L-半胱氨酸電化學組裝膜的研究

韓繼紅， 王春濤， 趙永祥

(1.山西大學化學化工學院，山西太原 030006;2.太原師范學院化學系，山西太原 030031)

L-半胱氨酸電化學組裝膜的研究

韓繼紅1， 王春濤2， 趙永祥1

(1.山西大學化學化工學院，山西太原 030006;2.太原師范學院化學系，山西太原 030031)

通過循環伏安法將L-半胱氨酸電化學組裝到銅電極上，用交流阻抗法和循環伏安法研究了循環掃描周數以及組裝時間與峰電流的關系，并研究了掃描速度對L-半胱氨酸膜的影響，結果表明L-半胱氨酸膜的氧化峰電流與掃描速度的平方根成正比，說明L-半胱氨酸在銅電極上的電化學組裝過程受擴散控制。

L-半胱氨酸;銅電極;電化學組裝膜

引 言

L-半胱氨酸(L-Cys)是一種含有巰基的重要氨基酸，利用其特殊的化學結構和化學活性［分子中含有巰基-(SH)］，能夠組裝到金屬表面，制成化學修飾電極。文獻曾報道了L-半胱氨酸組裝到金表面的形成過程、結構和性質:Cossaro等［1］研究了氣相L-半胱氨酸沉積Au(110)晶面的電子和幾何特征;Renzi等［2］利用X-射線光電子能譜等技術研究了氣相L-半胱氨酸沉積在Au(111)晶面上形成氫鍵網絡的低能量振動模型;Nozawa等［3］用原位掃描隧道顯微技術研究了L-半胱氨酸組裝到Au(111)晶面的結構;楊海峰等［4］運用表面增強拉曼光譜技術考察了L-Cys單分子膜的穩定性和致密性;傅崇崗等［5］探討了自組裝L-半胱氨酸雙層膜的形成條件和機理，并建立了電催化氧化測定抗壞血酸的實驗條件，而L-半胱氨酸組裝到其他金屬表面的研究較少。銅價格便宜而且工業上應用廣泛，因此本文選擇金屬銅作為基底，采用電化學方法將L-半胱氨酸組裝到銅電極上，得到穩定的組裝膜，并進一步研究了膜的電化學性質。

1 實驗部分

1.1 試劑和溶液

磷酸氫二鈉(天津市化工試劑六廠);磷酸二氫鉀，(北京紅星化工廠);L-半胱氨酸 w(L-Cys)≥98.5﹪(北京奧博生物技術有限責任公司);抗壞血酸w為99.7﹪，(天津市光復精細化工研究所)。

0.2 mol/L磷酸氫二鈉-磷酸二氫鉀(pH=6.86)的緩沖溶液;1.0 mmol/L(pH 為 6.86)L-半胱氨酸溶液;實驗用水為三次去離子水。

1.2 電化學儀器

上海辰華儀器有限公司的CHI660B電化學工作站。三電極體系:Cu電極為工作電極，由A=26mm2、w(Cu)為99%紫銅棒制成，環氧樹脂密封，每次實驗前將電極依次用500#、600#、2 000#號水砂紙打磨至鏡面光亮;飽和甘汞電極為參比電極，鉑片為對電極。所有電化學測試均在三室電解池中進行。

1.3 實驗方法

L-Cys銅電極電化學組裝膜的制備:將電極打磨好，用無水乙醇和三次去離子水清洗，然后在6 mol/L HNO3溶液中浸泡15s，依次盡可能快地在三次去離子水和無水乙醇中浸洗2次，將電極放入1.0mmol/L(pH 為 6.86)L-半胱氨酸溶液中，在-0.4～0.4V電位之間以不同的掃描速率和不同的掃描周數進行循環伏安(CV)掃描，并且記錄CV圖。將處理好的電極用三次去離子水清洗，再用乙醇清洗待干，即制得L-Cys銅電極電化學組裝膜。

