仿生膜及其在电化学生物传感器中的应用

仿生膜及其在电化学生物传感器中的应用作者：罗立强学位授予单位：中国科学院长春应用化学研究所相似文献(10条)1.学位论文陆一东紫细菌光合蛋白纳米仿生膜及器件研究2006开发和应用各类光电功能材料，实现稳定、高效和绿色地利用太阳能是人类一直追求的梦想，也是解决各类能源问题的有效途径。另一方面，承担了地球上几乎所有生物能量来源和生命基础的光合作用因具有任何现有的人工材料或器件所无法相比的高效光电转换能力而倍受关注。近年来，针对从光合紫红细菌中分离纯化出来的，作为细菌光合过程中能够产生光致电荷分离的最小结构单元的，反应中心复合体(reactioncenter，简称RC)的结构和功能研究已经取得了重大进展。在对RC原初光物理和光化学过程深入理解的基础上，通过建立和运用各种先进的材料制备技术、定点的蛋白变异和基因工程、分析探索的新方法，实现高效光敏蛋白复合光电材料的研制，以及仿生膜内蛋白激发态弛豫过程的揭示，兼具了重要的理论研究价值和实际应用前景。围绕稳定、高效的新型功能化RC纳米仿生膜的开发探索，尤其在提高基体电极上蛋白的负载，促进蛋白向基体电极的光致电子注入，控制蛋白在基体电极表面的有利方位，以及揭示蛋白复杂、快速和有效的能量／电子传递过程等方面，我们开展了一系列循序渐进的创新性工作，包括：1、利用阳极氧化水解法制备的具有多孔结构特征的纳米晶Ti02薄膜吸附光敏蛋白实现了RC仿生膜光电极的制备。RC在近红外区的高效捕光功能与Ti02良好的光致电荷分离能力相结合，明显改善了仿生膜光电极的光电转化效率。2、创新性地建立了针对RC裁剪设计的新型介孔W03-ti02膜修饰固定光敏蛋白制备仿生膜光电极的方法。首次采用具有开放孔道、均一孔径分布和理想亲水性的新型介孔W03-Ti02实现了保持RC生物活性前提下对蛋白的高效捕获。利用该介孔W03-Ti02能级的匹配性促进RC在光照后电子向纳米半导体电极的注入，有效降低了分离纯化后RC自身的电子传递及电荷重组对蛋白光电转换的负面影响。3、通过对RC内色素的特定替换改变辅助因子的电荷分离态能级，进一步削弱光敏蛋白在介孔W03-Ti02电极上受激后自身的电子传递及电荷重组。所获得的变异RC／W03-Ti02仿生膜表现出前所未有的高效光电转换能力(相比于现有的其它RC光电极)。4、采用自组装技术首次在基于特定设计的功能化金胶表面实现了RC的修饰。通过控制RC在金胶表面的有利取向和方位，并利用金胶粒子对电子存储和穿梭表现出的优良特性，尝试了从另～个角度研究与开发高效的光敏蛋白纳米仿生光电材料。5、开创性地搭建了现场飞秒泵浦一探测(femtosecondpump-probe)／电化学联用技术平台，发展了探索分析光合色素一蛋白超快能量与电子传递过程的新方法。首次报道了对电化学氧化引起的紫细菌外周天线蛋白(1ight-harvestingcomplex2，简称LH2)的快速能量陷获研究。具体地，论文由以下六个部分构成：一、绪论围绕论文的主题，本章节首先明确了课题研究的重要意义。之后，概括地阐述了有关RC结构和功能的背景信息。作为本章的核心内容，RC功能性纳米仿生膜的构建及其光致电子传递的相关研究现状被作了重点介绍，对相应的文献也进行了较全面的综述。最后简要归纳了论文的主要创新性。二、电沉积纳米晶Ti02固定RC制备仿生膜光电极的方法与研究本章节详细介绍了采用阳极氧化水解法合成的具有多孔结构特征的纳米晶Ti02薄膜吸附RC制备功能性仿生膜光电极的相关研究工作。ITO／Ti02／RC仿生膜光电极的近红外一可见吸收光谱、荧光光谱测试结果表明了修饰在纳米Ti02薄膜上的光敏蛋白仍然保持了原有的生物活性。RC在仿生膜光电极内展现出特有的，可重现的近红外光电响应行为，其在长波长区的高效捕光功能起到了敏化纳米Ti02的作用，提高了纳米Ti02电极的光电转换效率。