新型納米修飾電極的研究及其在蛋白質(zhì)直接電化學(xué)行為探討中的應(yīng)用.pdf

1、納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科,這項(xiàng)跨世紀(jì)的高技術(shù),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(shù)以多門現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ),是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,代表著今后人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),也將成為現(xiàn)代高科技和新興學(xué)科交叉發(fā)展的研究熱點(diǎn),并已滲透到現(xiàn)代科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。 當(dāng)物質(zhì)小到納米數(shù)量級(jí)時(shí),會(huì)產(chǎn)生獨(dú)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(qiáng)材料等方面有著廣闊的應(yīng)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(yīng)和介電限域效應(yīng)等特性,能增大電流響應(yīng),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(zhì)和酶等生物大分子是構(gòu)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(shí)在這些生命過程中很多蛋白質(zhì)和酶都要經(jīng)歷電子轉(zhuǎn)移過程,在其氧化型和還原型之間相互轉(zhuǎn)化。從某種意義上講,

3、研究生命過程實(shí)質(zhì)上就是研究生物體中的電子傳遞過程。因此,用電化學(xué)方法來研究蛋白質(zhì)的電子傳遞過程有著特別的優(yōu)越性。納米材料獨(dú)特的比表面積大、催化活性高、親和力強(qiáng)的特點(diǎn),使其能活化電極表面,加速蛋白質(zhì)的活性中心與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移,同時(shí)最大限度地保持蛋白質(zhì)的生物活性。因此,將納米技術(shù)應(yīng)用于蛋白質(zhì)的電化學(xué)分析研究,是一個(gè)嶄新而具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域,有利于創(chuàng)新性地建立一些新理論、新技術(shù)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(zhì)的良好生物活性和電化學(xué)活性的同時(shí)提高氧化還原蛋白質(zhì)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(xué)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(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)修飾電極的功能化設(shè)計(jì)。 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(zhì)反應(yīng)平臺(tái),通過蒸氣滴涂、靜電吸附、層層組裝等方法構(gòu)筑可以加速蛋白質(zhì)與電極間電子轉(zhuǎn)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(shí)結(jié)合UV等技術(shù)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(xué)方法作為主要研究手段,探討蛋白質(zhì)在納米材料修飾電極上的電化學(xué)性質(zhì),研究蛋白質(zhì)對(duì)過氧化氫的催化響應(yīng)機(jī)理。通過以上工作,既獲取了蛋白質(zhì)分子中電子轉(zhuǎn)移的動(dòng)力學(xué)參數(shù),也為研制新一代的生物傳感器提供了理論基礎(chǔ)和初步模型。本論文工作將努力實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)、生命科學(xué)和電分析化學(xué)三者的有機(jī)結(jié)合。 全文共有四個(gè)部分： 1.緒論(第一章

6、)本部分內(nèi)容主要包括納米材料概況、化學(xué)修飾電極簡介、氧化還原蛋白質(zhì)的電化學(xué)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(xué)修飾電極的發(fā)展、制備和相關(guān)應(yīng)用；綜述了氧化還原蛋白質(zhì)的電化學(xué)研究意義和進(jìn)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(xué)和電催化性質(zhì)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(xué)和電催化性質(zhì)。該方法保持了傳統(tǒng)溶膠凝膠材料的優(yōu)點(diǎn),所制備二氧化硅溶膠有較多孔洞結(jié)構(gòu),可以更好地傳遞物質(zhì),提供更大的蛋白質(zhì)負(fù)載量,是較好的固定蛋白質(zhì)的基質(zhì),同時(shí)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(jī)助溶劑帶來的不良影響,使此修飾膜中的蛋白質(zhì)能保持良好的原始結(jié)構(gòu)且能在較寬溫度范圍內(nèi)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(duì)形狀較好的準(zhǔn)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(duì)的特征峰,說明該修飾電極上的二氧化硅溶膠凝膠確實(shí)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(duì)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(zhì)的電化學(xué)與電催化研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化,在能量存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)換、傳感等方面存在廣泛應(yīng)用前景,近年來更是在化學(xué)修飾電極制備中有大量應(yīng)用。本文中,我們首次用前驅(qū)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(zhì),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(zhì)荷載量且能長久保持其生物活性,同時(shí)具有良好的電化學(xué)和電催化性質(zhì)。我們還研究了組裝層數(shù)和外界溶液pH值等條件對(duì)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(duì)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(kuò)大了分子篩材料的應(yīng)用范圍,也為電分析化學(xué)中化學(xué)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(xué)性質(zhì)研究及其在生物傳感器中的應(yīng)用(第四章)本文成功制備了內(nèi)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(zhì)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(zhì)溶液吸附造成的電子傳遞受阻現(xiàn)象。同時(shí),薄膜中小尺寸金納米粒子能充當(dāng)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(zhì)在電極表面的直接電子傳遞。該修飾電極的電化學(xué)性質(zhì)研究表明在-0.3V左右的一對(duì)準(zhǔn)可逆氧化還原峰為血紅蛋白血紅素輔基FeⅢ/FeII電對(duì)的特征峰,峰電位差(△Ep)為+92mV。該修飾電極還對(duì)H2O2表現(xiàn)出良好的電催化還原效應(yīng),其還原電流與H2O2濃度在1.0