光谱分析技术与电分析化学最新

1、 光谱分析技术与电分析化学主讲：聂华贵本课程主要讲解内容：本课程主要讲解内容： 四大波谱分析技术 电分析化学本课程参考书目：1. 1.高等结构分析高等结构分析马礼敦马礼敦 复旦大学出版社复旦大学出版社 ， 200520052. 2.仪器分析仪器分析 方惠群方惠群 于俊生于俊生 史坚史坚 科学出版社，科学出版社， 200220023. 3. 波谱分析波谱分析陈集，饶小桐，蒋晓蕙陈集，饶小桐，蒋晓蕙 电子科技大学出版社，电子科技大学出版社，2003 2003 4. 4. 电化学方法原理与应用电化学方法原理与应用阿伦阿伦. J. . J. 巴德巴德 化学工业出版社，化学工业出版社， 20052005

2、四大波谱分析技术四大波谱分析技术 紫外光谱 红外光谱 核磁共振 质谱有机化合物金属纳米粒子的表面等离子体共振吸收 (SPR)(SPR)金属纳米粒子的SPR谱图纳米金独特的光学性质纳米金独特的光学性质（1）利用纳米金本身特有的颜色）利用纳米金本身特有的颜色：对于：对于13 nm左左右的颗粒，本身为红色，根据颜色的深浅可判断右的颗粒，本身为红色，根据颜色的深浅可判断待测物的含量。该方法简便快速、成本低、实用待测物的含量。该方法简便快速、成本低、实用性强。性强。（2）利用纳米金颗粒间距离不同产生不同的颜）利用纳米金颗粒间距离不同产生不同的颜色色：纳米金本身呈红色，团聚后变为紫色或蓝色，：纳米金本身呈

3、红色，团聚后变为紫色或蓝色，且表面等离子体共振吸收峰也发生红移，利用这且表面等离子体共振吸收峰也发生红移，利用这种性质可检测蛋白质、核酸、离子、小分子等多种性质可检测蛋白质、核酸、离子、小分子等多种目标物质。种目标物质。 纳米材料的近红外光谱(NIR)(NIR) 电分析化学入门电分析化学入门 电化学生物传感器电化学生物传感器 电分析化学概述电分析化学概述 常用的电分析化学方法常用的电分析化学方法电分析化学电分析化学 电分析化学研究的内容电分析化学研究的内容 1. 1. 什么是电分析化学什么是电分析化学 应用电化学的基本原理和实验技术，依据物质电化学性质来测应用电化学的基本原理和实验技术，依据物

4、质电化学性质来测定物质组成及含量的分析方法称为电化学分析或电分析化学。定物质组成及含量的分析方法称为电化学分析或电分析化学。 电分析化学概述电分析化学概述2 2. . 电化学分析法的特点电化学分析法的特点（1 1）灵敏度、准确度高，选择性好）灵敏度、准确度高，选择性好 被测物质的最低量可以达到被测物质的最低量可以达到1010-1-15 5 molL molL-1-1数量级。数量级。2 2. . 电化学分析法的特点电化学分析法的特点（3 3）应用广泛）应用广泛 传统电化学分析：无机离子的分析。传统电化学分析：无机离子的分析。 测定有机化合物也日益广泛：测定有机化合物也日益广泛： 有机电化学分析、

5、药物分析。有机电化学分析、药物分析。 电化学分析在药物分析中也有较多应用。电化学分析在药物分析中也有较多应用。 活体分析。活体分析。（2 2）电化学仪器装置较为简单，操作方便）电化学仪器装置较为简单，操作方便 直接得到电信号，易传递，尤其适合于化工生产中的自直接得到电信号，易传递，尤其适合于化工生产中的自动控制和在线分析。动控制和在线分析。1.1 水的电解实验问题：1. 电解时一般选用碳电极，那么碳电极与导线联接时需要注意什么？铜线、焊线等不能裸露2.一般电解水时要在水中加硫酸或氢氧化钠为什么？ 电分析化学入门电分析化学入门电化学入门作用：提高水的电导率硫酸、氢氧化钠-支持电解质问题3：如何测

