L-半胱氨酸电化学组装膜的研究

韩继红， 王春涛， 赵永祥

(1.山西大学化学化工学院，山西太原 030006;2.太原师范学院化学系，山西太原 030031)

L-半胱氨酸电化学组装膜的研究

韩继红1， 王春涛2， 赵永祥1

(1.山西大学化学化工学院，山西太原 030006;2.太原师范学院化学系，山西太原 030031)

通过循环伏安法将L-半胱氨酸电化学组装到铜电极上，用交流阻抗法和循环伏安法研究了循环扫描周数以及组装时间与峰电流的关系，并研究了扫描速度对L-半胱氨酸膜的影响，结果表明L-半胱氨酸膜的氧化峰电流与扫描速度的平方根成正比，说明L-半胱氨酸在铜电极上的电化学组装过程受扩散控制。

L-半胱氨酸;铜电极;电化学组装膜

引 言

L-半胱氨酸(L-Cys)是一种含有巯基的重要氨基酸，利用其特殊的化学结构和化学活性［分子中含有巯基-(SH)］，能够组装到金属表面，制成化学修饰电极。文献曾报道了L-半胱氨酸组装到金表面的形成过程、结构和性质:Cossaro等［1］研究了气相L-半胱氨酸沉积Au(110)晶面的电子和几何特征;Renzi等［2］利用X-射线光电子能谱等技术研究了气相L-半胱氨酸沉积在Au(111)晶面上形成氢键网络的低能量振动模型;Nozawa等［3］用原位扫描隧道显微技术研究了L-半胱氨酸组装到Au(111)晶面的结构;杨海峰等［4］运用表面增强拉曼光谱技术考察了L-Cys单分子膜的稳定性和致密性;傅崇岗等［5］探讨了自组装L-半胱氨酸双层膜的形成条件和机理，并建立了电催化氧化测定抗坏血酸的实验条件，而L-半胱氨酸组装到其他金属表面的研究较少。铜价格便宜而且工业上应用广泛，因此本文选择金属铜作为基底，采用电化学方法将L-半胱氨酸组装到铜电极上，得到稳定的组装膜，并进一步研究了膜的电化学性质。

1 实验部分

1.1 试剂和溶液

磷酸氢二钠(天津市化工试剂六厂);磷酸二氢钾，(北京红星化工厂);L-半胱氨酸 w(L-Cys)≥98.5﹪(北京奥博生物技术有限责任公司);抗坏血酸w为99.7﹪，(天津市光复精细化工研究所)。

0.2 mol/L磷酸氢二钠-磷酸二氢钾(pH=6.86)的缓冲溶液;1.0 mmol/L(pH 为 6.86)L-半胱氨酸溶液;实验用水为三次去离子水。

1.2 电化学仪器

上海辰华仪器有限公司的CHI660B电化学工作站。三电极体系:Cu电极为工作电极，由A=26mm2、w(Cu)为99%紫铜棒制成，环氧树脂密封，每次实验前将电极依次用500#、600#、2 000#号水砂纸打磨至镜面光亮;饱和甘汞电极为参比电极，铂片为对电极。所有电化学测试均在三室电解池中进行。

1.3 实验方法

L-Cys铜电极电化学组装膜的制备:将电极打磨好，用无水乙醇和三次去离子水清洗，然后在6 mol/L HNO3溶液中浸泡15s，依次尽可能快地在三次去离子水和无水乙醇中浸洗2次，将电极放入1.0mmol/L(pH 为 6.86)L-半胱氨酸溶液中，在-0.4～0.4V电位之间以不同的扫描速率和不同的扫描周数进行循环伏安(CV)扫描，并且记录CV图。将处理好的电极用三次去离子水清洗，再用乙醇清洗待干，即制得L-Cys铜电极电化学组装膜。

L-Cys电化学组装膜电极在缓冲液中的循环伏安和交流阻抗测定:将L-Cys电化学组装膜电极放入0.2 mol/L(pH=6.86)的缓冲溶液中，在 -0.4～0.4V间，以0.01 V/s的扫描速率记录循环伏安图。交流阻抗测试选择振幅为5mV的正弦微扰信号，在1Hz～100kHz的频率范围内自高频向低频范围内扫描。

2 结果与讨论

2.1 L-Cys/Cu电极的电化学性质

图1为裸铜电极和L-Cys电化学组装膜铜电极(L-Cys/Cu)分别放入缓冲溶液(pH=6.86)中，在-0.4～0.4V 间，以 0.01 V/s的扫描速率记录的循环伏安图，实验表明，裸铜电极在缓冲液中，于-0.4～0.4V间出现了明显的氧化还原峰，而L-Cys/Cu电极在此电位区间内没有出现氧化还原峰，背景电流降低，这是因为L-半胱氨酸通过Cu-S键结合到铜表面形成了稳定的电化学组装膜，降低了电极表面和缓冲溶液间的电子转移速率［6］。

