氧化还原蛋白质在离子液体纳米材料复合体系中的直接电化学文库

青岛科技大学硕士学位论文氧化还原蛋白质在离子液体/纳米材料复合体系中的直接电化学姓名：李小青申请学位级别：硕士专业：分析化学指导教师：孙伟20090608青岛科技大学研究生学位论文氧化还原蛋白质在离子液体屋内米材料复合体系中的直接电化学摘要本论文主要研究目的在于构造和发展性能优良的以直接电化学为基础的第三代生物传感器。血红素蛋白质是一种氧化还原蛋白质，研究其直接电化学对于研究生命体内的电子转移过程，了解生命过程的氧化还原机理及建立高灵敏的检测方法等方面具有非常实际的意义。纳米粒子由于其独特的光学、电学、催化等性质，在修饰电极上的应用研究已经引起人们极大的关注。近年来，室温离子液体逐渐成为研究的热点。本论文主要开展了以下几个方面的研究工作：1．制备了3种离子液体修饰碳糊电极。以室温离子液体1．丁基．3．甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF6)、六氟磷酸正丁基吡啶(BPPF6)和1．乙基一3．甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIMBF4)等为粘合剂和修饰剂，与石墨粉相混合制备了新型的离子液体修饰碳糊电极(CILE)。’2．开展了血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(m)在CILE上的直接电化学行为研究。分别以上述3种CILE为基底电极，以Nation、多壁碳纳米管(MWCNTs)、单壁碳纳米管(SWCNTs)、聚乙烯醇(PVA)、纳米Ti02、壳聚糖(CTS)等为修饰材料，采用层层涂布法、直接混合法等固定方法，将Hb和Mb固定到不同电极的表面制备了不同类型蛋白质电化学生物传感器，如De／Hb／CILE、CTS／nano．Ti02／Hb／CILE、Nafion／Hb／SWCNTs／CILE、PVA／Hb／MWCNTs／CILE、Nafion／Mb／MWCNTs／CILE、Nation．BMIMPF6／Hb／CILE。考察了Hb和Mb在不同修饰膜电极上的直接电化学和电催化行为。采用扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见吸收光谱、傅立叶变换红外光谱和多种电化学法对修饰电极的性质进行了研究和表征。实验结果表明，Hb和Mb在不同的修饰膜内基本保持了其生物活性，循环伏安扫描出现一对准可逆的氧化还原峰，并且在修饰电极上lib和Mb的电子传递能力明显增强，纳米粒子和离子液体的存在提供了一个合适的微环境，对电化学行为有极大的促进作用，对Hb和Mb的直接电化学行为进行了研究，求解了相关的电化学参数。解释了电化学行为的机理，进一步研究了该修饰电极对H202、三氯乙酸(TCA)和亚硝酸钠(NAN02)等小分子的电催化性质，实验结果表明所制备的胁和Mb修饰电极表现出良好的电催化性能，求解了相应的表观米氏常数(KMapp)。3．开展了lib在纳米Ti02中的直接电化学行为研究。以BPPF6修饰的碳糊电极氧化还原蛋白质在离子液体／纳米材料复合体系中的直接电化学为基底电极，采用静电吸附的方法将Hb固定到电极表面上，制备了Hb修饰电极(nano—Ti02／Hb／CILE)。考察了Hb在电极上的直接电化学和电催化行为。实验结果表明，Hb在nano．Ti02膜内能够保持其原始构象，循环伏安扫描出现一对准可逆的氧化还原峰。对Hb的直接电化学行为进行了研究，求解了相关的电化学参数。关键词：氧化还原蛋白质，室温离子液体，直接电化学，电催化，碳糊电极，生物传感器，纳米粒子II青岛科技大学研究生学位论文DIRECTELECTROCHEMISTRYOFREDOXPROTEINSINIONICLIQUIDANDNANOPARTICLESMATERIALCOMPOSITEFILMSABSTRACTInthisdissertation，thethird-generationelectrochemicalbiosensorsbasedondirectelectrontransferbetw．eentheproteinsandtheunderlyingelectrodeswerefabricatedanddeveloped．Hemeproteinsareakindofredoxproteins．Studiesonthedirectelectrochemistryofredoxproteinscanbeusedfortheunderstandingofthemechanismsofelectrontransferreactionsandoxidation／reductioninlifeprocesse，whichcallalsobeproposedasasensitivemethodforproteinsdetermination．Duetotheuniqueoptical，electricalandcatalyticcharactersofnanoparicles，nanoparticleshaveattractedmuchattentionfortheirnovelapplicationsinthemodifiedelectrodes．Roomtemperatureionicliquids(RTILs)haveexcellentphysicalandchemicalproperties．Themainpointsofthethesisaresummarizedasfollows：1．