新型化学修饰碳离子液体电极的构建及其在生化分析中的应用

摘要

化学修饰电极在分析化学中有着很广阔的应用前景，在无机物、有机物和生物以及其活性物质的测定、价态分析等诸多方面都发挥着很大的作用。碳离子液体电极是化学修饰电极中的一种，它是利用导电的离子液体代替传统的非导电的石蜡油等作为粘合剂而制备的一类新型电极。
　　电化学反应一般是在电极表面附近进行的，由于电极材料种类的限制，如何改善现有电极的表面性能，给电极赋予所期望的特性，已经成为电化学工作者研究的新课题。通过对碳离子液体电极进行修饰，可以改变电极表面的微结构。得到的化学修饰碳离子液体能对待测物进行有效地分离富集，进一步提高选择性，而且还能把测定方法的灵敏性和修饰剂化学反应的选择性相结合，因此化学修饰碳离子液体电极是集分离、富集和选择性三者为一体的理想体系。本论文利用各种的修饰材料和不同的修饰方法构建了一系列新型的电化学传感器，并结合使用不同的测定方法讨论了其在生命和环境分析中的应用。主要研究工作如下：
　　(1)由于介孔分子筛MCM-41具有均一的孔道结构、较大的比表面积和很好的生物适配性等优点，它能为生物分子的固定提供了一个良好的微环境，因此将MCM-41修饰到碳离子液体电极表面，然后通过吸附的方法将血红蛋白(Hb)固定到修饰电极上，构建了一种新型的电化学生物传感器。固定在该修饰电极上的血红蛋白能很好地保持其二级结构，在该修饰碳离子液体电极上能够实现血红蛋白的直接电化学。在-0.284 V左右能观察到血红蛋白的一对可逆的峰形很好的氧化还原峰。此外，该生物传感器对H2O2表现出良好的电催化活性，催化电流与H2O2的浓度在5-310μM内呈良好的线性关系，在信噪比为3的前提下检测限达到了0.05μM。血红蛋白在MCM-41修饰的碳离子液体电极上的表面覆盖率为2.54×10-9 mol cm-2，米氏常数为214μM，说明固定在修饰电极上的血红蛋白对H2O2显示了很好的亲和性。由于MCM-41和离子液体的共同作用，提出的传感器具有很好的稳定性和重现性，能应用于直接电化学、生物传感器和生物催化等方面的研究。
　　(2)成功构建了分子筛/离子液体复合物电极，提出了一种选择性检测多巴胺(DA)的简单、灵敏、可靠的方法。复合物中具有较大比表面积、均一孔道结构的分子筛HZSM-5能够增加修饰电极的有效面积，并促进修饰电极的电子转移能力。HZSM-5也同时扮演着阳离子交换剂的角色，表现出离子交换或吸附能力，因此，该修饰电极显示了对多巴胺选择性的增强的电化学响应。在最优的实验条件下，DA对应的峰电流与浓度在5.0×10-8到8.0×104 M的范围内成线性关系，且线性相关系数为0.9982。在0.2 mM抗坏血酸(AA)存在下，检测限达到了1.0×10-8M。干扰研究表明，该修饰电极具备很好的选择性。而且，该修饰电极具有很好的重现性和稳定性，能用于实际样品人体血清中多巴胺的检测。
　　(3)通过滴涂的方法，将活化的多壁碳纳米管(MWNTs)修饰到碳离子液体电极表面，构建了多巴胺传感器。在生理条件下，由于活化的多壁碳纳米管带有羧基官能团，该修饰电极对多巴胺表现出增强的电化学响应。和其它多壁碳纳米管修饰电极相比，多巴胺在多壁碳纳米管修饰的碳离子液体电极上的电化学响应显著增加，这是由于碳离子液体电极中具有良好性能的离子液体的促进结果。在0.5 mM抗坏血酸(AA)存在下，响应电流与DA的浓度在5.0×10-8至2.0×10-4 M的范围呈线性关系，最低检测限达到了1.0×10-8 M。此外，该传感器还能用于实际样品的检测。
　　(4)电化学聚合是一种固定聚合物的很好的方法，电化学聚合得到的聚合物膜具有均一稳定的性质，膜厚度可以通过扫描圈数来控制。通过电化学聚合的方法，将甘氨酸聚合到碳离子液体电极表面。研究表明，碳离子液体电极中离子液体的存在能够促进甘氨酸的电聚合。和裸碳离子液体电极比较，该修饰电极不仅能够抑制抗坏血酸(AA)的伏安响应，而且能够显著增加多巴胺(DA)的氧化电流。在生理环境中利用方波伏安法(SWV)，该聚甘氨酸修饰电极对DA显示了很好的电化学行为。在1 mM AA存在下，DA的响应电流与浓度在1.0×10-7至3.0×10-4M的范围呈线性关系，检测限达到了5.0×10-9M。
　　(5)亚硝酸盐在工业生产以及人们的日常生活中发挥着很重要的作用，然而它潜在的毒性也不容忽视，因此介绍了一种基于纳米二氧化钛修饰碳离子液体电极的检测亚硝酸盐的简单可靠的方法。修饰剂二氧化钛改善了修饰电极的微结构，使修饰电极的有效表面积显著增加，因此，该传感器对亚硝酸盐的氧化体现了很好的电催化活性，且氧化峰电位出现在较低的电位(约0.78 V versus Ag/AgCl)。在最优的实验条件下，利用线性扫描伏安法对亚硝酸盐进行检测，其峰电流与亚硝酸盐的浓度在5×10-7M至1.5×10-3M的范围内成线性关系，线性相关系数为0.9977。当信噪比为3时，检测限达2×10-7M。该传感器具有很好的重现性和稳定性。干扰实验结果表明，常见离子不会影响亚硝酸盐的检测，该传感器对亚硝酸盐的检测具有很好的选择性。该传感器还可以应用于几种香肠样品中亚硝酸盐的伏安检测，并获得满意的结果。
　　(6)尿酸(UA)是一种嘌呤代谢的终产物，通常和抗坏血酸(AA)共存于人类流体中，如血液和尿液等。当尿酸含量发生异常时，通常会引发其他疾病，如痛风、高尿酸血Lesch-Nyhan综合征等。基于此，我们构建了一种新型的壳聚糖/离子液体复合物电极，能在大量抗坏血酸和多巴胺存在下选择性检测尿酸。多巴胺、抗坏血酸和尿酸的氧化峰在修饰电极上能够很好地分离开来。由于复合物中壳聚糖和离子液体的共同作用，该修饰电极对尿酸的氧化显示了很好的电催化活性。当5×104 M抗坏血酸和5×10-5 M多巴胺共同存在时，响应电流与尿酸的浓度在5×10-7 M到2×104 M的范围内成线性关系，线性相关系数为0.9978。在信噪比为3的条件下，检测限达到了5×10-8M。该修饰电极具有很好的灵敏度、选择性以及稳定性，因此该修饰电极具有用于实际样品中尿酸检测的潜力。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 离子液体概述

