（物理化学专业论文）新型纳米材料的生物电化学研究.pdf

复e = ；l 大学博士学位论文 摘要 摘要 氧化还原蛋白质和酶等生物大分子的直接电化学研究是生物电化学界和生 物学界非常关注的研究问题。它的研究对于人们获得蛋白质和酶的热力学和动力 学性质，深入认识蛋白质和酶等生物大分子在生命体内的生理作用及电子传递反 应传递机制以及开发新型生物传感器、新型生物燃料电池等生物电子器件具有重 要的理论和应用指导意义。 本论文主要通过制备新型纳米材料，以新型纳米材料为生物载体和分子导 线，在导电基底上构筑生物分子纳米材料的纳米界面，实现氧化还原蛋白质和 酶等生物大分子的直接电子传递并获得优良的生物电催化性能。另外，还初步研 究了有序介孔t i o ：的生物杀菌效应和a u t i 0 ：纳米复合材料的光电效应。论文 主要研究内容包括以下几方面： 1 以二乙胺为原料，采用催化热解法合成了含氮碳纳米管，首次将氮搀杂碳米 管应用于血红素蛋白质的固定及其生物电化学研究。 t e m 实验结果表明，氮搀杂的碳纳米管呈竹节状，管径为1 0 一4 0n m ，节 长度约为8 0r a m 管壁为由1 0 2 0 石墨层构成的多壁结构。e d x 测试结果表明 合成的竹节状碳纳米管中氮碳原子比为0 1 5 0 8 5 r a m a n 光谱表明氮的掺杂在 一定程度上破坏了碳纳米管的有序结构，在管壁上产生了一定数量的缺陷部位。 基于竹节状氮掺杂的碳纳米管的缺陷部位比纯碳纳米管的完整表面结构易化学 修饰功能化和高电化学活性等特点，利用物理吸附方法将血红蛋白固定到竹节状 氮掺杂的碳纳米管，我们首次采用t e m 和h r t e m 清晰地观察到血红蛋白在氮掺 杂的碳纳米管上的吸附形态；采用电化学方法研究表明血红蛋白在一0 3 3 0 v ( v s s c e ) 附近出现一对可逆的循环伏安氧化还原峰，为血红素基团中 f e ( i i i ) f e ( i i ) 氧化还原电对的特征峰，h b 在氮掺杂的碳纳米管上的异相电 子传递速率常数为1 3 2 0 2 7s 一，大于文献中报道的纯碳纳米管的值。固定 的血红蛋白对过氧化氢、亚硝酸钠具有良好的生物电化学活性，显示了类似过氧 化物酶和亚硝酸还原酶的活性。表明氮掺杂的碳纳米管具有较高的蛋白质酶固 载量，作为分子导线大大加快了血红蛋白与电极之间的电子传递速率，并且保持 了蛋白质较高的生物电催化活性。 2 为了进一步考察氮掺杂碳纳米管在生物电化学领域的应用研究中作为生物相 容性的固定载体和加快电子传递的分子导线的作用，又以分子量相对较大的生物 大分子一葡萄糖氧化酶( g o x ) 为研究对象，相对于血红素类蛋白质，其氧化还原中 复【l 大学博十学位论文摘要 心f a d 更深地埋在蛋白质肽链结构中。 t e m 、h r t e m 和a f m 实验观察到g o x 吸附到管壁上；用交流阻抗法监控了g o x 在氮掺杂的碳纳米管上的固载过程：固定在纳米碳管上的g o x 能进行有效和稳定 的直接电子传递反应，其循环伏安图上表现出一对可逆的氧化还原峰，式量电位 为0 4 6 vv ss c e ，其异相电子传递速率常数为1 9s 一；并对葡萄糖具有良好生 物电催化活性。由此可见，竹节状氮掺杂碳纳米管固定酶量高，可作为纳米导线 ( “e l e c t r i c a ln a n o p l u g s ”) 促进g o x 与电极之间直接电子传递，并保持酶的 生物催化活性 3 以天然聚合物明胶为分散剂，采用溶胶凝胶法制备了纳米二氧化锡一明胶无机 有机溶胶凝胶复合膜。利用制备的纳米二氧化锡一明胶无机有机溶胶凝胶复合膜 既保持了聚合物的生物相容性特点，又很大程度保持无机基质的刚性特点，并应 用s o l g e lf i l m e n z y m e s o l g e lf i l m 的“三明治夹心法”将辣根过氧化物酶 固定在玻碳电极表面，构成了一种非媒介体型的过氧化氢传感器，即所谓的“第 三代生物传感器”。 t e m 实验显示二氧化锡颗粒直径约为3 n m ，溶胶凝胶复合膜为多孔网状结构； 用a f m 技术观察到带正电荷的二氧化锡溶胶一凝胶表面能与带负电荷的辣根过 氧化物酶很好地结合。紫外可见光谱( u v v i s ) 和红外吸收光谱( i r ) 表明，蛋 白质在溶胶凝胶复合膜中保持了与其原有二级结构相似的构象。辣根过氧化物酶 在被包埋于溶胶凝胶复合膜内后，实现了辣根过氧化物酶的直接电化学，其表观 标准电极电位在- 0 2 5 v v s s c e 附近。同时，对于过氧化氢的电化学还原表现出 良好的催化活性。这种生物传感器在0 0 5 1 o m m o l l 的过氧化氢范围内有良 好的线性关系并且具有稳定性好的特点。所有这些优良生物电化学特性很大程 度上归功于纳米二氧化锡一明胶无机有机溶胶凝胶复合膜的特有生物相容性和网 状结构。 4 利用介孔材料孔径和生物大分子的尺寸相当的特点，初步尝试采用介孔分子 筛s b a 一1 5 为载体实现对血红蛋白的固载，探索了固载在s b a 一1 5 上的血红蛋白的 生物活性及其生物电化学行为。紫外可见光谱( u v v i s ) 和红外吸收光谱( i r ) 表明，以介孔分子筛s b a 一1 5 作为固定载体可以有效地吸附血红蛋白( h b ) ，且在 吸附过程中很好的保持了蛋白质的天然二级结构。对固载h b 的s b a 一1 5 修饰电极 的电化学研究表明，h b 可以在s b a 一1 5 膜内实现有效的电子传递，这可能是 s b a 一1 5 的介观结构效应有利于h b 的直接电子转移的取向。该探索将有望为生物 电化学的研究提供新思路。 复旦人学博士学位论文 摘要 5 以三嵌段高分子非离子表面活性剂( e o 。p o ，。e o “p 1 2 3 ) 为结构导向剂，采用模 板组装法合成了具有较均一孔径分布、高比表面积的纳米介? l - - 氧化钛材料。首 次将有序介孔t i o 。