氫酶有序復(fù)合體系的組裝及其性質(zhì)研究.pdf

1、氫酶是一類高效的催化氫氣氧化及質(zhì)子還原的氧化還原酶，在藻類和細(xì)菌的能量代謝過程中發(fā)揮著重要的作用。在面臨全球環(huán)境和能源危機(jī)的形勢下，模擬生物體系來利用太陽能通過光活性蛋白和氫酶直接分解水催化制氫具有重要的研究價值。氫酶有序復(fù)合體系的組裝對于從分子層次研究以氫酶作為催化劑，構(gòu)建生物產(chǎn)氫分子和納米器件，開發(fā)氫能源，研制生物燃料電池具有重要的意義。因此，本論文從分子層次上設(shè)計和組裝含蛋白質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用Langmuir-Blodgett(L

2、B)膜法、自組裝法等分子組裝方法組裝了含蛋白質(zhì)(氫酶和細(xì)胞色素c)的有序超薄膜，并表征了上述薄膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，主要內(nèi)容和結(jié)果如下： 1.首先將碳納米管酸氧化處理以使得其表面覆蓋大量的羧基，并利用拉曼光譜、紅外光譜和紫外光譜等表征了氧化處理后的碳納米管的表面及碳納米管的結(jié)構(gòu)特征。然后將水溶性的酸氧化處理后的碳納米管與氫酶混合形成碳納米管．氫酶復(fù)合物，并通過LB技術(shù)，將碳納米管-氫酶復(fù)合物形成的有序單分子膜轉(zhuǎn)移到ITO電極、石英基片

3、表面上制備成有序超薄膜。通過紅外光譜技術(shù)表征了有序分子膜中氫酶分子的結(jié)構(gòu)變化；利用透射電鏡觀察了有序薄膜的表面形貌。討論了碳納米管一氫酶之間的分子間作用力的特征。進(jìn)而重點研究了氫酶、碳納米管-氫酶有序薄膜修飾電極的電化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，碳納米管—氫酶復(fù)合物可在氣液界面形成穩(wěn)定的單分子膜。復(fù)合物的聚集體主要以碳納米管的細(xì)長結(jié)構(gòu)為主，氫酶吸附在碳納米管的表面。碳納米管的存在不僅會使得LB膜更加穩(wěn)定，同時能夠提高電極表面與H2ase活性中心之

4、間的電子轉(zhuǎn)移效率。 2.利用涂膜法制備了碳納米管-氫酶修飾的玻碳電極，并詳細(xì)研究了它們的電化學(xué)性質(zhì)。在本節(jié)中碳納米管的處理采取了以下兩種方法：一是將碳納米管溶解在磺化四氟乙烯共聚物(Nafion)溶液中形成碳納米管—Nafion的懸浮液；二是將碳納米管氧化處理后溶解在水溶液中。將上述溶液通過涂抹的方法先固定到電極表面，干燥后再滴涂上氫酶溶液最終形成(Nafion)碳納米管/氫酶復(fù)合材料修飾的玻碳電極。利用掃描電子顯微鏡技術(shù)表征了

5、氫酶、酸化碳納米管—氫酶以及(Nafion-)碳納米管—氫酶等形成的薄膜的表面形貌。并通過循環(huán)伏安和計時庫侖技術(shù)等電化學(xué)手段研究了氫酶、酸化碳納米管—氫酶以及(Nafion-)碳納米管—氫酶修飾玻碳電極的電化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，雖然純氫酶難以在玻碳電極表面形成穩(wěn)定的薄膜，但碳納米管一氫酶復(fù)合物可以形成比較穩(wěn)定的薄膜。共存的碳納米管能夠增強(qiáng)氫酶活性中心和電極表面的電子轉(zhuǎn)移效率，電荷擴(kuò)散系數(shù)明顯增加。由于Nafion具有一定的電阻，用Nafi

6、on溶解碳納米管形成的復(fù)合膜的電荷擴(kuò)散系數(shù)比酸化處理后的碳納米管與氫酶形成的復(fù)合膜增加幅度小。另外，由于多壁碳納米管形成的復(fù)合膜比單壁碳納米管形成的復(fù)合膜更加穩(wěn)定，所以多壁碳納米管與氫酶形成的復(fù)合膜修飾電極具有更大的氧化還原電流和電荷轉(zhuǎn)移擴(kuò)散系數(shù)。 3.采用自組裝和層層組裝的方法，將光敏劑(鋅卟啉)、催化劑(氫酶)和電子授受體(紫精衍生物)組裝到石英和ITO基片表面形成三元復(fù)合結(jié)構(gòu)。首先將親水化處理的石英或者ITO基片表面通過共

