納米修飾電極的制備及其應用于蛋白質電化學的研究.pdf

1、21世紀是納米科技的時代。當物質小到納米數量級時，會產生獨特的表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等，其電學、磁學、光學和化學性質也相應地發生顯著變化，呈現出常規材料不具備的優越性能，在催化、電子材料、微器件、增強材料及傳感器材料等方面有著廣闊的應用前景。 蛋白質和酶等生物大分子是構成生命的主要基元，參與完成生命體中的新陳代謝等許多生理過程，同時在這些生命過程中很多蛋白質和酶都要經歷電子轉移過程，在其氧化型和還原型

2、之間相互轉化。氧化還原蛋白質在電極上的電化學研究是生物電化學界和生命科學界非常關注的研究問題。它的研究對于人們獲得蛋白質和酶的熱力學和動力學性質，深入認識蛋白質和酶等生物大分子在生命體內的生理作用、電子傳遞反應和機制以及開發新型生物傳感器、新型生物燃料電池等生物電子器件具有重要的理論和應用指導意義。因此，尋找更有效的方法實現更多蛋白質的直接電化學、通過研究蛋白質的直接電子轉移以進一步揭示生物體系氧化還原過程的機制、制備性能優越穩定可靠的

3、第三代生物傳感器以滿足生物醫學、環境檢測和工業快速分析的需要，必將成為這個領域的發展趨勢。 將納米材料修飾在電極表面，制得納米修飾電極，由于納米材料獨特的比表面積大、催化活性高、親和力強等特點，基于其尺寸效應和介電限域效應等特性，能增大修飾電極的電流響應，降低檢測限，大大提高檢測的靈敏度，加速蛋白質的活性中心與電極間的直接電子轉移，同時最大限度地保持蛋白質的生物活性，可以用于許多微量的生物活體樣品的分析。將納米技術應用于蛋白質的

4、電化學分析研究，是一個嶄新的領域，有利于創新性地建立一些新理論、新技術和新方法。 本論文工作是導師金利通教授領導的國家自然科學基金項目的部分工作內容，致力于研制新型納米材料和納米修飾電極(電化學傳感器)，以量子點、SiO2等多種納米材料作為氧化還原蛋白質反應平臺，構筑可以加速蛋白質與電極間電子轉移過程的納米材料修飾電極。以電化學方法作為主要研究手段，結合多種表征方法，探討蛋白質在納米材料修飾電極上的電化學行為及電子傳遞本質，既獲

5、取了蛋白質電子轉移的動力學參數，也為研制無介體的生物傳感器提供了初步模型。同時，積極開展蛋白質直接電化學的機理研究，建立血紅蛋白、肌紅蛋白、細胞色素c的新型電化學檢測方法，并將其應用于實際樣品的檢測，為生命科學及其相關領域的研究提供許多重要的分析方法。本論文工作努力實現將納米技術、生命科學和電分析化學三者的有機結合。全文共分五個部分： 第一章緒論綜述了納米技術與納米材料發展概況、納米材料在生物電化學中的應用、蛋白質的電化學研究三

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用；綜述了氧化還原蛋白質的電化學研究意義和進展；詳細綜述了氧化還原蛋白質的直接電化學方法。 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合成了以甲苯胺藍(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顆粒的三維網狀結構中，有效防止

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

8、的電化學行為。實驗結果表明，Mb在PVP/CdS量子點修飾電極上有良好的電化學響應。流動注射分析結果進一步表明該量子點修飾電極具有高的穩定性和好的重現性，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傳感器。 第四章量子點修飾電極電化學檢測器與自制蛋白質色譜柱聯用的研究探討了蛋白質色譜柱的制備及蛋白質的HPLC-ECD模式的建立。采用整體柱制備技術，制備了新型高效(苯乙烯-二乙烯苯-甲基丙烯酸)

9、三元共聚物連續棒疏水色譜柱，掃描電鏡顯示其具有大孔網絡結構，從而表現出良好的通透性。以乙腈-水為流動相在流速2.0mL/min時，柱壓僅為3.3Mpa。首次將該色譜柱與自制的量子點修飾電極電化學檢測器聯用，實現了對三種蛋白質的分離檢測，與傳統的UV檢測法相比，靈敏度提高，檢測限降低了2個數量級。該方法簡便、成本低且重現性好，具有很好的發展前景。 第五章Hb在羧基化ZnS量子點自組裝修飾Au電極上的直接電化學研究制備了基于量子點(

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