氨基酸化学修饰电极的制备及其应用

王春燕，李云辉，田坚

（1.吉林工程技术师范学院 食品工程学院，长春 130052；2.长春理工大学，长春 130022）

化学修饰电极通过人为地对电极表面进行分子设计，将具有优良化学性质的分子、离子和聚合物等固定在电极表面，使电极具有特定的化学和电化学性质，在其上可进行所期望的反应［1］。化学修饰电极丰富了电化学的电极材料，扩展了电化学的应用范围。其中氨基酸化学修饰电极因其电化学响应大，稳定性好且制备简单，引起了人们广泛的研究兴趣，发展非常迅速。本文对氨基酸化学修饰电极的研究现状和最新进展进行了简要论述。

氨基酸（除脯氨酸）是带有氨基的有机酸，是生物体的最基本物质，它由一个氨基（-NH2）、一个羧基（-COOH）、一个氢原子和一个R基团所组成：R基团通常是氨基酸的侧链。自然界存在20种氨基酸，这20种氨基酸的侧链在大小、形状、电荷、形成氢键的能力和化学活性方面都存在着差异。因含有氨基和羧基两种官能团，氨基酸具有许多独特的性质［2］。利用化学或电化学方法将各种氨基酸修饰到电极表面，可制成氨基酸化学修饰电极。

1 氨基酸化学修饰电极的制备

目前氨基酸化学修饰电极的制备方法有多种，其中最常用的制备方法是自组装（SA）膜法和电化学聚合法。

1.1 SA膜法

SA膜是使用含有各种活性官能团（如-COOH、-SH、-S-S、-OH、-CN等）的分子，以化学键形式与相应的基底（Au、Ag、Cu、Hg、Pt、Si等）相互作用而形成自组装膜［3］。

半胱氨酸具有良好的电化学活性，同时含有活泼的巯基（-SH），很容易形成Au-S、Ag-S键吸附在金、银电极表面，形成一层有序的单分子修饰层。动力学研究表明［4］：半胱氨酸在金电极表面自组装成膜分两步：第一步为吸附过程，此过程很快，在较短的时间内，膜的自组装就可完成80%～90%，这一过程受半胱氨酸活性基团与金电极表面的反应速度控制；膜自组装完成时间与半胱氨酸的浓度有关，浓度越大，组装越快。第二步为表面膜的重组过程，即从无序排列到规则排列，形成二维薄膜，这一过程时间较长，与组装膜的混乱度，链上不同基团在金电极表面的移动性能有关。这两步反应都是放热反应。Au-S化学键的键能大约为177KJ/mol，这种强的键合作用使得半胱氨酸在金电极表面的吸附有很大的优越性：一是抗干扰能力强，很少有其它基团能与之竞争，因而保证了这种吸附的选择性；二是修饰膜的稳定性良好，不易被水和有机溶剂溶解洗脱，对酸和碱有较强的抵抗能力［5］。

在组装过程中还可伴随掺杂、嵌入等方法的使用，如：将对四甲氧基苯基卟啉滴加在半胱氨酸修饰金电极表面，然后放入含Cu(NO3)2的H2SO4溶液中进行电化学循环扫描，可制得铜卟啉/半胱氨酸复合膜修饰电极［6］。将半胱氨酸修饰金电极浸泡在纳米银溶胶中可制得纳米银/半胱氨酸复合膜修饰电极［7］。

1.2 电化学聚合法

电化学聚合法制备各种氨基酸化学修饰电极简单方便，一般是将氨基酸单体加入到支持电解液中，在电化学氧化的条件下进行聚合。该方法的特点是：电极表面氨基酸薄膜稳定，不易脱落，通过对电化学聚合条件的控制可以决定氨基酸薄膜的厚度。

目前已报道的用于电化学聚合法制备化学修饰电极的氨基酸有：半胱氨酸、赖氨酸、甘氨酸、组氨酸、谷氨酸、精氨酸、脯氨酸、丝氨酸、色氨酸、异白氨酸、天冬氨酸等。同时还可以掺杂、共聚其他物质，如以多壁碳纳米管作为掺杂剂，在玻碳电极上通过电化学聚合的方法可制备聚半胱氨酸/多壁碳纳米管复合膜修饰电极［8］。掺杂Ni（II）后的脯氨酸［9］和组氨酸［10］复合膜修饰电极对甲醛的氧化均有一定的催化活性。

2 氨基酸化学修饰电极的应用

氨基酸化学修饰电极制备简单，稳定性好，选择性和灵敏度高，在金属离子、有机污染物及生物样品分析等方面显示了独特的优越性，近年来倍受青睐。

2.1 研究电化学催化机理

不同的氨基酸化学修饰电极在测定不同的物质时，其催化机理是不同的。例如，半胱氨酸修饰金电极可检测痕量Cu2+，是因为半胱氨酸与Cu2+有较强的螯合作用［11］。同样，组氨酸分子中侧链咪唑环上的吡啶氮和氨基上的氮以及羰基氧均与Cu2+有较强的螯合作用，因此组氨酸修饰金电极可用于测定Cu2+，通过戊二醛偶联的方式将组氨酸修饰到金电极表面，使组氨酸分子与金电极表面有一定的距离，一方面便于减小空间位阻，另一方面可以使被连接的组氨酸分子有合适的空间取向及运动灵活度，更加有效地配位结合Cu2+［12］。

