二氧化钛复合膜电极检测三聚氰胺

1、. . . . Nafion/二氧化钛复合膜电极检测多巴胺Nafion/tio2 composite film electrodes detection of dopamine摘 要 化学修饰电极是上世纪下半页发展起来的一门新兴学科，现阶段在电化学和电分析化学方面应用较多。目前应用十分广泛，主要有食品分析、环境科学，以与生物领域。另外分析化学与材料学方面也有很重要的应用。聚合物修饰电极可以有目的的在电极表面固定特定的的官能团，从而使电极具有特定的性质。化学修饰电极制备的方法比较简单，电极寿命相对较长，从而有广泛的应用。 化学修饰电极是由导体或半导体制作的具有特殊性能的电极，通过在电极表面固着单

2、分子、多分子、离子或者是聚合物的化合物薄膜，接消耗电荷反应而呈现出该修饰电极的特殊性质。也就是说在电极表面经过分子设计，被人为的加工成修饰电极。其中包括对电极界面区的化学改变，所以对电极进行修饰所用的物质不同，化学修饰电极具有的特性不同。 对于化学修饰电极电极的研究和制作，对于电极过程动力学理论的发展有重要意义，可以说开拓了一个化学研究的新领域，具有非常广阔的应用前景和经济环境效益。 通过滴涂法制备了Nafion/TiO2复合膜修饰电极，并利用该电极选择性检测了多巴胺，线性围为1.010-11 6.010-7 M围能线性相关，相关系数为0.997检出限为10 pM。关键词：二氧化钛复合膜电极；

3、多巴胺；电化学检测；化学修饰电极ABSTRACTChemically modified electrode is developed in the mid - 1970 - s latest a discipline, is the current active frontier of electrochemistry and electrochemical analysis. They are widely used at present, mainly in food analysis, environmental science, and biology. Analytical chem

4、istry and material science also has very important application. Polymer modified electrodes can be targeted on the electrode surface functional groups of fixed choice, make the electrodes have specific properties. Chemical modified electrode preparation method is simple, the electrode life is long,

5、thus has a wide range of applications. Chemically modified electrode is made of a conductor or semiconductor electrode with special performance, on the electrode surface by fixation of single molecules, many molecules, ions, or is a compound of polymer film, connect consumption charge reaction and p

6、resents the special properties of the modified electrodes. On the electrode surface that is through molecular design, artificially processed into modified electrodes. Including the chemical change of the electrode interface area, so by modifying the electrodes used in the material is different, the

7、characteristics of chemical modified electrodes with different. For research and production of chemically modified electrode electrode, greatly promoted the development of the electrode process kinetics theory, and opens up a new field of chemical research, has a broad application prospect and econo

8、mic environmental benefits. By coating prepared with Nafion/TiO2 composite film modified electrodes, and by using the electrode selective detection of dopamine, linear range of 1.0 x 10-11-6.0 x 10-7 M range can be linear correlation, correlation detection limit was 0.997 to 10 pM. Key words: Titani

9、um dioxide composite film electrodes; Dopamine; Electrochemical detection; Chemical mo目 录第1章 绪论.7 1.1 二氧化钛复合膜的制备.7 1.2 二氧化钛符合膜的形成过程.7 1.3 修饰电极的种类.7 1.4 化学修饰电极的应用.9 1.5 纳米二氧化钛的性质与应用.9 1.6 多巴胺的性质与应用.9 第二章 Nafion/二氧化钛纳米粒子修饰电极电致化学发光法检测多巴胺.10 2.1 引言.10 2.2 实验部分.10 2.2.1 仪器与试剂.10 2.2.2 Nafion/二氧化钛NPs修饰电极的

10、制备.10 2.3 结果与讨论.11 2.3.1 Nafion/二氧化钛NPs复合膜的表征.11 2.3.2Nafion/二氧化钛NPs复合膜修饰电极的ECL性能研究.12 2.3.3实验条件的优化.13 2.3.4 选择性检测多巴胺.14 2.4 结论.16参考文献.17致.18 第一章绪论二氧化钛由于在光学与光电化学性能方面表现出了优良性能，被广泛应用于太阳能电池、无机颜料、抗老化薄膜以与日用防嗮化妆品等领域。二氧化钛在一定光照条件下具有强的氧化性和还原性。还可以有效的降解液相和固相中的有机物污染物、此外还具有还原重金属离子与杀菌消毒的作用还可抑制微生物的再生。所以在环境治理、杀菌抗菌、生

