日韩偷拍一区二区,国产香蕉久久精品综合网,亚洲激情五月婷婷,欧美日韩国产不卡

第1章電化學(xué)傳感器研究技術(shù)

1.1電化學(xué)傳感器概述

1.1.1電化學(xué)傳感器簡介

電化學(xué)是研究電和化學(xué)反應(yīng)相互關(guān)系的科學(xué)。電和化學(xué)反應(yīng)相互作用可通過電池來完成，也可利用高壓靜電放電來實現(xiàn)，二者統(tǒng)稱電化學(xué)，后者為電化學(xué)的一個分支，稱為放電化學(xué)。電化學(xué)傳感器是基于待測物的電化學(xué)性質(zhì)并將待測物化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電學(xué)量進(jìn)行傳感檢測的一種傳感器。它將電化學(xué)分析方法與傳感器技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展出一種具有快速、靈敏、選擇性高、操作簡便等特點的傳感器，具有靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)快、操作簡便、樣品需要量少、可微型化、價格低廉且可以實現(xiàn)連續(xù)現(xiàn)場檢測等特點。

1.1.2電化學(xué)傳感器工作原理

典型的電化學(xué)生物傳感器由兩部分組成［1］：一部分是能夠選擇性識別被測物質(zhì)的感受器，即生物敏感元件，由對被測物質(zhì)具有高選擇性分子識別功能的膜構(gòu)成；另一部分是信號轉(zhuǎn)換元件，即將信號從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式的傳感元件。生物體內(nèi)存在許多分子識別功能物質(zhì)(如酶、抗體、動植物細(xì)胞、動植物組織等)，能選擇性地識別特定的物質(zhì)。生物傳感器正是巧妙地利用生物體分子固有的識別性能，將其固定在適當(dāng)?shù)妮d體(人造生物膜)上，形成生物功能膜，將生物分子識別反應(yīng)產(chǎn)生的各種物理化學(xué)變化(如pH變化、電子轉(zhuǎn)移、質(zhì)量變化、熱量轉(zhuǎn)移、氣體或特殊離子的消耗和釋放等)轉(zhuǎn)換成可測量的信號，然后再通過放大、整波、數(shù)字化或其他處理，最終通過儀表或顯示終端記錄結(jié)果，從而達(dá)到分析檢測的目的［2］。圖1-1為電化學(xué)傳感器工作原理示意圖。圖1-1電化學(xué)傳感器工作原理

1.2電化學(xué)檢測技術(shù)

1.2.1電位掃描法在所有研究電極過程的方法中，電位掃描法的應(yīng)用最為廣泛。其工作原理主要是在工作電極上連續(xù)施加不同的電位，它們反映溶液中電活性物質(zhì)的氧化還原(法拉第反應(yīng))，或者由于施加電位和電容電流(雙電層電容)導(dǎo)致的物質(zhì)吸附。在線性掃描伏安中，電位掃描是單向的，掃描方向可以是氧化或還原，掃描速率可以是任意值［3］。

1.2.2循環(huán)伏安法循環(huán)伏安法(CV)是進(jìn)行電化學(xué)定量反應(yīng)運用最廣泛的技術(shù)。CV可以快速提供關(guān)于氧化還原過程的熱力學(xué)信息、不同電子傳遞反應(yīng)的動力學(xué)信息和成對的化學(xué)反應(yīng)或吸附過程信息［4］。由于它可以快速給出電活性物質(zhì)的氧化還原電位，以及評估基質(zhì)對于氧化還原過程的影響，因此常常是電分析研究進(jìn)行的及時個實驗。在研究氧化還原電對時可以快速地掃描電極電位，一旦確定峰位置，則可以研究峰電位與掃描速率之間的關(guān)系并進(jìn)行定性(圖1-2)。圖1-2(a)循環(huán)伏安法實驗的電位-時間曲線；(b)電位-電流曲線

重復(fù)的三角形電位激發(fā)信號使得工作電極上的電位在兩個設(shè)定的值(V1、V2)之間來回掃描，為了得到循環(huán)伏安圖，在電位掃描期間同時測定工作電極的電流。循環(huán)伏安法中電壓掃描的過程包括陽極、陰極兩個方向，因此可以從循環(huán)伏安圖中的氧化峰和還原峰的峰高，以及峰形的對稱性判斷反應(yīng)的可逆程度。如果反應(yīng)是可逆的，則曲線上下是對稱的；如果不可逆，則不對稱。循環(huán)伏安圖最重要的參數(shù)是氧化還原峰的峰電位(Epc、Epa)和峰電流(ipc、ipa)。對于一個可逆反應(yīng)來說，還原電位E0公式為E0=(Epa+Epc)/2峰距為

因此，對于一個可逆的氧化還原反應(yīng)來說，在25℃下ΔEp=0.0592/n V或者轉(zhuǎn)移一個電子，電位差為60mV。然而實際情況中，由于一些外在因素如電解池電阻等的干擾，很難得到這樣一個理想的狀態(tài)。

