1、 本科 毕业设计 （ 20 届） 柔红霉素在多壁碳纳米管复合物修饰电极上的电化学行为 所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 : 本文用示差脉冲伏安法研究了 柔红霉素在 多壁碳纳米管修饰的石墨电极上行为，研制出一种新型的测定 柔红霉素的 电化 学方法。实验发现，该修饰电极放大了电信号，响应快、灵敏度高、稳定性好，对 柔红霉素 表现出良好的响应特性。检测线性范围为 1.010-8 mol/L 2.010-7mol/L，检出限为： 3.2 10-9moI/L。 关键词 : 柔红霉素；多壁碳纳米管；示差脉冲伏安法 ； II Abstract:
2、In this paper, A graphite carbon (GC) electrode modified by carbon nanotubes(CNTs) was prepared, and the electrochemical behaviors of Daunorubicin at this electrode were studied. It was found that the modified electrode amplified signal, fast response, high sensitivity, good stability and good perfo
3、rmance on the response of Daunorubicin. Linear range 1.010-8 mol/L 2.010-7 mol/L, The detection limit: 3.2 10-9moI/L Keywords: Daunorubicin; Multi-walled carbon nanotubes; Cyclic voltammetry 目 录 摘要 .I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 相关研究成果 . 2 2 实验部分 . 5 2.1 分析方法 . 5 2.2 实验内容 . 6 2.2.1 实验仪器
4、. 6 2.2.2 实验试剂 . 6 2.2.3 修饰电极的制备 . 6 2.2.4 电化学检测 . 7 3 结果与分析 . 7 3.1 柔红霉素在 MWNT/石墨修饰电极上的电化学行为 . 7 3.2 不同缓冲溶液的选择 . 7 3.3 修饰电极对柔红霉素的线性范围 . 8 3.4 电极的重现性 . 9 3.5 回收率实验 . 10 4 结论 . 11 致 谢 . 12 参考文献 . 10 1 1 绪论 1.1 选题背景 柔红霉素是一种临床一线抗癌药物，被广泛应用于肿瘤的临床治疗。然而，在人类肝脏中广泛存在的 羰基还原酶 I能将柔红霉素转化成一种新的醇代谢物柔红霉素醇。这种新生成的醇代谢物不
5、仅抗肿瘤活性比柔红霉素低，还会对心脏产生毒性，造成心肌细胞的损伤，柔红霉素的这一代谢特点大大限制了它的临床应用。 因此 ， 研究它的检测方法和反应机理都具有重要意义。本次论文的主要目标是采用碳纳米管修饰电极测定 柔红霉素 的电化学研究，考察 柔红霉素 在电极表面的电化学行为。并通过这个化 学行为来研究检测 柔红霉素 的含量 ， 建立一种新型的分析方法 ， 同时研究影响测定的干扰因素 ， 并将此法用于实际样品的测定。 自 1991年，碳纳米管 (Carbon nanotubes， CNTs)被日本电子 NEC公司的科学家 Iijima1发现以来，由于其独有的结构和奇特的物理、化学特性而被人们所关
