幾個生物-化學催化體系的壓電電化學研究.pdf

1、生物/化學催化劑修飾電極已廣泛用于傳感檢測、能源和電合成等領域。與化學催化劑相比，生物催化劑通常選擇性更好、催化效率更高、反應條件更溫和。生物電催化是生物傳感和生物燃料電池的重要學科基礎，創新和優化酶等生物催化材料在電極上的高效固定方法對實現高效生物電催化至關重要。此外，電化學技術集合成、分離與分析功能于一體，若以電極作為工作平臺，建立生物/化學催化體系的表征新方法，對于研究催化反應過程與機理頗具意義。本學位論文中，我們綜述了壓電傳感技

2、術、酶生物傳感器、酶生物燃料電池和酶催化聚合的近期進展，采用壓電電化學等方法對幾個生物/化學催化體系進行了較詳細的研究，主要內容如下：
　　 ⑴首次采用電化學噪聲(ECN)裝置測試了無隔膜葡萄糖/空氣生物燃料電池(BFC)和單極葡萄糖BFC的性能。無隔膜葡萄糖/空氣BFC的陽極采用明膠-多壁碳納米管(MWCNTs)固定葡萄糖氧化酶(GOx)和二茂鐵，陰極采用聚吡咯-MWCNTs固定漆酶和2,2'-連氮-雙(3-乙基苯并噻唑-6-

3、磺酸)二胺鹽(ABTS)。在含有40 mM葡萄糖的醋酸緩沖溶液(pH5.0)中，磁力攪拌下，無隔膜葡萄糖/空氣BFC的短路電流為85μA cm-2，開路電壓為0.29 V，最大輸出功率密度為8μW cm-2。該BFC在100 kΩ外阻負載下，在上述溶液中連續放電15小時，電池輸出電流降至初始值的78.9％。經雙通道壓電石英晶體微天平(QCM)監測，發現電池性能下降主要是因為陰極所固定的電子媒介體ABTS的泄漏所致。單極葡萄糖BFC中，陰

4、極液為酸性KMnO4溶液，陽極液為含40 mM葡萄糖的磷酸緩沖溶液(pH7.0)，陰極室和陽極室間以Nafion117質子交換膜隔開。以ECN裝置測得此電池短路電路為202μAcm-2，開路電壓為1.24 V，最大輸出功率密度為115μW cm-2，與無隔膜葡萄糖/空氣BFC相比，電池輸出功率有顯著提高。此外，還比較了陽極有無MWCNTs修飾時單極葡萄糖BFC的性能，發現修飾MWCNTs后輸出功率提高到未修飾時的1.8倍。ECN裝置有望

5、成為研究BFC的一種實時、靈敏而簡便的手段。
　　 ⑵通過簡便的材料改性，使生物高分子殼聚糖(CS)用于酸性介質中BFC和生物傳感研究成為可能。先通過CS和戊二醛(GA)反應制得GA功能化的CS(GAfCS)，再與漆酶(Lac)反應形成Lac-GAfCS復合膜。QCM研究表明，該膜在弱酸性溶液中有較好的穩定性。ABTS存在下，Lac-GAfCS-MWCNTs/玻碳電極(GCE)能很好地催化氧氣的還原，并研究了催化活性對溶液pH的

6、依賴性。以Lac-GAfCS-MWCNTs/GCE為陰極、GOx-GAfCS-MWCNTs/GCE為陽極、Nafion膜為隔膜，構建了葡萄糖/空氣BFC。采用ECN裝置測得該BFC最大輸出功率為9.6μW cm-2，開路電壓為0.19 V，短路電流為114μA cm-2。此外，基于Lac-GAfCS-MWCNTs/GCE在pH3.0的B-R緩沖溶液中檢測了鄰苯二酚，線性范圍為0.1～50μM，檢測限為20 nM。與直接采用GA一鍋法交聯

7、固定Lac所制Lac-GA-CS和Lac-GA相比，采用大分子交聯劑GAfCS(即兩步法)對酶活性的影響更小，因而更適合固定酶用于研制BFC和生物傳感器。
　　 ⑶在少量交聯劑存在下，使酶先鍵合到殼聚糖，再進行一鍋法電沉積，可明顯提高酶負載量和所制生物傳感器的檢測靈敏度(與無預交聯的常規CS電沉積固定酶技術相比)?；镜膶嶒灹鞒倘缦?以模型酶GOx為例)：以低濃度GA(0.08 wt％)將GOx鍵合到CS鏈上，再通過電還原過氧化

