新型納米修飾電極的研究及其在蛋白質直接電化學行為探討中的應用.pdf

1、納米技術是20世紀80年代發(fā)展起來的一門新興學科,這項跨世紀的高技術,如初升的太陽在地平線上冉冉升起,引起各國家科技界、企業(yè)界及普通百姓的高度重視。該技術以多門現(xiàn)代科學技術為基礎,是現(xiàn)代科學和現(xiàn)代技術結合的產物,代表著今后人類科學技術發(fā)展的趨勢,也將成為現(xiàn)代高科技和新興學科交叉發(fā)展的研究熱點,并已滲透到現(xiàn)代科學的各個領域。 當物質小到納米數(shù)量級時,會產生獨特的常規(guī)材料所不具備的優(yōu)越性能,因此,納米材料在催化、電子材料、微器件、增

2、強材料等方面有著廣闊的應用前景。如果將納米材料用作電極表面修飾材料,由于其尺寸效應和介電限域效應等特性,能增大電流響應,大大提高檢測的靈敏度并降低檢測限；另外,由于許多納米材料都具有特有的生物兼容性,因此可用于許多微量的生物活體樣品的分析。 蛋白質和酶等生物大分子是構成生命的主要基元,參與完成生命體中的新陳代謝等許多生理過程,同時在這些生命過程中很多蛋白質和酶都要經歷電子轉移過程,在其氧化型和還原型之間相互轉化。從某種意義上講,

3、研究生命過程實質上就是研究生物體中的電子傳遞過程。因此,用電化學方法來研究蛋白質的電子傳遞過程有著特別的優(yōu)越性。納米材料獨特的比表面積大、催化活性高、親和力強的特點,使其能活化電極表面,加速蛋白質的活性中心與電極間的直接電子轉移,同時最大限度地保持蛋白質的生物活性。因此,將納米技術應用于蛋白質的電化學分析研究,是一個嶄新而具有挑戰(zhàn)性的領域,有利于創(chuàng)新性地建立一些新理論、新技術和新方法。 本論文致力于新型納米材料和納米修飾電極的研

4、究,在保持蛋白質的良好生物活性和電化學活性的同時提高氧化還原蛋白質與電極之間的電子交換速度,從而制備具有高靈敏度、低檢測限和高穩(wěn)定性的化學與生物傳感器。研究工作著重在于選擇和制備具有良好特性的納米材料并在此基礎上進行化學修飾電極的功能化設計。 文中嘗試以中空納米球體、分子篩及二氧化硅等多種材料作為氧化還原蛋白質反應平臺,通過蒸氣滴涂、靜電吸附、層層組裝等方法構筑可以加速蛋白質與電極間電子轉移過程的納米材料修飾電極；以SEM、TE

5、M等表征手段研究傳感器表面物理狀態(tài),同時結合UV等技術探究其生物活性；以交流阻抗、脈沖伏安以及循環(huán)伏安等電化學方法作為主要研究手段,探討蛋白質在納米材料修飾電極上的電化學性質,研究蛋白質對過氧化氫的催化響應機理。通過以上工作,既獲取了蛋白質分子中電子轉移的動力學參數(shù),也為研制新一代的生物傳感器提供了理論基礎和初步模型。本論文工作將努力實現(xiàn)納米技術、生命科學和電分析化學三者的有機結合。 全文共有四個部分： 1.緒論(第一章

6、)本部分內容主要包括納米材料概況、化學修飾電極簡介、氧化還原蛋白質的電化學研究三部分。文中簡要介紹了納米材料的分類、特性、制備等；簡述了化學修飾電極的發(fā)展、制備和相關應用；綜述了氧化還原蛋白質的電化學研究意義和進展。 2.基于表面蒸氣溶膠凝膠法制備二氧化硅及其在血紅蛋白的直接電化學和電催化性質中的研究(第二章)首次創(chuàng)新性地嘗試了在50℃pH=5.0的酸性條件下,基于表面蒸氣溶膠凝膠法制備二氧化硅溶膠凝膠(SiO2),并將其與血紅

