循环伏安法PPT学习教案

《循环伏安法PPT学习教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《循环伏安法PPT学习教案（125页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、会计学1循环伏安法循环伏安法第1页/共125页循环伏安法中-三角波扫描第2页/共125页 峰高测量1.切线法（半峰法） 起点（转折点）做切线，切线到最高点位置。第3页/共125页/papcE(E +E )/2第4页/共125页第5页/共125页 不规则峰解析，倾斜基线，前后基线突变，根据具体情况处理，考虑基线-起点与终点联线，以起峰一侧的电位进行测量。 某些电化学工作站软件在起峰前测量基线的斜率可人工修整，以求获得更精确的测量值。 高斯法：适用于差示脉冲等具有高斯分布特征的曲线。方法：从起峰前一点向峰后一点拉直线，得到峰电位Ep、峰电流ip和峰面积Ap数据。起峰前后的点同样可以调整。第6页/共

2、125页第7页/共125页第8页/共125页22H2eH 电极反应可逆指某个电极反应的正向速度和逆向速度相等 对于Zn?Zn2+电极，平衡指该状态下Zn2+还原速度与Zn氧化速度相等，两个方向的电子和物质交换速度相等。意味着此时通过电极的电流接近零。即所谓的平衡状态，因此，可逆状态是在平衡条件进行的。遵从能斯特公式 电极的可逆性是电化反应中的非常重要的性质。2Zn2eZn不可逆电极反应第9页/共125页第10页/共125页RT0.0562.2nFppapcEn （25 C ）电极过程的可逆性判断1.可逆电极1.可逆电极反应，上下两条曲线是对称的,两峰电流 之比:ipa/ipc1。2.阳极峰电位

3、与阴极峰电位之差较小:3.改变扫描速度，峰电位不变，峰电位差与扫描速率无关。第11页/共125页电极过程的可逆性判断扫描速率的影响，峰电位差与扫描速率无关。但峰电流与v1/2线性核黄素在玻碳电极上 第12页/共125页0.056ppapcEn电极过程的可逆性判断2.不可逆电极1.通常为单峰，无回扫峰，或正向峰，或上下两条曲线是不对称的,两峰电流之比:ipa/ipc明显大于或小于1。2.阳极峰电位与阴极峰电位之差较间，相距越大不可逆程度越大:3.改变扫描速度，Ep随v移动,峰电位明显受到与扫描速率影响。第13页/共125页第14页/共125页各种峰形比较第15页/共125页电极过程的基本过程第1

4、6页/共125页第17页/共125页判断其控制步骤第18页/共125页0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 -0.100 -0.200-20.00-16.00-12.00-8.00-4.000.004.008.0012.0016.00ip/ 10-6AE/ V0.020.50判断其控制步骤第19页/共125页判断其控制步骤第20页/共125页一般低扫描速度下，电极受到动力学反应控制影响，高扫描速度下电极受到扩散控制的影响。不同浓度控制步骤不一样，一般高浓度下，电极受到动力学反应控制影响，低浓度下电极受到扩散控制的影响。第21页/共125页第22页/

5、共125页22pi44Tn F ATnFQRTRT1. 基于电量的方法-法拉第定律 法拉第定律的数学表达式为：Q=nZF 式中Q是通过电极的电量，n是沉积出该金属的物质的量。法拉第电解定律不仅适用于电解过程，并且适用于一切电极反应的氧化和还原过程。 根据Laviron理论，峰电流ip与电子转移数n有如下关系：式中，F为法拉第常数96485 Cmol-1，A为电极表面积，T为298K，电量Q=nFAT为循环伏安某单一过程的峰面积（以电量计，通常由仪器给出），由ip与扫描速度v的线性关系，求出现斜率，从而解出现n。 E. Laviron. General expression of the lin