6、定分解电压？电流-电压曲线02468101214160123电压（V）电流（mA）用调压器调节恒电压电源或电流电源的流出，慢慢地增加两极间的电压，观察电流的变化。1.2 双电极和三电极体系问：水的电解实验中，测定了阳极与阴极间的电压-电流曲线，知道氢和氧可分别在阴极和阳极产生，那么各电极又是在怎样的电压下进行反应的呢？二电极体系，难以测定电极电位。三电极体系参比电极：测量阴阳极反应电极电位的一个基准电极三电极体系问：辅助电极（对电极）的作用是什么？答：当研究电极与参比电极之间设定在某一电位时，电流随设定电位以及电解液浓度而变化。辅助电极的作用是和研究电极组成一个让电流畅通的回路。注：在三电极体

7、系中，为了能够在测定研究电极和参比电极之间电压的同时，又能任意调节研究电极的电位，不能使用恒电压电源，一般用具有自动调节功能的恒电位仪（potentiostat)。1.3 基础电化学过程氧化还原电位体系/Fe(CN)例：Fe(CN)4636铂电极和参比电极，用内阻足够大的电位计（电流为零）测定铂电极对参比电极的电位。氧化还原电位的测定氧化还原电位的测定氧化还原电位氧化还原平衡铂电极只起传递电子的载体的作用。铂电极电位的大小由以上的氧化还原平衡决定，这种平衡状态下的电极电位-氧化还原电位（redox potential)常用的电化学仪器瑞士万通公司瑞士万通公司PGSTAT30德国德国Im6ex电

8、化学工作站电化学工作站CHI 760d电化学工作站电化学工作站电分析化学研究什么？电分析化学研究什么？研究对象：反应物和产物研究对象：反应物和产物反应场所：电极表面及固液界面区反应场所：电极表面及固液界面区过程：氧化，还原过程：氧化，还原, ,电迁移电迁移, ,扩散扩散, ,对流对流降低复杂性：单电极上反应降低复杂性：单电极上反应可控制反应：电极电势可控制反应：电极电势/ /电流电流可测量：电势可测量：电势/ /电流电流/ /浓度浓度/ /时间时间/./.可分析：各变量间的关系可分析：各变量间的关系 结论结论/ /规律规律（1 1）如何研究？）如何研究？ 电分析化学研究的内容电分析化学研究的内

9、容步骤构成：步骤构成：(1)(1)反应物粒子从溶液向电极表面移动传质步骤，如扩散，反应物粒子从溶液向电极表面移动传质步骤，如扩散，强制搅拌，超声搅拌等，强制搅拌，超声搅拌等，(2)(2)可能可能的化学反应前置步骤，如化学反应，吸附等的化学反应前置步骤，如化学反应，吸附等（2 2）电极上反应）电极上反应(3)(3)在电极表面得失电子电化学步骤，在电极表面得失电子电化学步骤，(4)(4)可能的化学反应后置步骤，如脱附，化学反应等，可能的化学反应后置步骤，如脱附，化学反应等，(5)(5)产物粒子离开电极表面向溶液移动，或生成新相如气体或沉产物粒子离开电极表面向溶液移动，或生成新相如气体或沉积固体。积

10、固体。 电子线路：控制测量电势电子线路：控制测量电势/ /电流电流/ /浓度浓度/ /时间时间/./.计算机：分析数据，获取各变量间的关系计算机：分析数据，获取各变量间的关系 结论结论/ /规律规律（3 3）测量分析）测量分析实验控制测量实验控制测量 获得变量关系获得变量关系 分析动力学，热力学，速度常数，平衡常数，反应历分析动力学，热力学，速度常数，平衡常数，反应历程，控制步骤。程，控制步骤。（4 4）目标）目标多种物种粒子多种物种粒子多种串接或并发的反应多种串接或并发的反应复杂的反应环境：异相反应复杂的反应环境：异相反应( (材料，表面积，活性中材料，表面积，活性中心，吸附，界面电场心，吸

