武汉大学分析化学电分析化学新方法省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第第17章章 电分析化学新方电分析化学新方法法 伴随电分析化学发展，不停出现一些新方法和伴随电分析化学发展，不停出现一些新方法和技术，如化学修饰电极、电化学生物传感器、微电技术，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，电分析化学方法与极、纳米电分析化学等。同时，电分析化学方法与其它测试技术相结合，又发展了光谱其它测试技术相结合，又发展了光谱-电化学、色谱电化学、色谱-电化学等联用检测方法。电化学等联用检测方法。本章就这方面内容作一简明介绍。本章就这方面内容作一简明介绍。http:/ 第第1页页 17.1.化学修饰电极化学修饰电极所谓化学修饰电极是将化学修饰剂（单分子、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，经过多分子、离子或聚合物等）固定在电极表面，经过电子传递反应而使其展现出一些电化学性质一类电电子传递反应而使其展现出一些电化学性质一类电极。极。17.1.1.17.1.1.化学修饰电极类型化学修饰电极类型化学修饰电极按照修饰方法不一样，它能够分化学修饰电极按照修饰方法不一样，它能够分为吸附、共价键合、聚合物和复合型等几个主要类为吸附、共价键合、聚合物和复合型等几个主要类型。型。第第2页页 17.1.1.化学修饰电极类型化学修饰电极类型1.1.吸附型吸附型 (1).(1).静电吸附，即带电荷离子型修饰剂在电极静电吸附，即带电荷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。附在热力学上是不可逆。(2).(2).基于修饰剂分子上基于修饰剂分子上 电子与电极表面发生交电子与电极表面发生交叠、共享吸附。如，含苯环分子在电极上强烈吸附；叠、共享吸附。如，含苯环分子在电极上强烈吸附；醇类、胺类、酮类及羧酸类化合物疏水吸附等。醇类、胺类、酮类及羧酸类化合物疏水吸附等。(3).(3).分子自组装，即分子经过化学键相互作用分子自组装，即分子经过化学键相互作用在电极表面自然地形成高度有序单分子层薄膜。在电极表面自然地形成高度有序单分子层薄膜。第第3页页 17.1.1.化学修饰电极类型化学修饰电极类型2.2.共价键合型共价键合型 电极预处理（如研磨、氧化还原等）后其表面电极预处理（如研磨、氧化还原等）后其表面含有许多可供键合基团，如羟基、羧基等含氧基团，含有许多可供键合基团，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共氨基，卤基等，利用这些基团与化学修饰剂之间共价键合反应，在电极表面修饰上一层化合物，这么价键合反应，在电极表面修饰上一层化合物，这么取得电极称为共价键合型修饰电极。取得电极称为共价键合型修饰电极。第第4页页 17.1.1.化学修饰电极类型化学修饰电极类型3.3.聚合物型聚合物型 利用聚合物或聚合反应在电极表面形成修饰膜利用聚合物或聚合反应在电极表面形成修饰膜电极称为聚合物型修饰电极。电极称为聚合物型修饰电极。(1).(1).滴涂、旋转涂覆及溶剂挥发法滴涂、旋转涂覆及溶剂挥发法 (2).(2).电化学沉积或氧化还原沉积法电化学沉积或氧化还原沉积法 (3).(3).电化学聚合电化学聚合4.4.复合型复合型 所谓复合型化学修饰电极是将两种或两种以上材所谓复合型化学修饰电极是将两种或两种以上材料，如粉末状电极基体材料与修饰剂，按一定百分料，如粉末状电极基体材料与修饰剂，按一定百分比混合后压制成电极。比混合后压制成电极。第第5页页 17.1.2.