張雷楊良準(zhǔn) 潘潔 莊婉婉 陸婷妍 黃倩

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心 上海200234)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)

苯胺在酪氨酸功能化的玻碳電極表面的聚合及應(yīng)用
——推薦一個(gè)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)

張雷*楊良準(zhǔn) 潘潔 莊婉婉 陸婷妍 黃倩

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心 上海200234)

用電化學(xué)氧化法將酪氨酸(Tyr)通過(guò)C—N鍵共價(jià)鍵合在玻碳電極(GCE)表面，制備Tyr單層分子功能化的GCE(Tyr/GCE)。用循環(huán)伏安法在Tyr/GCE表面對(duì)苯胺進(jìn)行電化學(xué)聚合，制備摻雜態(tài)聚苯胺(PAN)修飾的GCE(PAN－Tyr/GCE)。由于Tyr對(duì)PAN的摻雜作用，使PAN在中性甚至堿性介質(zhì)中仍有較好的電化學(xué)活性，拓寬了聚苯胺的應(yīng)用范圍。用X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)、紅外光譜(IR)、紫外光譜(UV－Vis)及電化學(xué)方法對(duì)所得電極的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征。并研究了在中性介質(zhì)中PAN－Tyr/GCE對(duì)抗壞血酸(AA)的電催化氧化。

為提高學(xué)生對(duì)所學(xué)化學(xué)課程基本知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力及激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)(實(shí)驗(yàn))課程的興趣，教師應(yīng)不斷設(shè)計(jì)出理論合理、表征方法(技術(shù))先進(jìn)、并能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造潛能的綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。這樣的新型實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)是前沿性與基礎(chǔ)性、新穎性與易操作性、全面性與綜合性相結(jié)合的，能全面綜合地運(yùn)用學(xué)生所學(xué)化學(xué)知識(shí)的難度適中的實(shí)驗(yàn)。我們結(jié)合科研工作開(kāi)發(fā)的綜合創(chuàng)新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)——苯胺在酪氨酸(Tyr)功能化的玻碳電極(GCE)表面的電化學(xué)聚合、表征及其應(yīng)用，體現(xiàn)了“合成制備→分析表征→實(shí)際應(yīng)用”的綜合思維模式，使學(xué)生能從各分支學(xué)科的結(jié)合上學(xué)習(xí)解決綜合性問(wèn)題的能力，使學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新意識(shí)得到進(jìn)一步的培養(yǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

掌握氨類(lèi)化合物在碳電極表面的氧化機(jī)制及電化學(xué)方法制備聚苯胺(PAN)的方法和原理，學(xué)習(xí)X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)、紅外光譜(IR)、紫外光譜(UV－vis)及電化學(xué)工作站的工作原理、使用方法及如何根據(jù)這些表征結(jié)果對(duì)PAN的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)以GCE為工作電極，首先采用電化學(xué)氧化法將Tyr通過(guò)C—N鍵共價(jià)鍵合在GCE表面，再采用循環(huán)伏安法進(jìn)行苯胺的電化學(xué)聚合，從而得到Tyr摻雜的PAN復(fù)合膜修飾的GCE(記為PAN－Tyr/GCE)。由于Tyr的摻雜作用，PAN在中性甚至堿性介質(zhì)中仍具有良好的電化學(xué)活性，可用于抗壞血酸(AA)的催化氧化。

3 儀器與試劑

試劑:酪氨酸(Sigma)，苯胺(Sigma)，抗壞血酸(Sigma)，N－甲基吡咯烷酮(NMP，Sigma)，硫酸溶液(pH 1～3)，0.1mol/L乙酸－乙酸鈉緩沖液(pH 4～5)，0.1mol/L磷酸緩沖液(PBS，pH 6～8)以及0.1mol/L硼酸－氫氧化鈉緩沖液(pH 9.0)。

儀器:Nicolet 520紅外光譜儀;CARY 400 UV－Vis光譜儀。XPS實(shí)驗(yàn)在ESCALAB－MKⅡ(VG Co.，UK)上進(jìn)行;電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在CHI600B(USA)電化學(xué)工作站上進(jìn)行。工作電極為GCE (d=3.0mm)及PAN－Tyr/GCE，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，盤(pán)狀鉑絲(Pt)為對(duì)電極。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將GCE依次用0.5、0.03μm的氧化鋁濕粉拋光，分別放入乙醇、二次蒸餾水中超聲清洗各2分鐘。將拋光至鏡面的GCE置于Tyr(0.001mol/L)的乙腈溶液中(ACN，含有0.1mol/L NaClO4)，用循環(huán)伏安法以20mV/s掃速在0.50～1.70V范圍內(nèi)掃描4圈(圖1(A))。由圖1(A)可知，在ACN溶液中，Tyr發(fā)生不可逆氧化過(guò)程，氧化峰電位為1.30V，沒(méi)有還原峰出現(xiàn)，表明氧化產(chǎn)物緊接著進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)［1－2］。Tyr中的氨基先失去一個(gè)電子生成氨陽(yáng)離子自由基，緊接著氨陽(yáng)離子自由基與碳電極表面形成C—N鍵，從而將Tyr共價(jià)鍵合在GCE表面。Tyr的氧化峰電流隨著掃描圈數(shù)的增加而降低，表明Tyr在電極表面的鍵合過(guò)程。當(dāng)掃至第4圈時(shí)，氧化峰電流基本不再降低，表明修飾過(guò)程結(jié)束。作為一種單胺，Tyr在GCE表面的氧化鍵合過(guò)程機(jī)制見(jiàn)圖2。