6、ear potential sweep voltammogram in the case of Diffusionless electrochemical systems. Electroanal Chem, 1979, 101(1):19-28第23页/共125页1/22.2462.5W25 nFnC=（）2.359.0/ mV, 25 CPPaPcRTEEEnnF（）2. 基于能斯特定律-氧化峰和还原峰电位之差（该方程是否适合不可逆过程？），不同扫描速度取平均值（适合于可逆与准可逆）。 3.根据Laviron半峰宽法 可设为Laviron E ,J Electroanal chem,197

7、4,52:355第24页/共125页4. 不可逆电极根据Laviron，峰电位与扫描速度关系应遵循关系式： 式中，称为转换系数(传递系数),在01之间，描述电极电势对阳极反应和阴极反应影响的程度，v扫描速度，ks为反应动力学速率常数。测定不同扫描速度下的峰电位，做出现Eplnv直线，根据式（1）斜率计算n，结合式（2）解出和n 。 Laviron E ,J Electroanal chem,1974,52:355（2）为不可逆反应的峰电位Ep与Ep/2和的关系第25页/共125页 电子数 由Ep(V) -ln直线斜率=RT/2nF，已知，可求得：n。第26页/共125页或者根据文献，测定不同扫

8、描速度下的峰电位。 Bard A J, Faulkner L R. Electrochemical Methods. New York: John Wiley & Sons, 1980. 223, 143, 253.第27页/共125页单扫描过程伏安法峰电流与浓度等因素关系：12153/21/21/2;2.69 10PPiAVV SnAcmDcmol linDvA c峰电流（ ）极化速度（）电子转移数；电极面积（）扩散系数；被测物浓度（）循环伏安属于线性扫描伏安法一种，也遵守线性扫描伏安法的规律第28页/共125页第29页/共125页0.002.004.006.008.0010.000.002

9、.004.006.008.0010.0012.0014.00ip/10-6AC/10-5(mol/L)ipa=2.512010-7+0.1230c r=0.99920.6000.5000.4000.3000.2000.1000.000 -0.100 -0.200-20.00-15.00-10.00-5.000.005.0010.00i ip/ 10-6AE/ V7123456以多巴胺DA为例第30页/共125页第31页/共125页植物多酚的循环伏安行为第32页/共125页第33页/共125页第34页/共125页第35页/共125页结论：电极反应为一准可逆过程第36页/共125页第37页/共12

10、5页第38页/共125页 由W1/2= 62.5/n(1-)mV得，（，若= 0. 45，则n=2，同时计算出参与反应的质子数为2。 说明在玻碳电极上，在实验条件下，芦丁氧化还原为两电子、两质子准可逆吸附波。第39页/共125页第40页/共125页第41页/共125页第42页/共125页第43页/共125页第44页/共125页第45页/共125页第46页/共125页扫速对电极过程的影响 第47页/共125页电极反应的电子数可由式 IP=nFQ/4RT求得。其中Q= nFATT为循环伏安单一过程的峰面积(以电量计)，当扫速=0.15 V/s时的氧化峰求得电极反应电子数n约为1。第48页/共125

11、页pH的影响第49页/共125页第50页/共125页 小分子生物活性物质与DNA相互作用是生物化学研究中的前沿领域之一，研究DNA与小分子之间的相互作用有助于深刻理解DNA与识别分子的反应机理以及DNA与药物分子的作用机理，对了解药物的作用机理，进而通过分子设计寻找有效的治疗药物等均具有重要意义。 DNA和其他分子的相互作用主要有3种模式: 非共价结合、共价结合和剪切作用; 而非共价结合包括静电作用、嵌入作用、沟槽作用。第51页/共125页DNA与小分子的相互作用 研究表明，DNA是药物小分子（抗癌药物、金属配合物、有机染料分子等）的作用靶点。第52页/共125页 (1)静电结合，分子通过非特

