薄层循环伏安法研究液/液界面上多步电子转移过程

摘要

液/液界面被认为是最简单的模拟生物膜的模型。由于它与许多重要的生物、化学体系,如药理学中的药物释放、模拟生物膜的研究密切相关。因此,这种非互溶界面在过去的几十年中得到了许多人广泛而深入的关注。电荷(电子或离子)在液/液界面上转移过程的热力学和动力学研究是液/液界面电化学研究的核心问题。研究液/液界面上电荷转移过程,建立合理完善的界面过程动力学理论,将更多的新技术、新方法引入界面电化学研究中,对于认识、理解许多生理过程和揭示生命过程的奥秘具有重要的价值和现实意义。生物分子间的多步电子传递反应是生物体发挥其生物功能的一类重要的化学反应过程,是生物体内能量传递的主要形式之一,对于整个生物界繁衍和发展都起着非常重要的作用。在自然界中,几乎每一个生命活动都包含着多步电子转移过程,例如光合作用,呼吸链上的电子传递的过程,自由基清除反应等。但是,到目前为止,只有很少的关于多步电子转移的报道。因此,对于多步电子转移过程的研究的是非常急需的。
　　薄层循环伏安法是Anson等于1998年提出来的一种研究液/液界面上电荷转移过程的新方法。该法除了具有简单、易操作等优点外,还可用于研究多步电子转移过程。因此,薄层循环伏安法的运用,对于扩展和普及电荷转移领域的研究具有重要的意义。
　　本论文共分为四部分,主要包括以下内容:
　　1.简要地回顾了液/液界面电化学的发展历史,介绍了液/液界面电化学的基本理论和基本研究方法。详述了薄层法的工作原理及其在界面电化学研究中的应用。
　　2.应用薄层法研究了以下体系在硝基苯(NB)/水(W)界面上的连续的两步电子转移过程:(1) ZnTPP(有机相)-亚铁氰化钾。实验结果表明:液/液界面多步电子转移过程也遵循Bulter-Volmer理论,即随着驱动力的增加,电子转移反应速率常数也不断增大。通过考察两相电活性物质的浓度比对电子转移的影响得到:随着水相电活性物质浓度的增加,电流不断升高,但当达到一定的浓度时,电流不再升高。这说明当水相电活性物质的浓度达到一定值时,电子转移反应主要受薄层中电活性物质的扩散控制。通过研究薄层厚度对电子转移反应的影响得出:随着薄层厚度的增加,响应电流不断降低,而且峰电流代替平台电流出现。这说明达到稳态时,界面上的电子转移反应仅受薄层中电活性物质扩散速率控制;当薄层厚度增加时,薄层中电活性物质的扩散速率降低,从而导致稳态条件遭到破坏,则会看到峰电流代替平台电流产生。
　　3.应用薄层法研究了含有不同取代基的ZnTPP在硝基苯(NB)/(W)水界面上的电子转移过程。我们通过实验发现不同取代基对多步电子转移过程存在不同的相对复杂的影响。即吸电子基团会使ZnTPP峰电位有一个明显的正移过程,而供电子基团则使峰负移。主要的原因是吸电子基团会使卟啉环上的电子云密度降低,轨道能量降低,使得峰电位正移,容易发生电子转移;而供电子基团使卟啉环上的电子云密度增加,轨道能量升高,使得峰电位负移,不易发生电子转移。
　　4.本章利用薄层循环伏安法对CoTPP(有机相)-亚铁氰化钾体系的多步电子转移动力学过程进行了研究。实验结果表明CoTPP在0.1-1.2V电压范围内会出现两对可逆循环伏安响应特征峰,这说明它发生了连续的氧化还原反应,分别对应的是 CoTPP2+/CoTPP+和CoTPP+/CoTPP,半波电位(E1/2)分别为824mV,503mV。通过薄层伏安法的理论计算得到了两步电子转移过程中的速率常数分别为0.066cm·s-1·M-1和0.080cm·s-1·M-1。随着界面驱动力的增大,反应速率常数也不断增加。这说明Bulter-Volmer理论也同样适用于多步电子转移过程。本实验的研究有助于全面认识维生素B12的电化学反应机理和其在模拟生物膜上电荷转移过程机理;对其在药理学中的药物释放,以及在生体内的作用机制的研究具有重要意义;从而为探究维生素B12在体内的化学作用机制提供了科学的依据和有效的方法。

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第一章 液/液界面电化学研究进展

1.1液/液界面电化学的发展

1.2液/液界面的结构及模型

1.3 液/液界面上的电子转移反应

1.4液/液界面电子转移反应的研究方法

1.5液/液界面电化学的发展前景

1.6 本论文的研究思路

参考文献

第二章 锌卟啉在模拟生物膜上的多步电子转移动力学过程

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 TLCV法研究不同取代基锌卟啉在NB/H2O上的多步电子转移动力学过程

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

参考文献

第四章 TLCV法研究CoTPP体系多步电子转移动力学过程

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