（物理化学专业论文）牛血红蛋白的电化学研究及信息分析.pdf

摘要 生命现象最基本的过程是电荷运动。生物分子电化学行为的研究是生物电 化学的一个基础研究领域。蛋白质是人体中一类重要的生物大分子，其功能对 于很多生命现象是非常熏要的。由于蛋白质等生物大分子在一般的电极上响应 极弱，难以进行有关的电分析研究，而化学修饰电极的出现，极大的推动了蛋 白质电化学研究的发展。血红蛋白是人体传输氧的重要物质，在进行生物电化 学分析的过程中，血红蛋自是研究的重点物质之一。 现代科学技术为获取待研究系统的信息提供了前所未有的便利，即信息 的获得越来越容易。然而，要想对待研究系统演化的本质做出准确的判 定，还需要对测试信息进行筛选和加工处理，即信息的选择、处理和整 合变得更为重要。鉴于此，本学位论文以牛血红蛋白在由月桂酸修饰的 玻碳电极上的电还原系统为研究载体，以循环伏安和交流阻抗技术为测 试手段，注重新的科学计算方法的学习与引入，在充分发挥计算机功能 的基础上，开展电化学信息处理方法的研究。本学位论文的主要工作和 基本结论如下： 一通过阅读有关文献及专著，在对所涉及的材料进行分析、综合 与评价的基础上，确定了论文工作的基本思路及程序。 二运用循环伏安方法对牛血红蛋白在不同p h 值的 k h 2 p 0 4 一n a 2 h p 0 4 缓冲溶液中，在月桂酸修饰的玻碳电极上的电还原行 为进行研究。对其伏安响应谱进行常规分析的基本结论是： 1 血红蛋白在月桂酸修饰的玻碳电极上的电还原为不可逆电荷传递反应。 2 血红蛋白在月桂酸修饰玻碳电极上的电还原伴有电活性质粒的吸附现 象。 摘要 三牛血红蛋白电还原体系的e i s 信息分析。首先，借助于e o u 软 件对实测e i s 数据进行解析处理，而后对e i s 信息加以分析、整合，得到的基 本结论是： 1 该电极反应体系的e i s 很可能涉及到三个状态变量，它们分别是直流 极化电势、血红蛋白吸附表面覆盖度和月桂酸修饰膜的统计平均厚度。 2 用( q 【r ( q r ) ( t l ) 】) 电路码表示的电极等效电路来表征该电极反应体系 的e i s 可能更客观一些。 3 该电极反应体系中的扩散行为不符合常规扩散模型，而可以归属为具 有“阻挡层扩散”型的非常规模型。 4 溶液浓度因素的影响主要体现在该系统中存在一个c = 1 0 1 0 口圮。 的“临界”值，当c 处于临界值附近时，血红蛋白自身的频率响应阈值的 作用得以充分体现、滞流层的厚度f 将取极小值，而滞流层中的物质浓度c s t 将取极大值，可以说浓度临界值和血红蛋白自身的频率响应阚值共同制约 着该系统e i s 的响应特征。 5 溶液p h 因素主要对滞流层中血红蛋白的浓度、扩散形态和吸附形态 以及0 妒a c k 。o 的取值产生明显影响，进而影响着该系统e i s 的响应特征。 6 在该电极反应体系中，与非吸附态质粒的还原相比吸附态质粒的还原 要困难得多；吸附态质粒还原的反应速率随极化程度增强而明显加快，丽电极 电势对非吸附态质粒还原的反应速率并无显著影响。 关键词：牛血红蛋白；修饰电极；月桂酸；交流阻抗；非常规扩散 a b s t r a c t t 1 l em o s tf u n d a m e n t a lp i d c c s so fb i o l o 西c a lp h e n o m e n ai s t l l ee l e “r i cc h a 唱e 肿v e m e n t 弧ee l e c t r o c h 锄i c a lb e h a v i o r o fm eb i o m o l e c u l ei st h eb i o l o g i c a l e l e d r o c h e m i s 仃yf u n d 啪e n t a lr e s e a r c hs y s t e m p r o t e i ni sai c i n do ft h em o s ti m p o n a n t b i o m a c m m o l e c u l c si nh u m 卸b o d y t h ef i l n c t i o no fp r o t e i ni sv e r ys i 班f i c a mt 0al o t o fb i o l o g i c a lp h 髓帆e n a s i n c ct h er c s p o n s eo ft l l eb i o m a c 咖l e c u l c ss u c h 硒p r o t e i n i se x c