11、附，界面电场) )，影响因素：化学作用和电场作用影响因素：化学作用和电场作用（5 5）复杂特点）复杂特点 常用的电分析化学方法常用的电分析化学方法 电化学阻抗法电化学阻抗法 极谱分析法极谱分析法 溶出溶出 伏安分析法伏安分析法 脉冲伏安法脉冲伏安法 循环伏安法循环伏安法 计时安培法计时安培法 伏安分析法：伏安分析法：以测定电解过程中的电流以测定电解过程中的电流- -电压电压曲线为基础的电化学分析方法；曲线为基础的电化学分析方法； 极谱法极谱法( (polarography)polarography)：采用滴汞电极的伏安分析法。采用滴汞电极的伏安分析法。1.1.极谱分析基本原理与过程极谱分析基本

12、原理与过程 极谱分析：极谱分析：在特殊条件下进行的电解分析。在特殊条件下进行的电解分析。 特殊性：特殊性：使用了一支极化电极和另一支去极化使用了一支极化电极和另一支去极化电极作为工作电极；电极作为工作电极； 在溶液静止的情况下进行的非完全的电解过程。在溶液静止的情况下进行的非完全的电解过程。 极谱分析法极谱分析法极谱图极谱图 （以测定（以测定 Pb2+为例）为例） 1 1取试液（含铅离子取试液（含铅离子1010-2 -21010-5 -5mol/Lmol/L，极谱分析的测定范围如此）于极谱，极谱分析的测定范围如此）于极谱分析的电解池中，加入大量的分析的电解池中，加入大量的KClKCl作支持电解

13、质（约作支持电解质（约1 mol/L1 mol/L），再滴入少），再滴入少量动物胶；量动物胶； 2 2向试液中通入氮气或氢气数分钟，以除去试液中的氧气；向试液中通入氮气或氢气数分钟，以除去试液中的氧气； 3 3以滴汞电极为阴极、饱和甘汞电极为阳极，在电解液保持静止的状态以滴汞电极为阴极、饱和甘汞电极为阳极，在电解液保持静止的状态下进行电解；电解时，外加电压从小到大逐渐增大，并同时记下不同电压下进行电解；电解时，外加电压从小到大逐渐增大，并同时记下不同电压时相应的电解电流值；时相应的电解电流值； 4 4以所测得的电流（用以所测得的电流（用I I表示）为纵坐标，电压（用表示）为纵坐标，电压（用V

14、V表示）为横坐标作表示）为横坐标作图，得到图，得到I IV V曲线，此曲线叫做极谱波或叫极谱图。最后利用此图就可求曲线，此曲线叫做极谱波或叫极谱图。最后利用此图就可求出溶液中的铅的浓度。出溶液中的铅的浓度。电压由电压由 0 V0 V逐渐增加到逐渐增加到-1.2 V-1.2 V左右，绘制电流左右，绘制电流- -电压曲线。电压曲线。图中图中段，仅有微小的电流流过，这时的电流称为段，仅有微小的电流流过，这时的电流称为“残余电流残余电流”或背景或背景电流。当外加电压到达电流。当外加电压到达PbPb2+2+的析出电位时，的析出电位时，PbPb2+2+开始在滴汞电极上迅速反应。开始在滴汞电极上迅速反应。继

15、续增加电压，滴汞电极表面的继续增加电压，滴汞电极表面的PbPb2+2+ 迅速获得电子而还原，电解电迅速获得电子而还原，电解电流急剧增加。流急剧增加。由于由于溶液本体静止溶液本体静止，而电极附近的而电极附近的PbPb2+2+在电极表面迅速在电极表面迅速反应，此时产生反应，此时产生浓度梯度浓度梯度 （厚度约（厚度约0.050.05mmmm的扩散层），也就是的扩散层），也就是滴汞电滴汞电极表面产生极表面产生 “ “浓差极化浓差极化”，i = k(C-i = k(C-C Cs s)/ )/ 。外加电压继续增加，外加电压继续增加，C Cs s 趋近于趋近于0 0，(C-C(C-Cs s) )趋近于趋近于