圖1 循環(huán)伏安圖

為了考察Tyr在電極表面的修飾及覆蓋量，可采用XPS和電化學(xué)方法對(duì)Tyr/GCE進(jìn)行表征。圖3為T(mén)yr/GCE表面N(1s)的吸收峰，表明Tyr確實(shí)修飾在GCE的表面，而位于398.8eV處的N(1s)最大吸收峰表明Tyr中的N以C—N鍵合的形式存在［1－2］。另外，從Tyr/GCE在空白介質(zhì)(ACN，0.1mol/L LiClO4)中的還原伏安圖(圖1(B))也可以確證Tyr在GCE表面的修飾。如果Tyr已經(jīng)修飾在電極表面，那么就應(yīng)該能看到它的還原過(guò)程，并且可以根據(jù)還原峰的面積來(lái)求出修飾在電極表面的覆蓋量。圖1(B)顯示Tyr/GCE在空白介質(zhì)中于－0.70V有一良好的還原峰，對(duì)應(yīng)于修飾在電極表面的氨基的還原過(guò)程。根據(jù)GCE的面積，可以計(jì)算出修飾在電極表面的Tyr的覆蓋量為2.4×10－10mol/cm2，近似于單層覆蓋［3］。

圖2 Tyr在GCE表面的修飾過(guò)程

圖3 Tyr/GCE的XPS表征

4.2 PAN的制備及表征

4.2.1 PAN的制備

將Tyr/GCE置于含有0.05mol/L苯胺的H2SO4溶液(0.5mol/L)中，用循環(huán)伏安法以100mV/s掃速?gòu)模?.10V到0.95V循環(huán)掃描30分鐘。取出并清洗后，將修飾后的電極置于僅含有0.5mol/L H2SO4的空白介質(zhì)中以同樣的方法循環(huán)掃描3圈，使膜內(nèi)外吸附的苯胺單體進(jìn)一步聚合。取出、清洗后，即得到聚合在Tyr/GCE表面的PAN膜(記為PAN－Tyr/GCE)。將其置于0.1mol/L PBS(pH 6.8)溶液中，于4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

4.2.2 PAN的表征

4.2.2.1 PAN的IR表征

電極表面的PAN膜呈深綠色，表面光滑，厚度均勻。先將電極表面的PAN溶于NMP中，然后將溶解有PAN的NMP溶液滴到KBr片上，進(jìn)行紅外測(cè)定(圖4)。其中，位于4000～2000cm－1之間的寬峰表明在導(dǎo)電聚合物中自由電子的傳遞［4］;位于3454.3cm－1處的寬峰為N—H的伸縮振動(dòng)［5］;位于1565.7和1478.6cm－1處的峰分別為苯(環(huán))型和苯醌型結(jié)構(gòu)的伸縮振動(dòng)［5］;位于1298.1cm－1處C—H峰常用來(lái)估價(jià)聚合物中電子傳遞的特性，所以該處的強(qiáng)吸收表示共聚物有較好的導(dǎo)電性，這與4000～2000cm－1之間的表示電子傳遞的寬峰一致［6］;位于1125.8cm－1和813.0cm－1處的峰表示聚合物鏈中的苯環(huán)存在1，4－二取代和1，2，4－三取代結(jié)構(gòu)，這表示苯胺在聚合時(shí)是頭－尾相接的結(jié)構(gòu)［7］。4.2.2.2 PAN的UV-Vis表征

國(guó)有建設(shè)用地使用權(quán)網(wǎng)上交易監(jiān)管體系建設(shè)的探索實(shí)踐（葉賀炯等） ...........................................................5-19

圖5為PAN的NMP溶液的UV－Vis光譜。由圖5可以看出，對(duì)應(yīng)于334.4nm處的峰為PAN的π－π*躍遷，對(duì)應(yīng)于638.8nm處的峰為PAN結(jié)構(gòu)(圖6)中苯－苯(1A)和苯－醌(2A)結(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)換。

