，当 具有不同“组织结构”的玻碳电极均采用循环扫描法或者恒电位电解法进行修 饰时，电极表面修饰物的覆盖量显示重现性比较差。只有当用同一个电极进行 反复修饰时，才能得到良好的重现性。这意味自由基离子与电极表面键合反应 的效率与电极表面的“组织结构”有很大关系。 许多物理和化学方法都被用来鉴定胺化合物在电极表面的修饰。x p s 可用 以定性鉴定胺化合物在电极表面的修饰【1 ，7 ，8 ，2 4 】，循环伏安法可用以定 量测定胺化合物在电极表面的覆盖量【1 ，7 ，2 0 。胺化合物在碳电极表面的共 价结合已被以下方法所证实：在未施加电位的情况下，将碳纤维裸电极在胺化 合物溶液中浸泡后，进行x p s 分析，结果发现，n ( 1 s ) 峰面积没有增加 1 】； 将修饰后的碳纤维电极在真空( 1 0 。9t o r r ) 及加热( 1 1 0o c ) 状态下进行热脱 附，结果发现，脱附后n ( 1 s ) 峰面积没有变化 1 】；将修饰后的玻碳电极分别 在系列的水和非水溶剂中浸泡和超声震荡，然后进行分析，结果发现，x p s 谱没有明显变化 7 】；将丁胺修饰后的玻碳电极置于0 ，1m o l lh c i 眈溶液中于 0 2 - o 8 v 范围内循环扫描l o o 圈，x p s 分析结果表明，n 0s ) c ( 1 s ) 比值只减 小约1 0 7 】。这些实验表明胺化合物确实以共价形式牢固地键合在电极表面。 对于乙二胺在碳电极表面的修饰情况已被广泛研究。其中的个或者两个 氨基都可能键合在电极表面。b a r b i e r 和p i n s o n 等用4 氟一苯甲酰氯来处理乙二 中国科学技术大学博士研究生毕业论文 胺修饰的碳纤维电极，使其和没有与碳纤维键合的氨基发生反应，从而通过检测 碳纤维表面所携带的氟的量来推测没有和碳纤维键合的氨基的量。x p s 分析结 果表明，通过两个氨基与碳纤维键合的乙二胺的量大约占7 5 ，而通过一个氨基 与碳纤维键合的乙二胺的量约占2 5 【l 】。a n t o n i a d o u 等用盐酸来滴定乙二胺修 饰的碳纤维的研磨物，以期测定碳纤维上所键合的乙二胺的量 2 0 。根据乙二 胺的量和碳纤维的有效表面积，计算出键合在碳纤维表面的乙二胺的量大于单 层修饰所需的量。b a r b i e r 推测在碳纤维表面除了以两个氨基键合的环状结构外 还有聚乙二胺长链的生成佛q 制2 ) 。此机制符合以下实验结果，键合在碳纤维 上的乙二胺中的氨基只有1 是电活性的，只有很少量的 a u c i 。 能通过离子 交换到质子化的氨基团上。此实验表明，在电极表面只有很少部分氨基团是 活性的，也就是说在修饰膜表面只有很少量的氨基没有被键合在电极表面或者 没有被聚合在长链中。另外，用电化学阻抗谱在0 1m o l l l 【e t 4 n c l o 。溶液中 分别测定裸碳纤维和乙二胺修饰后的碳纤维的阻抗，阻抗值有9 “f c m 2 降低到 4 肛f e r a 2 ，充分证明在电极表面有多层膜生成。 - n h - - c h 2 _ c h z n h - - f h ： ( a )( b ) - - n h - - c h 2 _ c h f n h - - - n h - - c h 2 - c h f n h 2 ( c ) 机制2 2 2 芳基偶氮阳离子自由基的还原 芳基偶氮盐在碳电极表面经过一电子还原后可将芳基键合在电极表面。至 今，修饰过程大多是在非水溶剂乙腈中进行的【2 ，9 - 1 2 ，1 8 ，2 3 ，2 6 ，2 8 3 4 】。最近， 质子溶剂( 硫酸和盐酸，p h 2 ) 也被用做修饰介质 1 3 ，2 7 。偶氮化合物的还原 也可以通过循环扫描法或者恒电位电解法来实旅，偶氮化合物已被成功的修饰 在玻碳电极【2 ，9 1 2 ，1 8 ，2 3 ，2 6 ，2 8 - 3 4 】、碳纤维和h o p g 【2 ，1 8 ，2 6 2 7 ，3 0 3 2 ，3 5 ， 3 8 】电极、筛网印记石墨电极 1 3 】、氢化玻碳电极 3 6 和掺硼的金刚石电极 3 7 表面。表2 列出了通过偶氮还原法键合在碳电极表面的芳基化合物。p i n s o n 首次报道了这种键合修饰方法并给出了键合机制( 机制3 ) 【2 】，还指出偶氮化合 物首先吸附在电极表面，然后再发生还原反应。并且要注意还原反应应在较正 主里型堂垫查查兰竖主婴塞生兰些鲨茎 的电位下进行，以免在还原偶氮时，芳基自由基也同时被还原。 