6、注，成为继 C60之后最热门的碳纳米材料之一。目前，人们对碳纳米管本身的性质已展开了十分广泛而深入的研究，随着碳纳米管的合成与纯化技术日趋完善，碳纳米管的修饰与应用已成为该领域主要的发展方向。 碳纳米管在结构上可分为两种类型： 单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于具有独特的空间结构、优良的导电性和催化活性等，目前已成为化学修饰电极和电化学生物传感器等领域的研究热点。碳纳米管性质稳定，在一般溶剂中难溶且难分散，对其进行预处理功能化并选择适当的分散剂是制备修饰电极的关键。常用的分散剂有 DMF、丙酮、浓硫酸、疏水性表面活性剂双十六烷基磷酸、十二烷基苯磺酸钠。 在催化研究领域，各种碳质材料被用作分散纳米
7、级的金属颗粒的载体。因其特有的电子、孔腔结构和吸附性等特征，碳纳米管（ CNT）在催化方面非常适合用作载体 2。CNT为中空管状结构、大长径比、 高机械韧性且具有良好的导电性， 其表面原子活性高，易与周围的其它物质发生电子传递作用， 可以显著提高催化剂材料的电学性能。 碳纳米管 3的性质与其结构密切相关。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能 。 理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当 CNT的管径 6mm时，导电性能下降；当管径 6mm时， CNT可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。碳纳米管对生物分子活性中心的电子传递具有促进作用，能够提高酶分子的相对
8、活性。与其 它 碳电极相比 ， 碳纳米管电极由于其独特的电子特性和表面微结构 ， 可以大大提高电子的传递速度 ,表现出优良的电化学性能 。用碳纳米管对电极表面进行修饰时除了可将本身的物化特性引入界面外，同时也拥有纳米材料的大比表面积，粒子表面带有较多的功能基团，从而对某些物质产生良好的催化和吸附作用。 正因为碳纳米管与生物材料有着特殊的相互作用，人们已经将碳纳米管应用到化学及生物分析中，目前国内外已有2 很多学者对碳纳米管 药物分析领域 的应用进行了大量的理论和实践研究，并取得了突破性的进展，充分显示了碳纳米管作为新型电极材料的应用前景。 然而，因为碳纳米管通常是一种相互缠绕的，找不到终端的线
9、团状结构 ，管壁间因存在强的范德华力而极易发生团聚且不溶于任何溶剂，这些都既不利于其在电极表面的修饰也不利于修饰后其优点的发挥，所以人们往往采取各种办法使之尽量能够分散均匀 4。就目前来看，碳纳米管与其它物质 (如纳米材料、聚合物、离子液体等 )复合后，不仅可以极大地改善其溶解性，而且可以给其带来新的性质。基于此，将碳纳米管和其他材料结合起来，使碳纳米管体现出更好、更特殊的性能以进一步提高碳纳米管的电化学性能是近几年才提出的一个新研究领域。 自 1977年发现导电聚苯炔以来 ， 大大激发了人们对有机导电聚合物的研究热情 ， 很快 研究了聚噻吩和聚苯胺等的电化学性质。 在聚合时形成带电荷的聚合物
10、，以静电吸附作用与生物分子组装。 导电聚合物在电催化、传感器等领域有着广泛的应用前景 5,6。将导电聚合物材料应用于传感器的研究始于上世纪 80年代末。近些年来研究人员对一些导电聚合物膜 ， 如聚二茂铁、聚硫堇、聚普鲁士蓝、聚间苯二胺、聚中性红等的电化学特性做了大量的研究工作。 1.2 相关研究成果 孙廷一 7等人 用 Nafion膜 作分散剂的多壁碳纳米管修饰玻碳电极在电极表面可得到一层均匀的薄膜，重现性好、稳定时间长、制备电极所用的时间短。在高浓度的抗 坏血酸和尿酸存在下可选择性地测定多巴胺。在固定多巴胺浓度为 5.010-5mol/L的条件下，考察了电极的重现性。每次测定后在空白磷酸盐缓