12、异性的相互作用结合于带负电荷的DNA双螺旋外部磷酸残基，没有选择性，通常认为这种作用模式作为药物应用上价值不大。第53页/共125页 (2)沟槽结合，即靶向分子与DNA的大沟或小沟的碱基对边缘直接发生相互作用。大分子蛋白质结合于DNA的大沟槽中，而大多数小分子则是在小沟槽区作用。第54页/共125页 (3)嵌插结合，即在碱基对之间嵌入几乎平面的芳香环。嵌插结合的作用力来自芳环的离域P体系与碱基的P体系之间的P-P相互作用及疏水相互作用。是药物与DNA作用的最重要的形式之一。 第55页/共125页 凝胶电泳、印迹技术、紫外-可见光谱、荧光光谱、原子力显微镜等已广泛应用于这项研究。电化学方法越来越

13、多地用于研究电氧化还原物质如抗癌物质与DNA的相互作用。 根据电化学方法CV峰电位的位移可判断药物分子与DNA相作用模式。并计算出电化学方法可计算出复合物的结合比和结合常数。 研究方法第56页/共125页铂类抗癌药物与DNA相互作用电化学研究铂类抗癌药物 铂类药物是疗效最好的抗肿瘤药物之一，其发展经过了三代，典型代表为顺铂、卡铂、奥沙利铂。PtClClNH3NH3NH2NH2PtOOCCOO顺铂卡铂奥沙利铂第57页/共125页实验内容制备多壁碳纳米管修饰电极。采用线性扫描循环伏安法研究顺铂、奥沙利铂、卡铂在多壁碳纳米管修饰电极上的电化学行为，建立电化学测定方法。探寻三种铂类药物与DNA的相互作

14、用方式，测定结合数、结合常数等。第58页/共125页多壁碳纳米管（MWNT）修饰玻碳电极（MWNT/GCE）第59页/共125页No. 9支持电解质的选择 顺铂在KCl缓冲溶液中有一对明显的氧化还原峰，峰形好。 顺铂在多壁碳纳米管修饰电极上的峰电流明显高于在裸电极上的峰电流。结果与讨论(1)cDDPMWCNTs/GCE; (2)cDDPGCE; (3)空白值第60页/共125页No. 12扫速的影响图2. 顺铂在不同扫速下的CV图随着扫速的增加，峰电流升高，氧化峰电位正移，还原峰电位负移。第61页/共125页No. 13 扫速在0.10 V/s范围内，氧化反应的电极过程为扩散控制，还原反应的电

15、极过程为吸附控制。 图 3. 顺铂氧化峰电流与扫速的关系图 4. 顺铂还原峰电流与扫速的关系第62页/共125页No. 15电子转移数的测定 顺铂的峰电流与扫速有线性关系，根据Laviron理论：无需知道电极吸附量及电极面积的绝对值，只需测得某扫描速度下CV图上的峰面即可求得n 。最后测得顺铂的电子转移数为2。nFAQ 为循环伏安单一过程的峰面积(以电量计) 第63页/共125页No. 16电子转移系数的测定 转移系数是电极反应能量势垒对称性的量度，也是动力学参数之一，对于准可逆反应，有如下关系式：其中R为摩尔集体常数，T为298K，F为法拉第常数，k为常数，n为电子转移数。已知n，根据ln与

16、Epa线性关系斜率可以解出。第64页/共125页表观电子传递速率常数(ks)的测定 表观电子传递速率常数可根据下式计算： 分别计算扫速为0.09 V/s时的速率常数(ks)，得到平均值为0.112 s-1。第65页/共125页顺铂与DNA相互作用 顺铂中加入DNA后，氧化峰电位正移，还原峰电位负移，峰高降低，且随着DNA浓度的增大，这种变化越明显。 峰电位外移，峰高下降1.cDDP;2.cDDP + 0.02 mg/mL DNA; 3. cDDP + 0.03 mg/mL DNA 第66页/共125页dsDNA、ssDNA分别和顺铂相互作用的对比研究dsDNA（双链）、ssDNA（单链）均能够