11、物医学的领域有着重要的应用。当前二氧化钛的研究是一个热点。1.1二氧化钛复合膜的制备 实验所用的铝片需要经过砂纸打磨、抛光后使用，在温度为70度，浓度为80克没毫升的氢氧化钠溶液中碱洗再经硝酸出光后使用。二氧化钛电沉积液是去离子水配制的溶液，主要成分为分析纯K2Ti(C2O4)2和分析纯C2H2O4，并通过低价氨水调整溶液PH值为3.5-4.0。由于二氧化钛电沉积是在交流模式下进行的，所以要用交流电源。额定功率2.2千瓦，恒压工作方式。点沉积二氧化钛时要对其进行磁力搅拌。1.2二氧化钛复合膜的形成过程 将铝基体在酸性溶液中阳极氧化就可以得到一层致密、均匀、表面多孔的氧化膜，这个膜主要含有大量结

12、晶水且为非晶态的氧化铝构成，表现出透明或半透明的状态。具有耐磨、耐腐蚀、表面吸附性能好的特点。可以通过选择不同种类的酸液，得到不同结构和性能的氧化膜。通常，在硫酸、草酸中得到的氧化膜会比较厚，表面微孔小，孔隙率高；而在磷酸中得到的氧化膜相对较薄，微孔较大，孔隙率较低。由于这种特殊的性质，使得二氧化钛在氧化铝薄膜上附着具有了有力条件。1.3修饰电极的种类 可用于进行修饰电极的物质有很多，对电极进行修饰的工艺操作也有多种，得到的化学修饰电极种类也与日俱增。根据修饰方法的差异可将修饰电极分为以下几类：1. 共价键合型修饰电极共价键合法常用的集体电极分为谈电极和金属、金属氧化物电极其中碳电极主要进行对

13、氧基、氨基和卤基的表面活化，对金属和金属氧化物的预处理是要在其表面产生羟基，然后再与有机硅烷试剂反应，通过胺键连接功能团。2. 吸附型修饰电极 吸附法制备修饰电极相对于共价键法要简单直接。但其重现性差，且吸附的修饰剂会逐渐失掉，但在严格条件下还是可以制备优良的修饰电极的。将待修饰物吸附到电极上有三种方法:1.欠电位沉积法。这种方法主要是将一些重金属元素通过欠电位沉积的方法附着在某些金属或过度金属的基体上，形成一定空间结构的单原子层。2.LB膜法，将脂肪的亲水端和疏水端分子溶于挥发性有机溶剂中，待溶剂挥发后，溶质分子在一定的表面压作用下会形成有序的单分子膜。3.SA膜法，是通过分子的自组装作用，

14、在固体表面形成高度有序的单分子层的一种方法。这种方法比较适合于分子量较大熔点较高的有机物分子。由于有机物和电极表面的疏水端结合以与电子的相互作用使得这种方法得以实现。但是此方法的影响因素较多。3. 聚合物修饰电极通过这种方法制备聚合物薄膜对电极没有太多的要求，待修饰的聚合物可以是电子导电的也可以是非导电的，这种吸附力来源于某种化学吸附作用会对所接触溶液呈现低溶解度从而使待聚合物附着在电极表面上。聚合物薄膜具有几个优点1.聚合物膜修饰电极的制备方法多，能够发生聚合的单体多，可用来制备各种功能的化学和生物传感器。2.聚合物膜还具有一定的物理和化学稳定性。 聚合物也叫高聚物，是由低分子化合物聚合而成

15、的。聚合物的出现极拓展了化学修饰电极的发展领域，所以聚合物一出现就得到了重要应用。1.4化学修饰电极的应用化学修饰电极的研究得到了广泛应用，其中在电化学催化、电化学发光、配位化学和电分析化学等方面的应用和研究比较多。在电化学分析方面的应用有：电化学传感器。化学修饰电极还可以在化学传感器中应用;在伏安分析、电位溶出中的应用：化学修饰电极生物传感器，主要用于包括酶、免疫系统、生物活性、各种复合酶、微生物系统、组织传感器等方面；光电联合技术的应用，主要在光谱电化学的领域，通过电化学信号刺激，通过光谱监测体系可以处理接收到的电刺激信号；进行现场分析；流动体系中的应用。 1.5纳米二氧化钛的性质和当前的

