氨基酸化學修飾電極的制備及其應用

王春燕，李云輝，田堅

（1.吉林工程技術師范學院 食品工程學院，長春 130052；2.長春理工大學，長春 130022）

化學修飾電極通過人為地對電極表面進行分子設計，將具有優良化學性質的分子、離子和聚合物等固定在電極表面，使電極具有特定的化學和電化學性質，在其上可進行所期望的反應［1］。化學修飾電極豐富了電化學的電極材料，擴展了電化學的應用范圍。其中氨基酸化學修飾電極因其電化學響應大，穩定性好且制備簡單，引起了人們廣泛的研究興趣，發展非常迅速。本文對氨基酸化學修飾電極的研究現狀和最新進展進行了簡要論述。

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

1 氨基酸化學修飾電極的制備

目前氨基酸化學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）膜法和電化學聚合法。

1.1 SA膜法

SA膜是使用含有各種活性官能團（如-COOH、-SH、-S-S、-OH、-CN等）的分子，以化學鍵形式與相應的基底（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活性，同時含有活潑的巰基（-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。動力學研究表明［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，在較短的時間內，膜的自組裝就可完成80%～90%，這一過程受半胱氨酸活性基團與金電極表面的反應速度控制；膜自組裝完成時間與半胱氨酸的濃度有關，濃度越大，組裝越快。第二步為表面膜的重組過程，即從無序排列到規則排列，形成二維薄膜，這一過程時間較長，與組裝膜的混亂度，鏈上不同基團在金電極表面的移動性能有關。這兩步反應都是放熱反應。Au-S化學鍵的鍵能大約為177KJ/mol，這種強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越性：一是抗干擾能力強，很少有其它基團能與之競爭，因而保證了這種吸附的選擇性；二是修飾膜的穩定性良好，不易被水和有機溶劑溶解洗脫，對酸和堿有較強的抵抗能力［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溶液中進行電化學循環掃描，可制得銅卟啉/半胱氨酸復合膜修飾電極［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/半胱氨酸復合膜修飾電極［7］。

1.2 電化學聚合法

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

目前已報道的用于電化學聚合法制備化學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。同時還可以摻雜、共聚其他物質，如以多壁碳納米管作為摻雜劑，在玻碳電極上通過電化學聚合的方法可制備聚半胱氨酸/多壁碳納米管復合膜修飾電極［8］。摻雜Ni（II）后的脯氨酸［9］和組氨酸［10］復合膜修飾電極對甲醛的氧化均有一定的催化活性。

2 氨基酸化學修飾電極的應用

氨基酸化學修飾電極制備簡單，穩定性好，選擇性和靈敏度高，在金屬離子、有機污染物及生物樣品分析等方面顯示了獨特的優越性，近年來倍受青睞。

2.1 研究電化學催化機理

不同的氨基酸化學修飾電極在測定不同的物質時，其催化機理是不同的。例如，半胱氨酸修飾金電極可檢測痕量Cu2+，是因為半胱氨酸與Cu2+有較強的螯合作用［11］。同樣，組氨酸分子中側鏈咪唑環上的吡啶氮和氨基上的氮以及羰基氧均與Cu2+有較強的螯合作用，因此組氨酸修飾金電極可用于測定Cu2+，通過戊二醛偶聯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動靈活度，更加有效地配位結合Cu2+［12］。

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

利用原子力顯微鏡對聚谷氨酸修飾電極進行表征，發現聚谷氨酸以納米纖維狀的三維結構吸附在玻碳電極表面，這種網狀結構在溶液中很容易膨脹，非常有利于檢測物的電子傳輸［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，反掃時沒有觀察到明顯的還原峰，說明甘氨酸的氨基失去一個電子變成相應的陽離子自由基，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，擴散速率和立體效應是影響它們在玻碳電極上固定的最重要的因素［15］。

2.2 金屬離子及有機污染物檢測

利用半胱氨酸修飾金電極檢測河水和海水中痕量Cu2+，檢出限達到 3.9×1010mol/L［16］。半胱氨酸修飾金電極對Se（IV）具有明顯的電催化作用，利用線性掃描伏安法對Se（IV）進行定量檢測，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定［17］。此外，半胱氨酸修飾銀電極可用于Zn2+測定［18］。聚賴氨酸/聚苯乙烯磺酸鈉復合膜修飾汞電極可以檢測河水中痕量Cu2+、Pb2+、Cd2+，不受有機污染物的影響。

半胱氨酸修飾金電極可用于有機污染物的測定，如對酚類（對氨基酚、鄰苯二酚、對苯二酚、米吐爾等）的測定，方法靈敏、準確，靈敏度高，可用于實際樣品測定。聚賴氨酸修飾玻碳電極可用于測定三嗪染料活性藍F3GA［19］及 4-硝基苯酚［20］。

2.3 生物樣品分析

目前關于氨基酸化學修飾電極測定多巴胺和腎上腺素的報道較多。如利用恒電位聚合法在石墨充蠟電極表面共價鍵合單分子層谷氨酸，制備聚L-谷氨酸/石墨充蠟修飾電極，可用于多巴胺的測定［21］。聚半胱氨酸/多壁碳納米管復合膜修飾電極用于多巴胺的測定，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呈現良好的線性關系，其可能的催化機理為：二茂鐵在此反應體系中作為電子媒介體催化腎上腺素氧化為腎上腺素醌，然后還原態的二茂鐵在電極上氧化，產生的氧化峰電流隨著腎上腺素濃度的增大而增大，氧化態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可測定腎上腺素，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測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細胞色素C、肌紅蛋白和血紅蛋白的氧化還原都有促進作用［25］。聚甘氨酸修飾電極可以增強鳥嘌呤和8-羥基脫氧鳥嘌呤核苷在電極表面的吸附，同時加快二者在電極表面的電子傳輸，用該電極同時檢測鳥嘌呤和8-羥基脫氧鳥嘌呤核苷，靈敏度大大提高［26］。戊二醛偶聯聚賴氨酸修飾玻碳電極可用于檢測藥物中碘化物，通過在-0.8 V富集皰疹凈，可間接檢測尿中皰疹凈的含量［27］；戊二醛偶聯聚谷氨酸修飾玻碳電極可用于尿中阿莫西林的檢測［28］。聚絲氨酸修飾電極對酪氨酸和雌二酮有明顯的電催化作用，可實現對二者的靈敏檢測［29］。在聚色氨酸修飾電極上，利用示差脈沖伏安法和循環伏安法分別對鹽酸氨溴索［30］和氧氟沙星［31］進行了測定，具有檢測范圍寬，檢測限低等特點。

3 結論與展望

綜上所述，氨基酸具有特定結構和功能，展示出豐富多彩的表面和界面性質，通過對電極材料的表面修飾，為構建新型的化學修飾電極提供了新的途徑。關于氨基酸化學修飾電極的研究和應用越來越多。

氨基酸化學修飾電極的研究和應用取得了一些成果，但也存在一定的局限性，如目前測定的物質種類有限，主要集中在一些電活性小分子或離子，對更多的目標物質進行測定是今后研究的方向；同時氨基酸化學修飾電極應用于實際樣品的分析仍然有一定困難，也是今后研究的一個方向；另外，怎樣進一步提高氨基酸化學修飾電極的活性、穩定性，并更好地排除干擾物質的影響，也是今后研究的一個方向。在未來的發展中，學科之間的交叉、聯合趨勢更加明顯，如何使氨基酸化學修飾電極與其它方法相結合，實現更加方便、快速地在線分析或現場分析也是其研究方向之一。

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