1 c a r b o n 彳+ r 爿时午c 砌n 批 机制3 表2 通过偶氮盐( r ，n 2 + ) 还原而键合在碳电极表面的基团( 除非特别指明外， 【a 】：在水溶液中还原 通过偶氮化合物的还原对电极进行修饰己被深入地研究并用多种方法进行 中国科学技术大学博士研究生毕业论文 了表征。其中常用的有：x p s 2 ，9 ，2 6 3 1 ，3 6 3 8 、卢瑟福背景扫描( e 0 3 s ) 2 6 、 极谱调制红外反射吸收光谱 2 6 、俄歇光谱 2 6 、非增强的拉曼光谱 3 0 一3 2 ，3 6 ， 3 7 、扫描隧道显微镜( s t m ) 2 6 ，3 5 ，3 8 和扫描力显微镜( s f m ) 3 5 】等。 对于还原法修饰电极的详细机制，除机制3 外，p i s o n 和s a v e a n t 又以4 一硝 基苯修饰电极为例证明了在修饰过程中有另一反应过程同时存在。即存在于溶 液中的硝基苯自由基可和已经键合在电极表面的硝基苯基团发生反应，从而使 修饰过程的键合效率相对减小 2 6 。并被以下实验现象所证实：在x p s 光谱中 除了位于3 9 8 6 0e v 处的n ( 1s ) 吸收峰外，在4 0 0e v 处又有另外n 吸收峰出 现，表明有另一状态的n 存在于电极表面。应用循环伏安法测得的电极表面覆 盖量要比单层覆盖量大，并且在硝基苯修饰电极的循环伏安图中有一前波出 现。后来，k a r i u k i 和m c d e r m o t t 用扫描隧道显微镜对修饰电极的表面进行了 分析，发现确实有由于单体聚合所形成的多层结构存在 3 ，5 】。b e l a n g e r 等研究 发现，在4 硝基苯和4 一羧基苯修饰电极的x p s 光谱中存在的位于4 0 00e v 处 的n 吸收峰是由于重氮基与电极表面上存在的酚基反应所生成的肼化合物所产 生的 2 8 】。并推测在电极表面通过偶氮还原而键合的偶氮化合物约占7 5 ，而 通过联胺的生成而连接在电极表面的部分约占2 5 。这种连接方法的意义有待 于进一步的研究。 偶氮还原法所修饰的电极具有很好的稳定性。将修饰电极长期保存于空气 中并在有机溶剂中超声震荡洗涤后，仍具有较好的重现性 2 ，2 6 ，2 7 。对于4 硝基苯修饰的h o p g ，将其在7 0 0k 热脱附后，俄歇光谱中n 吸收峰的位嚣 和强度没有明显变化，然而，在1 4 0 0k 脱附后n 的吸收峰消失 2 6 ，以上实验 证明在修饰物和电极表面之间确实有一牢固的共价键生成。 p i s o n 和s a v e a n t 分析了基面热解石墨电极在4 硝基苯基重氮盐溶液中的连 续循环扫描伏安图的的电流与电位之间的关系【2 6 ，发现在电极表面产生的重 氮自由基并不是全部键合在电极表面，其中有一部分逃逸到溶液本体中去了。 其中对于玻碳电极，大约有8 4 的自由基键合在电极表面。而对于基面热解石 墨电极，只有5 6 的自由基键合在电极表面。这表明棱面上的碳比基面上的碳 具有较强的反应活性。m c c r e e r y 等借助于非增强的拉曼光谱，循环伏安法和x p s 等分析方法观察到了同样的现象：棱面h o p g 电极比基面h o p g 电极的修饰速 度要快得多 3 0 3 2 。利用空间分辨拉曼光谱可得到硝基偶氮苯在玻碳电极和热 中国科学技术大学博士研究生毕业论文 解石墨电极上的分布和密度情况 3 2 】：在玻碳电极上，硝基偶氮苯的修饰是快 速而均匀覆盖的：而在h o p g 上，短时间的还原只能将硝基偶氮苯修饰在h o p g 的棱面，只有长时间的电解才能使硝基偶氮苯连接在基面上，但其覆盖量也远较 棱面上的小。k a r i u k i 和m c d e r m o t t 利用s f m 也同样观察到棱面h o p g 要比 基面h o p g 的修饰速度要快得多【3 5 。由此断定在棱面位点上无论自由基离子 的生成速度还是其与电极表面的键合速度都要比基面位点上的快。4 - 二乙胺苯 自由基是通过占用c 的s p 2 空轨道而连接在棱面位点上的。而在基面上的修饰 是通过自由基离子与已经连接在电极表面的苯基发生反应的结果，只是在电极 表面进行间隔的，不均匀的“栽种”。 m c c r e e r y 等还报道了利用4 硝基苯偶氮盐在非水介质中的还原对氢化了的 玻碳电极( h g c ) 进行修饰【3 6 】。h g c 采用如下方法制备：将本碳电极置于氢 的等离子流中进行处理，使其表面生成c h 键从而降低电极表面氧的含量。由 此推测在修饰过程中硝基苯自由基首先从电极表面获得一个氢而在电极表面形 成活性的碳自由基，这样另一个硝基苯自由基就可和碳自由