16、应用围 催化剂可以加快反应的速度，而本身却不被消耗，也不会影响反应的 平衡常数，催化剂的活性是评价催化性能好坏的重要标志。高活性的催化剂要求其表面具有大浪活性位。而纳米颗粒尺寸小、表面原子站较大的百分数，表面原子配位不等等因素导致其表面活性明显增加。目前发现应用德尔纳米粒子催化剂主要有以下几种1. 单一金属或金属化和物纳米粒子催化剂：铂、银、铅、镍、氧化镍。2. 纳米金属粒子分散到比表面积较大的载体上，常见的载体有二氧化硅、氧化镁、分子筛等。3. 以纳米二氧化钛为代表的催化材料，主要有二氧化钛，氧化锌、氧化钒等。4. 其中纳米二氧化钛具有粒径小、比表面积大、磁性强、光催化、吸收性能好、之外先吸

17、收能力好等优点，时期备受关注，得到广泛应用。结束语随着科学技术的进步和人们生活水平的日益提高。在发展经济的同时人们开始关注工业生产对环境带来的不理因素，发展绿色化学已成为人们的共识。更加深入广泛的研究纳米二氧化钛电极的电催化性能，并将其应用在有机合成中，对保护环境和发展绿色化工都具有十分重要的意义和作用。纳米二氧化钛膜电极机器符合碳纳米管膜电极应用于电催化有机合成，它不但具有催化活性高，选择性好、稳定性好的优点，很重要的一点是它的寿命比较长。且制备比较简单。纳米二氧化钛膜电极的研究具有非常广阔的前景。1.6多巴胺的性质和应用多巴胺，它正式的化学名称为4-（2-乙胺基）苯-1,2-二酚，简称（D

18、A）.多巴胺是一种大脑分泌物，是神经递质的一种，可以用来帮助细胞传送脉冲，从而影响一个人的情绪。它在生物体影响大脑的情欲、感觉，通过对兴奋与开心的信息传递过程，使得生物产生一定的依赖性。可以说它是直接影响人的情绪的物质。很多人的上瘾症状是有多巴胺引起的。主要应用它的盐酸盐，为白色或类白色有光泽的结晶；无嗅，味微苦。置于空气中，光照条件下颜色会变深。易溶于水，微溶于乙醇。在氯仿或乙醚中极微溶。熔点243-249摄氏度。第二章 Nafion/TiO2纳米粒子修饰电极电致化学发光法检测多巴胺2.1 引言多巴胺（dopamine，DA）是儿茶酚胺类化合物之一，是生物体重要的神经递质，它参与许多生命过程

19、。但是在测定DA时，由于人脑中存在的高浓度的抗坏血酸（AA），而且这种物质会对DA的测定产生严重干扰。所以在AA存在的条件下测定DA是当前需要解决的一个重要问题。本实验实现了在AA存在下，DA的选择性检测。在以K2S2O8为共反应剂的ECL体系中，利用Nafion/TiO2 NPs修饰电极，用ECL法检测实现了对DA的选择性检测。2.2实验部分2.2.1 仪器与试剂电化学交流阻抗（EIS）测试在Autolab电化学分析仪（Eco Chemie，荷兰）上完成，其电解质溶液为含有5.0 mM K3Fe(CN)6/ K4Fe(CN)6的0.1 M KCl溶液，交流电压为5 mV，记录频率围为10-2

20、 105Hz。工作电极为制备获得的Nafion/TiO2 NPs修饰电极，Pt丝和饱和甘汞电极分别用作对电极和参比电极。其他仪器与设备与第二章一样。Nafion-乙醇溶液、多巴胺、抗坏血酸购自SigmaAldrich公司（美国）。二氧化钛纳米粒子（10nm，TiO2）购自海泰纳米公司（中国 ）含有0.050 M K2S2O8的磷酸盐缓冲溶液（PBS pH 7.4）用作ECL检测液。实验用水来自Milli-Q纯化系统。其它所有试剂均为分析纯，使用前未处理。2.2.2 Nafion/TiO2 NPs修饰电极的制备首先在抛光布上分别用0.3、0.05 mum Al2O3 粉末将玻碳电极（有效直径5

21、mm）仔细打磨。冲洗干净后，分别用乙醇和超纯水超声清洗大约1min。用超纯水将电极冲洗干净后，用电热风吹干。称取适量的TiO2 NPs的固体粉末加入PBS中，超声分散30 min 得到乳白色的TiO2 NPs分散液（1 mM），用微量进样器移取5 mL TiO2 NPs分散液滴加在玻碳电极表面，红外灯下3 min烘干，得到TiO2 NPs修饰玻碳电极。用乙醇稀释配制不同浓度的Nafion溶液，用微量进样器移取5 mL Nafion-乙醇溶液滴涂到TiO2 NPs修饰电极上，红外灯下烘干即制得Nafion /TiO2 NPs修饰玻碳电极。2.3结果与讨论2.3.1Nafion/TiO2 NPs复