e e d i n 苷yf e e b l eo nt h co r d i n a r ye l e c t m d e ，i th a sb e e nd i f f i c l l nt oc a r r yo nr e l e v a n t d e c m ) a n a l y s i sr 懿e a r c h h a w e v e r w 弛t h ea p p e 盯a n c eo ft l i em o d i f i e de l e c t r o d e ，t l l e e l e c 协k h e m i s 拄yr e a r c ho fp l d t e i ni sg r e a t l yp m m o t c d ，t h eh e m o 班o b i w h i c h 仃a n s m i t s0 x y g e ni st h es i g n i 丘c 柚ts u b s t a n c ej l lt h ch u m 壮b o d y i nt h ep m c e s so ft l l e b i o l o 百c a le l e c t r o c h e l l l j c a la n a l y s i s ，也eh e m o g l o b i i li s e0 ft i l em o s tj l l l p o n a n t s u b s t a n c c st or e s e a r c h 1 1 l cr a p i dd c v d o p m e n to fm o d 锄s c i 雠c c 柚dt e c h n o i o g yp r o v i d e se n o 曲0 u s c o n v e l l i e n c cf b ra c h i e v i l l gi l l f o n n a t i 伽o fr c s e a r c h s y s t e m ， h o w e v e r p r c c i s c d e t e 肋i n a t i o nf o rt h ee s s e n c e0 fr e s e a r c hs y s t e md e m 粕d st h cp r o p e rt r e a t i i l e n to f e x p e r i ：m e n t a ld a t a ，s ot l i es e l e c n o n ，d i s p _ o s a la n dc 0 咀f o 加i t yo fi n f 0 珊a t i o nb e m e m o r ea i l dm o r ei m p o n 卸t hv i e w i n go f 恤i s ，m i st h e s i sc s i d e 玛t l i ee l e c t m c h e m i c a l r e d u c t i o ns y s t 锄o fb o v i n eh 锄o g l o b i n ( h b ) o nag l a s s yc a r b o ne l e c t r o d em o d i f i e d h u r i ca j c i d 硒t l l ea i mo ft h ci n v e s t i g a t i 码i sr e d u c t i o ns y s t e me m p l o y st l l e t e c h n i q u e s0 ft l i ec y d i cv o l t 锄m e 由叮a n da ci m p e d a n c c f u r t h e 瑚o r c ，t h i st h e s i sa l s o f b c u s e so nt h ei l l 删u c t i o fn e ws c i e n t i f km e 也o d s t h em a i nw o t ka n db a s i c n c l u s i o n sa f eo u t l i i l e da sf o l l o w i i l g ： i 1 1 l m u g ht h ea n a l y s i sa n dt h ec 0 e n to nt h er e l a t e dm a t e r i a l s 锄o n gt h e r e f e r e n c e s 觚dw o r k s ，t h em a i ni d 姚柚dp r o