L-Cys電化學組裝膜電極在緩沖液中的循環伏安和交流阻抗測定:將L-Cys電化學組裝膜電極放入0.2 mol/L(pH=6.86)的緩沖溶液中，在 -0.4～0.4V間，以0.01 V/s的掃描速率記錄循環伏安圖。交流阻抗測試選擇振幅為5mV的正弦微擾信號，在1Hz～100kHz的頻率范圍內自高頻向低頻范圍內掃描。

2 結果與討論

2.1 L-Cys/Cu電極的電化學性質

圖1為裸銅電極和L-Cys電化學組裝膜銅電極(L-Cys/Cu)分別放入緩沖溶液(pH=6.86)中，在-0.4～0.4V 間，以 0.01 V/s的掃描速率記錄的循環伏安圖，實驗表明，裸銅電極在緩沖液中，于-0.4～0.4V間出現了明顯的氧化還原峰，而L-Cys/Cu電極在此電位區間內沒有出現氧化還原峰，背景電流降低，這是因為L-半胱氨酸通過Cu-S鍵結合到銅表面形成了穩定的電化學組裝膜，降低了電極表面和緩沖溶液間的電子轉移速率［6］。

圖1 銅電極和L-Cys/Cu電極在磷酸緩沖液中的CV圖

2.2 連續掃描周數與膜致密性的關系

圖2是銅電極在pH為6.86的L-半胱氨酸溶液中電化學組裝時的連續循環伏安圖，由圖可以看出，當電位在 -0.4～0.4V 范圍內掃描時，在大約-0.02V左右出現一氧化峰(對應的電化學反應方程式為:Cu-2e-→Cu2+)，在大約 -0.33V左右出現一還原峰［對應的電化學反應方程式為:2HOOCCH(NH2)CH2SH+2e-→2HOOCCH(NH2)CH2S-+H2］，根據相關的文獻［7-8］可推知，L-Cys電化學組裝到銅表面時，S-H鍵與Cu的作用機理為:HOOCCH(NH2)CH2SH+Cu→HOOCCH(NH2)CH2S-Cu+1/2H2。還可以觀察到，第一周時氧化峰和還原峰都較高，但當掃描第二周時兩峰都明顯減小，掃描到第三周時峰更小，掃到第四周以后變化不明顯(實驗掃描四周以后連續增加掃描周數，峰電流都不變，圖2顯示的是掃描一至四周的 CV圖)，幾乎趨于穩定。這說明隨著掃描周數的增加，電極表面組裝的L-半胱氨酸量逐漸增加，膜的致密性逐漸增加，降低了電極表面和溶液界面的電子轉移速率，使峰電流逐漸降低，掃到第三周時峰電流最小，掃到第四周以后，峰電流一直不變，由此推論，可能是由于掃到第三周時組裝到電極表面的L-半胱氨酸的量已達到飽和。

圖2 銅電極在L-Cys溶液中連續掃描4周的CV圖

為進一步檢測膜的致密性，將掃描不同周數制得的電化學組裝膜電極放入pH為6.86的緩沖溶液中，再用循環伏安法和交流阻抗法測定。由圖3的CV圖可以觀察到-0.03V附近出現一氧化峰電流，-0.27V附近出現一陰極峰。根據文獻報道［9-10］可以得出，-0.03V附近的還原峰電流是由于溶液的OH-吸附到銅電極表面形成了銅的氧化物CuO或銅的復雜化合物Cu(OH)X而產生的，-0.27V附近的還原峰電流對應著銅氧化物或銅的復雜化合物的還原。同時可以看到，隨著掃描周數的增加，峰電流逐漸降低，這是因為含有巰基的L-半胱氨酸分子能夠通過Cu-S鍵結合到銅表面，形成穩定的組裝膜，掃描周數越多，膜越致密，從而降低了電極表面和緩沖溶液界面的電子轉移速率，使峰電流逐漸降低。

