检测多种重金属 3/5 - 利用方波伏安法进行多物种分析

多电极

如果一个分析过程已经成为标准程序，并在实验室或手持设备中广泛使用，那么时间效率就会成为一个重要的成本因素。测量时间的每一次缩短都会降低分析过程本身的成本。并行分析多个分析物是节省时间的好方法。在许多生物传感设备（如 DNA 芯片或其他片上实验室设备）中，不同的生物识别元件被固定在非常小的电极上，每个电极都会启动自己的程序来识别一种分析物。

这种方法只需一个样品就能检测多种分析物，但需要一个能测量多个电极的装置。在不同电极之间切换单个恒电位仪的多路复用器是一种经济的解决方案。但是，同一时间只能测量一个恒电位仪和一个电极。这意味着电极之间存在时间差。对于许多协议来说，这并不重要，在这种情况下，多路复用器就是一个很好的解决方案。PalmSens为每个恒电位仪系列提供多路复用器，甚至还提供集成多路复用器的恒电位仪。

并行测量的解决方案

如果需要进行真正的平行测定，多电极恒电位仪是缩短测量时间的不错选择。多电极恒电位仪是一种具有一个参比电极、一个对电极和多个工作电极的恒电位仪。这意味着所有电极必须处于相同的溶液中。这种装置的局限性在于工作电极之间的相互依赖性。虽然工作电极 1 在应用技术方面没有限制，但所有其他工作电极必须遵循工作电极 1 的电位，并具有用户定义的电位偏移，或者具有恒定电位。PalmSens提供的 PalmSens4 是双恒电位仪，即带有两个工作电极。

最佳解决方案是多恒电位仪。这是由一个软件包（如 MultiPalmSens4（见图 2.1）或 MultiEmStat3(+)）控制的带有多个独立恒电位仪的外壳。独立的恒电位仪不得在同一电化学电池中使用，也不得共用参比电极和对电极。

不难想象，考虑到生产、成本和复杂性，使用单个电极检测多个分析物的技术要优于这些阵列系统。如果两个形式电位相差足够大，就可以单独观察到一个物种反应引起的电流变化（见图 2.2）。如果采用线性扫频伏安法，一旦每个物种的形式电位接近，它们就会开始反应，例如发生氧化反应。电流将以众所周知的 内斯特和 科特赖尔联合影响的方式发生反应。缺点是第二种物质（即阳极形式电位较高的物质）的绝对电流取决于第一种物质的扩散限制电流。

改进多重分析任务的一种方法是使用曲线的差值。只要两个峰值的电位差足够大，峰值不会重叠，那么这两个峰值就可以用于定量分析。但每个转折点都会产生一个峰值，因此每个峰值都会产生两个峰值。尽可能接近形式电位的单一峰值是解决这一问题的最简单方法。差分脉冲伏安法（DPV）和方波伏安法（SWV）是满足所有这些要求的两种常用技术。

方波伏安法

本章的重点是 SWV，因为最终实验中不会使用 DPV。

SWV 是一种结合脉冲轮廓的线性电位扫描（见图 2.3a）。_其振幅通常在 5 至 50 mV 之间，电位逐级升高，并在规定时间后退一步，退步幅度小于振幅。因此，在一个完整的前后循环之后，电位会比之前更高。一个完整周期所需的时间为_tinterval，其倒数为频率。每前进一步和后退一步都需要 tinterval/₂。在每一步前进（_Iforward）和每一步后退（_Ireverse）之前测量电流（见图 4.37 b）。虽然_Iforward和_Ireverse可以单独绘制，但这两个值之间的差值 ∆I 通常是相对于电势绘制的。从 Cottrell 实验中可以推测出预期的电流响应。

每一步都会导致电容电流迅速衰减，甚至呈指数衰减。调整频率或_间隔时间时，需要使大部分电容电流已经衰减，但法拉第电流仍然很大。频率通常根据每个系统的经验进行评估。图 2.4 显示了 SWV 的电流响应方案。

在图 2.4 中，假设溶液中只有还原物种 Red，且 SWV 的起始电位远低于氧化还原物种的形式电位。频率的选择应使电容电流在进行下一步之前就已经下降。在理想情况下，只要电容电流对测量电流有贡献，_Iforward和_Ireverse之间的差值就是 0。频率过高可能会导致基线偏移。

随着电位的增加，即电位越来越接近氧化还原物种的形式电位，法拉第电流对电流响应的贡献会增加，而电容电流将保持不变。根据 Nernst 方程，电流响应在形式电位附近最强。一旦电位远高于形式电位，Red 将永久氧化为 Ox。每一步之后，电容电流都会下降，并记录恒定的扩散限制电流，从而导致_Iforward和_Ireverse 之间的差值 ∆I 为 0（见图 2.4b）。

最常见的 SWV 曲线图是仅绘制 ∆I 与 E 的关系曲线（见图 2.4c）。由于绘制的是两个测量点之间的差值，因此曲线实际上是线性扫描伏安图的导数，但显然是非扩散受限系统的导数。

这是为什么呢？由于存在电位后退，被消耗的物种得以再生，从而防止了耗竭。这种技术创建了一个几乎无扩散限制的系统。通过求解_cOx(x,t) 和_cRed(x,t) 的方程来预测 SWV 的形状，可以发现 SWV 中_Ep峰的电位与形式电位^E0' 的关系为

通常，振幅较小，_Ep将接近^E0'。不过，在解释 SWV 时，如果^E0'用于识别某种物质，则应考虑_Ep与^E0'之间的差异。振幅的另一个影响是峰值电流会随着振幅的增大而增大；不幸的是，它也会使峰值变宽，从而导致分辨力下降。振幅的变化也会对电容电流产生影响，因此需要重新评估频率。理论观测结果表明的另一个非常重要的关系是峰值电流_∆Ip与体红浓度_c*Red 之间的关系：

再看一下图 2.2 中的初始问题，就会发现如果多个被分析物的形式电位相差悬殊，则 SWV 是分析同一溶液中多个被分析物的合适工具，可以单独处理峰值（见图 2.4d）。以上对 SWV 和脉冲方法的简要介绍并未涵盖所有重要特性。如需更详细的说明，请参阅相关文献。