c e s s 甜ea s s 删 b ym e a 粥o fc y c l i cv o l t 猢e t r y ，t l l i st h e s i ss t u d i e st h ee l e d r o c h 锄i c a l r e d u d i o no fb o v i n eh e m o g l o b i no nt h e 番a s s yc a l 忉ne l e c t r o d em o d i f i e dl a u r i ca c i d _ 1 1 l i sr e “c t i o np m c e e d si nac o n s t a n ti o n i cs 仃e n g t hk h 2 p 0 4 n a 2 唧0 4b u 腑 谢 a b s n a d s o l u t i o n b ya i l a l y z i l l gt l l ec vi l l f 0 瑚a t i o n ，t l l eb a s i cr e s u l t sa r ed e m o n s t m t e d ： 1 n ee l e c t r o c h e m i c a lr c d u c t i o fb o v i n eh e m o 出o b i n ，w h i c hh 印p e n so nt h e 出a s s yc a r b o ne l e 咖d em o d i 6 c dl a l l r i ca c j d ，i sa ni r r e v e r s i b l ec h a r g et r ；m s f c rs y s t e m 2 t l l i ss y s t 锄i n v o l v 龉t h ew e a l 【a b s 唧t i 衄o fc l e d r o a c t i v es p e d e s i i i 1 1 h ea ci m p c d 柚c es t u d j e sb o v 妇h e m o 毋o b i ne l e c c m c h 哪i c a lr e d u c 【i o n 蛐d i n f b 珊a t i o na n a l y s i s h lo r d e rt 0d b t a i ns 嘲ei 两1 n a t i 衄，t h ee 】q 删m e n t a le i sd a t ai s t r c a t e dw i t ht l l eh e l po fe o u 1 1 l 蛐，t l l ei n f o 姗a t i 彻i s 越a l y z e d 柚do o n 血m e d 1 1 l e f o l l o w i n g c o n d u s i o n sc a l lb ed l 孙nu p o n ： 1 t 1 l ep r o c 船so ft l l i sr e a c t i o np 加b a b l yf e l a t e st ot l l r e ev a l i a b l ep a 瑚n e t e r s ，a i l d t h e ys 印a r a t e l y r e f e rt 0 也ed i r e dc i i e mp o i 缸p o t e n t i a l ，m e a b s o r p t i o no ft l l e h e m o 酉o b i n ，a i i dt l l es t a t i s t i ce q u a lt h i c h e s so f t h el a u r i c a d dm e m b m e 2 i ti s 砌a b l ym o r co b j c c t i v et oc h a n c t e r i z ed e c t r o c h e m 池li m p e d 柚c e s p e d m s c o p yb y ( q 啤( 舛) ( 兕) 1 ) 3 t h eb e h a v i o fo fd i 曲s i o n伽o w s哪m a l o u sd m s i o nw i t hr e n e 曲g b o u n d a 哆 4 。