7、價鍵作用嫁接上一層對氯甲苯基硅烷(O3SiC6H4CH2Cl)分子層，其次通過價鍵作用結(jié)合上鋅卟啉(ZnTMPyPyP)分子或者N-甲基-4，4’-聯(lián)吡啶(VIO)從而整個基片顯示正電性，通過靜電作用吸附上氫酶分子層，然后再吸附上一層聚紫精(PXV)或者鋅卟啉(ZnTMPyP)，最終形成兩種三元復(fù)合薄膜，ZnTMPyPyP-H2ase-PXV和VIO-H2ase-ZnTMPyP。文中利用紫外一可見吸收光譜、掃描電子顯微鏡和X-射線光電子

8、能譜跟蹤了薄膜的組裝過程和基片表面薄膜的組成，證實了所獲得的薄膜正是我們所預(yù)期的三元結(jié)構(gòu)。存在于三元多層膜中的氫酶仍然保持了良好的催化活性。對每一層組裝后的薄膜的電化學(xué)結(jié)果顯示，隨著氫酶和紫精衍生物的組裝，氧化還原電流均有一定程度的增加，進(jìn)一步證實了三元結(jié)構(gòu)的形成。該復(fù)合結(jié)構(gòu)中包含了可模擬光活性蛋白的鋅卟啉、生物催化劑氫酶以及人工電子授受體紫精，所以它們是從分子水平上模擬光吸收和能量/電子轉(zhuǎn)移過程的比較理想的模型，并且在研制和開發(fā)人工生

9、物產(chǎn)氫分子器件、氫氣生物傳感器和生物燃料電池方面具有一定的指導(dǎo)意義。 4.將酸化處理的飽和水溶性碳納米管溶液與電子轉(zhuǎn)移蛋白質(zhì)細(xì)胞色素c溶液混合均勻形成復(fù)合物，在氣液界面鋪展形成穩(wěn)定單分子膜。通過LB技術(shù)將單分子膜轉(zhuǎn)移到石英和ITO導(dǎo)電玻璃基片表面形成有序超薄膜；通過紫外可見吸收光譜研究了LB薄膜中細(xì)胞色素c分子結(jié)構(gòu)的變化；通過循環(huán)伏安電化學(xué)方法研究了細(xì)胞色素c、碳納米管．細(xì)胞色素c復(fù)合物L(fēng)B薄膜修飾電極的電化學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果表明

10、碳納米管和細(xì)胞色素c之間形成了穩(wěn)定的復(fù)合物，并能夠在氣液界面形成穩(wěn)定的單分子膜，并且能夠轉(zhuǎn)移到基片表面成為LB膜。Cyt c、CNTs-Cyt c復(fù)合物修飾LB膜電極的循環(huán)伏安研究表明，碳納米管能夠增強(qiáng)修飾在電極表面的Cyt c的氧化還原電流強(qiáng)度。這表明碳納米管的加入不但有助于蛋白質(zhì)(Cyt c)單層膜的形成，而且能夠增強(qiáng)電極表面與細(xì)胞色素c分子之間的電子轉(zhuǎn)移效率。細(xì)胞色素c是天然的電子載體，在生物電化學(xué)過程中輸送電子，提高它的電子轉(zhuǎn)移

11、效率，具有重要的理論意義。 5.以光敏劑四甲基卟啉(TMPyP)溶液為亞相，將催化劑氫酶在亞相表面擴(kuò)散成單層膜，通過LB組裝方法轉(zhuǎn)移到基片表面形成TMPyP-H2ase復(fù)合膜。利用紫外可見吸收光譜對其進(jìn)行了表征，結(jié)果表明亞相中的TMPyP分子成功轉(zhuǎn)移到了基片表面形成TMPyP-H2ase復(fù)合膜。對TMPyP-H2ase復(fù)合膜測量循環(huán)伏安曲線，在-0.3和-0.7V(vs．Ag/AgCl)附近觀察卟啉和氫酶的的特征氧化還原峰，進(jìn)一