22、合膜的表征图2-1A是TiO2 NPs的TEM图，从图上看TiO2 NPs的直径在101 nm。图2-1B是Nafion/TiO2复合物在玻碳片上的SEM图，从图上可见玻碳片上覆盖了一层致密且均匀的Nafion/TiO2复合物。电化学阻抗谱（EIS）是监测修饰电极的界面电荷转移与界面状态变化的有效方法。从阻抗图上可以监测电荷转移的动力学和扩散特征。图5-1C中的曲线对应的分别是裸GCE、Nafion/GCE、TiO2 /GCE 和 Nafion/TiO2 /GCE的阻抗。裸的玻碳电极上呈现几乎直线的状态（曲线a），这是受扩散过程控制的特性。当修饰了一定浓度的Nafion后，半圆的直径增大了很多

23、（曲线 b），这说明Nafion的存在阻碍了探针与电极表面的电荷转移，因为Nafion膜本身是非电活性的，而且其所带负电荷会排斥负电荷探针。但是当电极修饰上Nafion/TiO2 NPs复合物膜后，半圆半径变小（曲线c），这和文献报道的相一致。据报道，当Nafion膜中掺杂了TiO2 NPs可以提高导电率，这和TiO2 NPs的大比表面积，良好的化学和电催化活性有关。Figure 2-1. A) TEM image of the TiO2 NPs, B) SEM image of Nafion/TiO2 composite film and C) EIS of the bare GCE (a)

24、, TiO2 /GCE (b), Nafion/TiO2/GCE (c) and 0.5% Nafion film modified GCE (d). EIS were measured in 0.1 M KCl containing 5 mM Fe(CN)63/Fe(CN)64 with the frequency range from 0.005 Hz to 10000 Hz and signal amplitude of 5 mV.2.3.2 Nafion/TiO2 NPs复合膜修饰电极的ECL性能研究由于Nafion聚合物的特殊结构，Nafion修饰电极对不同的阳离子具有选择性交换作用

25、。这是由Nafion膜的结构所决定的，前面已经提到，在Nafion膜有亲水的离子化磺酸基存在，伸于骨架外，聚集着极化了的溶剂分子，起到与其他阳离子交换的作用。图2-2我们比较了TiO2/GCE和Nafion/TiO2/GCE的ECL行为。我们发现在TiO2/GCE上，当电位低于-1.20 V开始产生ECL发光，当我们把Nafion膜滴涂到TiO2/GCE电极上行成Nafion/TiO2/GCE时，我们发现该电极的ECL强度较TiO2/GCE提高了8倍，且起始的发光峰电位也发生了正移，正移了300 mV。Figure 2-2. A) ECL curves of the TiO2/GCE and

26、Nafion/TiO2/GCE recorded in 0.1M PBS (pH 7.4) containing 50 mM K2S2O8 with -600V PMT at the scan rate of 100 mV s-1. B) Cyclic voltammograms of GCE, Nafion/ GCE, TiO2/GCE and Nafion/TiO2/GCE in oxygen-free PBS (pH 7.4) containing containing 0.05M K2S2O8. The potential was scanned in the negative dir

27、ection from 0.0 to -1.4 V. Scan rate, 100 mV s-1.为了能准确的阐述Nafion对TiO2/GCE的ECL增强的原因，我们研究了在氮气饱和的在含有0.050 M K2S2O8PBS溶液中GCE、Nafion/GCE、TiO2/GCE 和 Nafion/TiO2/GCE的电化学行为（图2-2B）。S2O82-的还原电位在GCE、 Nafion/GCE和TiO2 /GCE仅有微小的变化，但是还原电流在Nafion/GCE降低明显，归因于Nafion上的SO3基团带负电荷对S2O82-的排斥作用。在TiO2/GCE电极上的电流增大，得益于TiO2NPs大

28、的比表面积和TiO2NPs表面带的正电荷对S2O82-的吸引作用。在Nafion/TiO2/GCE还原峰电位发生了正移，说明Nafion/TiO2/GCE可以催化S2O82-的还原。在ECL-电位曲线中我们观察到了一样的实验现象。Nafion膜不仅可以增加ECL的强度，同样可以增加电极的稳定性。图5-3A和B分别是Nafion/TiO2 /GCE 和TiO2/GCE在一样实验条件下连续多次扫描所获得的ECL稳定性的图。从图中我们可见Nafion膜可以显著增加电极的稳定性。这也是确保电极能作为一个良好的生物检测电极的条件之一。Figure 2-3. ECL emission from Nafio