材料用于生物杀菌方面研究，并探讨了介孔t i o 。的两步过程 的光催化杀菌生化机理。首先比较了有无光照和介孔t i o 。条件下的生物杀菌效 应，在无光照条件下，介孔t i 0 2 对细菌几乎没有毒性，约8 5 以上细菌存活。在 未加t i o 。微粒而仅有光照时，在6 0 m i n 光照后仍有8 0 以上的细菌存活。当介 孔t i o 。和紫外灯光照共同作用下处理细菌，该体系显示出明显的杀菌效应。6 0 m i n 后，大肠杆菌的存活率仅为1 0 。并测得最佳杀菌效率的t i o 。量为l m g m l 。该 介孔t i o 。材料具有优于常规尺度t i o ：、纳米t i o 。材料的杀菌能力效应。这些结 果均表明该有序介孔的纳米t i o 。材料具有较好的光催化杀菌效果。 6 论文还初步尝试了以纳米t i 吼溶胶作为载体，采用简便的一步法紫外光还原 h a u c l 。t i 0 。混合溶胶制备了纳米a u t i0 2 复合半导体粒子。用s e m 、x r d 和紫外 可见吸收光谱进行表征，并且探讨了光还原形成a u 的机理。考察了纳米a u t i o 。 复合膜的光电化学性质，得出其光电流响应远远高于比没有纳米a u 掺杂的t i 0 2 膜，并解释了纳米a u t i o ：的光电流响应提高的机理。这种简便的制备纳米 a u t i o ，复合体系方法有望用于光催化体系中。 关键试t 生物电化学竹节状掺氮碳纳米i f , 纳米二氧纯锡一明皎复合骥介礁 分子簿介孔二氧化钛光催化生物杀菌纳米a u 1 i 0 2 复合半导体粒子 1 1 1 复过大学博士学位论文 摘嚣 a b s t r a c t d i r e c te l e c t r o c h e m i s t r yo fr e d o xe n z y m e sa n dp r o t e i n sh a sa r o u s e dg r e a t i n t e r e s ti nb i o l o g i c a la n db i o e l e c t r o c h e m i c a lf i e l d s s t u d i e so i ld i r e c te l e c t r o c h e m i s t r y o fr e d o xp r o t e i n s e n z y m e sc a nb eu s e dt oe x t r a c te s s e n t i a lp h y s i c o c h e m i c a ld a t a c o n c e r n i n gt h ek i n e t i c sa n de n e r g e t i c so f p r o t e i nr e d o xr e a c t i o n s ，p r o v i d em e c h a n i s t i c s t u d i e so f e l e c t r o ne x c h a n g ea m o n gp r o t e i n s e n z y m e si nb i o l o g i c a ls y s t e m s m o r e o v e r , d i r e c te l e c t r o nt r a n s f e rb e t w e e ni m m o b i l i z e de n z y m ea n du n d e r l y i n ge l e c t r o d ec a n e s t a b l i s haf o u n d a t i o nf o rf a b r i c a t i n gn e wk i n d so fm e d i a t o r - f r e eb i o s e n s o r s ，b i o f u e l c e l l s ，b i o r e a c t o r s i nt h i sw o r k ，t h en e w l y p r e p a r e dn o v e ln a n o m a t e r i a l s ，s u c ha $ n a n o p a r t i c l e sa n d o n e d i m e n s i o n a ln i t r o g e nd o p i n gc a r b o nn a n o t u b e s ，c a na c ta st h es u b s t r a t e sf o r p r o t e i ni m m o b i l i z a t i o na n de l e c t r o nr e l a y s ( e l e c t r i c a ln a n o p l u g s ”) t h e s en a n o - m a t e r i a l sh a v e b e e na p p l i e df o ra s s e m b l y i n gt h en a n o - i n t e r f a c e sw i 氇b i o m a c r o m o l e c u l e so nt h ee l e c t r o d es u r f a c e s t 嫩sm o d i l y i n ge l e c t r o d es u r f a c e so nt h e m o l e c u l a rs c a l ec a l la l l o we m e i e n te l e c t r o nt r a n s f e rb e t w e e nt h ee l e c t r o d ea n dr e d o x p r o t e i n s ，a n ds h o wh i g hb i o e l e e t r o c a t a l y t i ca c t i v i 够i na