11、冲溶液，循环伏安扫描即可恢复电极活性。平行测定 10次的相对标准偏差仅为 2.5%，每次测定后重新制备修饰电极，测定 10次的相对标准偏差为 3.5%。 张晓蕾 8等人利用壳聚糖 (Chitosan)的成膜性能以及碳纳米管在其中良好的分散性，在玻碳电极表面首先形成碳纳米管 /壳聚糖膜，通过膜表面丰富的氨基与纳米金的强静电吸附，在玻碳电极表面获得稳定的纳米 Au修饰层，吸附固定辣根过氧 化物酶 (HRP)，制得无需电子媒介的 H2O2生物传感器。循环伏安曲线显示，当加入 H2O2溶液后，阴极峰电流增大，而阳极电流相应减少，表明通过碳纳米管 /壳聚糖 /纳米金活性界面固定在玻碳电极表面的 HRP与
12、电极之间有良好的直接电子传导能力，对 H2O2的还原具有良好的电催化活性， H2O2的测定线性范围为 5.210-52.010-3 mol/L。检测下限为 5.010-5mol/L，工作三周后，传感器仍能保持 76.0%的初始响应电流值。近几年来，纳米技术在生物传感器的发展中发挥着非常重要的作用。特别是碳纳米管， 由于其独特的纳米结构，既具有良好的内在导电性，又能保持蛋白酶的生物活性，使其在生物传感器及生物反应系统中展现了极大的应用潜力。 3 吴芳辉 9 等人 研究了多壁纳米碳管修饰电极的制备及其对对苯二酚的电催化作用，讨论了支持电解质种类、 酸度修饰层厚度和扫速等因素对对苯二酚伏安响应的影响
13、，获得了较为优化的实验条件。在 0.1mol/L磷酸盐（ PH=6.0）缓冲溶液中，采用示差脉冲伏安法测定对苯二酚，其浓度在 510-6mol/L1.110-3mol/L范围内与其氧化峰电流呈良好的线性关系，检出限达 2.710-6mol/L 。共存的多种金属离子、抗坏血酸及等量的苯酚、邻苯二酚等不干扰测定。该电极用于模拟废水样中对苯二酚的测定，结果令人满意。实验中还观察到纳米碳管对对苯二酚的氧化有催化作用，与其它修饰电极相比，纳米碳管修饰电极制备简单、干扰小、稳定性好，具有一定的应用价值。 龚兰新 10等人 以固定在氧化铟锡 (ITO)电极上的多壁碳纳米管为基底吸附纳米钴 ， 制备了复合纳米
14、材料修饰的电极 (Co/CNT/ITO)。采用扫描电子显微镜 (SEM)和电子能谱 (EDS)等对其进行了表征。用纳米钴 /碳纳米管 /ITO电极 ， 研究了阿霉素 (ADM)的电化学行为。实验表明 ， 该体系具有吸附性的不可逆过程 ， 峰电位为 -0.65V(Ag/AgCl)， 峰电流与 ADM浓度在 1.010-9 5.010-7mol/L范围内呈线性关系 ； 检出限为 1.010-9mol/L。本法灵敏、简便。 实验结果表明 ， 制备的 Co/CNT/ITO对 ADM的电化学还原有良好的催化作用 ； Co/CNT/ITO修饰电极由于使用了复合纳米材料 ， 具有协同催化作用 ， 因而对 A
15、DM具有良好的电化学响应性能。 马曾艳 11等人制备了聚吡咯多壁碳纳米管 (PPy MWNT)复合膜修饰电极。研究了 神经递质多巴胺 (DA)在该修饰电极上的电化学行为。实验表明， PPy MWNT复合膜修饰电极对 DA的电催化作用优于 PPy修饰电极。在 pH=4.10的 0.2moL L醋酸 -醋酸钠缓冲溶液中， DA在该修饰电极上的 CV曲线于 0.31V和 0.28V处出现一对灵敏的氧化还原峰，峰电位差 E。比裸玻碳电极降低58mV，比 PPy修饰电极降低 28mV，峰电流显著增加。氧化峰电流 I与 DA浓度在 1.010-47.8 10-8 mol/L范围内呈良好的线性关系，线性回归
16、方程为 ip(A)=0.2512+1.2300C(10-5mol/L)，相关系数r=0.9992，检出限为 3.910-8mol/L。 常见物质对 DA的检测无干扰， DA注射液样品检测同收率为94%-104%。 胡荣 12等人 利用电化学方法在多壁碳纳米管修饰的玻碳电极表面聚合一层普鲁士蓝，制备普鲁士蓝多壁碳纳米管修饰玻碳电极，运用循环伏安法研究了维生素 C(VC)在该修饰电极上的电化学行为。该修饰电极对 VC显示出快速的电化学响应和较好的电催化活性，在 pH为 4.0的磷酸盐溶液中， VC 浓度与其氧化峰电流在 8.010-41.010-2 mol/L范围内呈现良好 的线性关系。相关系数为