化学修饰电极功效化学修饰电极功效 电极经过修饰以后，其表面含有了一些新功效，电极经过修饰以后，其表面含有了一些新功效，它对于提升电极灵敏度和选择性、改进电极稳定性它对于提升电极灵敏度和选择性、改进电极稳定性和重现性以及开展表面电化学研究都是有利：和重现性以及开展表面电化学研究都是有利：1.1.富集作用富集作用 2.2.化学转化化学转化 3.3.电催化电催化 4.4.渗透性渗透性 第第6页页17.1.3.化学修饰电极表面传质与电子传递过程化学修饰电极表面传质与电子传递过程第第7页页17.1.4.化学修饰电极应用化学修饰电极应用 化学修饰电极在化学与生物分析中应用非常广泛。化学修饰电极在化学与生物分析中应用非常广泛。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测定。泛地用于无机离子及有机化合物测定。在环境分析中惯用于重金属离子及各种污染物检在环境分析中惯用于重金属离子及各种污染物检测，它不但能同时测定各种离子，而且含有很高灵敏测，它不但能同时测定各种离子，而且含有很高灵敏度。在食品分析中，可用于各种防腐剂、添加剂及亚度。在食品分析中，可用于各种防腐剂、添加剂及亚硝盐等物质检测等。在生物分析方面，化学修饰电极硝盐等物质检测等。在生物分析方面，化学修饰电极不但直接用于各种生物物质如蛋白质、不但直接用于各种生物物质如蛋白质、DNA、神经递、神经递质以及代谢调控分子检测，而且能够构建各类生物电质以及代谢调控分子检测，而且能够构建各类生物电化学传感器。化学传感器。第第8页页17.2.生物电化学传感器生物电化学传感器 生物电化学传感器是一个将生物化学反应能转换生物电化学传感器是一个将生物化学反应能转换为电信号装置。通常将生物成份，如酶、抗原为电信号装置。通常将生物成份，如酶、抗原/抗体、抗体、植物或动物组织等连接到电极表面，起到生物分子识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作用。别或生物化学受体作用。17.2.1.酶传感器酶传感器 依据检测信号不一样，酶传感器有电位与电流型依据检测信号不一样，酶传感器有电位与电流型之分，前者是以之分，前者是以Nernst方程作为定量基础，后者则是方程作为定量基础，后者则是基于伏安或电流检测技术，当前电流型酶电极是发展基于伏安或电流检测技术，当前电流型酶电极是发展主流。考虑到第主流。考虑到第14章已介绍过电位型酶传感器，这里章已介绍过电位型酶传感器，这里仅讨论电流型酶传感器。仅讨论电流型酶传感器。第第9页页17.2.1.1.以氧作为电子受体酶传感器以氧作为电子受体酶传感器 由一个称为由一个称为Clark型氧电极来制备，用透气膜将酶型氧电极来制备，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（糖氧化酶（glucose oxidase，GOD），该传感器对），该传感器对葡萄糖含有选择性响应，其检测原理为：葡萄糖含有选择性响应，其检测原理为：第第10页页17.2.1.2.介体型酶传感器介体型酶传感器 所谓介体是一个含有良好电化学活性相对分子质量小化合所谓介体是一个含有良好电化学活性相对分子质量小化合物，它担负从酶氧化还原中心到电极表面传递电子作用。在催物，它担负从酶氧化还原中心到电极表面传递电子作用。在催化还原过程中，介体首先与还原性酶反应，然后扩散到电极表化还原过程中，介体首先与还原性酶反应，然后扩散到电极表面并进行快速电子交换。面并进行快速电子交换。介体选择非常主要，它需满足几个条件：介体选择非常主要，它需满足几个条件：(1).能够快速地与还原性酶反应；能够快速地与还原性酶反应；(2).含有可逆异相反应动力学行为；含有可逆异相反应动力学行为；(3).生成氧化型介体过电位低而且与生成氧化型介体过电位低而且与pH无关；无关；(4).它氧化或还原形态都是稳定；它氧化或还原形态都是稳定；(5).还原型介体不与氧发生反应；还原型介体不与氧发生反应；(6).