作為電化學(xué)最古老的技術(shù)，CV被廣泛研究。它是一種很有用的電化學(xué)研究方法，可以用于研究液體-電極接觸處吸附現(xiàn)象和分析物吸附解析等。由于其快速性，靈敏度便退而求其次。然而它卻不能將線性掃描波形、背景充電電流和電活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流區(qū)分開，因此該法很少用于定量分析。

1.2.3電化學(xué)阻抗譜電化學(xué)阻抗譜(EIS)或交流阻抗(AC阻抗)是施加一種周期性的小振幅的正弦波電位(電流)作為擾動信號的電化學(xué)測量方法［5］。小幅度的擾動信號，一方面可以避免對體系的干擾，另一方面也可以使得擾動與體系響應(yīng)之間成近似的線性關(guān)系，從而簡化數(shù)據(jù)處理［6］。

電化學(xué)阻抗譜是一種觀察生物分子相互反應(yīng)動力學(xué)的理想工具。最常用的評估電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)的是Nyquist和Bode圖［7］(圖1-3)。圖1-3電化學(xué)阻抗譜的Nyquist和Bode圖

為了表征表面特性，通常用等效電路擬合實驗數(shù)據(jù)得到必要的信息。由于電化學(xué)檢測池是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，很多線路模型可以擬合實驗數(shù)據(jù)。最簡單常用的稱為Randles模型，由電解質(zhì)溶液電阻(RS)、雙電層電容(Cdl)、電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)和Warburg 阻抗(ZW)組成［8］(圖1-4)。Randles模型是其他一切復(fù)雜模式的原型。 Randles檢測池的Nyquist圖通常是一個半圓。溶液阻抗是高頻區(qū)截距的實軸值，通常是半圓的起點值；低頻區(qū)實軸值是電荷轉(zhuǎn)移阻抗和溶液電阻總和；半圓的直徑等于電荷轉(zhuǎn)移阻抗。實際中Nyquist圖通常是由高頻區(qū)一個圓心在實軸的半圓和低頻區(qū)的一個直線組成，半圓對應(yīng)電子轉(zhuǎn)移的受阻情況，直線對應(yīng)體系擴(kuò)散的受阻過程。圖1-4電化學(xué)阻抗的等效電路

近幾年，電化學(xué)阻抗譜快速興起。因為它們可以得出、驗證和定量相關(guān)的實驗阻抗。然而，最困難的問題是電極過程的建模。需要研究各種不同的反應(yīng)和界面(腐蝕、涂料、導(dǎo)電聚合物、電池和燃料電池等)，目前主要的研究在于弄清并分析這些過程。

電化學(xué)阻抗譜最初應(yīng)用于檢測雙電層電容，現(xiàn)在被用于鑒定電極過程和復(fù)雜的界面。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是電化學(xué)阻抗譜并不能給出所有的解釋，在闡明界面過程時，它與其他技術(shù)是一個互補的關(guān)系。電容只與工作電極有關(guān)，電阻包括電極過程和溶液的阻礙作用，有時也存在電容、電阻并聯(lián)的情況。然而，這項技術(shù)的缺點在于它是測量整個電解池的阻抗，其實研究電極過程只與其中一支電極的性質(zhì)有關(guān)。因此通過輔助電極降低其他不必要部分的干擾是值得被探索的。

1.2.4差示脈沖伏安法

差示脈沖伏安法是檢測痕量有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)有用的技術(shù)。這項技術(shù)與常規(guī)脈沖伏安相同的是電位掃描伴隨一系列脈沖，不同的是在小振幅(10～100mV)下，每個固定的電位脈沖又與基礎(chǔ)電位小幅度的變化重疊。

得到的差示脈沖伏安圖包括峰電位和峰電流，峰電位與分析物的性質(zhì)有關(guān)，峰電流與相應(yīng)分析物的濃度成一定的比例。這樣的定量方法不僅取決于相應(yīng)的峰電位，也與峰寬有關(guān)。差示脈沖得到的峰形可以用來區(qū)別氧化還原電位相似的兩種物質(zhì)。響應(yīng)得到的峰形相對于平坦的背景電流，使得這項技術(shù)在分析混合物時顯得尤為重要。

脈沖振幅和電位掃描速率的選擇經(jīng)常需要權(quán)衡靈敏度、分辨率和速度。例如，大的脈沖振幅則得到大的寬峰。常見的脈沖振幅在25～50mV，掃描速率5mV/s。相比于可逆系統(tǒng)，不可逆氧化還原系統(tǒng)得到的電流峰寬而低。因此，這項技術(shù)也可以提供關(guān)于分析物的化學(xué)形態(tài)的信息，如氧化態(tài)、絡(luò)合態(tài)等。