d d i t i o n ，b a c t e r i c i d a le f f e c to f o r d e r e dm e s o t i 0 2a n dp h o t o e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fa u - t i 0 2c o m p o s i t e n a n o p a r t i c l e sh a v eb e e np r e l i m i n a r i l yi n v e s t i g a t e d t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 n i t r o g e n d o p e dc a r b o nn a n o t u b e s ( c n xn a n o t u b e s ) h a v eb e e ns y n t h e s i z e db y c a t a l y t i cm e t h o dw i t hd i e t h y l a m i n ea sc a r b o ns o u r c ea n df e c o n t a i n i n gs a p o 一5 m o l e c u l a rs i e v ea sc a t a l y s t t k sn o v e lb a m b o o l i k en i t r o g e n - d o p i n gc n xn a n o t u b e s a r e f i r s t l y u s e df o rt h ei m m o b i l i z a t i o no fh e m o g l o b i n 簟a n dt h e i r b i o e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r sw e r es t u d i e d t e md i s p l a y st h a tt h en a n o t u b e sa r em u l t i w a l l e dn a n o t u b e sw i t ht h ed i a m e t e r o f1 0 - 4 0n n la n dt h e b a m b o o ”s e g m e n td i s t a n c eo fc a 2 0 h m 。嚣l ew a l l so ft h e “b a m b o o ”s e g m e n t se x h i b i ts o m ed i s o r d e ro rd e f e c ts i t e s e n e r g y d i s p e r s i v ex r a y s p e c t r o s c o p y ( e d x ) a n a l y s i ss h o w st h ep r e s e n c eo fc a r b o n ，n i t r o g e na n do x y g e ni n t h ec n xn a n o t u b e s ，i n d i c a t i n gn i n c o r p o r a t i o ni n t ot h eg r a p h e n el a t t i c e 。t h ea t o m i c r a t i oo fc ：ni nt h en a n o t u b e se s t i m a t e df r o me d xd a t ai sa b o u t0 + 8 5 ：0 15 i tc a nb e i v 复日，大学媾圭学位论文摘要 c l e a r l yo b s e r v e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n dh i g hr e s o l u t i o n t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( h r t e m ) t h a th bc o u l db es t r o n g l ya d s o r b e do b t h es u r f a c eo fc n xn a n o t u b e s 。霹臻c vr e s u l t so fh b e n a n o t u b e sm o d i f i e d e l e c t r o d es h o w sap a i ro fw e l l d e f i n e d ，q u a s ir e v e r s i b l er e d o xp e a k sc e n t e r e da t a p p r o x i m a t e - 4 ) 3 3 v ( v s s c e ) i np h 7 0p h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o n i tr e f l e c t st h e c h a r a c t e r i s t i co fh bh e m ef e ( h i ) f e ( i i ) r e d o xc o u p l ew i t hf a s th e t e r o g e n e o u s e l e c t r o nt r a n s f e rr a t e 霹撑 秘i n c o r p o r a t e di u t oc n xn a n o t u b ef i l m se x h i b i t sg o o d b i o e l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t