基于納米材料和氧化還原蛋白質的生物復合材料的組裝和應用.pdf

1、氧化還原蛋白質在電極上的電化學研究是生物電化學界和生命科學界非常關注的研究問題。它的研究對于研究蛋白質的電子傳遞機制以及開發(fā)新型的無媒介體電化學生物傳感器具有重要的意義。 納米技術的介入為電化學生物傳感器的提供了廣闊的發(fā)展空間。納米材料具有比表面積大，催化活性高等特點，這使得它們可以活化電極表面，加速蛋白質的活性中心與電極表面的直接電子轉移，同時保持蛋白質的生物活性。本論文利用多種具有生物親和性的納米材料(納米碳管，無機介孔材料

2、和量子點)設計和修飾電極表面，探討了氧化還原蛋白質的直接電化學性質及其催化特性。這些研究對于構造性能優(yōu)良的第三代的生物傳感器提供了新的思路和機遇。本論文主要做了以下幾方面的研究工作： (1) 本文利用靜電組裝的方式，在溫和條件下利用Hb，DNA 和多壁納米碳管(WMNTs)構筑了具有三明治結構的復合納米材料 DNA-Hb-MWNTs。這種獨特三明治結構的不但保持了所固載的 Hb 的天然結構和生物活性，而且還有效地防止了蛋白質的泄

3、漏。此外，相對于 Hb-MWNTs/GC電極，DNA-Hb-MWNTs/GC電極對 H<,2>O<,2>表現(xiàn)出更好的電催化性能，如寬檢測范圍，低檢測限，高靈敏度。這種通過多步驟組裝而構筑的多組分平臺為新穎的生物傳感器的制備出提供了一種有效的方法和途徑。 (2) 我們首次使用碲化鎘量子點(cdTe QDs)和大孔徑泡沫硅材料(MCFs)制備了 QDs-MCFs 復合材料，并用其固載肌紅蛋白(Mb)，成功實現(xiàn)了 Mb 在電極表面的直

4、接電子轉移。負電荷的 QDs 同胺基化的 MCFs 在靜電吸附的作用下形成 QDs-MCFs 復合材料。由于 QDs-MCFs 復合材料具有介孔結構，較好的生物相容性以及較大的比表面積，因此被用來作為 Mb 固定化的載體。實驗結果表明固載于 QDs-MCFs 復合物中的 Mb不但能夠實現(xiàn)直接電子轉移，而且對H<,2>O<,2>表現(xiàn)出較好的電催化性質。與 Mb 直接固載于 MCF(Mb-MCFs)相比，Mb-QDs-MCFs/GC電極對H

5、<,2>O<,2>的檢測范圍更寬，檢測限更低，靈敏度更高。這種較好的催化性能與復合材料所提供的適宜的微環(huán)境有關。 (3) 我們首次利用戊二醛交聯(lián)的方法將 Mb 價鍵固載在胺基化的大孔徑泡沫硅介孔材料中。與物理吸附的方法相比，這種價鍵固載的方法有效地防止了蛋白質在介孔材料中的泄漏。FTIR 與 Uv-Vis 結果表明所固載的 Mb 較好地保持了它們的天然構象。Mb-MCFs 復合材料與 Nafion 共同構筑的 Mb-MCFs/Natio

6、n/GC電極不但能夠實現(xiàn)直接電子轉移，而且對H<,2>O<,2>表現(xiàn)出較好的電催化性質，例如較寬的濃度檢測范圍，較高的靈敏度以及較低的檢測限。我們推斷這種較好的電催化性能一方面與硅基介孔材料良好的生物相容性有關，另一方面同 MCFs特有的大孔結構相關，這種大孔結構可以有效促進物質的傳輸。此外，由于介孔材料對于固載于其中的生物分子具有很好的保護作用，Mb-MCFs/Nation/GC電極表現(xiàn)出很好的熱穩(wěn)定性。實驗結果表明，Mb-MCFs/

7、Nafion/GC 電極在 80℃的高溫下加熱20分鐘后仍然保持了其82％的生物活性。 (4) 我們首次合成了離子液體修飾化的有機粘土(1—丙基—3—甲基咪唑基氯離子液體修飾的鎂基硅酸鹽有機粘土)。這種有機粘土不需要有機堿的作用即可在水溶液中自發(fā)剝離為單層納米片。然后在靜電吸附的作用下，剝離的納米片和血紅蛋白可以通過組裝，重新疊加成有序的層狀復合物，從而在溫和條件下實現(xiàn)對蛋白的固載。XRD 結果表明 Hb 以單分子層的方式嵌入到