圖3 掃描不同周數的L-Cys/Cu電極在磷酸緩沖液中CV圖

由圖4的交流阻抗圖譜可知，裸銅的交流阻抗半徑最小，L-Cys/Cu電極隨著掃描周數的增加，交流阻抗譜的半經逐漸增加，說明L-半胱氨酸組裝到銅電極表面，并且組裝到電極表面的L-半胱氨酸量也隨掃描周數的增加而增加，這與圖3得出的結論相一致。

圖4 不同掃描周數的L-Cys/Cu電極在磷酸緩沖液中的交流阻抗譜

2.3 L-半胱氨酸電化學組裝膜與組裝時間的關系

將銅電極浸泡在L-半胱氨酸溶液中，在-0.4～0.4V電位范圍內分別以10.1和0.1mV/s的掃描速率循環伏安掃描一圈，電化學組裝時間分別為0.16、1.6 和16ks，然后取出進行循環伏安法測定，如圖5所示，結果表明隨著組裝時間的增加，響應電流逐漸降低，膜的致密性逐漸增強，這可能是由于隨著組裝時間的增大，組裝到電極表面的半胱氨酸量逐漸達到飽和，形成致密的單分子膜，如果組裝時間繼續增大，已組裝的L-Cys分子中荷正電的氨基與荷負電的羧基可能分別和游離在底液中的L-Cys中的羧基與氨基產生靜電作用及氫鍵作用，從而形成了雙層膜，使膜更致密了。

圖5 不同組裝時間的L-Cys/Cu電極在磷酸緩沖液中的CV圖

由圖5也可看出，電化學組裝1.6和16ks的L-半胱氨酸膜電極的氧化峰電位和還原峰電位的位置同圖3，而電化學組裝t為160s的膜電極呈現出不同的電化學行為，其陰極峰電位還出現在-0.27V附近，與圖3相同，不過-0.03V處的氧化峰電流消失，而于+0.06V處出現一響應良好的氧化峰電流，并且其后(+0.29V左右)還出現了一小峰電流。估計出現兩氧化峰電流的原因可能是由于銅表面氧化物形成的同時伴隨著吸附的半胱氨酸的氧化脫附，這說明組裝t越短，銅電極表面形成的L-半胱氨酸電化學組裝膜越不致密，吸附的少量L-半胱氨酸就越容易氧化脫附。

交流阻抗圖譜從另一角度表明了膜的質量，由圖6可見，在pH=6.86的緩沖溶液中，L-半胱氨酸電化學組裝銅電極較裸銅的阻抗譜半徑明顯增大，并且隨著組裝時間的增大，阻抗譜半徑也逐漸增大，即L-半胱氨酸電化學組裝膜對電荷傳輸有阻礙作用，同時也說明致密性越好阻礙作用越大。因此可得到組裝時間和膜致密性的關系，即在一定時間內，組裝時間越長，膜越致密。

圖6 不同組裝時間的L-Cys/Cu電極在磷酸緩沖液中的交流阻抗譜

2.4 掃描速度對氧化峰電流的影響

富集160s時，在0.1～10mV 的電壓下，以不同的掃描速度進行掃描，做氧化峰峰電流(IP)與掃描速度的關系圖(圖7)，由圖7可知，氧化峰電流隨掃描速度的增加而增加，IP與υ1/2呈線性關系，其線性方程為 Y=-0.008 43+0.054 603c，相關系數 r=99.1%。說明L-半胱氨酸在銅電極上的電化學反應受擴散控制［11］。