i e sf o rt h er e d u c t i o no fh y d r o g e np e r o x i d ea n dn i t r i t e t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ec n xn a n o t u b e sm a yi m p r o v et h ep r o t e i nl o a d i n gw i t l lt h e r e t e n t i o no fb i o a e t i v i t ya n dp r o m o t et h ed i r e c te l e c t r o nt r a n s f e rg r e a t l y i tc a nb e a t t r i b u t e dt ot h ee x i s t e n c eo fal a r g ea m o u n to fa c t i v es i t e so nt h es u r f a c eo fc n x n a n o t u b e s a n das u i t a b l eb i o c o m p a t i b l ec - nm i c r o e n v i r o n m e n ti n t r o d u c e d b y n i t r o g e n 面p i n g 2 ，i no r d e rt of a r t h e ri n v e s t i g a t et h en o v e lb a m b o o - l i k ec n xn a n o t u b e sa c t i n ga s t h ee l e c t r o nr e l a y ( e l e c t r i c a ln a n o p l u g s ) f o rt h ed i r e c te l e c t r o c h e m i s t r yo fr e d o x e n z y m e ，t h i sc n xn a n o t u b e sa r eu s e df o rt h ei m m o b i l i z a t i o no far e l a t i v e l yl a r g e e n z y m eg l u c o s eo x i d a s ef g o x ) a n di t sb i o e l e c t x o c h e m i e a ls t u d i e s t h em o r p h o l o g i e s a n da d s o r p t i o n so fg o xi m m o b i l i z a t i o no n t oc n xn a n o t u b e sh a v eb e e nc l e a r l y o b s e r v e d b y t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t a m ) a n dh i g h r e s o l u t i o n t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( h r t e m ) e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ( e i s ) i sa l s ou s e dt of e a t u r et l l eg o xa d s o r b e do n t ot h es u r f a c eo fc n xn a n o t u b e s t h ei m m o b i l i z e dc o x i n c o r p o r a t e di n t oc n xn a n o t u b e sf i l m se x h i b i t saw e l l - d e f i n e d n e a r l yr e v e r s i b l ec y c l i cv o l t a m m e t r i cp e a k sf o rt h ee l e c t r o a c t i v ec e n t e r so fg o x a n da f a s th e t e r o g e n e o u se l e c t r o nt r a n s f e rm t ew i 也t h er a t ec o n s t a n t ( k s ) o f1 9 6s 一t h e i m m o b i l i z e do o xo n t ot h ec n xn a n o t u b e se x h i b i t e di t sb i o e l e c t r o e a t a l y t i ca c t i v i t yf o r t h eo x i d a t i o no fg l u c o s e 。