1.1.1 离子液体性质

1.1.2 离子液体分类

1.2 离子液体应用

1.2.1 有机合成

1.2.2 萃取分离以及色谱分析和CE分离

1.2.3 电化学传感器

1.3 碳离子液体电极

1.3.1 碳离子液体电极的制备

1.3.2 修饰剂

1.3.3 修饰方法

1.3.4 应用

1.4 本文构思

第二章 血红蛋白在介孔分子筛MCM-41修饰碳离子液体电极上的直接电化学和电催化性质

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 修饰碳离子液体电极的制备

2.2.4 血红蛋白在修饰电极上的固定

2.2.5 电化学测定

2.3 结果与讨论

2.3.1 修饰电极的SEM表征

2.3.2 修饰电极的FT-IR表征

2.3.3 固定在MCM-CILE上的Hb的直接电化学

2.3.4 扫速的影响

2.3.5 溶液pH的影响

2.3.6 条件的优化

2.3.7 Hb/MCM-CILE对过氧化氢的电催化

2.3.8 Hb/MCM-CILE的重现性和稳定性

2.4 本章小结

第三章 分子筛/离子液体复合物电极在抗坏血酸存在下选择性检测多巴胺

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 分子筛/离子液体复合物电极的制备

3.2.4 电化学测定

3.3 结果与讨论

3.3.1 分子筛/离子液体复合物电极的电化学表征

3.3.2 多巴胺在修饰电极上的电化学行为

3.3.3 检测条件的优化

3.3.4 抗坏血酸存在下对多巴胺的检测

3.3.5 其他干扰的影响

3.3.6 实际样品的检测

3.4 本章小结

第四章 多壁碳纳米管修饰碳离子液体电极对多巴胺的电催化氧化研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂

4.2.2 实验仪器

4.2.3 MWNTs的预处理

4.2.4 修饰电极的制备

4.2.5 电化学测定

4.3 结果与讨论

4.3.1 不同电极的表面形态

4.3.2 MWNTs/CILE和CILE的电化学表征

4.3.3 多巴胺和抗坏血酸在修饰电极上的电化学行为

4.3.4 条件优化

4.3.5 标准曲线

4.3.6 MWNTs/CILE的重现性、稳定性和选择性

4.3.7 分析应用

4.4 本章小结

第五章 聚甘氨酸修饰碳离子液体电极的构建及其电化学性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 试剂

5.2.2 实验仪器

5.2.3 修饰电极的构建

5.2.4 电化学测定

5.3 结果与讨论

5.3.1 甘氨酸在碳离子液体电极上的电聚合

5.3.2 聚甘氨酸膜修饰电极的表面形貌

5.3.3 修饰电极的电化学表征

5.3.4 多巴胺在聚甘氨酸修饰碳离子液体电极上的电化学行为

5.3.5 扫速的影响

5.3.6 pH值和膜厚度对多巴胺氧化的影响

5.3.7 多巴胺的检测

5.3.8 干扰研究

5.3.9 实际样品分析

5.4 本章小结

第六章 基于纳米二氧化钛修饰碳离子液体电极的亚硝酸盐传感器研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.2.1 试剂

6.2.2 实验仪器

6.2.3 修饰电极的制备

6.2.4 电化学测定

6.3 结果与讨论

6.3.1 修饰电极的电化学表征

6.3.2 亚硝酸盐在不同电极上的电催化氧化

6.3.3 扫速的影响

6.3.4 pH的影响

6.3.5 修饰剂含量的影响

6.3.6 亚硝酸盐在修饰电极上的检测

6.3.7 干扰性物质的影响

6.3.8 实际样品中亚硝酸盐的检测

6.4 本章小结

第七章 壳聚糖/离子液体复合物电极的制备及其对尿酸的检测研究

7.1 引言

7.2 实验部分

7.2.1 试剂

7.2.2 实验仪器

7.2.3 壳聚糖/离子液体复合物电极的制备

7.2.4 电化学测定

7.3 结果与讨论

7.3.1 壳聚糖/离子液体复合物电极的电化学表征

7.3.2 尿酸在不同电极上的电催化氧化

7.3.3 扫速的影响

7.3.4 溶液pH的影响

7.3.5 修饰剂含量的影响

7.3.6 壳聚糖/离子液体复合物电极对尿酸的检测

7.3.7 壳聚糖/离子液体复合物电极的重现性和稳定性研究

7.3.8 干扰物质的影响

7.4 本章小结

结 论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致 谢