氨基酸化學(xué)修飾電極的制備及其應(yīng)用

王春燕，李云輝，田堅(jiān)

（1.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 食品工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130052；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春 130022）

化學(xué)修飾電極通過人為地對(duì)電極表面進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，將具有優(yōu)良化學(xué)性質(zhì)的分子、離子和聚合物等固定在電極表面，使電極具有特定的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，在其上可進(jìn)行所期望的反應(yīng)［1］。化學(xué)修飾電極豐富了電化學(xué)的電極材料，擴(kuò)展了電化學(xué)的應(yīng)用范圍。其中氨基酸化學(xué)修飾電極因其電化學(xué)響應(yīng)大，穩(wěn)定性好且制備簡(jiǎn)單，引起了人們廣泛的研究興趣，發(fā)展非常迅速。本文對(duì)氨基酸化學(xué)修飾電極的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述。

氨基酸（除脯氨酸）是帶有氨基的有機(jī)酸，是生物體的最基本物質(zhì)，它由一個(gè)氨基（-NH2）、一個(gè)羧基（-COOH）、一個(gè)氫原子和一個(gè)R基團(tuán)所組成：R基團(tuán)通常是氨基酸的側(cè)鏈。自然界存在20種氨基酸，這20種氨基酸的側(cè)鏈在大小、形狀、電荷、形成氫鍵的能力和化學(xué)活性方面都存在著差異。因含有氨基和羧基兩種官能團(tuán)，氨基酸具有許多獨(dú)特的性質(zhì)［2］。利用化學(xué)或電化學(xué)方法將各種氨基酸修飾到電極表面，可制成氨基酸化學(xué)修飾電極。

1 氨基酸化學(xué)修飾電極的制備

目前氨基酸化學(xué)修飾電極的制備方法有多種，其中最常用的制備方法是自組裝（SA）膜法和電化學(xué)聚合法。

1.1 SA膜法

SA膜是使用含有各種活性官能團(tuán)（如-COOH、-SH、-S-S、-OH、-CN等）的分子，以化學(xué)鍵形式與相應(yīng)的基底（Au、Ag、Cu、Hg、Pt、Si等）相互作用而形成自組裝膜［3］。

半胱氨酸具有良好的電化學(xué)活性，同時(shí)含有活潑的巰基（-SH），很容易形成Au-S、Ag-S鍵吸附在金、銀電極表面，形成一層有序的單分子修飾層。動(dòng)力學(xué)研究表明［4］：半胱氨酸在金電極表面自組裝成膜分兩步：第一步為吸附過程，此過程很快，在較短的時(shí)間內(nèi)，膜的自組裝就可完成80%～90%，這一過程受半胱氨酸活性基團(tuán)與金電極表面的反應(yīng)速度控制；膜自組裝完成時(shí)間與半胱氨酸的濃度有關(guān)，濃度越大，組裝越快。第二步為表面膜的重組過程，即從無序排列到規(guī)則排列，形成二維薄膜，這一過程時(shí)間較長(zhǎng)，與組裝膜的混亂度，鏈上不同基團(tuán)在金電極表面的移動(dòng)性能有關(guān)。這兩步反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。Au-S化學(xué)鍵的鍵能大約為177KJ/mol，這種強(qiáng)的鍵合作用使得半胱氨酸在金電極表面的吸附有很大的優(yōu)越性：一是抗干擾能力強(qiáng)，很少有其它基團(tuán)能與之競(jìng)爭(zhēng)，因而保證了這種吸附的選擇性；二是修飾膜的穩(wěn)定性良好，不易被水和有機(jī)溶劑溶解洗脫，對(duì)酸和堿有較強(qiáng)的抵抗能力［5］。

在組裝過程中還可伴隨摻雜、嵌入等方法的使用，如：將對(duì)四甲氧基苯基卟啉滴加在半胱氨酸修飾金電極表面，然后放入含Cu(NO3)2的H2SO4溶液中進(jìn)行電化學(xué)循環(huán)掃描，可制得銅卟啉/半胱氨酸復(fù)合膜修飾電極［6］。將半胱氨酸修飾金電極浸泡在納米銀溶膠中可制得納米銀/半胱氨酸復(fù)合膜修飾電極［7］。

1.2 電化學(xué)聚合法

電化學(xué)聚合法制備各種氨基酸化學(xué)修飾電極簡(jiǎn)單方便，一般是將氨基酸單體加入到支持電解液中，在電化學(xué)氧化的條件下進(jìn)行聚合。該方法的特點(diǎn)是：電極表面氨基酸薄膜穩(wěn)定，不易脫落，通過對(duì)電化學(xué)聚合條件的控制可以決定氨基酸薄膜的厚度。