4.3 Tyr摻雜PAN的電化學(xué)活性

圖7為PAN－Tyr/GCE在不同pH緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖。由圖7可以看出，在強(qiáng)酸性介質(zhì)中(pH 1)，PAN呈現(xiàn)3對(duì)氧化還原波。其中位于0.19V和0.65V處的兩對(duì)峰分別對(duì)應(yīng)于LEB/EB和EB/PNB的氧化還原轉(zhuǎn)變，而位于中間的一對(duì)峰是由PAN鏈的不完整性/缺陷造成的［8］。隨著溶液pH增加(pH 3)，中間的一對(duì)峰基本消失。當(dāng)pH≥5時(shí)，位于0.19V和0.65V的兩對(duì)峰“合并”為一對(duì)峰，對(duì)應(yīng)于LEB/PNB的氧化還原，這是由于EB/PNB的氧化還原反應(yīng)受pH的影響很大。當(dāng)緩沖溶液的pH增至9時(shí)，仍可以看到PAN的氧化還原行為。由此可知，該Tyr摻雜的PAN在很寬的pH范圍內(nèi)有良好的電化學(xué)活性，為其進(jìn)一步在實(shí)際中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。PAN在中性甚至弱堿性介質(zhì)中良好的電化學(xué)活性主要是由于Tyr摻雜: Tyr分子中的羧酸基團(tuán)可在聚合物內(nèi)部形成局部的酸堿平衡，這種平衡具有很好的穩(wěn)定性，可使其在一定pH范圍的介質(zhì)中保持穩(wěn)定，因而可使PAN的導(dǎo)電性基本不受外部介質(zhì)酸堿度的影響，從而使其在很寬的pH范圍內(nèi)都有電化學(xué)活性。

圖4 PAN的IR光譜圖

圖5 PAN的UV-Vis光譜圖

4.4 AA在PAN-Tyr/GCE上的電催化氧化

圖8(A)為AA(5×10－4mol/L)分別在GCE(a)，PAN－Tyr/GCE(b)和Tyr/GCE(c)上的循環(huán)伏安圖。由圖8(A)可知，在 GCE電極上，AA的氧化峰電位位于0.58V(Ep－Ep/2= 0.19V)，峰電流為11.2μA;而在PAN－Tyr/GCE上，AA呈現(xiàn)一尖銳的氧化峰，峰電位負(fù)移到0.35V(Ep－Ep/2=0.08V)，峰電流(25μA)明顯增加。電流的增加和氧化過(guò)電位的負(fù)移(0.23V)表明PAN－Tyr/GCE對(duì)AA的氧化有催化作用，加快了AA在PAN－Tyr/GCE上的電子轉(zhuǎn)移速率，改善了AA與電極之間電子轉(zhuǎn)移的可逆性。圖8(B)及其內(nèi)插圖分別為不同濃度AA在PAN－Tyr/GCE上的循環(huán)伏安圖及AA的氧化峰電流與其濃度之間的線(xiàn)性關(guān)系。由圖8(B)可以看到，隨著 AA濃度增加，其氧化峰電流也線(xiàn)性增加，線(xiàn)性范圍為2.5×10－4～1.5×10－3mol/L，工作曲線(xiàn)為ip，a=－4.13+51200c，相關(guān)系數(shù)為0.999。

圖6 PAN的結(jié)構(gòu)圖

圖7 循環(huán)伏安圖

圖8 循環(huán)伏安圖

5 思考題

①目前，對(duì)GCE的修飾常采用直接涂敷法和電化學(xué)聚合法，而本實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)方法將含氨類(lèi)化合物通過(guò)C—N鍵共價(jià)固載在電極表面，形成一個(gè)牢固的分子單層。讓學(xué)生結(jié)合氨類(lèi)化合物的氧化特點(diǎn)來(lái)解釋其在電極表面的修飾機(jī)制。

②PAN通常在酸性介質(zhì)中(pH≤3)才具有電化學(xué)活性，這大大限制了PAN的應(yīng)用，尤其是在生物分析中的應(yīng)用。為了拓寬PAN的應(yīng)用范圍，研究者采用多種方法制得了摻雜態(tài)PAN。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可讓學(xué)生廣泛查閱文獻(xiàn)，了解摻雜態(tài)PAN的多種制備方法以及本實(shí)驗(yàn)使用的摻雜方法的優(yōu)點(diǎn)。

③本實(shí)驗(yàn)以AA為靶物，考察了PAN修飾電極的實(shí)際應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還可讓學(xué)生對(duì)有關(guān)PAN的文獻(xiàn)資料進(jìn)行檢索，了解PAN的多種用途，使其對(duì)PAN這類(lèi)實(shí)用的聚合物有全面的認(rèn)識(shí)。

本實(shí)驗(yàn)既涉及有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)及結(jié)構(gòu)化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的某些基本理論知識(shí)，可以使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中綜合復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)知識(shí);同時(shí)又用了多種大型儀器，以增加學(xué)生對(duì)各種現(xiàn)代化儀器的認(rèn)知能力和操作能力。此實(shí)驗(yàn)在我?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課程中已進(jìn)行了5年實(shí)踐，效果良好。

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* 通訊聯(lián)系人，E－mail:chemzl@shnu.edu.cn