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L—半胱氨酸自组装膜对间苯二酚氧化的电催化作用

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-17  浏览次数:806
核心提示:研究了pH对L—半胱氨酸自组装膜修饰电极的影响,发现该膜对间苯二酚的电化学氧化具有明显的催化作用。在pH=6.86的L—半胱氨酸溶液中制得的膜最致密。在pH=5的醋酸钠-醋酸缓冲溶液中,间苯二酚在L—半胱氨酸自组装膜修饰电极上产生一灵敏的氧化峰,且峰电流与间苯二酚浓度在0.1~0.6mmol/L范围内呈良好的线性关系,相关系数是0.9928,检出限为10μmol/L。

关 键 词:自组装膜;铜电极;L—半胱氨酸;间苯二酚

作    者:王春涛,王 芳,罗 辉,韩继红

 

 

摘要:研究了pH对L—半胱氨酸自组装膜修饰电极的影响,发现该膜对间苯二酚的电化学氧化具有明显的催化作用。在pH=6.86的L—半胱氨酸溶液中制得的膜最致密。在pH=5的醋酸钠-醋酸缓冲溶液中,间苯二酚在L—半胱氨酸自组装膜修饰电极上产生一灵敏的氧化峰,且峰电流与间苯二酚浓度在0.1~0.6mmol/L范围内呈良好的线性关系,相关系数是0.9928,检出限为10μmol/L。

关键词:自组装膜;铜电极;L—半胱氨酸;间苯二酚

中图分类号:0643   文献标识码:A

引 言

酚类物质由于具有毒性和难于降解而严重污染环境,测定和处理废水中酚的方法通常采取分离后分光光度祛和铈量法测定[1]。分光光度法需要进行显色反应,操作麻烦费时。铈量法分析虽然重复性好但难于控制滴定剂的量来确定终点,因此准确度和精密度不够理想[2]。由于间苯二酚具有电化学活性,容易被氧化,因此可以用电化学方法测定。最近也有采用电分析法来测定酚的含量[2],但通过自组装膜( SAMs)电极在价格便宜的铜电极表面自组装L—半胱氨酸来测定其含量还少有报道。

铜是广泛使用的工业金属且价格便宜,研究铜的SAMs具有更大的理论和实际意义。Laibinis等[3]首先报道了在铜基底上组装正烷基硫醇的情况,并研究了硫醇在Cu表面上的作用机理。

L—半胱氨酸分子中含有—SH,因而能够在铜表面以Cu—S键形成自组装单分子膜。文献曾报道了金表面上L—半胱氨酸对血红蛋白[4]、多巴胺[5]等物质的电子传递过程有促进作用。本文探讨了在金属铜表面上制取L—半胱氨酸自组装自组装膜能最佳pH以及不同pH条件下L­—半胱氨酸自组装膜对间苯二酚的电催化作用,并初步探讨了催化机理。

1实验部分

1.1试剂和溶液

间苯二酚(W≥99.5%),天津市光复精细化工研究所、L—半胱氨酸(W≥98.5%),北京奥博生物技术有限责任公司,分别配制成1mmol/L的溶液。配制pH=6.86的PBS缓冲溶液、pH =4.00的邻苯二甲酸氢钾缓冲溶液、pH=5.00和5.70的醋酸钠.醋酸缓冲溶液、pH=9.18的硼砂缓冲溶液,实验用三次蒸馏水配制溶液。

1.2 L—半胱氨酸自组装膜的制备

将电极打磨好,用无水乙醇和三次蒸馏水清洗,然后在6mol/L HN03溶液中浸泡15s,依次尽可能快地在三次蒸馏水和无水乙醇中浸洗2次,快速浸入1mmol/L的L—半胱氨酸中3h成膜。最后用三次蒸馏水清洗,再用乙醇清洗待干,即制得L—半胱氨酸自组装膜,其结构如图1。从图1可知,L—半胱氨酸之间形成O—H键,Cu与S之间形成Cu—S化学键,增加了自组装膜的稳定件。

 

 

 图1 Cu电极表面L—半胱氨酸自组装单层膜示意图

1.3测试方法

上海辰华仪器有限公司的CHI660B电化学工作站,三电极体系:Cu电极为工作电极,用甜(铜)为99.9%纯铜棒制成,环氧树脂密封,每次实验前将其顶端分别用500#、600#、2000#水砂纸打磨光亮;饱和甘汞电极( SCE)为参比电极,铂片为对电极。所有电化学测试均在三室电解池中进行。

在0.4~0.4V间,以0.O1V/s的扫描速率进行循环伏安曲线测试。交流阻抗测试选择振幅为5mV的正弦微扰信号,在1Hz~lOOkHz的频率范围内自高频向低频范围内扫描。以不同pH的L—半胱氨酸溶液进行膜电极组装,在pH=6.86的磷酸缓冲溶液中测试交流阻抗谱图和循环伏安曲线。所有实验均在室温条件下进行。

