L-半胱氨酸電化學(xué)組裝膜的研究

韓繼紅， 王春濤， 趙永祥

(1.山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原 030006;2.太原師范學(xué)院化學(xué)系，山西太原 030031)

L-半胱氨酸電化學(xué)組裝膜的研究

韓繼紅1， 王春濤2， 趙永祥1

(1.山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原 030006;2.太原師范學(xué)院化學(xué)系，山西太原 030031)

通過(guò)循環(huán)伏安法將L-半胱氨酸電化學(xué)組裝到銅電極上，用交流阻抗法和循環(huán)伏安法研究了循環(huán)掃描周數(shù)以及組裝時(shí)間與峰電流的關(guān)系，并研究了掃描速度對(duì)L-半胱氨酸膜的影響，結(jié)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(shuō)明L-半胱氨酸在銅電極上的電化學(xué)組裝過(guò)程受擴(kuò)散控制。

L-半胱氨酸;銅電極;電化學(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性［分子中含有巰基-(SH)］，能夠組裝到金屬表面，制成化學(xué)修飾電極。文獻(xiàn)曾報(bào)道了L-半胱氨酸組裝到金表面的形成過(guò)程、結(jié)構(gòu)和性質(zhì):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(shù)研究了氣相L-半胱氨酸沉積在Au(111)晶面上形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)的低能量振動(dòng)模型;Nozawa等［3］用原位掃描隧道顯微技術(shù)研究了L-半胱氨酸組裝到Au(111)晶面的結(jié)構(gòu);楊海峰等［4］運(yùn)用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)考察了L-Cys單分子膜的穩(wěn)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(jī)理，并建立了電催化氧化測(cè)定抗壞血酸的實(shí)驗(yàn)條件，而L-半胱氨酸組裝到其他金屬表面的研究較少。銅價(jià)格便宜而且工業(yè)上應(yīng)用廣泛，因此本文選擇金屬銅作為基底，采用電化學(xué)方法將L-半胱氨酸組裝到銅電極上，得到穩(wěn)定的組裝膜，并進(jìn)一步研究了膜的電化學(xué)性質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)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(shù)有限責(zé)任公司);抗壞血酸w為99.7﹪，(天津市光復(fù)精細(xì)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(shí)驗(yàn)用水為三次去離子水。

1.2 電化學(xué)儀器

上海辰華儀器有限公司的CHI660B電化學(xué)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(huán)氧樹(shù)脂密封，每次實(shí)驗(yàn)前將電極依次用500#、600#、2 000#號(hào)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(duì)電極。所有電化學(xué)測(cè)試均在三室電解池中進(jìn)行。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

L-Cys銅電極電化學(xué)組裝膜的制備:將電極打磨好，用無(wú)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(wú)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(shù)進(jìn)行循環(huán)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(xué)組裝膜。

L-Cys電化學(xué)組裝膜電極在緩沖液中的循環(huán)伏安和交流阻抗測(cè)定:將L-Cys電化學(xué)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(huán)伏安圖。交流阻抗測(cè)試選擇振幅為5mV的正弦微擾信號(hào)，在1Hz～100kHz的頻率范圍內(nèi)自高頻向低頻范圍內(nèi)掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 L-Cys/Cu電極的電化學(xué)性質(zhì)

圖1為裸銅電極和L-Cys電化學(xué)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(huán)伏安圖，實(shí)驗(yàn)表明，裸銅電極在緩沖液中，于-0.4～0.4V間出現(xiàn)了明顯的氧化還原峰，而L-Cys/Cu電極在此電位區(qū)間內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)氧化還原峰，背景電流降低，這是因?yàn)長(zhǎng)-半胱氨酸通過(guò)Cu-S鍵結(jié)合到銅表面形成了穩(wěn)定的電化學(xué)組裝膜，降低了電極表面和緩沖溶液間的電子轉(zhuǎn)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(xù)掃描周數(shù)與膜致密性的關(guān)系

圖2是銅電極在pH為6.86的L-半胱氨酸溶液中電化學(xué)組裝時(shí)的連續(xù)循環(huán)伏安圖，由圖可以看出，當(dāng)電位在 -0.4～0.4V 范圍內(nèi)掃描時(shí)，在大約-0.02V左右出現(xiàn)一氧化峰(對(duì)應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)方程式為:Cu-2e-→Cu2+)，在大約 -0.33V左右出現(xiàn)一還原峰［對(duì)應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)方程式為:2HOOCCH(NH2)CH2SH+2e-→2HOOCCH(NH2)CH2S-+H2］，根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)［7-8］可推知，L-Cys電化學(xué)組裝到銅表面時(shí)，S-H鍵與Cu的作用機(jī)理為:HOOCCH(NH2)CH2SH+Cu→HOOCCH(NH2)CH2S-Cu+1/2H2。還可以觀察到，第一周時(shí)氧化峰和還原峰都較高，但當(dāng)掃描第二周時(shí)兩峰都明顯減小，掃描到第三周時(shí)峰更小，掃到第四周以后變化不明顯(實(shí)驗(yàn)掃描四周以后連續(xù)增加掃描周數(shù)，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(wěn)定。這說(shuō)明隨著掃描周數(shù)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(zhuǎn)移速率，使峰電流逐漸降低，掃到第三周時(shí)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(shí)組裝到電極表面的L-半胱氨酸的量已達(dá)到飽和。