t h eo b t a i n e dr e s u l t ss u g g e s tt h a tc 1 n a n o t u b e sc o u l dn o t o n l yf a c i l i t a t et h ed i r e c te l e c t r o nt r a n s f e rb e t w e e nt h ee n z y m ea n de l e c t r o d e ，b u ta l s o r e t a i nt h eh i g he n z y m el o a d i n ga n dt h ee n z y m a t i c b i o a c t i v i t y 3 + t h en e wt y p eo fn a r l o - s n o ze o m p e s i t ef i l m sh a v eb e e np r e p a r e db yt h es o l - g e l m e t h o d ，i nw h i c han a t u r a lo r g a n i cp o l y m e rg e l a t i na c t e da sd i s p e r s a n t h o r s e r a d i s h p e r o x i d a s e ( h r p ) w a si m m o b i l i z e di n t oa n e wt y p eo fs o l - g e l - d e r i v e dn a n o - s i z e dt i n o x i d e g e l a t i nc o m p o s i t ef i l m ( s n 0 2c o m p o s i t ef i l m ) u s i n gas o l g e l f i l m v 复墨犬学薅七学位论文 摘要 e n z y m e s o l - g e lf i l m “s a n d w i c h ”c o n f i g u r a t i o n h r p ，s n 0 2c o m p o s i t ef i l md i p l a y sa p a i ro fs t a b l ea n dq u a s i - r e v e r s i b l ec y c l i cv o l t a m m e t r i cp e a k sf o rt h eh r pf e ( i h ) h r pf e ( i i ) r e d o xc o u p l ew i t haf o r m a lp o t e n t i a lo fa b o u t - o + 2 5v ( v s s c e1i na p h 6 0p h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o n ，s h o w i n gt h ee l e c t r o nt r a n s f e rb e t w e e nt h ee n z y m e a n dt h eu n d e r l y i n ge l e c t r o d ei sg r e a t l ye n h a n c e di nt h em i c r o e n v i m n m e n tw i t h l l a n o s n 0 2p a r t i c l e sa n dn a u o p o r o u ss t r u c t u r e s m o r p h o l o g i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e s o ft h ec o m p o s i t ef i l m sa n dh r p c o m p o s i t ef i l m sa r ec h a r a c t e r i z e dw i t ht e m ，a f m e l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ( e i s ) i sa l s ou s e dt of e a t u r et h eh r p i n c o r p o r a t e di n t oc o m p o s i t ef i l m s f t i ra n du v v i ss p e c t r o s c o p yd e m o n s t r a t et h a t h r pi nt h ec o m p o s i t ef i l mc o u l dr e t a i ni t sn a t i v es e c o n d a r ys t r u c t u r e ，w i t ht h e a d v a n t a g e so fo r g a n i c - i n o r g a n i ch y b r i dm a t e r i a l s ，t h eh r p s n 0 2c o m p o s i t ef i l m m o d i f i e de l e c t r o d ed i s p l a y sg o o ds t a b i l i t ya n de l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yt ot h er e d u c t i o n o fh 2 。2w i t ht h el i n e a rc o n c e n t r a t i o no f0 0 5 l 。0 m m o l la n di t sa p p a r e n t m i c h a e l i s m e n t e nc o n s t a n t ( k 扩) o fe 。