16、C C 时，这时时，这时电流的大小完全受溶液浓度电流的大小完全受溶液浓度C C来控制来控制极限电流极限电流i id d， 注意：式中极限电流注意：式中极限电流 i id d 包括残余电流包括残余电流 i iR R ( (不由扩散产生），故极限电流减去不由扩散产生），故极限电流减去残余电流即为极限扩散电流。当电流残余电流即为极限扩散电流。当电流等于极限扩散电流的一半时所对应的等于极限扩散电流的一半时所对应的电位称之为半波电位电位称之为半波电位( (E E1/21/2) )，由于不同，由于不同物质其半波电位不同，因此物质其半波电位不同，因此半波电位半波电位可作为极谱定性分析的依据。可作为极谱定性分

17、析的依据。Kcid 平衡时，电解电流仅受扩散运动控制，形成极限扩散电流 id （极谱定量分析的基础）。极谱曲线形成条件极谱曲线形成条件 (1) 待测物质的浓度要小，快速形成浓度梯度。 (2) 溶液保持静止，使扩散层厚度稳定，待测物质仅依靠扩散到达电极表面。 (3) 电解液中含有较大量的惰性电解质，使待测离子在电场作用力下的迁移运动降至最小。 (4) 使用两支不同性能的电极。极化电极的电位随外加电压变化而变，保证在电极表面形成浓差极化。扩散电流理论扩散电流理论(1) 扩散电流方程 设其为平面的扩散过程。 费克扩散定律：单位时间内通过单位平面的扩散物质的量与浓差梯度成正比：A:电极面积;D 扩散系

18、数。(id)t 电解开始后t 时,扩散电流的大小。) 1 (ddXcDtANf根据法拉第电解定律：)(XcnFADnFAfitXtXtd2)()(0,0, 在扩散场中，浓度的分布是时间t 和距电极表面距离X 的函数： c = (t, X )3()(t0,XtDcXc(3)代入(2)，得：(4)(dtDcnFADit 将(6)代入(5)，得： (id)t=708nD1/2m2/3t 1/6c (7) 由于汞滴呈周期性增长，使其有效扩散层厚度减小，为线性扩散层厚度的 。 滴汞周期内，扩散电流的平均值：(5)73)(d/tDcnFADit 考虑滴汞电极的汞滴面积是时间的函数，t 时汞滴面积： At=

19、8.4910-3m2/3t 2/3 (cm2) (6)(8)d)(1)(0平均dtiitd (id)平均=708nD1/2m2/3 t 1/6c讨论： （1） n，D 取决于被测物质的特性 将708nD1/2定义为扩散电流常数，用 表示。越大，测定越灵敏。 （2） m，t 取决于毛细管特性 m2/3 t 1/6定义为毛细管特性常数，用 表示。则(id)平均 每滴汞上的平均电流(A)；n 电极反应中转移的电子数；D 扩散系数； t 滴汞周期(s)；c 待测物原始浓度(mmolL-1)；m 汞流速度（mg s -1 ）。扩散电流方程：(id)平均 = c = K c (2)(2)影响扩散电流的因素

20、影响扩散电流的因素溶液搅动的影响 扩散电流常数 = 708nD1/2 = id /（ Kc ） （n和D取决于待测物质的性质） 应与滴汞周期无关，但与实际情况不符。 原因：汞滴滴落使溶液产生搅动。 加入动物胶（0.005%），可以使滴汞周期降低至1.5s。被测物浓度影响 被测物浓度较大时，汞滴上析出的金属多，改变汞滴表面性质，对扩散电流产生影响。故极谱法适用于测量低浓度试样。温度影响 温度系数 +0.013/ C，温度控制在0.5 C 范围内，温度引起的相对误差小于1%。3 3. . 干扰电流与抑制干扰电流与抑制(1)残余电流 微量杂质等所产生的微弱电流 产生的原因：溶剂及试剂中的微量杂质及微