纳米半导体材料与光敏蛋白的结合既拓宽了Ti02对太阳光的吸收利用又促进了RC的光致电荷分离，显著改善了整个光电极的光电转化效率，为研究与开发生物光电器件提供了新的借鉴。然而，同一批八通道制备的ITO／Ti02／RC仿生膜光电极的光电流检测结果则反映出由不规则的纳米Ti02晶粒间空隙组成的孔道在对RC的高效捕获上仍存在着较大缺陷。三、剪裁设计的新型三维虫洞介孔W03-Ti02固定RC制备仿生膜光电极的方法与研究本部分工作的侧重点在于针对光敏蛋白的高效捕获及其光致电荷分离的有效促进，建立了采用剪裁设计的新型介孔W03-Ti02膜修饰固定RC制备仿生膜光电极的方法。通过对不同孔径、结构和组成的材料在吸附RC效果上的比较表明：根据“酸碱对”概念剪裁制备的，具有开放孔道、均一孔径分布(孔径中心尺寸～7．1nm)和理想亲水性的三维虫洞介孔W03-ti02膜对于保持RC生物活性前提下的蛋白捕获最为高效(RC负载量：0．63＃mol／g)。ITO／W03-Ti02／RC仿生膜光电极的荧光和光电化学测量结果证实：W03-Ti02复合材料高于单一组分的光致电子空穴对分离能力以及与光敏蛋白能级的匹配性能够有效促进受激后RC向纳米半导体电极的电子注入，降低分离后RC自身的电子传递及电荷重组对仿生膜光电极光电转换的负面影响。利用新型介孔半导体材料与光敏蛋白的结合实现了RC仿生膜光电极对太阳光能尽可能高效的吸收利用，为各种功能性生物光电器件的设计迈出了坚实的一步。四、细菌脱镁叶绿素(BPhe)被植物脱镁叶绿素(Phe)替换的RC变异体／三维虫洞介孔W03-Ti02仿生膜光电极的制备与研究承接上一章的工作，本部分主要进行了将RC的色素替换变异株(Phe-RC)应用于构建仿生膜光电极的考察和研究，目的在于深入探索修饰在电极表面RC色素替换体的复杂多途径光致电子传递过程，并在此基础上尝试开发更高效的生物光电器件。近红外一可见吸收光谱和圆二色谱测试结果表明了色素替换的成功(替换效率不低于95％)。荧光发射，飞秒泵浦～探测和电化学实验的结果揭示了电荷分离态P+Phe'相比P+BPhe-更高的自由能能级，以及由此导致的1)Phe-RC自身能量／电子传递的明显受阻；2)B*(细菌叶绿素单体激发态)，P木(细菌叶绿素二聚体激发态)和P+(细菌叶绿素二聚体氧化态)相比天然RC中对应物种寿命的显著增加。光电化学的测量结果进一步显示，电子传递的受阻加之介孔W03-Ti02与蛋白能级的匹配性使得被W03-Ti02膜捕获的Phe-RC向半导体导带的电子注入有了进一步增强，更有效地促进了仿生膜光电极电子一空穴对的分离，光电转换效率得到了极大地提高(IPCE800nm：～23％)。五、功能化金胶控制RC在自组装仿生体系内有利方位的初步研究本章节主要开展了在功能化的金胶表面组装RC分子并控制有利蛋白方位的相关初步研究工作。通过在合成的金胶纳米粒子上引入特定的双功能试剂及组装上带有特定官能团的分子后，可以实现光敏蛋白在金胶表面采取不同的方位进行排列(原初电子给体P／电子受体泛醌(QA)朝着金胶的方向)。紫外一可见吸收光谱、X射线光电子能谱、傅立叶红外光谱，以及透射电子显微镜的相关结构表征结果反映了功能化金胶的成功制备；近红外一可见吸收光谱和圆二色谱的相关检测结果则进一步证实了RC在功能化金胶表面组装的有效实现；RC／金胶自组装仿生体系的荧光和飞秒泵浦一探测实验结果揭示了修饰在不同功能化金胶表面的光敏蛋白在激发能弛豫过程和方式上的大相径庭，以及RC在受激后向金胶粒子明显的电子注入现象，暗示了控制RC在金胶表面有利方位的成功实现。利用金胶纳米颗粒优良的电子存储和穿梭特性结合有利于电荷分离和电子注入的蛋白方位的控制提供了又一设计和开发高效生物光电器件的有效途径。六、电化学诱导的紫细菌天线色素复合物(LH2)的超快激子能弛豫研究本章主要报道了发展现场飞秒泵浦一探测／电化学联用技术应用于电化学氧化引起的LH2快速能量陷获的相关研究。