3 4 5 m m ，i n d i c a t i n gah i g ha f f i n i t yo fh r p e n t r a p p e di n t ot h ec o m p o s i t ef i l mt o w a r dh 2 0 2 4 ，c o n s i d e r i n g 氇ep o r ed i a m e t e ro f m e s o p o r o u ss i e v es b a - 1 5m a t c h e sw e l t 弼氇t h e s i z eo fb i o m a c m m o l e c u l e s o r d e r e dm e s o p o r o b ss i e v es b a 1 5i su s e da san o v e l s u b s t r a t em a t r i xt oi m m o b i l i z et h eh e m o g l o b i n ( h b ) f t i ra n du v v i ss p e c t r o s c o p y d e m o n s t r a t et h a th bc a l le 擞c i e n t l yb ei n c o r p o r a t e di n t ot h es b a - 1 5a n dr e t a i ni t s n a t i v es e c o n d a r ys t r u c t u r e i m m o b i l i z e dl i bs h o w si t sr e d o x p e a k sa t - 0 + 2 8 v v s ，s c e 。 c o r r e s p o n d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fh bh e m ef e ( i i i 徊e ( i i ) r e d o x c o u p l e a c h i e v i n gt h ed i r e c te l e c t r o nt r a n s f e ro fh bm a yb ea t t r i b u t e dt o t h es u i t a b l e o r i e n t a t i o no f h bm o l e c u l e si n t r o d u c e db ys b a - 1 5m e s o p o r o u ss t r u c t u r a le f f e c t 。 5 o r d e r e dm e s o p o r o u st i 0 2h a v eb e e ns y n t h e s i z e du s i n gb l o c kc o p o l y m e r e 0 p 0 7 0 e 0 2 0 ( p 1 2 3 ) a st h et e m p l a t e ，t h em e s o p o r o u sm a t e r i a lp r e s e n t sh i 痨s u r f a c er r e a ( b e ts u r f a c ea r e a ：2 0 8 m z g ) a n dh i 馥o r d e r e ds t r u c t u r e 弧ep h o t o c a t a l y t i c b a c t e r i c i d a lb e h a v i o r so ft h i sm e s o p o r o u st i 0 2a r ef i r s t l ys t u d i e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a te c o l ic a nb ek i l l e db yt h em e s o p o r o u st i 0 2u n d e ru vi r r a d i a t i o n e f f i c i e n t l y , t h ee e l lv i a b i l i t yi so n l y1 0 o f i n i t i mc e l lc o u n ta f t e r6 0 m i ni l l u m i n a t i o n ， t h ee f f e c to fd i f f e r e n tt i 0 2l o a d i n go nt h ei n a c f i v a t i o no fe c o l ii si n v e s t i g a t e d r e v e a l i n gt h eo p t i m u me f f e c t i v et i 0 2l o a d i n gc o n c e n t r a t i o n c o m p a r e dw i t l lo t h e r t y p e so f 嚣0 2m a t e r i a l s ，o r d e r e dm e s o p o r o u s 曩0 2s h o w si t sh i g hp h o t o c a t a l y t i c 复旦人学博士学位论文摘要 b a c t e r i c i d a la b i l i t y t h ep o s s i b l eb a c t e r i c i d a lm e c h a n i s mi sa l s od i s c u s s e d 6 t h en a n o a l f f t i 0 2c o m p o s i t es e m i c o n d u c t o rn a n o p a r t i c l e sh a v eb e e np r e p a r e db y u s i n gh i g h - p r e s s u r em e r c u r yl a m p a st h el i g h ts o u r c et oi l l u m i n a t et h e h a u c l 4 n a n o - t i 0 2s o l u t i o n s e m 、x r da n du v - v i sa b s o r p t i o ns p e c t r u mc o n f i r m t h ee x i s t e n c eo ft h ea un a n o p a r t i c l e si nt h ec o m p o s i t em a t e