在应用中无毒化作用。在应用中无毒化作用。惯用介体有氧化还原染料，铁氰化物，二茂铁及其衍生物，导惯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。电有机盐类，醌及其衍生物等。第第11页页17.2.1.2.介体型酶传感器介体型酶传感器第第12页页17.2.1.3.直接电子传递型酶传感器直接电子传递型酶传感器对于下述生物催化反应：对于下述生物催化反应：产物产物 直接在电极上氧化：直接在电极上氧化：第第13页页17.2.2.电化学免疫传感器电化学免疫传感器 免疫法是利用抗体与抗原或半抗原之间高选择性免疫法是利用抗体与抗原或半抗原之间高选择性反应而建立起来分析方法，它含有很高选择性和低检反应而建立起来分析方法，它含有很高选择性和低检出限。出限。电化学免疫传感器是基于抗原与抗体反应而进行电化学免疫传感器是基于抗原与抗体反应而进行特异性定量或半定量分析集成器件，其中抗原和抗体特异性定量或半定量分析集成器件，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，并是分子识别单元，它们与电化学换能单元相连接，并经过换能器将被测物质浓度信息转变为对应电信号，经过换能器将被测物质浓度信息转变为对应电信号，能够应用于各种抗原、半抗原或抗体检测。能够应用于各种抗原、半抗原或抗体检测。电化学免疫传感器可分为电流型和电位型两种主电化学免疫传感器可分为电流型和电位型两种主要类型。要类型。第第14页页17.2.2.1.电流型免疫传感器电流型免疫传感器 电流型免疫传感器通常是利用标识物，比如酶，电流型免疫传感器通常是利用标识物，比如酶，将免疫反应信号放大以后，间接测定抗原或抗体。将免疫反应信号放大以后，间接测定抗原或抗体。第第15页页17.2.2.2.电位型免疫传感器电位型免疫传感器 电位型免疫传感器是依据免疫反应过程中某种离子电位改电位型免疫传感器是依据免疫反应过程中某种离子电位改变来实现抗原或抗体检测。变来实现抗原或抗体检测。比如，利用碘离子选择性电极作为基底电极可制备出测定比如，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传感器。乙型肝炎抗原传感器。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蛋白质膜上。择性电极表面蛋白质膜上。测定时，传感器插入含有乙型肝炎抗原溶液中，抗体与抗测定时，传感器插入含有乙型肝炎抗原溶液中，抗体与抗原结合，再用过氧化酶标识免疫球蛋白抗体处理，形成了抗体原结合，再用过氧化酶标识免疫球蛋白抗体处理，形成了抗体/抗原抗原/抗体夹心式结构。将此传感器插入过氧化氢和碘化物溶液抗体夹心式结构。将此传感器插入过氧化氢和碘化物溶液中，在过氧化酶标识免疫球蛋白催化作用下，过氧化氢在过氧中，在过氧化酶标识免疫球蛋白催化作用下，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碘离子浓度降低许与乙型肝炎抗原量呈正比，由性电极上測定碘离子浓度降低许与乙型肝炎抗原量呈正比，由此能够推算乙型肝炎抗原浓度。此能够推算乙型肝炎抗原浓度。第第16页页17.2.3.生物成份表面固定化方法生物成份表面固定化方法 酶电极制备都需要将生物成份固定在电极表面，酶电极制备都需要将生物成份固定在电极表面，所以有必要了解电极表面生物成份（酶、抗体、抗原所以有必要了解电极表面生物成份（酶、抗体、抗原等）固定方法，惯用方法有：等）固定方法，惯用方法有：1.夹心法夹心法 2.交联法交联法 3.包埋法包埋法 4.共价键正当共价键正当 5.吸附法吸附法 第第17页页17.3.微电极微电极 微电极是电分析化学一门新技术。微电极也称超微电极，通常是指其一维尺寸小于100m，或者小于扩散层厚度电极。特点，特点，1.