基于离子液体复合界面的氧化还原蛋白质电化学传感器的研究

论文摘要

蛋白质是生命活动中一类重要的生物大分子，研究氧化还原蛋白质和酶在电极上的直接电化学行为，对于了解蛋白质的电子传递机制以及开发新型的无媒介体电化学生物传感器具有重要的意义。离子液体（IL）是由小的无机阴离子和大的有机阳离子构成，具有高的离子导电性和电化学稳定性而被广泛应用于电化学和电分析领域，它既可以作为溶剂和支持电解质，又可以作为粘合剂和固定材料用于制备修饰电极。纳米材料的高比表面积、高导电性使之成为应用于传感器方面最有前途的材料。本论文以离子液体和纳米材料作为修饰剂，制备了三种不同的血红素蛋白质修饰电极，并研究了血红素蛋白质的直接电化学行为。论文主要包括以下内容：1.构建了一种基于新型复合材料Nafion-四氧化三钴（Co3O4）纳米粒子-金（Au）纳米粒子-肌红蛋白（Mb）的电化学生物传感器，将离子液体正己基吡啶六氟磷酸盐（HPPF6）代替部分石蜡作为粘合剂和修饰剂与石墨粉一起混合制得相应的基底电极。紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和傅立叶变换红外光谱（FT-IR）表明Mb在复合膜保持其天然结构。循环伏安法出现一对良好的氧化还原峰，表明了Mb的直接电子转移过程的实现，这归因于纳米材料的协同效应，加快了电子传递速率。复合材料修饰电极对三氯乙酸具有良好电催化还原能力，具有良好的稳定性和重复性。2.构建了一种基于石墨烯（GR）-1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（EMIMBF4）-壳聚糖（CTS）-肌红蛋白（Mb）的新型电化学传感器。以离子液体正己基吡啶六氟磷酸盐（HPPF6）修饰碳糊电极为基底电极，然后将CTS、Mb、EMIMBF4和GR按照一定比例混合后滴涂于电极表面，制得一种新型的修饰电极CTS-Mb-GR-IL/CILE。紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和傅立叶变换红外光谱（FT-IR）表明Mb在复合膜保持其天然结构。由于复合材料中GR的高比表面积和导电性、IL的离子导电性、GR-IL的相互作用以及CTS的生物相容性，极大的促进了复合膜中Mb的直接电子转移速率，循环伏安法出现一对良好的氧化还原峰。CTS-GR-IL-Mb/CILE对三氯乙酸（TCA）表现出良好的电催化还原行为，计算了相应的表观米氏常数（KMapp）。3.以离子液体正丁基吡啶六氟磷酸盐（BPPF6）为粘合剂制备了离子液体修饰碳糊电极（CILE），将Nafion、IL、石墨烯（GR）和纳米碳酸钙（Nano-CaCO3）复合物修饰于电极表面制得了Nafion/Hb-CaCO3-GR-IL/CILE。用电化学方法、紫外-可见光谱、傅里叶红外变换光谱对包埋在膜内Hb的性质进行了研究和表征。实验结果表明，Hb在复合膜内基本保持了其生物活性。在pH为7.0的PBS缓冲溶液中循环伏安扫描出现一对准可逆的氧化还原峰，为Hb血红素辅基Fe（III）/Fe（II）电对的特征峰。对Hb的电化学行为进行研究，求出电子传递系数α为0.414，反应速率常数ks为0.75 s-1。Nafion/Hb-CaCO3-GR-IL/CILE对TCA具有良好电催化活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 电化学生物传感器概述
• 1.1.1 生物传感器的定义及研究意义
• 1.1.2 电化学生物传感器的定义
• 1.1.3 电化学生物传感器的发展历程
• 1.2 基于氧化还原酶的电化学传感器
• 1.2.1 氧化还原酶的概述
• 1.2.2 电化学酶传感器的研究意义
• 1.2.3 血红素蛋白质在电极上的固定方法
• 1.2.4 酶固定化技术采用的新材料
• 1.2.5 常用的表征方法
• 1.3 离子液体简介
• 1.3.1 离子液体定义及其分类
• 1.3.2 离子液体的特性
• 1.3.3 离子液体在电化学中的应用
• 1.4 离子液体在生物电化学分析中的应用
• 1.4.1 离子液体作为支持电解质
• 1.4.2 离子液体作为修饰膜
• 1.4.3 离子液体作为粘合剂制备新型修饰电极
• 1.4.4 离子液体作为复合材料在电分析化学中的应用
• 1.5 本论文的基本思路和目的
• 参考文献
• 3O₄ 纳米粒子/Au纳米粒子修饰电极上的直接电化学'>第二章 肌红蛋白在Co₃O₄纳米粒子/Au纳米粒子修饰电极上的直接电化学
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 试剂与仪器
• 2.1.2 修饰电极的制备
• 2.1.3 实验方法
• 2.2 结果讨论
• 2.2.1 紫外可见（ UV-Vis ） 吸收光谱图
• 2.2.2 傅里叶变换红外光谱
• 2.2.3 电化学交流阻抗谱图
• 2.2.4 Mb 在复合膜内的直接电化学
• 2.2.5 扫描速度对Mb 电化学行为的影响
• 2.2.6 Mb 修饰电极的电催化性质
• 2.2.7 Mb 修饰电极的稳定性
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于石墨烯- 室温离子液体复合材料的第三代生物传感器
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 仪器与试剂
• 3.1.2 CTS-Mb-IL-GR/CILE 的制备
• 3.1.3 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 修饰电极的SE M 图
• 3.2.2 紫外可见（ UV-Vis ） 吸收光谱图
• 3.2.3 傅里叶红外变换光谱
• 3.2.4 电化学交流阻抗谱图
• 3.2.5 Mb 在复合膜内的直接电化学
• 3.2.6 扫描速度对Mb 电化学响应的影响
• 3.2.7 pH 值对Mb 电化学行为的影响
• 3.2.8 Mb 修饰电极的电催化性质
• 3.2.9 Mb 修饰电极的稳定性
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 3离子液体BPPF₆ 修饰电极上的电化学行为'>第四章 血红蛋白在Nano-CaC0₃离子液体BPPF₆修饰电极上的电化学行为
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 仪器与试剂
• 3-GR-IL/CILE 的制备'>4.1.2 Nafion/Hb-CaCO₃-GR-IL/CILE 的制备
• 4.1.3 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 紫外- 可见吸收光谱图
• 4.2.2 傅立叶变换红外光谱
• 4.2.3 电化学交流阻抗谱图
• 4.2.4 Hb 的直接电化学
• 4.2.5 扫描速度对Hb 电化学响应的影响
• 4.2.6 对TCA 的电催化
• 3-GR-IL/CILE 电极的稳定性和重现性'>4.2.7 Nafion/Hb-CaCO₃-GR-IL/CILE 电极的稳定性和重现性
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 致谢
• 攻读学位期间已发表和待发表的相关学术论文题录