17、 0.9993，检测限为 6.410-5mol L。该电极具有较好的稳定性和重现性。 罗晓虹 13等人用壳聚糖对多壁碳纳米管进行修饰构建了一种用于固定血红蛋白的新型复合材料 ， 并研究了血红蛋白在该碳纳米管上的电化学性质及其对过氧化氢的电催化活性。扫描电镜结4 果表明 ， 壳聚糖修饰的多壁碳纳米管呈单一的纳米管状 ， 并能均匀分散在玻碳电极表面。紫外光谱分析表明血红蛋白在该复合膜内能很好地保持其原有的二级结构。将该材料固定在玻碳电极上后 ， 血红蛋白能成功地实现其直接电化学。根据峰电位差随着扫描的变化 ， 计 算得到血红蛋白在壳聚糖修饰的碳纳米管膜上的电荷转移系数为 0.157， 表观电子转移
18、速率常数为 7.02 s-1。同时 ， 该电极对过氧化氢显示出良好的催化性能 ， 电流响应信号与 H2O2浓度在 1.010-61.510-3mol/L间呈线性关系 ， 检出限为 5.010-7mol/L，修饰电极显示了良好的稳定性。本文成功制备了一种新型的壳聚糖表面修饰的碳纳米管纳米复合材料 ， 并将其用于研究血红蛋白的直接电子转移。这一材料能在电极表面形成三维网络结构的修饰膜 ， 为血红蛋白提供了合适的仿生微环境 ,极大地促进了血红蛋白与电极间的 电子转移。该修饰膜易制备且能保持蛋白质的活性达 2周以上。制备的血红蛋白/壳聚糖表面修饰碳纳米管复合物修饰玻碳电极对过氧化氢的还原有着明显的电催
19、化活性 ， 无需额外的电子介体 ， 这将为电化学传感和生物传感提供一个优良的平台。 明亮 14等人 运用循环伏安法、线性扫描伏安法及示差脉冲伏安法等测试技术研究了氨氯地平在多壁碳纳米管修饰玻碳电极上的电化学行为，建立了一种直接测定氨氯地平的电化学分析方法。结果表明，与裸玻碳电极相比，多壁碳纳米管修饰电极能显著提高氨氯地平的氧化峰电流。在优化的实验条件下，氧化峰电流与氨氯地平浓 度在 1.010-77.510-5mol/L范围呈现良好的线性关系检出限为 4.010-8mol/L。对 1.010-5mol/L氨氯地平溶液平行测定 10次的 RSD为 4.2。测定了氨氯地平片剂中氨氯地平的含量。 高
20、风仙 15等人用循环伏安法将电子媒介体硫堇电聚合在铂电极上，使其表面形成均匀的带负电的聚合膜层，通过静电吸附作用固定表面带正电荷的辣根过氧化物酶，接着吸附纳米金，然后再利用纳米金吸附固定一层辣根过氧化物酶，制成了新型过氧化氢生物传感器。实验发现，该传感器增加了酶的吸附量，响应快、灵敏度高 、稳定性好，对 H2O2表现出良好的响应特性。检测范围为 5.210-7 2.010-3mol/L，检出限为 1.710-7moI/L，并具有抗尿酸、抗坏血酸等干扰的特点。以硫堇聚合膜为基底，利用静电吸附原理将辣根过氧化物酶和纳米金固定到电极表面，可制得多层酶膜修饰的过氧化氢生物传感器。该传感器固定酶的方法简
21、单、易行，具有较高的稳定性，较低的检出限，制得的电极可多次重复使用，具有较好的实用价值。同时这种新方法适宜其它媒介体和酶体系，是一种有发展前途的方法，有望研制、开发灵敏度更高，抗干扰性更好的生物传感器。 龚兰新 16采用 NaBH4还原法制备了钴纳米粒，将其固定于氧化铟锡 (ITO)电极上，首次制成了纳米钴修饰电极 (NpCo/ITO)，并研究了阿霉素 (adriamycin， ADM)在 NpCo/ITO上的电化学性质。5 用循环伏安法 (CV)、扫描电子显微镜 (SEM)和能量色散谱 (EDS)等对纳米钴修饰电极表面进行了表征。在纳米钴修饰电极上，阿霉素 (ADM)在 0.01 molL-