圖7 IP與υ1/2的關系

3 結論

通過電化學組裝的方法制備了L-半胱氨酸膜電極，并用交流阻抗法和循環伏安法對其進行電化學表征，發現隨著循環掃描周數的增加，伏安圖上相應峰電流不斷減小，3周時峰電流降低幅度減慢，掃至4周時峰電流趨于穩定。并研究了峰電流與組裝時間的關系，發現隨著組裝時間的增加，峰電流逐漸減小。同時研究了不同掃描速度下L-半胱氨酸電化學組裝到銅電極上的循環伏安圖，結果表明L-半胱氨酸氧化峰電流與掃描速度平方根成正比，說明L-半胱氨酸在銅電極上的電化學組裝過程受擴散控制。

［1］Cossaro A，Terreni S，Cavalleri O，et al.Electronic and geometric characterization of the L-Cysteine paired-row phase on Au(110)［J］.Langmuir，2006，22:11193-11198.

［2］De Renzi V，Lavagnino L，Corradini V，et al.Very Low Energy Vibrational Modes as a Fingerprint of H-Bond Network Formation:L-Cysteine on Au(111)［J］.J.Phys.Chem.C，2008，112:14439-14445.

［3］Xu Q M，Chen W，Nozawa T，et al.New Structure of LCysteine Self-Assembled Monolayer on Au(111):Studies by In Situ Scanning Tunneling Microscopy［J］.Langmuir，2001，17:6203-6206.

［4］馬曉玲，楊海峰，孫曉靖等，金電極上L-半胱氨酸短鏈分子自組裝單層的電化學性能和拉曼光譜研究［J］.化學學報，2007，65(16):1617-1620.

［5］傅崇崗，蘇昌華，單瑞峰.L-半胱氨酸修飾金電極對抗壞血酸的電催化作用及其測定［J］.物理化學學報，2004，32(10):207-210.

［6］顧凱，朱俊杰，陳洪淵.血紅蛋白在L-半胱氨酸微銀修飾電極上的電化學行為［J］.分析化學研究簡報，1999，27(10):1172-1174.

［7］王升富，杜丹，鄒其超.磷鉬鎢雜多酸-L-半胱氨酸微自組裝膜電極的電化學性質［J］.物理化學學報，2001，17(12):1102-1106.

［8］Laibinis P E，Whitesides G M.Self-assembled monolayers of n-alkanethiolates on copper are barrier films that protect the metal against oxidation by air［J］.J.Am.Chem.Soc.，1992，114:9022-9028.

［9］Tudos A J，Vandeberg P J and Johnson D C.Evaluation of EQCM Data from a study of Cysteine Adsorption on Gold Eletrodes in Acidic Media［J］.Anal Chem，1995，67:552-556.

［10］Tudos A Jand Johnson D C.Dissolution of Gold Electrodes in Alkaline Media Containing Cysteine.［J］.Anal Chem，1995，67:557-560.

［11］賈莉，孟娟，張修華，等.L-半胱氨酸自組裝膜修飾電極對對氨基酚電催化氧化及其分析應用［J］.分析科學學報，2003，19(6):507-510.

A Study of L-Cysteine Electrochemical Assembled Films

HAN Ji-hong1，WANG Chun-tao2，ZHAO Yong-xiang1
(1.College of Chemistry＆ Chemical Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China;2.Department of Chemistry，Taiyuan Normal University，Taiyuan 030031，China)

L-cysteine films were electrochemical assembled on copper electrode using cyclic voltammetry technique.The assembly process and property of assembled L-cysteine films were researched with voltammetry and AC impedance methods.Relationships between peak current and cycle number and between peak current and assembly time were investigated.Influence of potential scanning rate on the quality of the assembled L-cysteine film was also studied.Experimental results of the effect of potential scanning rate on the peak current in the assembly process of L-cysteine film showed that oxidation peak current was directly proportional to the square root of the potential scanning rate.This indicates that assembly process of L-cysteine film on copper electrode was diffusion controlled.

L-cysteine;copper electrode;electrochemical assembled film

TG174.46

A

1001-3849(2010)08-0001-04

2010-02-04

2010-04-09

山西省教育廳高校開發項目(200611039)