2结果与讨论

2.1 pH对L—半胱氨酸自组装膜的影响

图2为铜电极分别在pH=4.00、5.00、5.70、6.86及9.18的L—半胱氨酸溶液中自组装膜在1mmol/L间苯二酚溶液中的循环伏安曲线,表明在pH =4.00、5.00 L—半胱氨酸溶液中组装的膜只有一个很高的还原峰,氧化峰在此电位范围内没有出现,说明电极反应为一个不可逆过程,较高的电流峰说明在偏酸性条件下,制得的膜的致密性较差。而在pH=5.70、6.86及9.18的L—半胱氨酸溶液中组装的膜则出现了一对氧化还原峰,氧化峰正移,还原电流变小,反应的可逆性变好。而且pH=6.86的峰电流最低,说明在此pH制得的膜致密性最好,即制膜时的最佳pH应为6.86。

 

 

 图2 pH对L—半胱氨酸组装膜的影响

2.2 L—半胱氨酸自组装膜/Cu电极对间苯二酚的电催化作用

图3为裸铜电极(a)和L—半胱氨酸自组装膜/Cu修饰电极(b)在1mmol/L的间苯二酚溶液中循环伏安曲线。

 

 

 图3裸铜和L—半胱氨酸自组装膜/Cu电极在间苯二酚溶液中的循环伏安曲线

实验表明,两条曲线明显不同,曲线b比曲线a的峰电流显著增加,说明自组装膜电极加速了间苯二酚的电子转移速率,对间苯二酚产生了电催化氧化作用。

图4为1mmol/L间苯二酚在L—半胱氨酸自组装膜电极(b)和在铜电极(a)上的交流阻抗谱图。L—半胱氨酸自组装膜电极的交流阻抗曲线半径较铜电极的交流阻抗曲线半径要小,进一步表明L—半胱氨酸自组装膜对间苯二酚的电子转移有促进作用。

 

 

 图4铜和L—半胱氨酸自组装膜电极的交流阻抗谱图

2.3 pH对电催化性能的影响

图5为L—半胱氨酸自组装膜/Cu电极在不同pH的间苯二酚溶液中的循环伏安曲线。实验表明,在pH <5.07时,pH =4.00(a)的循环伏安曲线有较小的氧化还原峰,表现为一定的电催化响应;在pH>5.07时,pH=6.86(d)、9.18(e)时的氧化还原峰消失,无催化响应;而在pH接近5.07时,pH=5.00(b)、5.70(c)时的氧化还原峰明显增大,催化作用非常显著。结果表明pH =5.00和5.70的醋酸缓冲溶液为L—半胱氨酸自组装膜电催化间苯二酚的最佳电解质。

 

 

 图5 L—半胱氨酸自组装膜/Cu电极在不同pH的间苯二酚溶液中的循环伏安曲线

2.4催化机理的初步探讨

催化作用是由于L—半胱氨酸分子中含有N原子,可以与酚羟基的氢形成氢键,从而使羟基活化,削弱O—H键的键能,电子通过N—H—O键传递。当pH较低,溶液中H+浓度过大,L—半胱氨酸分子中的—NH2则主要以—NH3+形式存在,—NH3+上的电子与—OH上的H+较难形成氢键;若pH大于L—半胱氨酸的等电点5.07,则L—半胱氨酸分子中的—COOH主要以—COO—形式存在,吸引酚羟基,因而削弱O—H键,使电子传递受阻[6],导致氧化还原峰变低,甚至消失。而当pH等于L—半胱氨酸的等电点5.07时,氨基和羧基数目相等,此时有较多的电活性L—半胱氨酸,表现出很好的电催化性能[7]。

2.5分析线性范围和检出限

在选定的实验条件下,以间苯二酚为分析物,其还原峰电流(IPR)与间苯二酚的浓度在0.1~0.6mmol/L范围内呈良好的线性关系,如图6所示,相关系数是0.9928,检出限为1μmol/L。

 

 

 图6 IPR与c(间苯二酚)的线性关系

3结论

L—半胱氨酸自组装膜增加了间苯二酚在铜电极上的响应电流,在pH=6.86的L—半胱氨酸溶液中所制得的膜电极对间苯二酚响应可逆性最好。在pH接近半胱氨酸等电点5.07时,L—半胱氨酸自组装膜/Cu电极对间苯二酚的催化作用最为显著。同时得出还原峰电流与间苯二酚浓度在0.1~0.6mmol/L范围内呈良好的线性关系,相关系数是0.9928,检出限为1μmol。

参考文献

[1]缪进康,王佩芳.照相药液分析化学[M].北京:中国电影出版社,1981:93-95.

[2]高昭仁,刘欣茹.示波极谱法测定显影液中米吐尔和对苯二酚含量[J].分析化学,2000,16(4):314-316.

[3] Laibinis P E,Whitesides G M.Self-assembled monolay-ers of n-alkanethiolates on copper are barrier films thatprotect the metal against oxidation by air [J].J Am ChemSoc,1992,114(23):9022-9028.

[4]顾凯,朱俊杰,陈洪渊,血红蛋白在L—半胱氨酸微银修饰电极上的电化学行为[J].分析化学研究简报,1999,27(10):1172-1174.

[5]陈贤光,张素娟,欧阳良琪,等.L—半胱氨酸自组装电极循环伏安法测定多巴胺[J].分析实验室,2007,26(4):30-33.

[6]王升富,杜丹.L—半胱氨酸自组装膜电极对米吐尔的电催化及其分析作用[J].分析化学研究简报,2001,29(11):1288-1291.

[7]傅崇刚,苏昌华,单瑞峰.L—半胱氨酸组装膜修饰金电极的电化学特性[J].物理化学学报,2004,20(2):207- 210.

 

 

 

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