圖2 銅電極在L-Cys溶液中連續(xù)掃描4周的CV圖

為進(jìn)一步檢測(cè)膜的致密性，將掃描不同周數(shù)制得的電化學(xué)組裝膜電極放入pH為6.86的緩沖溶液中，再用循環(huán)伏安法和交流阻抗法測(cè)定。由圖3的CV圖可以觀察到-0.03V附近出現(xiàn)一氧化峰電流，-0.27V附近出現(xiàn)一陰極峰。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)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(fù)雜化合物Cu(OH)X而產(chǎn)生的，-0.27V附近的還原峰電流對(duì)應(yīng)著銅氧化物或銅的復(fù)雜化合物的還原。同時(shí)可以看到，隨著掃描周數(shù)的增加，峰電流逐漸降低，這是因?yàn)楹袔€基的L-半胱氨酸分子能夠通過(guò)Cu-S鍵結(jié)合到銅表面，形成穩(wěn)定的組裝膜，掃描周數(shù)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(zhuǎn)移速率，使峰電流逐漸降低。

圖3 掃描不同周數(shù)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(shù)的增加，交流阻抗譜的半經(jīng)逐漸增加，說(shuō)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(shù)的增加而增加，這與圖3得出的結(jié)論相一致。

圖4 不同掃描周數(shù)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(xué)組裝膜與組裝時(shí)間的關(guān)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(nèi)分別以10.1和0.1mV/s的掃描速率循環(huán)伏安掃描一圈，電化學(xué)組裝時(shí)間分別為0.16、1.6 和16ks，然后取出進(jìn)行循環(huán)伏安法測(cè)定，如圖5所示，結(jié)果表明隨著組裝時(shí)間的增加，響應(yīng)電流逐漸降低，膜的致密性逐漸增強(qiáng)，這可能是由于隨著組裝時(shí)間的增大，組裝到電極表面的半胱氨酸量逐漸達(dá)到飽和，形成致密的單分子膜，如果組裝時(shí)間繼續(xù)增大，已組裝的L-Cys分子中荷正電的氨基與荷負(fù)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(chǎn)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(shí)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(xué)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(xué)組裝t為160s的膜電極呈現(xiàn)出不同的電化學(xué)行為，其陰極峰電位還出現(xiàn)在-0.27V附近，與圖3相同，不過(guò)-0.03V處的氧化峰電流消失，而于+0.06V處出現(xiàn)一響應(yīng)良好的氧化峰電流，并且其后(+0.29V左右)還出現(xiàn)了一小峰電流。估計(jì)出現(xiàn)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(shí)伴隨著吸附的半胱氨酸的氧化脫附，這說(shuō)明組裝t越短，銅電極表面形成的L-半胱氨酸電化學(xué)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(zhì)量，由圖6可見(jiàn)，在pH=6.86的緩沖溶液中，L-半胱氨酸電化學(xué)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(shí)間的增大，阻抗譜半徑也逐漸增大，即L-半胱氨酸電化學(xué)組裝膜對(duì)電荷傳輸有阻礙作用，同時(shí)也說(shuō)明致密性越好阻礙作用越大。因此可得到組裝時(shí)間和膜致密性的關(guān)系，即在一定時(shí)間內(nèi)，組裝時(shí)間越長(zhǎng)，膜越致密。

圖6 不同組裝時(shí)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(duì)氧化峰電流的影響

富集160s時(shí)，在0.1～10mV 的電壓下，以不同的掃描速度進(jìn)行掃描，做氧化峰峰電流(IP)與掃描速度的關(guān)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(guān)系，其線性方程為 Y=-0.008 43+0.054 603c，相關(guān)系數(shù) r=99.1%。說(shuō)明L-半胱氨酸在銅電極上的電化學(xué)反應(yīng)受擴(kuò)散控制［11］。

圖7 IP與υ1/2的關(guān)系

3 結(jié)論

通過(guò)電化學(xué)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(huán)伏安法對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)表征，發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)掃描周數(shù)的增加，伏安圖上相應(yīng)峰電流不斷減小，3周時(shí)峰電流降低幅度減慢，掃至4周時(shí)峰電流趨于穩(wěn)定。并研究了峰電流與組裝時(shí)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著組裝時(shí)間的增加，峰電流逐漸減小。同時(shí)研究了不同掃描速度下L-半胱氨酸電化學(xué)組裝到銅電極上的循環(huán)伏安圖，結(jié)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(shuō)明L-半胱氨酸在銅電極上的電化學(xué)組裝過(guò)程受擴(kuò)散控制。

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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(kāi)發(fā)項(xiàng)目(200611039)