21、量氧等。 消除方法：可通过试剂提纯、预电解、除氧等。 充电电流（也称电容电流） 影响极谱分析灵敏度的主要因素。 产生的原因：分析过程中由于汞滴不停滴下，汞滴表面积在不断变化，因此充电电流总是存在，较难消除。 充电电流约为10-7 A的数量级，相当于10-510-6molL-1 被测物质产生的扩散电流。(2) (2) 迁移电流迁移电流产生的原因： 由于带电荷的被测离子（或带极性的分子）在静电场力的作用下运动到电极表面所形成的电流。消除方法： 加入强电解质。 加入强电解质后，被测离子所受到的电场力减小。(3)(3)极谱极大极谱极大 在极谱分析过程中产生的一种特殊现象，即在极谱波刚出现时，扩散电流随

22、着滴汞电极电位的降低而迅速增大到一极大值，然后下降稳定在正常的极限扩散电流值上。这种突出的电流峰之为“极谱极大”。产生的原因：溪流运动。消除方法：加骨胶。4.氧波、氢波、前波氧波、氢波、前波等产生干扰。1. 1. 基本原理基本原理 循环伏安法的基本原理与单扫循环伏安法的基本原理与单扫描极谱法相似。描极谱法相似。 单扫描极谱法：单扫描极谱法：锯齿波。锯齿波。 循环伏安法：循环伏安法：扫描电压增加至某一数值后，再逐渐降低反向扫描扫描电压增加至某一数值后，再逐渐降低反向扫描至起始值，形成一个等腰三角形。至起始值，形成一个等腰三角形。 极化曲线上部为物质氧化态还原产生的极化曲线上部为物质氧化态还原产生

23、的i- i- 曲线，下部为还原态曲线，下部为还原态又重新氧化生成的又重新氧化生成的i- i- 曲线。曲线。 若电极反应是可逆的，则在一次扫描中，完成了还原、氧化两个若电极反应是可逆的，则在一次扫描中，完成了还原、氧化两个过程的循环而又回到始态，故称为循环伏安法。过程的循环而又回到始态，故称为循环伏安法。 循环伏安法循环伏安法对于可逆电极对于可逆电极反应：反应：2525，两峰电位之差为：，两峰电位之差为： 1pcpaiimV)(56pcpapn 2. 2. 应用应用 研究电极反应的性质、机理；研究电极反应的性质、机理； 测定电极过程动力学参数；测定电极过程动力学参数； 研究电化学研究电化学- -

24、化学偶联反应过程化学偶联反应过程( (电极反应过程中电极反应过程中伴随有化学反应伴随有化学反应) )； 研究化合物的电化学性质等；研究化合物的电化学性质等； 较少应用在成分分析中。较少应用在成分分析中。(1) (1) 判断体系的不可逆程度判断体系的不可逆程度 利用循环伏安过程中所获得的参数可以判断体系的利用循环伏安过程中所获得的参数可以判断体系的不可逆程度。如果：不可逆程度。如果： 1pcpaiimV)(56pn 即两峰电流之比越小，峰电位差越大，体系的不可逆程即两峰电流之比越小，峰电位差越大，体系的不可逆程度越大。度越大。 (2)(2)研究电化学研究电化学- -化学偶联反应过程化学偶联反应过

25、程 两步串联反应的循环伏安曲线的形成过程，如两步串联反应的循环伏安曲线的形成过程，如Cu(II)Cu(II) Cu(I) Cu(I) Cu(0) Cu(0)。 开始时，溶液中只有氧化态开始时，溶液中只有氧化态的的A A存在，扫描开始后，存在，扫描开始后，A A还原还原产生产生B B，B B又被继续还原生成又被继续还原生成C C。反相扫描时，反相扫描时，C C氧化成氧化成B B，B B继续继续氧化又生成氧化又生成A A。 对氨基苯酚的循环伏安曲线对氨基苯酚的循环伏安曲线 阳极峰阳极峰1 1：对亚氨基苯醌对亚氨基苯醌阴极峰阴极峰2 2：对亚氨基苯醌还原生成的：对亚氨基苯醌还原生成的原物质（对原物质