电极表面液相传质速率加紧；2.微电极上经过电流很小；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，有利于降低充电电流干扰，提升灵敏度；4.微电极几乎是无损伤测试，能够应用于生物活体及单细胞分析。第第18页页17.3.1.微电极基本性质微电极基本性质1.轻易到达稳态电流2.微电极时间常数很小3适用高阻抗溶液体系第第19页页17.3.2.微电极应用微电极应用 微电极一维尺寸很小，所以电极形状各异，不但有盘、柱、针形，还有带形、交指状、阵列微电极（芯片）及粉末微电极等。制作微电极材料常有碳纤维、铂丝、石墨粉、金、铜、银等。经化学或生物成份修饰微电极，既可作化学传感器，又可作生物传感器。第第20页页17.4.纳米电分析化学纳米电分析化学 纳米电化学是电化学新出现一门技术，它是研究材料在纳米尺寸时所展现出电及电化学性质。纳米电分析化学是在纳米电化学基础上发展起来,它已建立起了一系列新分析方法。17.4.1.纳米微粒膜电极纳米微粒膜电极 纳米微粒膜电极是指将微粒嵌于薄膜中所制成薄膜电极。通常选取两种组分制成溶液，让其在电极表面自然干燥形成薄膜，改变膜材中组分或组分百分比，能够很方便地改变膜中微粒列阵、分布及形态，从而控制膜电极特征。第第21页页17.4.2.功效化纳米结构电极功效化纳米结构电极 纳米材料表面经化学、物理处理，可组装为功效化纳米结构电极。因为功效化分子千差万别，这类电极通常展现出千变万化结构和性质。以碳纳米管为例，在其表面修饰上一层Nafion(一个全氟化阳离子交换剂)溶液，制备出一个新型膜电极。因为Nafion分子上有磺酸基团，使得碳纳米管膜表面带负电，它会排斥荷负电物质而吸附带正电荷物质，所以可用于含多巴胺、抗坏血酸、尿酸生物样品中多巴胺测定。第第22页页17.4.3.纳米阵列电极纳米阵列电极 纳米阵列电极制备通常采取模板法，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，（）氧化铝模板扫描电镜图，（b）氧化铝模板剖面图，（）氧化铝模板剖面图，（c）纳米孔洞内沉积金，）纳米孔洞内沉积金，（d）纳米阵列电极）纳米阵列电极第第23页页17.4.4.应用应用 纳米电分析化学在化学与生物传感器制备以及低浓度分子检测方法上起着主要作用。在信息技术领域，科学家利用纳米技术使芯片体积更小、速度更加快。在疾病诊疗、疾病治疗等医学领域，纳米电化学传感器已经能够在试验室环境下实现对前列腺癌、直肠癌等各种癌症类型早期诊疗。比如，将人血液滴在用纳米材料做成传感器上，当传感器中预置某种癌细胞抗体碰到对应抗原时，传感器中氧化还原电流会发生改变，经过这种电流改变能够判断血液中癌细胞种类和浓度。第第24页页17.5.电分析化学联用技术电分析化学联用技术17.5.1.流动注射流动注射-电催化检测电催化检测 利用化学修饰电极电催化特征不但加紧了被测物反应速率，同时降低了被测物过电位，这么有利于降低共存物干扰和降低背景电流，这种电催化特征非常适合用于流动注射电化学检测。比如，聚甲苯胺蓝修饰电极反抗坏血酸含有良好催化作用，利用流动注射-化学修饰电极检测方法，灵敏度可提升数十倍。纳米PbO2修饰电极用作流动注射分析中安培检测器，可快速测定水体中化学需氧量，检出限可达20mgL-1。第第25页页17.5.2.光谱电化学光谱电化学 当一束光透过电极和溶液时候，依据溶液或电极表面物质吸收光谱改变，能够判断电极反应分子信息。第第26页页17.5.4.电化学石英晶体微天平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质量、电流和电量随电位改变情况，与Faraday定律相结合能够定量计算反应每一Faraday电量所引发电极表面物质质量改变，为判断电极反应机理提供了新信息。第第27页页第第28页页