29、n/TiO2/GCE (A) and TiO2/GCE (B) under continuously cyclic scan in 0.1M PBS (pH 7.4) containing 0.05M K2S2O8 with -600V PMT at the scan rate of 100 mV s-1. 2.3.3 实验条件的优化Nafion/ TiO2修饰电极的ECL行为和修饰到电极表面的Nafion的量有很大的关系。保持TiO2 NPs的量不变，不同质量浓度的Nafion溶液和ECL强度的关系曲线如图5-4A所示。在Nafion的浓度从0-0.5%变化的过程中，ECL强度随着Nafio

30、n量的增加而逐渐增加。进一步增大Nafion的含量，ECL的强度反而降低，这归因于过量的Nafion会使膜增厚，阻碍K2S2O8扩散到电极表面，即对电极的ECL的阻碍作用占了主导。依据实验结果，在以后的实验中，我们所使用的电极，均是采用0.5%的Nafion/乙醇溶液滴涂5mL到电极表面所制得的。溶液的pH值也是影响Nafion/TiO2 NPs的ECL性能的关键因素之一。磷酸盐缓冲液的pH值对ECL的影响如图5-4B所示。当pH值为7.4时，所获得的ECL强度最大，这归因于pH值对TiO2 NPs所带电荷的影响。在本实验中，我们选取pH7.4的中性溶液作为支持电解质溶液。并在以下的检测实验中

31、所用溶液的pH值均为7.4.Figure 2-4. A)The effect of Nafion concentration on the ECL intensity of Nafion/TiO2/GCE in 0.1M PBS (pH 7.4) containing 50mM K2S2O8 with -600V PMT at the scan rate of 100 mV s-1. B) The effect of solution pH on the ECL intensity of Nafion/TiO2/GCE, The potential was scanned in the neg

32、ative direction from 0.0 to -1.2 V.2.3.4 选择性检测多巴胺Nafion结构中含有疏水性的氟碳链和亲水性的SO3基团，所以它能够通过静电作用的离子交换模式吸引阳离子排斥阴离子。结合Nafion良好的离子选择性和Nafion/TiO2 NPs修饰电极稳定且强的ECL性能，我们提出了一种选择性ECL检测阳离子的方法。众所周知，多巴胺（DA）是一种重要的神经传导物质，在中枢神经、肾和激素系统中扮演着重要的角色。事实上，DA和其他儿茶酚胺类化合物很容易被氧化，这为其能采用ECL进行检测提供了可能性。在本实验中，DA被选择作为模型分子，检测Nafion/TiO2 N

33、Ps修饰电极作为ECL传感器的应用价值。当DA被加入到检测池中，会被Nafion膜的静电吸引到电极表面并被上面所提到的反应（2）中所生成的空穴氧化，从而阻止了空穴和TiO2 NPs结合生成TiO2*，进而引起ECL信号的降低。ECL强度的降低值（I=I0-I），I0是ECL检测液中未加入DA时所得到的ECL值，I是加入DA后的ECL值。I值和DA浓度的对数在1.010-11 6.010-7 M围能线性相关，相关系数为0.997（如图2-5 A和B所示）。检出限为10 pM，低于目前所见文献报道值。Figure 2-5. A) The ECL responses of the Nafion/Ti

34、O2/GCE under different DA concentrations (10-11M): (from the top down) 0, 1, 2, 5，50,100, 500, 1000, 3000,10000, 20000,50000 and 60000 in 5 mL PBS (pH 7.4) containing 50 mM K2S2O8 , with the voltage of the PMT of -700 V and the potential was scanned in the negative direction from 0.0 to -1.2 V. Scan rate, 100 mV s-1. (B) The ECL intensityconcentration curve. 我们对该传感器的重现性进行了考察，采用10支电极，检测了一样浓度的DA溶液，获得的ECL信号的标准偏差为4.2%，说明该电极的重现性良好。因为抗坏血酸（AA）和DA具有相似的分子结构并且在很多生物体系都共存，所以AA的存在一般会干扰DA的检测。如何在AA共存时选择性测定DA一直是许多人努力的目标。本实验中我们研究了AA对Nafion/TiO2 NPs膜修饰电