1.2.5計時電流法

計時電流法是一種研究電極過程動力學(xué)的電化學(xué)分析法和技術(shù)。其原理是在電解池上突然施加一個恒定的、足夠使溶液中的某種電活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電位，然后記錄電流和時間的變化。在整個過程中，溶液電阻向雙電層瞬間充電表現(xiàn)為電流的突躍，然后由于雙電層充電電流隨著雙電層電位差的增加而逐漸減小，電流開始按指數(shù)規(guī)律減小，這一電流衰減的快慢與電極的時間常數(shù)有關(guān)，當(dāng)電流衰減到水平段，雙電層充電基本結(jié)束，得到的穩(wěn)定電流便是電極反應(yīng)的電流。

計時電流法常用于電化學(xué)中電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)的研究。計時電流法工作電壓的選擇通常是通過循環(huán)伏安圖來確定的，即取循環(huán)伏安圖中的峰電流或在峰電壓附近找一些電壓點，用I-T的方法分別測同一標(biāo)本，描繪出一個電壓和電流的曲線，選取電流較大的電壓。目前，電化學(xué)免疫傳感器在引入電活性物質(zhì)后，采用計時電流法作為檢測手段的研究還是比較多的。

近年來還有采用兩次電位突躍的方法，稱為雙電位階的計時電流法。即首先突然加一電位，使電極發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)很短時間的電解后，又躍回到原來的電位或另一電位處，此時原先的電極反應(yīng)產(chǎn)物又轉(zhuǎn)變?yōu)樗脑紶顟B(tài)，從而可以在I-T曲線上更好地觀察動力學(xué)的反應(yīng)過程；并從科特雷耳方程出發(fā)，考慮反應(yīng)速率，進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)和作圖，求出反應(yīng)速率常數(shù)。

1.3電化學(xué)傳感器的修飾方法

1.3.1物理吸附

物理吸附是最簡單、最快速但可信度低的方法。抗體在基底上可以任意連接方式的形式存在，很難控制結(jié)合位點的正確定位。吸附是非特異性的，故生物傳感器的性能也不是很好。但是吸附法具有不需化學(xué)試劑、不需活化步驟以及清潔步驟少、酶活性影響小等優(yōu)點。有研究者將葡萄糖氧化酶和葡聚糖衍生物相結(jié)合，然后吸附在多孔的碳電極上構(gòu)成酶傳感器［9］。由于葡聚糖衍生物可以增強(qiáng)酶的穩(wěn)定性以及多孔碳的吸附性，故這個傳感器具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。但與其他固定方法相比，吸附法固定的生物組分壽命較短，易從電極表面脫落，故而未被廣泛采用。

1.3.2親和素-生物素系統(tǒng)生物素與親和素可以4∶1的比例高效結(jié)合，同時以多價形式結(jié)合生物素化的大分子衍生物和標(biāo)記物等生物活性物質(zhì)，它們的結(jié)合迅速、專一、穩(wěn)定，并具有多級放大效應(yīng)。該法是一種簡單卻可以將生物分子連接在包被有親和素的表面的有效方法［10］(圖1-5)。圖1-5生物素-親和素結(jié)合機(jī)制

這種方法的一個較大優(yōu)點是盡管生物素和親和素之間的親和常數(shù)很大，但是它們卻是非共價結(jié)合，這樣就方便了多次洗滌和傳感器裝置的重復(fù)使用［11］。此法最重要的缺點是所用試劑昂貴。

1.3.3自組裝單分子膜

自組裝單分子層是將金平板浸漬在含合適表面活性劑的高純試劑中得到的。它的原理是在未被氧化的金電極表面通過烷基化試劑的作用形成強(qiáng)的金屬硫醇鍵，然后另一端的自由羧酸鹽基團(tuán)可以與抗原或抗體相連而不破壞其活性。最常用的方法是將金浸漬在二硫化物或硫醇的乙醇溶液中［12］。形成的單分子膜的密實度和厚度取決于含硫原子的分子。用于形成單分子自組裝膜的一個重要組分是硫醇。它組裝的時間與硫醇的烷基鏈的長短有關(guān)，一般濃度高則需要的時間短。通常情況下，自組裝膜可以覆蓋整個金電極的表面，但是針孔或缺陷則會導(dǎo)致硫醇?xì)埢难趸瑥亩菇?硫鍵氧化斷裂，或者成膜分子倒伏脫落，進(jìn)而影響生物分子的固定(圖1-6)。圖1-6自組裝膜法在金電極表面固定抗體的過程

在單分子層形成后，生物分子與硫醇的另一端相連。為了得到最合適的定向和提高傳感器的性能，需要對生物分子進(jìn)行的了解，然后采用不同形式的化學(xué)修飾和活化［13］。由于基于自組裝膜的免疫傳感器具有很高的穩(wěn)定性，因此其被廣泛地運用［14，15］。相比前兩種方法，自組裝單層膜在檢測的靈敏度和可重復(fù)性方面有了很大的提高。 ……