目前已報(bào)道的用于電化學(xué)聚合法制備化學(xué)修飾電極的氨基酸有：半胱氨酸、賴氨酸、甘氨酸、組氨酸、谷氨酸、精氨酸、脯氨酸、絲氨酸、色氨酸、異白氨酸、天冬氨酸等。同時(shí)還可以摻雜、共聚其他物質(zhì)，如以多壁碳納米管作為摻雜劑，在玻碳電極上通過電化學(xué)聚合的方法可制備聚半胱氨酸/多壁碳納米管復(fù)合膜修飾電極［8］。摻雜Ni（II）后的脯氨酸［9］和組氨酸［10］復(fù)合膜修飾電極對(duì)甲醛的氧化均有一定的催化活性。

2 氨基酸化學(xué)修飾電極的應(yīng)用

氨基酸化學(xué)修飾電極制備簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，選擇性和靈敏度高，在金屬離子、有機(jī)污染物及生物樣品分析等方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)越性，近年來倍受青睞。

2.1 研究電化學(xué)催化機(jī)理

不同的氨基酸化學(xué)修飾電極在測(cè)定不同的物質(zhì)時(shí)，其催化機(jī)理是不同的。例如，半胱氨酸修飾金電極可檢測(cè)痕量Cu2+，是因?yàn)榘腚装彼崤cCu2+有較強(qiáng)的螯合作用［11］。同樣，組氨酸分子中側(cè)鏈咪唑環(huán)上的吡啶氮和氨基上的氮以及羰基氧均與Cu2+有較強(qiáng)的螯合作用，因此組氨酸修飾金電極可用于測(cè)定Cu2+，通過戊二醛偶聯(lián)的方式將組氨酸修飾到金電極表面，使組氨酸分子與金電極表面有一定的距離，一方面便于減小空間位阻，另一方面可以使被連接的組氨酸分子有合適的空間取向及運(yùn)動(dòng)靈活度，更加有效地配位結(jié)合Cu2+［12］。

半胱氨酸微銀修飾電極對(duì)血紅蛋白具有明顯的電催化作用是因?yàn)檠t蛋白的電活性中心是輔基血紅素中的鐵原子，可與半胱氨酸相結(jié)合，從而加快血紅蛋白和電極間的電子傳遞速率，促進(jìn)血紅蛋白的氧化還原反應(yīng)［13］。

利用原子力顯微鏡對(duì)聚谷氨酸修飾電極進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)聚谷氨酸以納米纖維狀的三維結(jié)構(gòu)吸附在玻碳電極表面，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在溶液中很容易膨脹，非常有利于檢測(cè)物的電子傳輸［14］。

甘氨酸修飾玻碳電極在磷酸鹽緩沖溶液（pH=7.0）中有一不可逆的氧化峰，反掃時(shí)沒有觀察到明顯的還原峰，說明甘氨酸的氨基失去一個(gè)電子變成相應(yīng)的陽離子自由基，而這些陽離子自由基在玻碳電極表面形成了碳氮鍵。這一過程與氨基化合物在玻碳電極上的聚合過程相似，擴(kuò)散速率和立體效應(yīng)是影響它們?cè)诓Ｌ茧姌O上固定的最重要的因素［15］。

2.2 金屬離子及有機(jī)污染物檢測(cè)

利用半胱氨酸修飾金電極檢測(cè)河水和海水中痕量Cu2+，檢出限達(dá)到 3.9×1010mol/L［16］。半胱氨酸修飾金電極對(duì)Se（IV）具有明顯的電催化作用，利用線性掃描伏安法對(duì)Se（IV）進(jìn)行定量檢測(cè)，線性范圍為1.0×108～ 1.0×106mol/L，檢出限為1.0×109mol/L，可用于北芪樣品中痕量硒的測(cè)定［17］。此外，半胱氨酸修飾銀電極可用于Zn2+測(cè)定［18］。聚賴氨酸/聚苯乙烯磺酸鈉復(fù)合膜修飾汞電極可以檢測(cè)河水中痕量Cu2+、Pb2+、Cd2+，不受有機(jī)污染物的影響。