i tc a nb cs a i dt h a lt h ec r h i c a lc o n c 例嘲i 衄o f 鼬( c 1 o l o “珥口圮一1 ) 粕d t t l et h r e s h o l d i l l n u e n c c 也ef n 部o ft h es y s t e mo fe i s 5 t h ec o n c e m m t i 0 o fi i b ，a b s o r b e d 趾dd i 胬0 l v e ds p o d e sa n dt h ev a l u eo f 轴妒a c k ，o i nt h c 妇萨a n tn a wl a y e r 啪b ea 讯斌c dq u i t es i g n i f j c 卸yb yp h v a l u eo fe l e c t r o l ”e l u t i f u n h c 城o r e ，t h cc h 心l d c r i s t i c so fe i sc 柚b ea 敝t e d 6 t h er e d u c t i o fa b s o r b c ds p e c i c si sm o r cd i m c i l l tt h a i ln 一a b s o r b c ds p e d e s r e a c t i o nt a t eo fa b r b e ds p c c i e si so b v i 咖s l yb c 伽i n gm o f er a p i d 、】l ，i t l lt l i ei n c r e a s e o fp o l a r i 鞠t i d e 伊t h er e a c 廿o nr a t eo fn 一a b s o r b c d s p e d e sh 舔n t b e e n j l l f l u e n c e d b yt h ep o t 锄t i a l k e yw o r d s ：b o v i n eh e m o g l o b i n ；m o 删e de l e c t r o d e ；l a l l r i ca c i d ；i n l p e d a i l c c ； m a l 叫sd i f f u s i o n 第一章文献综述 第一章文献综述 本章主要对学位论文研究主题所涉及到的相关文献进行分析、综合与评 价。文献调研的具体内容有： ( 1 ) 电化学方法在蛋白质研究中的应用： ( 2 ) 化学修饰电极在生物样品分析中的应用； ( 3 ) 电化学阻抗谱的数据处理与解析研究； ( 4 ) m a t l a b 语言梗概及e q u 软件简介； ( 5 ) 文献调研提出的问题及选题。 在文献调研的基础上，确定本硕士论文工作应重点思索和探讨的基本问 题。 1 1 电化学方法在蛋白质研究中的应用 生命现象的基本过程之一是电荷的传递，因而电化学是生命科学的基础相 关学科。生物分子的电化学行为研究是生物电化学的一个基础研究领域，其研 究目的在于获取生物分子氧化还原电子转移反应的机理，以及生物分子电催化 反应机理，为深入了解生物活性分子的生理功能提供基础数据。蛋白质是人体 中一类重要的生物大分子，其功能对于生命现象是非常重要的【1 。3 1 。众所周知， 构成生物体新陈代谢的几乎全部化学反应都是在活性蛋白质一酶的催化下进 行的，所以对蛋白质分子与电极之间的电子转移过程做探讨是目前研究的热门 课题之一【4 j ，这对于了解生物体循环过程，进而对生物体外模拟亦显得十分重 要。因为这种电子转移过程在某种程度上类似于生物体内蛋白质与生物膜之间 的电子转移过程。电化学方法为探讨蛋白质的亚层结构和生理作用等生物电化 学中的各种研究任务和课题提供了重要的研究方法【4 1 。近年来，关于蛋白质的 电化学分析方法有一些报道，例如：用循环伏安方法【4 1 1 】和交流阻抗技术【1 2 ”j 对各种蛋白质进行电化学研究。从报道的文章来看，对蛋白质进行电化学测 量一般都采用三电极体系，工作电极、辅助电极及参比电极。由于蛋白质等 理学硕士学位论文 生物大分子常常具有庞大的三维结构，其电活性中心很难暴露，且它们较易在 电极上发生变性或强烈吸附从而钝化电极。因而即使较易发生氧化还原的生物 大分子，由于空问位阻的影响，电子转移速度慢，在一般的电极上响应极弱， 难以进行有关的电分析研究。近年来的研究f 5 1 6 】表明，蛋白质等生物大分子在 银电极上表现出较好的电活性，银电极因此被广泛用于它们的研究【1 6 l 。 细胞色素c 是较早用银电极研究的蛋白质之一i “】。h a w k r i d g e 等在研究时 发现，经色谱纯化后的细胞色素c 可在银电极上产生一准可逆电流峰，若提 纯后的细胞色素c 再经冻干处理会发生变性而影响其在银电极上的直接电子 转移反应。