基于納米材料和氧化還原蛋白質(zhì)的生物復(fù)合材料的組裝和應(yīng)用.pdf

1、氧化還原蛋白質(zhì)在電極上的電化學(xué)研究是生物電化學(xué)界和生命科學(xué)界非常關(guān)注的研究問(wèn)題。它的研究對(duì)于研究蛋白質(zhì)的電子傳遞機(jī)制以及開(kāi)發(fā)新型的無(wú)媒介體電化學(xué)生物傳感器具有重要的意義。 納米技術(shù)的介入為電化學(xué)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(diǎn)，這使得它們可以活化電極表面，加速蛋白質(zhì)的活性中心與電極表面的直接電子轉(zhuǎn)移，同時(shí)保持蛋白質(zhì)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(wú)機(jī)介孔材料

2、和量子點(diǎn))設(shè)計(jì)和修飾電極表面，探討了氧化還原蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)性質(zhì)及其催化特性。這些研究對(duì)于構(gòu)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(jī)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(gòu)筑了具有三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米材料 DNA-Hb-MWNTs。這種獨(dú)特三明治結(jié)構(gòu)的不但保持了所固載的 Hb 的天然結(jié)構(gòu)和生物活性，而且還有效地防止了蛋白質(zhì)的泄

3、漏。此外，相對(duì)于 Hb-MWNTs/GC電極，DNA-Hb-MWNTs/GC電極對(duì) H<,2>O<,2>表現(xiàn)出更好的電催化性能，如寬檢測(cè)范圍，低檢測(cè)限，高靈敏度。這種通過(guò)多步驟組裝而構(gòu)筑的多組分平臺(tái)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(diǎn)(cdTe QDs)和大孔徑泡沫硅材料(MCFs)制備了 QDs-MCFs 復(fù)合材料，并用其固載肌紅蛋白(Mb)，成功實(shí)現(xiàn)了 Mb 在電極表面的直

4、接電子轉(zhuǎn)移。負(fù)電荷的 QDs 同胺基化的 MCFs 在靜電吸附的作用下形成 QDs-MCFs 復(fù)合材料。由于 QDs-MCFs 復(fù)合材料具有介孔結(jié)構(gòu)，較好的生物相容性以及較大的比表面積，因此被用來(lái)作為 Mb 固定化的載體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明固載于 QDs-MCFs 復(fù)合物中的 Mb不但能夠?qū)崿F(xiàn)直接電子轉(zhuǎn)移，而且對(duì)H<,2>O<,2>表現(xiàn)出較好的電催化性質(zhì)。與 Mb 直接固載于 MCF(Mb-MCFs)相比，Mb-QDs-MCFs/GC電極對(duì)H

5、<,2>O<,2>的檢測(cè)范圍更寬，檢測(cè)限更低，靈敏度更高。這種較好的催化性能與復(fù)合材料所提供的適宜的微環(huán)境有關(guān)。 (3) 我們首次利用戊二醛交聯(lián)的方法將 Mb 價(jià)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(jià)鍵固載的方法有效地防止了蛋白質(zhì)在介孔材料中的泄漏。FTIR 與 Uv-Vis 結(jié)果表明所固載的 Mb 較好地保持了它們的天然構(gòu)象。Mb-MCFs 復(fù)合材料與 Nafion 共同構(gòu)筑的 Mb-MCFs/Natio

6、n/GC電極不但能夠?qū)崿F(xiàn)直接電子轉(zhuǎn)移，而且對(duì)H<,2>O<,2>表現(xiàn)出較好的電催化性質(zhì)，例如較寬的濃度檢測(cè)范圍，較高的靈敏度以及較低的檢測(cè)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(guān)，另一方面同 MCFs特有的大孔結(jié)構(gòu)相關(guān)，這種大孔結(jié)構(gòu)可以有效促進(jìn)物質(zhì)的傳輸。此外，由于介孔材料對(duì)于固載于其中的生物分子具有很好的保護(hù)作用，Mb-MCFs/Nation/GC電極表現(xiàn)出很好的熱穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)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(jī)粘土)。這種有機(jī)粘土不需要有機(jī)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(guò)組裝，重新疊加成有序的層狀復(fù)合物，從而在溫和條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白的固載。XRD 結(jié)果表明 Hb 以單分子層的方式嵌入到