室溫離子液體和納米材料在酶和蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)和生物傳感器中的應(yīng)用研究.pdf

1、本論文主要研究目的在于構(gòu)造和發(fā)展性能優(yōu)良的以直接電化學(xué)為基礎(chǔ)的第三代生物傳感器，并將其用于對(duì)環(huán)境和生命相關(guān)的重要物質(zhì)的檢測。新型室溫離子液體和納米材料在生物傳感方面的研究和應(yīng)用才處于起步階段，有很多未知的領(lǐng)域等待我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。我們將這兩種類型的材料用來構(gòu)造新穎的生物傳感界面，對(duì)其在酶和蛋白質(zhì)的直接電化學(xué)和生物傳感器方面的應(yīng)用性能進(jìn)行了探索性的研究。這些研究對(duì)于構(gòu)造第三代性能優(yōu)良的生物傳感器和提高現(xiàn)有的生物傳感器的性能能夠提供新的思路

2、和機(jī)遇。本論文主要做了以下幾方面的研究工作： 1．我們首次將室溫離子液體和生物聚合物殼聚糖結(jié)合起來形成了一個(gè)新穎的復(fù)合材料，以辣根過氧化物酶和血紅蛋白為模擬蛋白質(zhì)對(duì)這個(gè)復(fù)合體系進(jìn)行了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)這種基于室溫離子液體的復(fù)合材料對(duì)酶和蛋白質(zhì)具有很好的生物相容性，能夠同時(shí)帶來聚合物和離子液體的一些有利的性質(zhì)，不僅可以大大提高酶和蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性，同時(shí)室溫離子液體自身優(yōu)異的離子導(dǎo)電能力以及其與蛋白質(zhì)之間的相互作用(尤其是氫鍵的形成)

3、可以極大的促進(jìn)酶和蛋白質(zhì)與電極之間的電子傳輸，克服了以往酶和蛋白質(zhì)與基底電極之間的電子傳輸效率低的問題，并且可以大大提高固定在電極表面的酶和蛋白質(zhì)的長期穩(wěn)定性。以此復(fù)合材料為基礎(chǔ)構(gòu)建的酶電極實(shí)現(xiàn)了針對(duì)一些環(huán)境和生命相關(guān)的重要物質(zhì)(如有機(jī)鹵污染物三氯乙酸、過氧化氫等)的檢測。將室溫離子液體誘陷在殼聚糖中為離子液體在很多領(lǐng)域(如生物傳感、生物催化以及固態(tài)電子學(xué)等)的應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。這種基于新型室溫離子液體的復(fù)合體系，是用于誘陷和固定蛋白

4、質(zhì)的一個(gè)很有希望的基底，以其為基底構(gòu)建生物傳感界面，能夠?yàn)檠趸€原蛋白質(zhì)和酶的直接電化學(xué)的研究提供新的平臺(tái)，對(duì)于構(gòu)建性能優(yōu)良的第三代生物傳感器具有重要的意義。 2．我們從納米材料的優(yōu)良性能著眼，設(shè)計(jì)合成和選擇了幾種具有新穎結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的納米材料，將它們首次用于構(gòu)造新型的納米生物傳感器并對(duì)它們的生物傳感性能進(jìn)行了研究。研究了生物相容性納米結(jié)構(gòu)膜對(duì)于生物分子活性的影響及在生物分子固定化中的作用，探討了納米材料的組成、尺寸、結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)

5、、生物相容性、換能能力等在酶和蛋白質(zhì)的直接電子傳輸和生物活性方面的影響，為發(fā)展新穎的基于直接電子傳輸?shù)募{米生物傳感器奠定了一定的基礎(chǔ)。主要探索了以下三個(gè)體系： (1)富含羥基的氧化銻溴化物納米棒我們通過水熱方法首次合成了一種富含羥基的氧化銻溴化物納米棒(分子式為Sb<,8>O<,10>(OH)<,2>Br<,2>，縮寫為AOB)，這種化合物富含官能團(tuán)羥基，其通過親水的表面提供的水樣的環(huán)境對(duì)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定非常重要，具有很好的生物相容性。我們

6、將這種納米棒與殼聚糖復(fù)合形成一種生物形容性的有機(jī)無機(jī)雜合材料并作為基質(zhì)用于固定辣根過氧化物酶，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明辣根過氧化物酶在這種納米復(fù)合材料中保持了很好的生物活性并實(shí)現(xiàn)了明顯促進(jìn)的直接電子傳輸。以此復(fù)合材料為基礎(chǔ)構(gòu)建的生物傳感器在對(duì)生命中間體過氧化氫的檢測中顯示了優(yōu)良的性能。這種基于氧化銻溴化物納米棒的有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料能夠用于固定多種蛋白質(zhì)和酶，有望廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療檢測和環(huán)境分析。(2)海綿狀CO<,3>O<,4>納米片我們合成了一種具

7、有分層結(jié)構(gòu)的海綿狀CO<,3>O<,4>納米片，將這種納米片與導(dǎo)電聚合物結(jié)合起來用作酶的固定基底，不僅可以提高基底與蛋白質(zhì)結(jié)合的活性表面積，而且CO<,3>O<,4>分層的多孔的納米結(jié)構(gòu)能夠?yàn)楣潭ǖ拿副３制渖锘钚蕴峁┮粋€(gè)保護(hù)性的微環(huán)境，同時(shí)為底物接近固定的酶提供很多通道?；诤＞d狀Co<,3>O<,4>構(gòu)建的納米生物傳感界面，實(shí)現(xiàn)了血紅蛋白和電極之間快的電子轉(zhuǎn)移(異向電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)k<,s>2.9S<'-1>)。構(gòu)造的酶電極的表觀M

8、ichaelis-Menten(K<'app><,M>)常數(shù)為0．136 mM，傳感器靈敏度高達(dá)396 mA．cm<'-2> M<'-1>，說明誘陷在納米復(fù)合膜中的Hb對(duì)過氧化氫表現(xiàn)出了極高的類似過氧化物酶的生物催化活性。我們構(gòu)造的這種基于Co<,3>O<,4>納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器有望能夠?yàn)榈谌{米生物傳感器的發(fā)展提供新的思路。(3)碳納米纖維我們將直徑約80nm的碳納米纖維和質(zhì)子導(dǎo)電聚合物Nation的復(fù)合材料作為酶的固定基底用于構(gòu)

9、造無媒介體的生物傳感器，由于碳納米纖維固有的優(yōu)良導(dǎo)電性，其在這種生物傳感界面中既起到了信號(hào)換能的作用，又可以作為“電子導(dǎo)線”促進(jìn)蛋白質(zhì)與電極之間的電子傳輸。紅外光譜研究發(fā)現(xiàn)血紅蛋白在這種基于碳納米纖維的復(fù)合膜中保持了其固有的二級(jí)結(jié)構(gòu)。電化學(xué)研究證明血紅蛋白在基于碳納米纖維的復(fù)合膜修飾的電極上具有快的電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)，異向電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)為2.4 s<'-1>。傳感器的線性范圍為1到360μM，而靈敏度則高達(dá)459.2 mAcm<,-2>