进一步盼研究表明，当向溶液中加入十二烷基硫酸钠、2 ，2 联 吡啶时，细胞色素c 不需色谱提纯即可产生准可逆电流峰，且峰电流因此急 剧增加，选择性增强，可用于商品细胞色素c 的直接测定。其中所加的2 ，2 联吡啶等被认为是起了促进剂或媒介体的作用。陈洪渊和周性尧等对另一 含血红素辅基的蛋白质一血红蛋白进行了研究，发现在不加任何媒介体和促进 剂的情况下，血红蛋白可在经过抛光处理的银电极上有稳定的电流响应，发生 了直接电子转移反应，其循环伏安曲线与血红素在同样体系中的循环伏安曲线 相同，且电位不受p h 值的影响，说明其电极反应机理为活性中心血红素的氧 化还原，反应不受血红蛋白四条多肽链的影响，溶氧对该体系亦无影响。其电 极过程为稳定的准可逆过程，且其峰电流与血红蛋白浓度在一定范围内成线性 关系，可用于人体血样中血红蛋白的测定。若加入促进剂四甲基氯化铵或十二 烷基硫酸钠，血红蛋白在裸银电极上的还原峰增大，线性范围增至约二个数量 级【1 6 】。冶保献、刘慧宏等还对血清白蛋自进行了研究，发现牛血清自蛋白在 裸银电极上产生一对准可逆氧化还原峰，根据不同条件下，该体系的循环伏安 曲线可知牛血清白蛋白及其氧化还原产物在银电极上均为弱吸附，且还原态的 吸附系数大于氧化态的吸附系数1 4 】。牛血清白蛋白是不含金属离子的蛋白 质，根据s t a k o v c h 等人的理论，其氧化还原反应发生在其双硫键上，电极过 程可表示为： ( r s = s r ) s o l u ，( r - s = s r ) 。d 。o r p ( r s = s r ) 。d s o r p + 2 h + + 2 e ：( r - s h - s h r ) 。d 。o r p 溶氧对牛血清白蛋白的电极反应没有影响，其电极过程为准可逆氧化还原过 程，且其峰电流与牛血清白蛋白浓度在一定范围内呈线性关系，可用于牛血清 2 第一章文献综述 白蛋白的浓度分析【4 l 。 此外，周性尧等还结合波谱等方法对其它诸多生物大分子，如铜蓝蛋白一 酪氨酸酶、血清白蛋白、伴刀豆球蛋a 、葡萄糖氧化酶等进行了类似研究，发 现它们在裸银电极上也能产生电化学响应，并认为这与这些大分子和银的强亲 和作用有关【5 “】。蛋白质分子吸附在银表面后结构发生细微变化，从而使电活 性中心在一定程度上暴露出来，易于发生电子交换。变性的葡萄糖氧化酶未表 现出上述电活性，可能与其结构的根本改变有关。 周海虹等【1 0 。7 8 】用循环伏安法研究了肌红蛋白的电化学行为。实验表明， 氧对于肌红蛋白的电化学响应有重大影响。氧不仅存在于溶液中，而且存在于 肌红蛋白中。高铁肌红蛋白分子中至少存在一个可调节分子构象变化的氧分子 【1 9 】，当长时间通入高纯氮气可以除掉高铁肌红蛋白分子内的这个氧，当高铁 肌红蛋白分子内的氧彻底除去后，用循环伏安法，可以观察到肌红蛋白在三氧 化二铟电极上准可逆的电化学反应【1 0 】。肌红蛋白不需进一步提纯，只要长时 间通入高纯氮气即可产生准可逆电流峰，因此可用于商品肌红蛋白的直接测 定。 张正奇1 2 0 】等也运用极谱法对蛋白质的电化学特性进行了研究，表明在一 定条件下牛血清白蛋白可产生一良好的极谱波，利用此波可测定微量的牛血清 白蛋白，且与牛血清白蛋白在一定浓度范围内呈线性关系，温度、许多非离子 表面活性剂及生物体内存在的金属阳离子和阴离子如k + 、n a + 、c a “、m g “、 c u 2 + 、z n 2 + 和c l 。等以及维生素、肌酐等有机物对牛血清白蛋白极谱的波高均 无影响，研究表明牛血清白蛋白在电极上的反应为不可逆的反应【2 0 】。 1 2 化学修饰电极在生物样品分析中的应用 氧化还原蛋白质在电极上的直接电化学研究，对于理解和认识它们在生命 体内的电子转移机制和生理作用具有重要意义。但由于多数蛋白质的电活性基 团被深埋在其多肽链的内部，与电极表面距离较远，很难与电极表面直接交换 电子：蛋白质在电极表面的取向往往不利于电活性基团与电极之间的电子交 换；某些杂质在电极表面上的吸附或蛋白质本身的吸附变性可能阻碍它们与电 极间的直接电子转移。为此，蛋白质的电化学研究常常不得不借助于某些具有 3 理学硕士学位论文 电化学活性的媒介体来实现蛋白质与电极之间间接的电化学反应。化学修饰电 极的出现，极大的推动了氧化还原蛋白质电化学研究的发展。 化学修饰电极是通过化学修饰的方法在电极表面上进行分子设计，将具有 优良化学性质的分子、离子、聚合物固定在电极表面，造成某种微结构，赋予 电极某种特性的化学和电化学性质，以便高选择性地进行所期望的反应，在提 高选择性和灵敏度方面具有独特的优越性【1 7 l 。 