26、（对- -氨基苯酚）氨基苯酚）阴极峰阴极峰3 3：苯醌还原生成的对苯二酚苯醌还原生成的对苯二酚阳极峰阳极峰4 4：苯醌苯醌 它是电解富集与伏安分析相结合的一种极谱它是电解富集与伏安分析相结合的一种极谱分析技术。分析技术。1. 1. 基本原理与过程基本原理与过程（1 1）被测物质在适当电压下恒电位电解，还原）被测物质在适当电压下恒电位电解，还原沉积在阴极上。沉积在阴极上。（2 2）施加反向电压，使还原沉积在阴极）施加反向电压，使还原沉积在阴极( (此时变此时变阳极阳极) )上的金属离子氧化溶解，形成较大的峰电上的金属离子氧化溶解，形成较大的峰电流。流。（3 3） 峰电流与被测物质浓度成正比，定量

27、依据。峰电流与被测物质浓度成正比，定量依据。（4 4）信号呈峰形，便于测量，可同时测量多种）信号呈峰形，便于测量，可同时测量多种金属离子。金属离子。 溶出伏安分析法溶出伏安分析法Cu2+ ，Pb2+ ，Cd2+ 的溶出伏安图2 2. . 影响溶出峰电流的因素影响溶出峰电流的因素 化学计量：被测物完全电积在阴极上。化学计量：被测物完全电积在阴极上。 精确性好，时间长。精确性好，时间长。 非化学计量非化学计量( (常用方法常用方法) )： 约约 2% 2%3%3%电积在阴极上。电积在阴极上。 在搅拌下，电解富集一定时间。在搅拌下，电解富集一定时间。 （2 2）溶出过程）溶出过程 扫描电压变化速率保

28、持恒定。扫描电压变化速率保持恒定。（1 1） 富集过程富集过程3. 3. 操作条件的选择操作条件的选择（1 1）底液）底液 一定浓度的电解质溶液一定浓度的电解质溶液( (盐浓度增加，峰电流降低盐浓度增加，峰电流降低) )。（2 2）预电解电位）预电解电位 比半波电位负比半波电位负0.20.20.5 0.5 V V；或实验确定。或实验确定。 （3 3） 预电解时间预电解时间 预电解时间长可增加灵敏度预电解时间长可增加灵敏度, , 但线性关系差。但线性关系差。 （4 4） 除氧除氧 通通N N2 2或加入或加入NaNa2 2SOSO3 3 。（5 5）电极）电极汞膜电极：汞膜电极：银电极或玻碳电极

29、上镀上一薄层汞，汞膜很银电极或玻碳电极上镀上一薄层汞，汞膜很薄，沉积的金属浓度高，扩散出来的速率快，用汞膜电薄，沉积的金属浓度高，扩散出来的速率快，用汞膜电极要比使用悬汞电极时的灵敏度高极要比使用悬汞电极时的灵敏度高 1 12 2个数量级。个数量级。玻碳电极：玻碳电极： 用一种用一种玻璃态石墨制玻璃态石墨制成的电极。成的电极。悬汞电极：见悬汞电极：见右图右图4. 4. 溶出伏安分析法的应用溶出伏安分析法的应用（1 1）定量方法）定量方法 测量峰高测量峰高: :xxxxxxVVVcVcKhcKh SSSSxxxxxVhhVVVchKc SSSSS)( 标准曲线法标准曲线法: :略略 标准加入法标

30、准加入法: :（2 2） 应用应用金属元素测定金属元素测定 不需分离可同时测定各种金属离子不需分离可同时测定各种金属离子， 可测定约可测定约3030多种元素。多种元素。检出限检出限 10 10-8-81010-9-9 molLmolL-1-1 。应用领域应用领域 化学、化工；食品卫生；化学、化工；食品卫生； 金属腐蚀；环境检测；金属腐蚀；环境检测； 超纯半导体材料。超纯半导体材料。 脉冲伏安法脉冲伏安法 计时安培法计时安培法是一种比较特殊的电位阶跃技术，在恒电位情况下，是一种比较特殊的电位阶跃技术，在恒电位情况下，记录电流随时间变化的方法。记录电流随时间变化的方法。 交流阻抗谱（交流阻抗谱（E