17、使顺铂的氧化峰电位正移、还原峰电位负移，峰高降低。但dsDNA使峰高降低、峰电位位移更明显，表明顺铂与dsDNA的相互作用强于ssDNA。A.氧化峰；B.还原峰.(1)cDDP; (2)cDDP + 0.2 mg/mL ssDNA; (3)cDDP + 0.2 mg/mL dsDNA. 第67页/共125页顺铂与DNA相互作用的紫外吸收光谱 顺铂在220600 nm吸收波长范围内没有吸收峰，DNA在260 nm处有一个特征吸收峰。顺铂和DNA作用后，DNA在260 nm处的吸收峰降低，且发生了红移现象。随着顺铂浓度的增加，DNA特征吸收峰的减色效应越明显。(1)1.510-5 mol/L cD

18、DP；(2)0.03 mg/mL DNA；(3)1.510-5 mol/L cDDP +0.03 mg/mL DNA；(4)2.010-5 mol/L cDDP +0.03 mg/mL DNA；(5)6.510-5 mol/L cDDP +0.03 mg/mL DNA. 第68页/共125页顺铂与DNA相互作用方式 根据参考文献，峰电位外移，峰高下降，表明了顺铂和DNA发生的是嵌插结合的作用方式，紫外吸收光谱实验验证了嵌插方式。 嵌插结合：即药物分子几乎平面的嵌入DNA双螺旋结构的碱基对之间。 第69页/共125页相互作用前后电化学参数对比样品样品ks / s-1cDDP0.3310.112c

19、DDP+DNA0.2605.5010-3L-OHP0.4320.0212L-OHP+DNA0.3830.0147CBP0.3432.7710-4CBP +DNA0.2202.6510-4 cDDP、L-OHP、CBP与DNA相互作用前后电化学参数对比 从表可以看出，顺铂、奥沙利铂、卡铂与DNA作用后, 电化学参数降低，表明形成的复合物是非电活性的，进一步说明了三种铂类药物与DNA存在嵌插结合。第70页/共125页DNA= DNA0- DNAcDDPm 第71页/共125页结合数m和结合常数 结合数和结合常数的测定参考文献*方法，分别计算得到顺铂、奥沙利铂、卡铂的结合数、结合常数结合数结合常数c

20、DDP+DNA21.26109L-OHP+DNA15.3104CBP +DNA32.2104表 4 结合数和结合常数顺铂明显高于奥沙利铂、卡铂 *Feng Qu, Nan-Qiang Li, Yu-Yang Jiang. Electrochemical studies of NiTMpyP and interaction with DNAJ. Talanta, 1998, 45(5):787793.。 第72页/共125页第73页/共125页作用。第74页/共125页 阿魏酸 (4-羟基-3-甲氧基肉桂酸，Ferulic acid )是种植物多酚，普遍存在于中药材中，具有抑制血小板聚集、抗血栓

21、形成、抗氧化和自由基、调节免疫功能、利肝保湿等药理作用。近年来，有关阿魏酸及其衍生物抑制DNA氧化损伤，以及结肠癌、直肠癌和舌癌的报道在增加。 阿魏酸与DNA相互作用的光谱电化学研究第75页/共125页 本文利用多壁碳纳米管（MWNT）修饰玻碳电极（MWNT/GCE）研究了阿魏酸与DNA的相互作用，对二者之间的作用机理进行研究，为深入了解阿魏酸类药物的生物活性进一步提供实验依据。第76页/共125页方法 三电极体系：工作电极为多壁碳纳米管（MWNT）修饰玻碳电极（MWNT/GCE），参比电极为饱和甘汞电极（SCE），对电极为铂电极。 多壁碳纳米管使用前先功能化处理。 分析方法采用循环伏安法（C

22、V）以及紫外可见光谱法。 第77页/共125页阿魏酸电化学行为2. 结果与讨论（1）阿魏酸电极过程为准可逆 0.80.70.60.50.40.30.20.10.0-40-30-20-1001020300.40.04ipa/mAE/V(vs.SCE)（2）当扫速在0.10Vs-1时，氧化峰电流ipa与还原峰电流ipc与扫速的平方根成正比 ipa1/2-3.8037 (r=0.9995)， ipc (r=0.9996)，阿魏酸电极反应过程是扩散控制。第78页/共125页2. 结果与讨论（2）当扫速v在0.40 Vs-1，氧化峰电流ipa和还原峰电流ipc与扫速的一次方成正比 ipa=25.478