1 2 1 修饰银电极 通过化学吸附和共价键合等方法【1 6 】可将含巯基、昧唑基或其它类似基团 的物质修饰到银电极表面制备出修饰银电极，使银电极具备更好的功能。如苯 并咪唑、甲巯基咪唑修饰银电极对肌红蛋白有良好的电化学响应；丽组氨酸、 l - 半胱氨酸、卡托普利修饰银电极使血红蛋白的电氧化还原比在裸银电极上更 可逆。细胞色素c 在咪唑修饰银电极上可产生较可逆的氧化还原波。如果修 饰剂分子高度有序地吸附在银电极表面，那么所得电极即为自组装膜修饰银电 极。不含特异吸附基一巯基的自组装膜修饰银电极也有报道，如脂肪酸单分子 层修饰银电极用于血红蛋白的电化学研究【1 6 j 。 1 2 2 修饰玻碳和石墨电极在蛋白质电化学中的应用 血红蛋白是人体传输氧的重要物质【引，在进行生物电化学分析的过程中， 血红蛋白是研究的重点物质之一【9 1 。由于其结构的特殊性使得它易吸附于电极 表面且在固体电极上过电位很高，使其在固体电极上的传递速率缓慢，因此其 分析检测受到很大限制。目前报道血红蛋白的检测多用h p l c 及光谱法。电化 学检测般采用修饰电极方法，即在电极表面修饰一层媒介体，通过媒介体的 传递使血红蛋白的传递速率得到改善，过电位得到显著降低，通过它对血红蛋 白的催化还原来检测【乳9 1 。从报道的文章来看，这些媒介体大多采用具有氧化 还原活性的染料【”。固定媒介体的方法一般采用吸附、共价桥连、聚合、电沉 积；采用的基体电极有石墨【9 1 ，玻碳 7 1 ，p t 【9 1 ，碳纤维f 9 】和a g l 9 】电极。例如： 矗 第一章文献综述 y c 等【9 】将亚甲蓝吸附于石墨修饰电极可用于流动体系中血红蛋白和肌红蛋白 的检测。陈洪渊等在石墨电极上吸附甲酚固紫制成修饰电极，实现血红蛋白的 电催化还原【7 1 。吸附是早期修饰电极常用的方法。这种方法制备的电极往往寿 命很短，重现性差【9 1 。与传统的媒介体修饰方法相比，聚合及电沉积方法制备 的电极显示了一定的优越性，其电极稳定性、重现性好，寿命长、灵敏度高， 引起分析者广泛重视i 引。例如：袁倬斌等用聚合法制备了玻碳基体的聚天青 i 修饰电极，获得了对血红蛋白的催化还原，报道了天青i 在玻碳电极的电聚 合及聚合膜的性质，该修饰电极对血红蛋白具有良好的催化响应。实验在n 2 气氛下进行，研究表明聚天青i 催化还原血红蛋白电极过程包含膜内的电子自 交换过程，随着血红蛋自浓度增加，峰电位移动，正是由于膜内氧化态与还原 态聚天青之间电子交换的速率发生变化而引起的【8 1 。参考文献【1 8 】其催化机理可 描述如下：氧化态的血红蛋白从溶液本体扩散到聚天青溶液界面并被还原态 的聚天青还原成还原态的血红蛋白，而聚天青则由还原态变成氧化态，氧化态 的聚天青则通过聚合物膜内的电子传递而在电极上还原。其电极过程受溶液中 的血红蛋白扩散控制且其峰电流与血红蛋白浓度在一定范围内成线性关系，可 用于人体血样中血红蛋白的测定。 张玉忠【9 l 等利用循环伏安法将大黄酸沉积在玻碳电极表面，制成了对血红 蛋白具有优良催化性的电极。实验在n 2 气氛下进行，血红蛋白使得修饰电极 的还原峰电流增加，氧化峰电流有所减小，表明血红蛋白对大黄酸在电极上的 还原产物有再生能力，该电极过程为e c 过程，在不含血红蛋白的缓冲溶液中， 大黄酸的还原峰电流与扫速成正比，电极过程受电极表面吸附控制，而有血红 蛋白存在时，其催化峰电流与扫速的平方根成正比，这是因为媒介体大黄酸与 血红蛋白的电子交换发生在膜界面。因而电极过程受溶液中血红蛋白的扩散控 制其电极催化机理可表示如下： r o x + 2 h + + 2 e = r h 2 r e d l h 2 r 。d + h b f e ( ) = r 0 x + h b f e ( i i ) + 2 h + 其催化电流与血红蛋白浓度在一定范围内有线性关系【9 1 。 此外，朱荣贵等将电子媒体甲苯胺蓝吸附在石墨电极上制成修饰电极用于 对血红蛋白的电催化还原行为的研究。实验表明，血红蛋白使得修饰电极的还 s 理学硕士学位论文 原峰不断增高，而氧化峰则相应的减小。这是因为扩散至电极表面的血红蛋白 能与电极反应生成的还原态甲苯胺蓝发生化学反应，血红蛋白被催化还原，甲 苯胺蓝被氧化，得到再生。因此电极反应生成的甲苯胺蓝的还原态量则要相应 的减小，使得电位反扫时的氧化峰电流下降，血红蛋白浓度越高，反扫过程的 氧化峰电流越小。 蛋白质的电化学研究具有重要的理论价值和的应用前景。蛋白质是生命活 动的物质基础，其功能对于很多生命现象非常重要，研究蛋白质分子与电极之 间的电子转移过程已成为目前研究的热门话题，可以预期蛋白质的电化学研究 在了解生物体循环过程、生物体外模拟、生物分子的分析测定及反应机制等方 面将发挥越来越重要的作用。 