22、1KH2PO4-K2HPO4 溶液 (pH8.0)中，出现还原峰，峰电位为 -0.67V(vsAg/AgC1)，峰电流与 ADM浓度在 1.010-8 2.010-6 molL-1 呈线性关系，检测限为 5.010-9molL-1。循环伏安法研究表明，该体系属于 具有吸附性的不可逆过程， NpCo/ITO对 ADM的电化学还原过程产生较大的促进作用。 通过 CV、 SEM和 EDS等对 NpCo/ITO电极进行表征 ， 证明纳米钴被修饰在 ITO电极表面上。并以 Co单质状态存在。制备的 NpCo/ITO对阿霉素的电化学还原具有良好的催化作用。表明纳米钴修饰电极灵敏度较好 ， 可用于测定 AD
23、M。用循环伏安法研究了体系的电化学行为 ， 表明体系是具有吸附性的不可逆过程 ， 测得 n = 2， = 0.141， ks =0.1152s-1。本实验合成纳米钴的方法简单易行 ， 价格低廉 ， 为纳米钴的应用提供了一条途径。 Britto17研究组首先用类似于碳糊电极的制备方法将碳纳米管制成碳纳米管糊状电极 ， 这种电极对多巴胺电化学反应具有很好的电催化作用 ， 可用于对多巴胺的定量测定 ， 开辟了碳纳米管应用的新领域。 Davis16研究组用同样的方法制得碳纳米管糊状电极 ， 并考察了一些蛋白质如细胞色素 C、阿祖林在此电极上的电化学行为 ， 发现在此电极上的蛋白质仍保持原有活性 ， 并
24、可产生良好的电化学响应 ， 在制 备生物传感器方面具有一定应用价值。 Nathan S17 研究组用碳纳米管糊状电极测定高半胱胺酸 ， 线性范围 5 2010-6 molL-1， 检出限 4.610-6molL-1。 本文采用多壁碳纳米管修饰的复合物电极对柔红霉素进行测定，现将部分药物的范围、检测限等列于表中以便更好的比较本法的优劣之处。 表 1 碳纳米管修饰电极在分析化学中的应用 分析物 线性范围（ mol.L-1） 检出限（ mol.L-1） 相对标准偏差 阿替洛尔 4.910-6 6.310-4 2.010-6 4.4% 多巴胺 1.010-4 7.810-8 3.910-8 4.7%
25、抗坏血酸 5.010-4 3.210-2 2.210-4 2.4% 米托蒽醌 2.810-8 1.110-6 5.610-9 4.6% 柔红霉素 1.010-9 2.010-8 3.210-10 3.7% 2 实验部分 2.1 分析方法 本 文采用 循环伏安法和常规差分脉冲法 来研究 柔红霉素在修饰电极上 的电化学行为 及电极反应机理 ，并研究影响修饰电极伏安行为的因素， 对这些影响因素进行优化， 建立一种新型的分析方法，并将此 法用于 抗癌药物 的测定。 本文利用了多壁碳纳米管等新型材料改善电极的电子传导能力，降低了柔红霉素的过电位，增大了电极的电化学响应值。 6 2.2 实验内容 2.2.
26、1 实验仪器 表 2-1 实验主要仪器 仪器名称 规格 生产厂家 电化学工作站 CHI660A 上海辰华仪器公司 工作电极 石墨电极 上海 CHI公司 参比电极 AgCl/Ag电极 上海 CHI公司 辅助电极 Pt丝电极 上海 CHI公司 超声仪 SY1200 上海声源超声波仪器设备有限公司 制超纯水仪 Newhumanup900 Human cooperation. Ltd 电子天平 AL204 梅特勒 -托利多仪器有限公司 红外快速干燥箱 WS70-1 巩义市英峪予华仪器厂 2.2.2 实验试剂 表 2-2 实验主要试剂 试剂名称 规格 生产厂家 柔红霉素 分析纯 浙江海正药业有限公司 甲醇 分析纯 浙江临安青山化工试剂厂 乙醇 分析纯 浙江临安青山化工试剂厂 DMF 分析纯 上海化学试剂有限公司 磷酸 二氢钠 分析纯 湖州湖试化学试剂有限公司 磷酸 氢二钠 分析纯 湖州湖试化学试剂有限公司 多壁碳纳米管 纯度 95 % (直径10 nm，长度为5-15 m) 中国深圳市纳米港有限公司 溶液配制： 1、 0.1 mol/L 柔红霉素 标准溶液； 2、 磷酸 缓冲液（ pH= 7.0）； 实验所用试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。 2.2.3 修饰电极的制备