23、v+2.3722 (r=0.9984) ipc= 42.628 v+2.1097 (r = 0.9990) 此时阿魏酸电极反应过程是受吸附控制。（3）电子转移数 根据Laviron理论，物质在电极上的过程为准可逆过程时：RTnFQvRTvATFniTp4422第79页/共125页高云涛制作第80页/共125页DNA和阿魏酸相互作用的电化学行为（1）阿魏酸中加入DNA溶液后，Ep正移，峰电流ip显著下降，表明阿魏酸与DNA相互作用时形成电活性较低的复合物。 （2）氧化峰电位正移（），还原峰负移，峰电流下降，可推测阿魏酸与DNA相互作用以嵌插作用为主。 第81页/共125页 dsDNA（双链）和s

24、sDNA（单链）均使阿魏酸的峰电流降低。但dsDNA氧化峰电位正移明显高于ssDNA，峰电流降低更明显。 这是因为阿魏酸可以平面芳香环可嵌插到dsDNA的双螺旋结构中，电活性降低，而ssDNA不具备双螺旋结构，其峰电流降低和氧化峰电位正移的原因可能是静电作用所致。 第82页/共125页在加入dsDNA后, 阿魏酸在310 nm的吸收峰降低，呈减色效应，且出现两个等电吸收点。减色效应，两个等电吸收点是嵌插作用的结果。吸收光谱进一步说明阿魏酸与DNA的相互作用以嵌插作用为主。第83页/共125页Laviron理论 相互作用电子转移系数和表观电子传递速率常数ksPR TE= k +ln n Fv表观

25、电子传递速率常数ks可由下式求算 PnF ER Tlg= lg(1- )+ (1- )lg -lg-(1- )nF2.303R Tskv第84页/共125页 阿魏酸与dsDNA作用后, 、ks值有所下降，说明阿魏酸与DNA的复合物是非电活性的。 第85页/共125页第86页/共125页 阿魏酸和DNA之间由于阿魏酸嵌入DNA碱基对间形成DNA-阿魏酸的简单缔合物，即1mol DNA碱基对结合了1mol的阿魏酸分子，结合常数=1.01104。 结果电活性点被屏蔽，电子转移和传递能力降低。第87页/共125页 小分子生物活性物质与DNA相互作用是生物化学研究中的前沿领域之一，研究DNA与小分子之间

26、的相互作用有助于深刻理解DNA与识别分子的反应机理以及DNA与药物分子的作用机理，对了解药物的作用机理，进而通过分子设计寻找有效的治疗药物等均具有重要意义。 DNA和其他分子的相互作用主要有3种模式: 非共价结合、共价结合和剪切作用; 而非共价结合包括静电作用、嵌入作用、沟槽作用。植物多酚抗氧化活性的电化学氧化机理研究第88页/共125页自由基与疾病自由基与免疫自由基与衰老自由基与营养第89页/共125页从民族药中寻找抗氧化成分是当前研究的热点 本实验对近20种民族药进行研究，发现其中11种具有良好的抗氧化活性。研究发现植物多酚是民族药抗氧化活性的重要成分第90页/共125页电化学研究方法在抗

27、氧化研究中具有明显优势-氧化损伤和抗氧化作用本质是电子传递与转移过程。电化学方法能获得更多的微观信息。第91页/共125页以民族药诃子的几种多酚化合物为研究对象。第92页/共125页研究方法 循环伏安法（CV） 与DPPH清除为对照 工作电极的制备 以环氧树脂为粘合剂，截取6 cm左右石墨棒，将其密封于适当长度的聚乙烯管中，一端伸出管外用作电极接线，另一端在不同粒径的金相砂纸（由粗到细）上打磨成镜面，冲洗干净备用，实验室将其置于底液中循环至稳定。第93页/共125页高云涛制作研究结果 优化了电化学测定条件，获得了灵敏的CV信号。第94页/共125页获得了动力学参数的测定和电极参数：主要是电子转

