基于血红蛋白的智能表面分子开关构建及电化学性能研究

发布时间：2019-01-04 22:33

【摘要】：目的(1)研究基于血红蛋白(Hb)-壳聚糖(CS)/金纳米粒子(GNPs)薄膜的智能表面分子开关对单种刺激(pH刺激)敏感的开关放大效应,并尝试将该体系应用于对过氧化氢(H202)的可调控生物电催化。同时探讨Hb-CS/GNPs薄膜的开关机制,以及CS和金纳米材料(GNPs)组分在单种刺激下对开关行为的协同增强作用。 (2)研究基于聚(N,N-二乙基丙烯酞胺)(PDEA)/Hb薄膜的智能表面分子开关对多重刺激(pH,温度,离子强度)敏感的开关放大效应,进一步用将该体系应用于对生物电催化的调控；同时阐述PDEA-Hb薄膜的开关效应放大机制,并探讨该体系中Hb和PDEA薄膜对多重刺激开关效应的协同增强作用。 (3)研究基于PDEA-Hb-多壁碳纳米管(MWCNTs)薄膜的智能表面分子开关对多重刺激(pH,温度,离子强度)敏感的开关增强效应以及对H202生物传感的可控行为,进一步探讨MWCNTs对多重刺激开关效应的增强作用。方法(1)电化学沉积GNPs于玻碳电极(GCE)表面,利用静电吸附和化学键合作用将CS和Hb分子的复合膜固定于GNPs/GCE的表面。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、紫外-见(UV-vis)光谱对组装过程进行表征。利用循环伏安(CV)、电化学交流电阻(EIS)、电流时间曲线(1T)等方法研究修饰电极在不同探针的不同pH值的溶液中的开关效应、对H202生物电催化的调控行为以及各组分的作用机制。 (2)以N,N-二乙基丙烯酞胺(DEA)和Hb为主要原料,N,N-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为交联剂,采用互穿聚合物网络(IPN)技术制备PDEA-Hb Semi-IPN水凝胶,将上述薄膜修饰于金电极(GE)表面构建智能表面分子开关。利用UV-vis吸收光谱、傅立叶红外光谱仪(FTIR)对薄膜的分子结构及电极修饰过程进行表征。通过CV等方法研究该智能表面分子开关对多重刺激敏感的开关效应、对H202的可调控生物电催化以及各组分在智能表面分子开关中的协同增强作用。 (3)以DEA、Hb、MWCNTs三种主要原料为基础,采用IPN技术制备PDEA-MWCNTs-Hb Semi-IPN水凝胶,并修饰于GCE表面构建智能表面分子开关。利用UV-vis光谱学等方法对上述薄膜的分子结构及电极修饰过程进行表征。通过CV、IT等方法研究该体系对多重刺激敏感的开关效应及对H202的可调控生物传感性能,探讨MWCNTs在智能表面分子开关中的作用。结果(1) SEM, AFM表明GNPs电沉积在GCE表面,UV-vis光谱证明了薄膜的成功构建。基于Hb-CS/GNPs薄膜的智能表面分子开关成功实现了在Fe(CN)63探针溶液中单种刺激(pH)敏感性增强的开关效应,在pH4.0表现为“开”状态,在pH8.0时表现为“关”状态。该pH开关效应可以调控以探针为媒介体的Hb对H202的电催化。基于四种不同电荷探针的机制研究显示Hb-CS薄膜开关效应机制来源于膜表面与探针离子的静电吸附作用。比较研究表明：与CS, Hb膜相比较,Hb-CS薄膜在pH刺激下的开关效应更明显；Hb-CS/GNPs薄膜比Hb-CS薄膜的开关效应更明显。 (2) FTIR证明基于PDEA-Hb薄膜的智能表面分子开关成功合成。UV-vis光谱证明了薄膜的成功构建。该薄膜修饰电极上在Fe(CN)63探针溶液中表现出对多种刺激(pH、温度和盐离子)敏感性增强的开关效应：在pH4.0(20℃,0.0mol/L Na2SO4)的探针溶液中,修饰电极表现为“开”的状态。反之,在pH为7.0时,表现为“关”状态；类似的,研究温度敏感(20℃和40℃)和盐离子敏感(0.0mol/L和0.4mol/L)时,薄膜对探针分别表现为“开”和“关”的状态。PDEA-Hb薄膜对三种刺激响应的开关效应可以用来调控以Fe(CN)63探针为媒介体的Hb对H202的电化学催化氧化反应。比较实验表明,PDEA-Hb薄膜在pH、温度、盐离子等刺激下的开关效应均比PDEA薄膜或者Hb薄膜明显。 (3) FTIR证明PDEA-MWCNTs-Hb薄膜成功合成。UV-vis光谱和EIS证明了PDEA-MWCNTs-Hb薄膜的成功组装。该薄膜在Fe(CN)63探针溶液中表现出对pH、温度和盐离子敏感性增强的开关效应。CV、IT等研究表明该智能表面分子开关在Fe(CN)63-探针溶液中对H202生物电催化有良好的控制能力。比较实验表明：多重刺激下,与PDEA-Hb薄膜相比,PDEA-MWCNTs-Hb的开关效应明显增大。结论(1)构建的Hb-CS/GNPs智能表面分子开关表现出了pH敏感的开关放大效应。该pH开关效应可以调控以探针为媒介体的Hb对H202的催化。研究表明CS不仅为Hb提供了良好的微环境,而且通过其氨基等官能团能协同增强了该体系的pH开关行为。此外,GNPs巨大的比较面积、良好的生物兼容性以及表面自由能为提高该体系的pH敏感行和H202催化能力起到了重要作用。本研究为构建基于蛋白质的pH控制的智能材料以及对研发简便、有效的可调控生物传感器等方面提供新途径。 (2)成功在GE表面构建了PDEA-Hb智能表面分子开关并实现了对多重刺激(pH,温度和盐离子)敏感的开关协同增强效应。这种三重刺激响应型薄膜体系可以进一步应用于实现三控的可开关的生物电催化。机制研究显示薄膜开关效应机制来源于多种刺激下Hb膜表面与探针离子的静电和PDEA膜结构改变等双重作用。PDEA和Hb薄膜对多重刺激下的开关行表现出协同增强作用。该体系对基于蛋白质的多重刺激敏感材料的制备以及对新型的多重刺激协同控制的生物传感器的构建提供新的思路。 (3)成功在GCE表面构建了PDEA-MWCNTs-Hb智能表面分子开关并实现了对多重刺激(pH、温度和盐离子)敏感的开关增强效应。这种基于纳米材料的多重刺激响应性薄膜体系可以进一步应用于实现对H202生物电催化的多重控制。机制研究表明MWCNTs因其巨大的比表面积和良好的导电性在PDEA-MWCNTs-Hb薄膜的开关效应及其生物电催化的性能提升中起到了重要作用。该体系将为构建基于纳米材料的多重刺激调控的智能表面分子开关提供一种新方法,从而将薄膜多重敏感的性质和纳米材料的放大作用相结合,拓展智能表面分子开关在生物传感器、生物分子器件等领域的应用。
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【学位授予单位】：南通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R3411

【参考文献】