7、蛋白(Hb)通過靜電吸引力層層組裝制備{Hb/SiO2}n薄膜修飾電極,研究了該薄膜中血紅蛋白的直接電化學和電催化性質。該方法保持了傳統(tǒng)溶膠凝膠材料的優(yōu)點,所制備二氧化硅溶膠有較多孔洞結構,可以更好地傳遞物質,提供更大的蛋白質負載量,是較好的固定蛋白質的基質,同時該法大大縮短了制備過程且避免了在傳統(tǒng)方法中酸環(huán)境和無機助溶劑帶來的不良影響,使此修飾膜中的蛋白質能保持良好的原始結構且能在較寬溫度范圍內保持其生物活性。該修飾電極的循環(huán)伏安圖呈

8、現(xiàn)一對形狀較好的準可逆氧化還原峰(△E=76mV,E1/2=-0.330V),為血紅蛋白血紅素中心FeⅢ/FeⅡ氧化還原電對的特征峰,說明該修飾電極上的二氧化硅溶膠凝膠確實有效地加速了血紅蛋白和電極之間的電子傳遞。此外,該修飾電極還對過氧化氫表現(xiàn)出良好的催化活性,米氏常數(shù)(Kmapp)為0.155mmol/L。該方法不但為蛋白質的電化學與電催化研究提供了堅實的基礎,還為第三代酶傳感器的研制和開發(fā)提供了一種新的思路。 3.MSU層

9、層自組裝膜中的血紅蛋白直接電子轉移和電催化行為的研究(第三章)納米顆粒型材料與傳統(tǒng)材料相比比表面積大大增加,表面結構發(fā)生較大的變化,在能量存儲或轉換、傳感等方面存在廣泛應用前景,近年來更是在化學修飾電極制備中有大量應用。本文中,我們首次用前驅體沸石Y以離子液體CMIMB為模板在堿性條件中合成A1-MSU-S材料,并將其用于固定氧化還原蛋白質,基于靜電吸引力層層組裝制備成{MSU/Hb}n/PDDA修飾電極。與用CTAB為模板制得的分子篩

10、相比,用離子液體CMIMB為模板制得的MSU材料具有更大的孔徑、孔體積和表面積,所以{MSU/Hb}n/PDDA修飾電極具有較大的蛋白質荷載量且能長久保持其生物活性,同時具有良好的電化學和電催化性質。我們還研究了組裝層數(shù)和外界溶液pH值等條件對該修飾膜中血紅蛋白電子傳遞過程的影響。此外,{MSU/Hb}n/PDDA修飾電極對過氧化氫表現(xiàn)出良好的催化活性,線性范圍是1.0×10-6到1.86×10-4mol/L,檢測限是5.0×10-7m

11、ol/L,(S/N=3),米氏常數(shù)(Kmapp)為0.368 mmol/L。該研究擴大了分子篩材料的應用范圍,也為電分析化學中化學與生物傳感的深入研究開辟了新的途徑。 4.血紅蛋白在中空金納米球/殼聚糖薄膜中的電化學性質研究及其在生物傳感器中的應用(第四章)本文成功制備了內徑約為10nm,外徑約為30nm的中空金納米粒子并創(chuàng)新性地將其用于氧化還原蛋白質的固定修飾電極的制備。殼聚糖生物相容性好,親水性高,能為血紅蛋白分子提供特殊的

12、生物兼容性微環(huán)境,降低由于蛋白質溶液吸附造成的電子傳遞受阻現(xiàn)象。同時,薄膜中小尺寸金納米粒子能充當血紅蛋白與電極之間的電子傳遞通道,且保持血紅蛋白生物活性不變,更有利于氧化還原蛋白質在電極表面的直接電子傳遞。該修飾電極的電化學性質研究表明在-0.3V左右的一對準可逆氧化還原峰為血紅蛋白血紅素輔基FeⅢ/FeII電對的特征峰,峰電位差(△Ep)為+92mV。該修飾電極還對H2O2表現(xiàn)出良好的電催化還原效應,其還原電流與H2O2濃度在1.0