半胱氨酸微银修饰电极对血红蛋白具有明显的电催化作用是因为血红蛋白的电活性中心是辅基血红素中的铁原子，可与半胱氨酸相结合，从而加快血红蛋白和电极间的电子传递速率，促进血红蛋白的氧化还原反应［13］。

利用原子力显微镜对聚谷氨酸修饰电极进行表征，发现聚谷氨酸以纳米纤维状的三维结构吸附在玻碳电极表面，这种网状结构在溶液中很容易膨胀，非常有利于检测物的电子传输［14］。

甘氨酸修饰玻碳电极在磷酸盐缓冲溶液（pH=7.0）中有一不可逆的氧化峰，反扫时没有观察到明显的还原峰，说明甘氨酸的氨基失去一个电子变成相应的阳离子自由基，而这些阳离子自由基在玻碳电极表面形成了碳氮键。这一过程与氨基化合物在玻碳电极上的聚合过程相似，扩散速率和立体效应是影响它们在玻碳电极上固定的最重要的因素［15］。

2.2 金属离子及有机污染物检测

利用半胱氨酸修饰金电极检测河水和海水中痕量Cu2+，检出限达到 3.9×1010mol/L［16］。半胱氨酸修饰金电极对Se（IV）具有明显的电催化作用，利用线性扫描伏安法对Se（IV）进行定量检测，线性范围为1.0×108～ 1.0×106mol/L，检出限为1.0×109mol/L，可用于北芪样品中痕量硒的测定［17］。此外，半胱氨酸修饰银电极可用于Zn2+测定［18］。聚赖氨酸/聚苯乙烯磺酸钠复合膜修饰汞电极可以检测河水中痕量Cu2+、Pb2+、Cd2+，不受有机污染物的影响。

半胱氨酸修饰金电极可用于有机污染物的测定，如对酚类（对氨基酚、邻苯二酚、对苯二酚、米吐尔等）的测定，方法灵敏、准确，灵敏度高，可用于实际样品测定。聚赖氨酸修饰玻碳电极可用于测定三嗪染料活性蓝F3GA［19］及 4-硝基苯酚［20］。

2.3 生物样品分析

目前关于氨基酸化学修饰电极测定多巴胺和肾上腺素的报道较多。如利用恒电位聚合法在石墨充蜡电极表面共价键合单分子层谷氨酸，制备聚L-谷氨酸/石墨充蜡修饰电极，可用于多巴胺的测定［21］。聚半胱氨酸/多壁碳纳米管复合膜修饰电极用于多巴胺的测定，可排除抗坏血酸的干扰，灵敏度高［8］。二茂铁/半胱氨酸修饰电极对肾上腺素有很好的催化作用，峰电流与肾上腺素浓度在较宽的范围内呈现良好的线性关系，其可能的催化机理为：二茂铁在此反应体系中作为电子媒介体催化肾上腺素氧化为肾上腺素醌，然后还原态的二茂铁在电极上氧化，产生的氧化峰电流随着肾上腺素浓度的增大而增大，氧化态的二茂铁立即又被肾上腺素还原，所以在肾上腺素存在下，二茂铁/半胱氨酸修饰电极的氧化电流增大，还原电流减小［22］。聚赖氨酸修饰电极在抗坏血酸共存时可测定肾上腺素，具有良好的灵敏度、选择性，已用于针剂样品分析［23］。聚精氨酸修饰电极可以在大量抗坏血酸和尿酸存在下同时测定多巴胺和肾上腺素，选择性好［24］。

此外，组氨酸修饰银电极对细胞色素C、肌红蛋白和血红蛋白的氧化还原都有促进作用［25］。聚甘氨酸修饰电极可以增强鸟嘌呤和8-羟基脱氧鸟嘌呤核苷在电极表面的吸附，同时加快二者在电极表面的电子传输，用该电极同时检测鸟嘌呤和8-羟基脱氧鸟嘌呤核苷，灵敏度大大提高［26］。戊二醛偶联聚赖氨酸修饰玻碳电极可用于检测药物中碘化物，通过在-0.8 V富集疱疹净，可间接检测尿中疱疹净的含量［27］；戊二醛偶联聚谷氨酸修饰玻碳电极可用于尿中阿莫西林的检测［28］。聚丝氨酸修饰电极对酪氨酸和雌二酮有明显的电催化作用，可实现对二者的灵敏检测［29］。在聚色氨酸修饰电极上，利用示差脉冲伏安法和循环伏安法分别对盐酸氨溴索［30］和氧氟沙星［31］进行了测定，具有检测范围宽，检测限低等特点。

3 结论与展望

综上所述，氨基酸具有特定结构和功能，展示出丰富多彩的表面和界面性质，通过对电极材料的表面修饰，为构建新型的化学修饰电极提供了新的途径。关于氨基酸化学修饰电极的研究和应用越来越多。

氨基酸化学修饰电极的研究和应用取得了一些成果，但也存在一定的局限性，如目前测定的物质种类有限，主要集中在一些电活性小分子或离子，对更多的目标物质进行测定是今后研究的方向；同时氨基酸化学修饰电极应用于实际样品的分析仍然有一定困难，也是今后研究的一个方向；另外，怎样进一步提高氨基酸化学修饰电极的活性、稳定性，并更好地排除干扰物质的影响，也是今后研究的一个方向。在未来的发展中，学科之间的交叉、联合趋势更加明显，如何使氨基酸化学修饰电极与其它方法相结合，实现更加方便、快速地在线分析或现场分析也是其研究方向之一。

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