半胱氨酸修飾金電極可用于有機(jī)污染物的測(cè)定，如對(duì)酚類（對(duì)氨基酚、鄰苯二酚、對(duì)苯二酚、米吐爾等）的測(cè)定，方法靈敏、準(zhǔn)確，靈敏度高，可用于實(shí)際樣品測(cè)定。聚賴氨酸修飾玻碳電極可用于測(cè)定三嗪染料活性藍(lán)F3GA［19］及 4-硝基苯酚［20］。

2.3 生物樣品分析

目前關(guān)于氨基酸化學(xué)修飾電極測(cè)定多巴胺和腎上腺素的報(bào)道較多。如利用恒電位聚合法在石墨充蠟電極表面共價(jià)鍵合單分子層谷氨酸，制備聚L-谷氨酸/石墨充蠟修飾電極，可用于多巴胺的測(cè)定［21］。聚半胱氨酸/多壁碳納米管復(fù)合膜修飾電極用于多巴胺的測(cè)定，可排除抗壞血酸的干擾，靈敏度高［8］。二茂鐵/半胱氨酸修飾電極對(duì)腎上腺素有很好的催化作用，峰電流與腎上腺素濃度在較寬的范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，其可能的催化機(jī)理為：二茂鐵在此反應(yīng)體系中作為電子媒介體催化腎上腺素氧化為腎上腺素醌，然后還原態(tài)的二茂鐵在電極上氧化，產(chǎn)生的氧化峰電流隨著腎上腺素濃度的增大而增大，氧化態(tài)的二茂鐵立即又被腎上腺素還原，所以在腎上腺素存在下，二茂鐵/半胱氨酸修飾電極的氧化電流增大，還原電流減小［22］。聚賴氨酸修飾電極在抗壞血酸共存時(shí)可測(cè)定腎上腺素，具有良好的靈敏度、選擇性，已用于針劑樣品分析［23］。聚精氨酸修飾電極可以在大量抗壞血酸和尿酸存在下同時(shí)測(cè)定多巴胺和腎上腺素，選擇性好［24］。

此外，組氨酸修飾銀電極對(duì)細(xì)胞色素C、肌紅蛋白和血紅蛋白的氧化還原都有促進(jìn)作用［25］。聚甘氨酸修飾電極可以增強(qiáng)鳥嘌呤和8-羥基脫氧鳥嘌呤核苷在電極表面的吸附，同時(shí)加快二者在電極表面的電子傳輸，用該電極同時(shí)檢測(cè)鳥嘌呤和8-羥基脫氧鳥嘌呤核苷，靈敏度大大提高［26］。戊二醛偶聯(lián)聚賴氨酸修飾玻碳電極可用于檢測(cè)藥物中碘化物，通過在-0.8 V富集皰疹凈，可間接檢測(cè)尿中皰疹凈的含量［27］；戊二醛偶聯(lián)聚谷氨酸修飾玻碳電極可用于尿中阿莫西林的檢測(cè)［28］。聚絲氨酸修飾電極對(duì)酪氨酸和雌二酮有明顯的電催化作用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)二者的靈敏檢測(cè)［29］。在聚色氨酸修飾電極上，利用示差脈沖伏安法和循環(huán)伏安法分別對(duì)鹽酸氨溴索［30］和氧氟沙星［31］進(jìn)行了測(cè)定，具有檢測(cè)范圍寬，檢測(cè)限低等特點(diǎn)。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，氨基酸具有特定結(jié)構(gòu)和功能，展示出豐富多彩的表面和界面性質(zhì)，通過對(duì)電極材料的表面修飾，為構(gòu)建新型的化學(xué)修飾電極提供了新的途徑。關(guān)于氨基酸化學(xué)修飾電極的研究和應(yīng)用越來越多。

氨基酸化學(xué)修飾電極的研究和應(yīng)用取得了一些成果，但也存在一定的局限性，如目前測(cè)定的物質(zhì)種類有限，主要集中在一些電活性小分子或離子，對(duì)更多的目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定是今后研究的方向；同時(shí)氨基酸化學(xué)修飾電極應(yīng)用于實(shí)際樣品的分析仍然有一定困難，也是今后研究的一個(gè)方向；另外，怎樣進(jìn)一步提高氨基酸化學(xué)修飾電極的活性、穩(wěn)定性，并更好地排除干擾物質(zhì)的影響，也是今后研究的一個(gè)方向。在未來的發(fā)展中，學(xué)科之間的交叉、聯(lián)合趨勢(shì)更加明顯，如何使氨基酸化學(xué)修飾電極與其它方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加方便、快速地在線分析或現(xiàn)場(chǎng)分析也是其研究方向之一。

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