Threeroomtemperatureionicliquids(RTILs)modifiedcarbonpasteelectrodes(CPE)wereconstructedbasedonthesubstituteofparaffinwith1-butyl-3-methylimidazoliumhexatiuorophate(BMIMPF6)，N-butylpyrifiniumhexafluorophosphate(BPPF6)or1-ethyl·-3··methylimidazoliumtetrafluoroborate(EMIMBF4)tomixwithgraphitepower．2．Thedirectelectrochemistryofhemoglobin(wo)andmyoglobin(Mb)onthecarbonionicliquidelectrode(CILE)werecarefullystudied．HbandMbwereimmobilizedonthesurfaceofCILEwithNationandpolyvinylalcohol(PVA)filmorNafion／MWCNTsfilmbystep—by-stepmethod．ThecharacteristicsofHbandMbinthesemodifiedfilmswereinvestigatedbyscanelectronmicroscopy,UV-Visspectrum，FT．IRspectrumandelectrochemicalmethods．TheresultsshowedthatHbandMbinIli氧化还原蛋向质在离子液体／纳米材料复合体系中的直接电化学thesefilmsretaineditsnatives咖cnlre．Apairofwell，definedandquasi—reversiblecyclicvoltammetricpeaksappeared．Nanoparticlesandroomtemperatureionicliuqidscouldprovideafavorablemicroenvironrnentandenhancedirectelectrontransferrate．TheelectrochemicalbehaviorsofHbandMbinthemodifledelectrodewerecarefullyinvestigatedwiththeelectrochemicalparameterscalculated．TheHbandMbmodifledelectrodeshowedexcellentelectrocatalyticbehaviorstothereductionofhydrogenperoxide(H202)，trichloroaceticacid(TCA)andsodiumnitrite(NaN02)，TheapparentMichaelis．Mentenconstants(KM8pp)ofthesensorswerecalculated．3．ThedirectelectrochemistryofHbwithTi02nanoparticlewascarefullystudiedonthecarbonionicliquidelectrode(CILE)，whichwasfabricatedbyusingN—butylpyridiniumhexafluorophosphate(BPPF6)．HbwasimmobilizedonthesurfaceofCILEwithTi02nanoparticlebyadsorptionmethod．ThedirectelectrochemistryandelectrocatalysisofHbinmodifiedfilmwasinvestigated．TheresultsshowedthatHbinthefilmretaineditsnativestructure．Apairofwell．definedandquasi-reversiblecyclicvoltammetricpeaksappearedandtheelectrochemicalparameterswerefurthurcalculated．KEYWORDS：redoxproteins，roomtemperatureionicliquids，directelelctrochemistry,electrocatalysis，carbonionicliquidelectrode，biosensor,nanoparticlesW青岛科技大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：套小南签字日期：刃呵年／月扩日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)本学位论文属于：保密口，在年解密后适用于本声明。不保密口。本人签名：导师签名：考^j＼禹汐·唧1日期：幻口7年石月8-E1日期：二秒口7年石月莎日青岛科技大学研究生学位论文帚第一早章义文献陬琢综怂述1．1血红素蛋白质简介氧化还原蛋白质是一类具有氧化还原性质的蛋白质，可以接受或给出电子，在其氧化态和还原态之间转换。血红素蛋白质是一类含有血红素辅基的蛋白质。血红素(heme)又叫铁卟啉，是由原卟啉(protoporphyrin)与铁(II)组成，又称铁一原卟啉IX(Fe．protoporphyriniX)，是一种以多种氧化态或还原态存在的分子，其结构如图1-1所示【l】。血红素辅基通常都是血红素蛋白质电活性基团。血红素蛋白质在电极上的直接电化学实质上就是其中的血红素辅基与电极间的电子转移反应。常见的氧化还原蛋白质主要有：肌红蛋白(Mb)、血红蛋白(Hb)、辣根过氧化物酶(HI心)、细胞色素C(CytC)等。C图1．1血红素的化学结构Fig．1-1Chemicals缸