r i a l t h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo fa un a n o p a r t i c l e si sp r o p o s e d t h er l a n o a u t i 0 2c o m p o s i t ef i l m m o d i f i e di t os h o w st h ee n h a n c e m e n tp h o t o c u r r e n tc o m p a r e dt ot h et i 0 2f i l m m o d i f i e di t ow i t h o u tn a n o - a u t h ei m p r o v e m e n to ft h i sp h o t o e l e c t r o c h e m i c a l p e r f o r m a n c e c a r lb ee x p l a i n e db yt h ei n h i b i t i o nf o r c h a r g er e c o m b i n a t i o no f p h o t o - i n d u c e d e l e c t r o n sa n d h o l e s ，a n d t h e i m p r o v e m e n t f o ri n t e r f a c i a l c h a r g e t r a n s f e rk i n e t i c sa tl l a n o - a u z i 0 2c o m p o s i mf i l m t h en a n o - a u s e m i c o n d u c t o r c o m p o s i t ef i l m s h a v et h e p o t e n t i a la p p l i c a t i o n si np h o t o c a t a l y t i cs y s t e ma n d p h o t o e l e c t r o c h e m i c a ls o l a rc e l l s k e y w o r d ：b i o e l e c t r o c h e m i s t r y , b a m b o o - l i k ec n xn a n o t u b e 置n a n o - s n o e g e l a t i n c o m p o s i t e f i l m , m e s o p o r o u st i 0 2 , m e s o p o r o u ss i e v e , p h o t o c a t a l y t i cb a c t e r i c i d a le f f e c t n a n o - a u h 0 2c o m p o s i t e f i l m v l i 复1 3 大学博士学位论文 第一一章 第一章前言 1 1 引言 组成生命体的许多生物物质是荷电的微粒或分子，在生命活动过程中，无 论是能量转换、神经传导、光合作用呼吸过程，还是大脑的思维、基因的传递 甚至生命的起源，都与电子传递密切相关。从某种意义上讲，研究生命过程实 质上就是研究生物体中的电子传递过程 卜3 。蛋白质和酶等生物大分子是构 成生命的主要基元，参与完成生命体中的新陈代谢等许多生理过程，同时在这 些生命过程中很多蛋白质和酶都要经历电予转移过程，在其氧化型和还原型之 间相互转化。例如，生物体的呼吸链就是一种典型的由氧化还原蛋白质和酶组 成的电子传递体系 4 ，如图1 1 。 f i g u r e1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f b i o l o g i c a lr e s p i r a t o r yc h a i n 图1 1 生物体呼吸链的示意图 在生命体内许多涉及氧化还原蛋白质的化学反应都发生在带电荷的生物 膜上或其附近，因而其电子的传递必然会受到电场的作用和影响。这种电场的 作用和影响与电化学研究中的工作电极表面或其附近的情况十分相似。因此， 采用电化学方法研究氧化还原蛋白质和酶等生物大分子的直接电子转移过程是 生物电化学和生物学领域一直非常关注的研究问题 5 1 3 。首先，这些研究可 方便地帮助获得蛋白质的内在热力学和动力学性质的重要信息 1 4 ；其次，获 得电极物质与具有高催化活性和生物传感特性的蛋白质和酶等生物大分子间结 合的动态信息，如在特定的电极表面蛋白质键合特征，电子传递对蛋白质在电 极表面的取向的要求等 1 5 ，深入认识蛋白质和酶等生物大分子在生命体内的 生理作用和电子传递反应传递机制：再有，在实际应用中也为构筑新型第三代生 复旦大学博士学位论文 篇一章 物传感器( 图1 2 a ) 和生物燃料电池( 图1 2 b ) 等生物电子器件提供了重要基础 1 6 - 1 9 。 t r a m d u c e d f i g u r e1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mf o r ( a ) at h i r dg e n e r a t i o nb i o s e n s o r ；( b ) b i o f u e lc e l l 图1 2( a ) 第三代生物传感器；( b ) 生物燃料电池示意图 然而，尽管氧化还原蛋白质在生命体内能进行可逆的氧化还原反应，但在通 常的裸露固体电极如p t 、a u 及碳电极上很难实现直按电子传递，其电化学反 应通常是是不可逆的或无电活性的 2 0 2 2 。故限制了其电化学研究的快速发展。 其原因为：( 1 ) 绝大多数氧化还原蛋白质强烈地吸附在固体电极表面，并伴随着 蛋白质的变性，变性蛋白质分子的电极反应常经历不可