28、移数和质子转移数扫速为0.07 V/s时，没食子酸、咖啡酸、阿魏酸和香草酸的电子转移数n分别为、和第95页/共125页获得了动力学参数的测定和电极参数：主要是电子转移数和质子转移数第96页/共125页 推导了植物多酚的电化学氧化机理 第97页/共125页获得了电化学反应的特征第98页/共125页氧化峰电位：没食子酸（Epa = 0.48 V） 咖啡酸（ Epa = 0.51 V） 阿魏酸（ Epa = 0.60 V） 香草酸（ Epa = 0.48 V） 对香豆酸（Epa = 0.84 V）。 利用氧化峰电位评价抗氧化活性结论：抗氧化能力（清除自由基）与其氧化电位(Epa)的高低一致，电位低能

29、力强第99页/共125页第100页/共125页第101页/共125页 单扫描极谱图12153/21/21/2;2.69 10vPPPiAVV SnAcmDcmol lkinDA cic 峰电流（ ）极化速度（）电子转移数；电极面积（）扩散系数；被测物浓度（）一定条件下 第102页/共125页第103页/共125页第104页/共125页pH=9的硼砂-氢氧化钠缓冲溶液中第105页/共125页第106页/共125页高云涛制作PV两种激励方式 （1）恒定电压+振幅渐次增加矩形脉冲（2）线性增加的直流电压+等振幅的脉冲电压（微分 (示差，差分) 脉冲伏安，DPV）第107页/共125页第108页/共1

30、25页 电容电流又称充电电流，来自电极与溶液的两相界面之间存在着相当于电容作用的双电层，产生噪声电流。极谱分析充电电流的大小为10-7A数量级 这与10-5mol/L物质所产的扩散电流相当，这已足以起较大的测量误差。所以电容电流的存在是提高极谱分析灵敏度的一个主要障碍。目的消除电容电流第109页/共125页第110页/共125页脉冲前20ms和脉冲期后20ms测量电流，将些两次电流相减，并输出这一个周期中的电解电流i。并用ii对电势对电势E E作图，即得差分脉冲曲线。 第111页/共125页 第112页/共125页 221/21/2()4mn FiA EDtCRT 因此，i与所测物质浓度成正比

31、，这就是定量分析的基础。其中：tm为每个周期内从开始施加脉冲到进行电流采样所经历的时间。第113页/共125页 由Ep即可得到半波电位。这就是定性分析的依据。p1/2E/2EE第114页/共125页倍或更大些，这样只需使用的支持电解质即可。n仪器价格低廉，检测物用量少。第115页/共125页其他生物液体（尿液）中的微其他生物液体（尿液）中的微量元素及痕量元素等。量元素及痕量元素等。第116页/共125页 第117页/共125页第118页/共125页水飞蓟宾测定第119页/共125页葛根素测定第120页/共125页黄芩苷测定第121页/共125页顺铂差分脉冲伏安法测定图5. 顺铂的DPV图图6.顺铂浓度与氧化峰电流的关系 顺铂的氧化峰电流随其浓度变化呈现线性关系 ，（浓度变化范围：6.510-53.010-4 mol/L），检出限为3.510-5 mol/L，可用于顺铂含量的分析测定。第122页/共125页第123页/共125页三 方波极谱 方波极谱是交流极谱方法的一种，它是在向电解池施加直流电压的同时，在叠加一个每秒225周的振幅很小的交流方波形电压。利用方波电压通过电解池产生的电容电流随时间而衰减特性，及在特定的时刻，方波电位所引起的电流突变来提高分析的灵敏度、分辨率与准确度。第124页/共125页