采用近红外一可见／荧光光谱电化学方法结合超快泵浦—探测光谱电化学技术实时在线地考察了LH2内B800(细菌叶绿素单体)和B850(细菌叶绿素二聚体)不同的电化学氧化过程；色素一色素、色素一蛋白之间伴随氧化而发生的结构变化；以及电化学氧化对B800和B850参与的超快激发能弛豫的影响。结果表明：1、B800和B850环中的叶绿素分子具有几乎相同的氧化还原中点电位却表现出完全不同的电化学氧化速率(B800快于B850)。2、伴随叶绿素分子电化学氧化的进行，激发B800观察到B850自发辐射淬灭的显著增强(荧光峰下降速率明显快于吸收峰下降速率)：3、B800向B850的快速能量传递过程几乎不受电化学氧化的影响，但电化学氧化引起了B850激发能的快速陷获。现场飞秒泵浦一探测／电化学联用技术的建立不仅提供了深入分析光合色素一蛋白超快能量与电子传递的新途径，更是对现有光谱电化学技术的补充和丰富，为研究和探索复杂体系内伴随电子得失而发生的各种超快动力学变化开辟了新的方向。2.学位论文徐静静基于金胶的紫细菌光合反应中心蛋白的光电化学研究2007光合作用对光能转化为化学能的快速、高效以及潜在的应用前景使人们期望对其各种能量传递及电子转移机理获得更深层的认识。以利用太阳能为背景的光电化学转换，尤其是基于光合作用的太阳能仿生转换利用成为一个非常活跃的科学研究前沿。紫细菌光合反应中心(RC)由于结构简单、功能完备，已经成为人们研究光合作用机理的切入点。从20世纪90年代初起，纳米技术得到迅速发展，而大量的生物结构，从核酸、蛋白质、病毒到细胞器，其线度在1～100nm之间，纳米和生物的有机结合必然将碰撞出新的火花。金胶是最常见的金属纳米颗粒，金胶和生物分子之间良好的兼容性为它在材料科学和生物领域的广泛应用提供了基础。它能提供一种类似于氧化还原蛋白质自身所处的环境，使吸附在其表面的蛋白质保持它们的生物活性的同时，也能使金胶保持稳定。金胶粒子和生物分子的组合是可以为电子学和光学创造出新的材料，并在基因组学，蛋白质组学，生物医学，生物诊断学，生物分析有了广泛应用。同时，金胶对光生电子具有很好的储存、传递和穿梭的能力，这对于光敏蛋白的研究是非常有利的。本文围绕控制蛋白在金胶表面的有利方位，促进蛋白向金胶基底的光致电子注入，以及揭示蛋白复杂、快速和有效的能量/电子传递过程等方面，并构建高效、新型的功能化RC纳米仿生膜开展了一系列创新性工作，具体包括以下三部分内容：一、绪论围绕论文的主题，本章节首先明确了课题研究的重要意义。之后，概括地阐述了有关RC结构和功能的背景信息。作为本章的核心内容，对RC光致电子/能量传递、基于RC的仿生膜构建以及RC研究方法和技术作了重点介绍，对相应的文献也进行了较全面的综述。最后简要归纳了论文的主要创新性。二、金胶表面定向组装RC实现向基底超快的光致电子注入在本章中，我们首先合成了粒径均匀的纳米金胶粒子，并通过在其表面衍生化不同的双功能试剂实现了光敏蛋白RC在金胶基底上的方位控制，构建金胶-蛋白自组装仿生体系。紫外-可见吸收光谱、透射电子显微镜监测了金胶的制备和衍生化过程中光学吸收和颗粒大小的相应变化，X射线光电子能谱、傅立叶红外光谱的表征结果证实了双功能试剂在金胶上的成功组装。近红外-可见吸收光谱和圆二色谱的表征结果显示了RC在功能化金胶表面有效组装和活性保持。金胶一蛋白自组装体系的荧光和飞秒泵浦一探测实验结果揭示了修饰在不同双功能试剂衍生化的金胶表面的RC激发能弛豫方式有明显差异，但都存在向金胶粒子明显的电子注入现象，这为构建基于RC和纳米金胶的仿生膜光电器件奠定了理论基础。三、基于金胶和RC的仿生膜光电极的构建在这一章节中，我们首先用巯基硅烷MPTMS衍生ITO电极，在电极表面覆盖一层-SH基团，然后用自组装法吸附金胶形成纳米金胶微电极阵列。用两种不同的双功能试剂把RC固定在基底电极上以控制RC在电极表面的方位和取向，比较仿生膜光电极之间的光电响应差异，并结合第二章的实验结果加以解释。为了改善仿生膜光电极的性能，对基底电极进一步衍生化。用Au'3+/NH,2OH原位还原的方法在小颗粒金胶表