蛋白質(zhì)與碳納米管相互作用的機(jī)理研究.pdf

1、酶生物燃料電池是一類直接利用生物酶為電極催化劑，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的燃料電池。近年來，酶生物燃料電池以其低成本、電解質(zhì)無腐蝕性、較好的生物相容性和工作條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，引起了世界各國科學(xué)家的研究興趣。然而，目前酶生物燃料電池存在兩個(gè)關(guān)鍵性問題：輸出功率低和使用壽命短，而這兩個(gè)問題都與酶催化劑的固定直接相關(guān)。將碳納米管用于修飾構(gòu)建酶生物燃料電池電極已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。所以，研究蛋白質(zhì)分子與碳納米管電極相互作用對探討酶生物燃料電池的發(fā)展十分

2、重要。具體研究內(nèi)容可歸納如下：
　?。?）為了明確酶修飾碳納米管電極的π-π相互作用，我們利用密度泛函方法在M06-2X-6-31+G(d,p)//M06-2X-6-31G(d)理論水平上，探究組氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸以及色氨酸側(cè)鏈與不同電荷石墨烯片/（7,7）單壁碳納米管界面的相互作用。在不同電荷態(tài)下，芳香環(huán)氨基酸可以平行于碳納米管界面，形成π-π相互作用。這種π-π相互作用主要包括色散力、靜電作用力以及H-π鍵。在不同電荷態(tài)下

3、，相同的芳香環(huán)與石墨烯片/碳納米管作用的色散力幾乎保持不變。然而，靜電作用力和H-π鍵受不同電荷態(tài)的影響較大，這也導(dǎo)致了四種芳香環(huán)與石墨烯片/碳納米管相互作用的綁定順序發(fā)生變化。更重要的是，所有帶電體系的最高雙占據(jù)分子軌道，單占據(jù)分子軌道以及最低空占據(jù)分子軌道全部分布在單獨(dú)的碳納米管部分，這也意味著碳納米管與芳香環(huán)氨基酸作用時(shí)，負(fù)電荷和正電荷很容易聚集在碳納米管上，這些結(jié)果也表明碳納米管可以用來裝備酶修飾碳納米管電極。
　?。?）

4、在本工作中，我們利用密度泛函算法，探究了含硫氨基酸（包括半胱氨酸和甲硫氨酸）與石墨烯片/碳納米管的相互作用機(jī)理。相比于碳納米管/含硫氨基酸體系，石墨烯片/含硫氨基酸體系有更高的結(jié)合能。更重要的是，體系在負(fù)電荷狀態(tài)下，半胱氨酸/甲硫氨酸不能穩(wěn)定的吸附在碳納米管表面，這是由于結(jié)合能主要由含硫氨基酸上硫原子的孤對電子和H-π鍵貢獻(xiàn)。同樣，我們也計(jì)算了體系的結(jié)合能以及電子云分布，結(jié)果顯示與第一部分工作相似，半胱氨酸/甲硫氨酸與石墨烯片/碳納米管

5、是物理吸附?？偠灾覀兩钊胩接懥税腚装彼?甲硫氨酸與石墨烯片/碳納米管相互作用機(jī)理，為碳納米管在酶生物燃料電池當(dāng)中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。
　?。?）苯環(huán)二聚體是π-π相互作用的理想模型，在生物學(xué)相關(guān)系統(tǒng)（DNA堿基對的堆疊作用，蛋白質(zhì)中芳香環(huán)側(cè)鏈作用）以及納米材料科學(xué)等方面應(yīng)用廣泛。因此，在本工作中，我們構(gòu)建了從一元環(huán)到八元環(huán)的多環(huán)二聚體模型，利用六種不同的算法（M06-2X、WB97X-D、B3LYP、B3PW91、B3P8