31、ISEIS）是一种常用的电化学测试方法是一种常用的电化学测试方法, , 该方该方法具有法具有频率范围广、对体系扰动小频率范围广、对体系扰动小的特点的特点, , 是研究电极过程是研究电极过程动力学、电极表面现象、金属腐蚀和耐腐蚀机理与性能、生动力学、电极表面现象、金属腐蚀和耐腐蚀机理与性能、生物膜以及导电材料性能评价的重要工具。物膜以及导电材料性能评价的重要工具。 电解池是一个相当复杂的体系其中进行着电量的转移、电解池是一个相当复杂的体系其中进行着电量的转移、化学变化和组分浓度的变化等。这种体系显然不同于出简单的化学变化和组分浓度的变化等。这种体系显然不同于出简单的电学元件，如电阻、电容等组成的

32、电路。当电学元件，如电阻、电容等组成的电路。当个电极系统的电个电极系统的电势变化时，流过电极系统的电流也相应地变化。这种电流来自势变化时，流过电极系统的电流也相应地变化。这种电流来自两个部分：两个部分：一部分来自电极反应的电流按照电极反应动力学的一部分来自电极反应的电流按照电极反应动力学的规律随电势的变化而变化规律随电势的变化而变化，另一部分的电流变化则来自电势改另一部分的电流变化则来自电势改变时双电层两侧电荷密度发生变化而引起的变时双电层两侧电荷密度发生变化而引起的“充电充电”电流电流。由。由于后一部分不是直接由电极反应引起的，叫非法拉第电流，于后一部分不是直接由电极反应引起的，叫非法拉第电

33、流，而而直接用于电极反应的电流，叫法拉第电流直接用于电极反应的电流，叫法拉第电流。相应于法拉第电流。相应于法拉第电流的阻抗叫法拉第阻抗的阻抗叫法拉第阻抗Z ZF F。 交流阻抗法交流阻抗法2022-7-42022-7-41. 1. 电化学生物传感概述电化学生物传感概述2. 2. 酶传感器酶传感器3. 3. 免疫传感器免疫传感器4. 4. DNADNA传感器传感器 电化学生物传感器电化学生物传感器 电化学生物传感器是一种将电化学检测技术与生物分析技术相结合的新电化学生物传感器是一种将电化学检测技术与生物分析技术相结合的新的传感器装置。的传感器装置。 它除了和其他生物传感器一样具备高特异性，高灵敏

34、度的优点它除了和其他生物传感器一样具备高特异性，高灵敏度的优点外，还因用于电化学检测的装置通常比较轻便简单，易于实现微型化和集成化，外，还因用于电化学检测的装置通常比较轻便简单，易于实现微型化和集成化，从而可以实现对大量样本的在线快速同时分析。因此，近年来，电化学生物传从而可以实现对大量样本的在线快速同时分析。因此，近年来，电化学生物传感器的研究引起了越来越多研究者的兴趣，它开辟了分子生物学与电化学的研感器的研究引起了越来越多研究者的兴趣，它开辟了分子生物学与电化学的研究新领域，为生命科学研究提供了一种新技术、新方法，它己成为生物电化学究新领域，为生命科学研究提供了一种新技术、新方法，它己成为

35、生物电化学的一个非常有生命力的科学前沿。的一个非常有生命力的科学前沿。电化学生物传感器的基本结构电化学生物传感器的基本结构1. 1. 电化学生物传感概述电化学生物传感概述 电化学生物传感器包括：电化学生物传感器包括：酶传感器、免疫传感器、酶传感器、免疫传感器、 DNADNA传感器、传感器、组织传感器、细胞器传感器和微生物传感器。组织传感器、细胞器传感器和微生物传感器。 电化学生物传感器的分类电化学生物传感器的分类2. 2. 酶生物传感器酶生物传感器酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜酶电极电化学电极顶端紧贴一层酶膜酶的固定化技术 惰性载体惰性载体物理吸附法物理吸附法 离子载体离子载体交换法交换法