8、氫以增加電極表面的pH，可電沉積得到CS-GA-GOx復合膜?；谒釅A滴定模型對CS-GA-GOx的電沉積行為進行了理論探討，采用電化學壓電石英晶體微天平(EQCM)技術對電沉積過程進行了實驗監測。在0.7 V vs SCE檢測電位下，所制第一代酶電極(CS-GA-GOx/Ptnano/Au)的靈敏度高達102μA mM-1 cm-2，是傳統電沉積方法(未將GOx連接到CS上)所制CS-GOx/Ptnano/Au電極的13倍。以紫外可見

9、分光光度法測定了有/無GA時、加堿沉淀CS復合物后的上清液中GOx的含量，結果表明GA處理可明顯增加沉積復合物中的酶負載量。以電化學方法研究了GA處理對GOx活性的影響，發現該低濃度GA處理GOx幾乎不影響酶活性。此外，通過一系列實驗，可靠地證明了所提出的預交聯方法具有較高的普適性，包括改變預交聯方式(1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亞胺(EDC)/N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)激活)、電沉積方式(水還原)、傳感模式(第二代)、

10、電極面積(5μm半徑Pt微電極)及固定酶的種類(堿性磷酸酶)。因電沉積法已廣泛用于固定生物大分子，而提高生物大分子的負載量和生物活性一直是重要的科學問題，這里提出的將生物大分子預先連接到電沉積前軀物上并實現高負載量、高活性固定生物大分子的方法有望在生物技術研發方面得到廣泛應用。
　　 ⑷通過酶(漆酶Lac)催化聚合途徑，合成了新型聚合物-酶-MWCNTs復合物膜并將之用于生物傳感和BFC研究。采用紫外光譜、循環伏安法(CV)、Q

11、CM和掃描電鏡等手段，考察了Lac對多巴胺(DA)的催化氧化和聚合。將DA、Lac和MWCNTs混合溶液滴加在GCE上制備了聚多巴胺(PDA)-Lac-MWCNTs/GCE，該電極檢測氫醌的靈敏度達643μA mM-1cm-2，檢測限為20 nM(S/N=3)。與以苯胺、鄰苯二胺和鄰氨基酚為聚合底物相比，以DA為聚合底物所制的電極性能更好。將DA、GOx、Lac和MWCNTs混合溶液滴加在Pt電極上制備了PDA-GOx-Lac-MWCN

12、Ts/Pt電極，該電極檢測葡萄糖的靈敏度達68.6μA mM-1 cm-2。此外，主要通過MWCNTs的吸附效應制備了PDA-Lac-MWCNTs-ABTS/GCE，該電極能有效催化氧氣的還原，用作無隔膜葡萄糖/氧氣BFC的陰極得滿意結果。這種基于酶催化聚合的“綠色”生物固定平臺有望用于制備多種多功能納米聚合物膜，在生物技術和應用領域發揮作用。
　　 ⑸在含有GOx的水溶液中，以Lac催化氧化和聚合去甲腎上腺素(NA)制得復合物

13、，再通過金電極上的電聚合制備了酶膜和葡萄糖生物傳感器。采用紫外可見分光光度法和電化學方法研究了Lac對NA的催化氧化行為。0.7 V vs SCE下，檢測葡萄糖的靈敏度為38μA mM-1 cm-2，檢測限為0.4μM。該葡萄糖傳感器的性能明顯優于傳統電聚合法(無預氧化步驟)所制葡萄糖傳感器。采用EQCM和紫外光譜法測定了固定化GOx的質量比活性，發現預氧化-電聚合所固定的GOx保持著很高的活性。
　　 ⑹采用雙通道EQCM研究

14、了水溶液中普魯士藍(PB)薄膜修飾的兩金電極上的兩電極循環伏安電化學行為，歸屬了普魯士白、PB、普魯士黃三者間的轉變過程，以及金基底和PB膜內所夾帶的Fe(CN)63-/Fe(CN)64-雜質的氧化還原峰，為UV-Vis光譜電化學實驗所支持?？疾炝藘呻姌O體系中PB對過氧化氫的催化還原。此外，還研究了PB粉末的兩電極固態電化學。夾在兩噴金的銦錫氧化物(ITO)電極間的PB粉末的兩電極固態循環伏安圖和兩PB修飾金電極在水溶液中的兩電極循環伏

15、安圖相似，說明發生了類似的電極反應。雙通道EQCM有望成為研究其他物質或材料的兩電極系統電化學行為的高效技術。
　　 ⑺為研究8-羥基喹啉型類錳(Ⅲ)配合物催化劑(Q3MnⅢ)催化烯烴環氧化的機理，采用液相CV和QCM技術研究了Q3MnⅢ、Q3FeⅢ、5-NO2-8-QMnⅢCl和salen-MnⅢCl催化劑。CV和QCM研究表明，六齒配位的Q3MnⅢ催化劑中軸向Mn-O鍵可被打開而形成羥基，轉變為五齒配位結構，Q3MnⅢ催化烯