图1 铜电极和L-Cys/Cu电极在磷酸缓冲液中的CV图

2.2 连续扫描周数与膜致密性的关系

图2是铜电极在pH为6.86的L-半胱氨酸溶液中电化学组装时的连续循环伏安图，由图可以看出，当电位在 -0.4～0.4V 范围内扫描时，在大约-0.02V左右出现一氧化峰(对应的电化学反应方程式为:Cu-2e-→Cu2+)，在大约 -0.33V左右出现一还原峰［对应的电化学反应方程式为:2HOOCCH(NH2)CH2SH+2e-→2HOOCCH(NH2)CH2S-+H2］，根据相关的文献［7-8］可推知，L-Cys电化学组装到铜表面时，S-H键与Cu的作用机理为:HOOCCH(NH2)CH2SH+Cu→HOOCCH(NH2)CH2S-Cu+1/2H2。还可以观察到，第一周时氧化峰和还原峰都较高，但当扫描第二周时两峰都明显减小，扫描到第三周时峰更小，扫到第四周以后变化不明显(实验扫描四周以后连续增加扫描周数，峰电流都不变，图2显示的是扫描一至四周的 CV图)，几乎趋于稳定。这说明随着扫描周数的增加，电极表面组装的L-半胱氨酸量逐渐增加，膜的致密性逐渐增加，降低了电极表面和溶液界面的电子转移速率，使峰电流逐渐降低，扫到第三周时峰电流最小，扫到第四周以后，峰电流一直不变，由此推论，可能是由于扫到第三周时组装到电极表面的L-半胱氨酸的量已达到饱和。

图2 铜电极在L-Cys溶液中连续扫描4周的CV图

为进一步检测膜的致密性，将扫描不同周数制得的电化学组装膜电极放入pH为6.86的缓冲溶液中，再用循环伏安法和交流阻抗法测定。由图3的CV图可以观察到-0.03V附近出现一氧化峰电流，-0.27V附近出现一阴极峰。根据文献报道［9-10］可以得出，-0.03V附近的还原峰电流是由于溶液的OH-吸附到铜电极表面形成了铜的氧化物CuO或铜的复杂化合物Cu(OH)X而产生的，-0.27V附近的还原峰电流对应着铜氧化物或铜的复杂化合物的还原。同时可以看到，随着扫描周数的增加，峰电流逐渐降低，这是因为含有巯基的L-半胱氨酸分子能够通过Cu-S键结合到铜表面，形成稳定的组装膜，扫描周数越多，膜越致密，从而降低了电极表面和缓冲溶液界面的电子转移速率，使峰电流逐渐降低。

图3 扫描不同周数的L-Cys/Cu电极在磷酸缓冲液中CV图

由图4的交流阻抗图谱可知，裸铜的交流阻抗半径最小，L-Cys/Cu电极随着扫描周数的增加，交流阻抗谱的半经逐渐增加，说明L-半胱氨酸组装到铜电极表面，并且组装到电极表面的L-半胱氨酸量也随扫描周数的增加而增加，这与图3得出的结论相一致。

图4 不同扫描周数的L-Cys/Cu电极在磷酸缓冲液中的交流阻抗谱

2.3 L-半胱氨酸电化学组装膜与组装时间的关系

将铜电极浸泡在L-半胱氨酸溶液中，在-0.4～0.4V电位范围内分别以10.1和0.1mV/s的扫描速率循环伏安扫描一圈，电化学组装时间分别为0.16、1.6 和16ks，然后取出进行循环伏安法测定，如图5所示，结果表明随着组装时间的增加，响应电流逐渐降低，膜的致密性逐渐增强，这可能是由于随着组装时间的增大，组装到电极表面的半胱氨酸量逐渐达到饱和，形成致密的单分子膜，如果组装时间继续增大，已组装的L-Cys分子中荷正电的氨基与荷负电的羧基可能分别和游离在底液中的L-Cys中的羧基与氨基产生静电作用及氢键作用，从而形成了双层膜，使膜更致密了。

