納米修飾電極的制備及其應(yīng)用于蛋白質(zhì)電化學(xué)的研究.pdf

1、21世紀(jì)是納米科技的時(shí)代。當(dāng)物質(zhì)小到納米數(shù)量級時(shí)，會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，其電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)也相應(yīng)地發(fā)生顯著變化，呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能，在催化、電子材料、微器件、增強(qiáng)材料及傳感器材料等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 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

2、之間相互轉(zhuǎn)化。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)注的研究問題。它的研究對于人們獲得蛋白質(zhì)和酶的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，深入認(rèn)識蛋白質(zhì)和酶等生物大分子在生命體內(nèi)的生理作用、電子傳遞反應(yīng)和機(jī)制以及開發(fā)新型生物傳感器、新型生物燃料電池等生物電子器件具有重要的理論和應(yīng)用指導(dǎo)意義。因此，尋找更有效的方法實(shí)現(xiàn)更多蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)、通過研究蛋白質(zhì)的直接電子轉(zhuǎn)移以進(jìn)一步揭示生物體系氧化還原過程的機(jī)制、制備性能優(yōu)越穩(wěn)定可靠的

3、第三代生物傳感器以滿足生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測和工業(yè)快速分析的需要，必將成為這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。 將納米材料修飾在電極表面，制得納米修飾電極，由于納米材料獨(dú)特的比表面積大、催化活性高、親和力強(qiáng)等特點(diǎn)，基于其尺寸效應(yīng)和介電限域效應(yīng)等特性，能增大修飾電極的電流響應(yīng)，降低檢測限，大大提高檢測的靈敏度，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，可以用于許多微量的生物活體樣品的分析。將納米技術(shù)應(yīng)用于蛋白質(zhì)的

4、電化學(xué)分析研究，是一個(gè)嶄新的領(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。 本論文工作是導(dǎo)師金利通教授領(lǐng)導(dǎo)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的部分工作內(nèi)容，致力于研制新型納米材料和納米修飾電極(電化學(xué)傳感器)，以量子點(diǎn)、SiO2等多種納米材料作為氧化還原蛋白質(zhì)反應(yīng)平臺(tái)，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。以電化學(xué)方法作為主要研究手段，結(jié)合多種表征方法，探討蛋白質(zhì)在納米材料修飾電極上的電化學(xué)行為及電子傳遞本質(zhì)，既獲

5、取了蛋白質(zhì)電子轉(zhuǎn)移的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，也為研制無介體的生物傳感器提供了初步模型。同時(shí)，積極開展蛋白質(zhì)直接電化學(xué)的機(jī)理研究，建立血紅蛋白、肌紅蛋白、細(xì)胞色素c的新型電化學(xué)檢測方法，并將其應(yīng)用于實(shí)際樣品的檢測，為生命科學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究提供許多重要的分析方法。本論文工作努力實(shí)現(xiàn)將納米技術(shù)、生命科學(xué)和電分析化學(xué)三者的有機(jī)結(jié)合。全文共分五個(gè)部分： 第一章緒論綜述了納米技術(shù)與納米材料發(fā)展概況、納米材料在生物電化學(xué)中的應(yīng)用、蛋白質(zhì)的電化學(xué)研究三

6、部分。本章涉及納米材料的特性、制備、表征等，著重介紹了納米材料在生物電分析方面的應(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；詳細(xì)綜述了氧化還原蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)方法。 第二章殼聚糖固定TB@SiO2納米粒子修飾電極及其對血紅蛋白的催化還原研究采用反相微乳液技術(shù)合成了以甲苯胺藍(lán)(TB)為核，二氧化硅(SiO2)為殼的納米粒子，不僅具有良好的生物兼容性，而且作為電子傳遞介體的TB包埋于納米SiO2顆粒的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，有效防止

7、了介體的流失，提高了電極的穩(wěn)定性。 第三章PVP/CdS量子點(diǎn)修飾電極的制備及其對肌紅蛋白的直接電化學(xué)研究成功實(shí)現(xiàn)了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面修飾硫化鎘(CdS)量子點(diǎn)(QDs)化學(xué)修飾電極的制備及其用于蛋白質(zhì)的電化學(xué)測定。制備了PVP/CdS量子點(diǎn)材料，通過TEM、XRD、FTIR等手段進(jìn)行了表征，并將其修飾在玻碳電極(GC)表面制得PVP/CdS量子點(diǎn)修飾電極，研究了肌紅蛋白(Myoglobin，Mb)在該量子點(diǎn)修飾電極上

8、的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Mb在PVP/CdS量子點(diǎn)修飾電極上有良好的電化學(xué)響應(yīng)。流動(dòng)注射分析結(jié)果進(jìn)一步表明該量子點(diǎn)修飾電極具有高的穩(wěn)定性和好的重現(xiàn)性，檢出限為2.0×10-9mol/L，該電極可作為檢測肌紅蛋白的新型高靈敏度電化學(xué)傳感器。 第四章量子點(diǎn)修飾電極電化學(xué)檢測器與自制蛋白質(zhì)色譜柱聯(lián)用的研究探討了蛋白質(zhì)色譜柱的制備及蛋白質(zhì)的HPLC-ECD模式的建立。采用整體柱制備技術(shù)，制備了新型高效(苯乙烯-二乙烯苯-甲基丙烯酸)

9、三元共聚物連續(xù)棒疏水色譜柱，掃描電鏡顯示其具有大孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出良好的通透性。以乙腈-水為流動(dòng)相在流速2.0mL/min時(shí)，柱壓僅為3.3Mpa。首次將該色譜柱與自制的量子點(diǎn)修飾電極電化學(xué)檢測器聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了對三種蛋白質(zhì)的分離檢測，與傳統(tǒng)的UV檢測法相比，靈敏度提高，檢測限降低了2個(gè)數(shù)量級。該方法簡便、成本低且重現(xiàn)性好，具有很好的發(fā)展前景。 第五章Hb在羧基化ZnS量子點(diǎn)自組裝修飾Au電極上的直接電化學(xué)研究制備了基于量子點(diǎn)(

10、QDs)自組裝修飾金電極，并首次成功地將血紅蛋白(Hb)固定在該量子點(diǎn)修飾電極表面。通過ZnS量子點(diǎn)表面羧基化的功能化設(shè)計(jì)，提高了材料的可溶性和生物兼容性。由于ZnS量子點(diǎn)表面的羧基提供了更多的蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)，有效提高了Hb在電極表面的覆載量；同時(shí)由于ZnS量子點(diǎn)具有良好的導(dǎo)電性，使得Hb在此功能界面上可實(shí)現(xiàn)快速直接電子轉(zhuǎn)移。由該羧基化ZnS量子點(diǎn)制得的Hb/ZnSQDs/L-Cys/Au電極顯示了高的靈敏度、良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。本