36、活化载体活化载体共价结合法共价结合法 物理包埋法物理包埋法物理吸附法酶分子通过极性键、氢键、疏水力或电子相互作用等吸 附于不溶性载体上。常用的载体有：多孔玻璃、活性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯、葡聚糖、琼脂精、聚氯乙烯、聚苯乙烯已用此法固定化的酶如： 脂肪酶、D葡萄糖苷酶、过氧化物酶等 交换法 选用具有离子交换剂的载体，在适宜的pH下，使酶分子与离子交换剂通过离子键结合起来，形成固定化酶。 常用的带有离子交换剂的载体如下： DEAE一纤维素、TEAE一纤维素、 AE纤维素、CM纤维素、 DEAE一葡萄糖、肌酸激酶共价结合法a .重氮 b.迭氮 c.卤化氰 d.缩合e.烷基化法 物理包埋法 将酶

37、分子包埋在凝胶的细微格子里制成固定化。 常用的凝胶有：聚丙烯酸胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、海藻酸钙、硅树脂 用凝胶包埋法制备的固定化酶如：木瓜蛋白酶、纤维素酶、乳酸脱氢酶酶电极的发展主要经历三个阶段：第一代电极基体电极酶O2底物产物H2O2H2OO2第二代电极基体电极酶MOX底物产物MRED 第三代电极基体电极酶底物产物酶的活性中心和电极表面直接进行电子转移 Fernando Patolsky, Yossi Weizmann, and Itamar Willner. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 2113 21173. 电化学免疫传感器电化学免疫传感器 是一种将

38、电化学分析方法与免疫学技术相结合而发展出来的具有快速、灵敏、选择性高、操作简便等特点的生物传感器。 根据2001年的对生物传感器分类标准,电化学免疫传感器是基于抗原 抗体反应的,可进行特异性的定量或半定量分析的自给式的集成器件,其中抗原/抗体是分子识别元件,且与电化学传感元件直接接触,并通过传感元件把某种或者某类化学物质浓度信号转变为相应的电信号。 根据检测信号的不同,电化学免疫传感器可分为电位型、电流型、电导型和电容型。 电位型免疫传感器 (1)直接型电位免疫传感器 原理 利用抗原或抗体在水溶液中两性解离本身带电的特性,将其中一种固定在电极表面或膜上,当另一种与之结合形成抗原抗体复合物时,原

39、有的膜电荷密度将发生改变,从而引起膜的Donnan 电位和离子迁移的变化,最终导致膜电位改变。参比电极抗原结合抗体的膜(2) 酶标记电位型免疫传感器 将免疫化学的专一性和酶化学的灵敏性融为一体,对低含量物质的检测。 标记酶:辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、碱性磷酸酶和脲酶。 最后均可归结为是对NADH、苯酚、O2 、H2O2 、NH3及新近开发的电活性物质的检出。 电流型免疫传感器 在恒定电压的情况下监测由于抗原抗体结合或继后反应中电流的变化 (1)非酶标记电流型免疫传感器标记的电活性物质： 铁氰化钾、二茂铬铁、Pb2+、Zn2+ 等主要是根据抗原和标记抗原对定量抗体进行竞争结合，而标记抗原与抗体结合后氧化或还原电流减少。 （2）酶标记电流型免疫传感器 原理：主要是竞争法和夹心法 前者是用酶标抗原与样品中的抗原竞争结合电极上的抗体，催化氧化还原反应，产生电活性物质而引起电流变化，从而可测得样品中抗原浓度。 后者则是在样品中的抗原与电极上的抗体结合后，再加酶标抗体与样品中的抗原结合，形成夹心结构，从而催化氧化还原反应产生电流值变化。电流型酶标记免疫传感器的工作原理 第一代酶标记电流型免疫传感器以非电活性物质如O2作为氧化还原的电