图5 不同组装时间的L-Cys/Cu电极在磷酸缓冲液中的CV图

由图5也可看出，电化学组装1.6和16ks的L-半胱氨酸膜电极的氧化峰电位和还原峰电位的位置同图3，而电化学组装t为160s的膜电极呈现出不同的电化学行为，其阴极峰电位还出现在-0.27V附近，与图3相同，不过-0.03V处的氧化峰电流消失，而于+0.06V处出现一响应良好的氧化峰电流，并且其后(+0.29V左右)还出现了一小峰电流。估计出现两氧化峰电流的原因可能是由于铜表面氧化物形成的同时伴随着吸附的半胱氨酸的氧化脱附，这说明组装t越短，铜电极表面形成的L-半胱氨酸电化学组装膜越不致密，吸附的少量L-半胱氨酸就越容易氧化脱附。

交流阻抗图谱从另一角度表明了膜的质量，由图6可见，在pH=6.86的缓冲溶液中，L-半胱氨酸电化学组装铜电极较裸铜的阻抗谱半径明显增大，并且随着组装时间的增大，阻抗谱半径也逐渐增大，即L-半胱氨酸电化学组装膜对电荷传输有阻碍作用，同时也说明致密性越好阻碍作用越大。因此可得到组装时间和膜致密性的关系，即在一定时间内，组装时间越长，膜越致密。

图6 不同组装时间的L-Cys/Cu电极在磷酸缓冲液中的交流阻抗谱

2.4 扫描速度对氧化峰电流的影响

富集160s时，在0.1～10mV 的电压下，以不同的扫描速度进行扫描，做氧化峰峰电流(IP)与扫描速度的关系图(图7)，由图7可知，氧化峰电流随扫描速度的增加而增加，IP与υ1/2呈线性关系，其线性方程为 Y=-0.008 43+0.054 603c，相关系数 r=99.1%。说明L-半胱氨酸在铜电极上的电化学反应受扩散控制［11］。

图7 IP与υ1/2的关系

3 结论

通过电化学组装的方法制备了L-半胱氨酸膜电极，并用交流阻抗法和循环伏安法对其进行电化学表征，发现随着循环扫描周数的增加，伏安图上相应峰电流不断减小，3周时峰电流降低幅度减慢，扫至4周时峰电流趋于稳定。并研究了峰电流与组装时间的关系，发现随着组装时间的增加，峰电流逐渐减小。同时研究了不同扫描速度下L-半胱氨酸电化学组装到铜电极上的循环伏安图，结果表明L-半胱氨酸氧化峰电流与扫描速度平方根成正比，说明L-半胱氨酸在铜电极上的电化学组装过程受扩散控制。

［1］Cossaro A，Terreni S，Cavalleri O，et al.Electronic and geometric characterization of the L-Cysteine paired-row phase on Au(110)［J］.Langmuir，2006，22:11193-11198.

［2］De Renzi V，Lavagnino L，Corradini V，et al.Very Low Energy Vibrational Modes as a Fingerprint of H-Bond Network Formation:L-Cysteine on Au(111)［J］.J.Phys.Chem.C，2008，112:14439-14445.

［3］Xu Q M，Chen W，Nozawa T，et al.New Structure of LCysteine Self-Assembled Monolayer on Au(111):Studies by In Situ Scanning Tunneling Microscopy［J］.Langmuir，2001，17:6203-6206.

［4］马晓玲，杨海峰，孙晓靖等，金电极上L-半胱氨酸短链分子自组装单层的电化学性能和拉曼光谱研究［J］.化学学报，2007，65(16):1617-1620.

［5］傅崇岗，苏昌华，单瑞峰.L-半胱氨酸修饰金电极对抗坏血酸的电催化作用及其测定［J］.物理化学学报，2004，32(10):207-210.

［6］顾凯，朱俊杰，陈洪渊.血红蛋白在L-半胱氨酸微银修饰电极上的电化学行为［J］.分析化学研究简报，1999，27(10):1172-1174.

［7］王升富，杜丹，邹其超.磷钼钨杂多酸-L-半胱氨酸微自组装膜电极的电化学性质［J］.物理化学学报，2001，17(12):1102-1106.

［8］Laibinis P E，Whitesides G M.Self-assembled monolayers of n-alkanethiolates on copper are barrier films that protect the metal against oxidation by air［J］.J.Am.Chem.Soc.，1992，114:9022-9028.

［9］Tudos A J，Vandeberg P J and Johnson D C.Evaluation of EQCM Data from a study of Cysteine Adsorption on Gold Eletrodes in Acidic Media［J］.Anal Chem，1995，67:552-556.

［10］Tudos A Jand Johnson D C.Dissolution of Gold Electrodes in Alkaline Media Containing Cysteine.［J］.Anal Chem，1995，67:557-560.

［11］贾莉，孟娟，张修华，等.L-半胱氨酸自组装膜修饰电极对对氨基酚电催化氧化及其分析应用［J］.分析科学学报，2003，19(6):507-510.

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

山西省教育厅高校开发项目(200611039)