葡萄糖氧化酶活性中心與碳納米電極相互作用的理論研究.pdf

1、生物燃料電池是利用酶或者微生物組織作為催化劑,將燃料的化學能轉化為電能的發(fā)電裝置。采用葡萄糖氧化酶作為陽極催化劑且葡萄糖作為“燃料”的酶生物燃料電池近年來受到廣泛重視。因此,研究葡萄糖氧化酶活性中心(黃素)與碳納米電極之間的相互作用對探討生物燃料電池的發(fā)展非常重要。
　　本工作包括三個部分:
　　第一部分是葡萄糖氧化酶活性中心(黃素)和碳納米面之間相互作用的理論研究。運用密度泛函理論,在M062X/6-31+g(d)理論水平

2、下,對還原態(tài)、半還原態(tài)、氧化態(tài)的黃素與碳納米面以不同耦合模式相互作用進行了優(yōu)化計算,對結合能、電子云分布、帶隙、態(tài)密度等性質進行了具體對比分析。研究表明,黃素和碳納米面之間的結合為物理吸附,范德華力起主要作用,碳納米面和不同狀態(tài)的黃素相互作用,電子云分布情況不同。還原態(tài)黃素的吸附最有利于黃素和碳納米面之間的電子傳遞,次之是半還原態(tài),再者是氧化態(tài)。黃素的吸附可使碳納米面的導電性增強。就結合能、帶隙等性質對比來看,平行耦合模式優(yōu)于垂直耦合模

3、式。
　　第二部分是在第一部分的基礎上由淺入深、層層深入進行研究的。這部分內容是葡萄糖氧化酶活性中心(黃素)與碳納米管之間相互作用的理論研究。采用ONIOM分層計算方法,高層在M062X/6-31+g(d)理論水平下,低層在M062X/sto-3g理論水平下,對以不同構象相互作用的黃素和碳納米管之間的相互作用問題進行了對比分析。同樣對結合能、電子云分布、帶隙、態(tài)密度等性質進行了計算,并結合第一部分的情況進行了對比分析。結果表明,和

4、第一部分相同,在黃素和碳納米管的相互作用過程中,無論是平行構象、環(huán)繞構象還是垂直構象,二者的結合都是物理吸附。環(huán)繞構象中,黃素的形狀發(fā)生變化,隨碳納米管發(fā)生彎曲,呈蝴蝶型結構。在和碳納米管相互作用的過程中,構象的不同、黃素氧化還原態(tài)的不同、結構形狀的不同,都可以使電子云分布發(fā)生變化。另外,綜合第一部分的研究可知,黃素上碳鏈的存在對黃素和碳納米電極之間的相互作用有輕微的影響。
　　第三部分主要研究的是過渡態(tài)問題。尋找到黃素和葡萄糖相

5、互作用的過渡態(tài),然后讓碳納米面或碳納米管參與進來,探究碳納米面或碳納米管對此相互作用的影響,以及其中的質子/電子傳遞機理。調查顯示,從反應物到過渡態(tài)再到產物, N-H距離逐漸縮小,C-H距離逐漸增大,質子是從糖環(huán)的C1上轉移到黃素上的N5上;黃素和葡萄糖的反應為質子耦合雙電子轉移;當有碳納米面或碳納米管存在時,為質子耦合單電子轉移;碳納米面或碳納米管促進了電子的轉移,可以調控電子云分布,導致活化能降低。而且當有碳納米面或碳納米管參與時,