1 2 3 血红蛋白的结构及其生理作用 在进行生物电化学分析的过程中，血红蛋白( h e m o g l o b i n ，简称h b ) 是研 究的重点物质之一。血红蛋白是存在于红细胞的一种蛋白成分，分子量为 6 4 5 0 0 ，m 红蛋白在人的红细胞中的浓度为3 4 ，占红细胞总蛋白量的9 0 ， 每一个红细胞约含2 8 1 0 9 个血红蛋白分子。它能完成运输氧气的作用。它在 氧分压高的情况下，能与氧结合( 如在肺内) ，在氧分压低的情况下，能将氧解 离出来( 如在组织中) ，那么在不同氧分压下就有一定量的氧与血红蛋白相结 合。血红蛋白的这种功能与结构是密切相关的。血红蛋白分子由珠蛋白和血红 素构成。珠蛋自由4 个多肽链亚基构成，两条n 链，两条一链。每个亚基结 合1 个血红素，每个血红素结合1 个f e “，血红素中的f e 2 + 的配位数是6 ，或 者说它可以形成6 个键，其中：与血红素卟啉环的2 个氮形成配位键，与另外 两个氮形成共价键，再与珠蛋白肽链亚基中的一个组氨酸残基的咪唑基的氮形 成配位键，余下1 个配位键与氧可逆结合。此时，仍为二价的甄铁，故血红蛋 白与氧的结合称为氧合，而不是氧化。每个血红蛋白分子可逆结合4 个氧分子， 每克血红蛋白可结合1 3 4 毫升氧气。血红蛋白的这种结构就决定了它具有强 6 第一章文献综述 大的运氧功能以及c 0 2 的运输、血液中的p h 调节等重要功能。血红蛋白也能 与一氧化碳结合，而且结合力较氧气大2 0 0 倍，只要空气中一氧化碳含量达到 千分之一左右，就可使血液中的血红蛋白有一半左右结合成一氧化碳合血红 素，人便会因缺氧窒息而死亡【2 ”。 1 3 电化学阻抗谱的数据处理与解析研究 1 3 1 电化学阻抗谱( e l s ) 研究概况 在2 0 世纪5 0 年代，d e l a l l a y 就己经从理论上系统的讨论了用交流阻抗方 法研究电化学过程动力学的问题。6 0 年代初，荷兰物理化学家j h s l u v t e r s 在 实验中实现了交流阻抗谱方法在电化学研究上的应用，成为电化学阻抗谱 ( e l e c t r o c h e m i c a li m p c d a c es p c c t f o s c 叩y ) 的创始人。在以后的4 0 多年中电化 学阻抗谱成为交流阻抗谱研究中最活跃和最富有成果的一个分支【2 2 1 。e i s 作为 一种有效的测试手段，已广泛用于研究防腐、固态电化学、水溶液及非水溶液 电化学，而且也应用于有机电合成等领域。除电化学外，交流阻抗在材料和器 件研究方面也有广泛的应用，尤其在多晶材料和陶瓷等方面。 电化学阻抗谱方法是一种以小振幅波电位( 或电流) 为扰动信号的电化学 测量方法。由于以小振幅的电信号对体系扰动，一方面可避免对体系产生大的 影响，另一方面使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系，这就使测量结果 的数学处理变的简单。同时，电化学阻抗谱方法又是一种频率域的测量方法， 它以测量得到的频率范围很宽的阻抗谱研究电极系统，因而能比其他常规的电 化学方法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息【2 3 1 。例如，可以从阻 抗谱中含有的时间常数个数及其数值大小推测影响电极过程的状态变量的情 况；可以从阻抗谱观察电极过程中有无传质过程的影响等等。即使对于简单的 电极系统，也可以从测得的一个时间常数的阻抗谱中，在不同的频率范围得到 有关从参比电极到工作电极之间的溶液电阻，电双层电容以及电极反应电阻的 7 理学硕士学位论文 信息。 早期的研究主要是研究可逆的电极过程，这使e i s 的研究形成了一个传 统：由于可逆的电极过程体系比较稳定，外来杂散信号干扰小，情况比较接近 于电学中对线性电路网络的测量，数据的分析处理也借鉴了电学中线性电路网 络的方法，所以长期以来用等效电路来分析处理e i s 成了电化学中阻抗研究的 主要方法。 h g e r s c h e r 与w - m e h l 于1 9 5 5 年发表的关于析氢反应的e i s 研究可能是早 期最重要的对于不可逆电极过程的e i s 的研究工作【2 ”。他们在这项研究中发 现测得的阻抗谱中有感抗，即有电感元件的频率响应。h g e r s c h e r 应用线性电 学元件的网络分析方法对于用交流电桥测量电极系统的阻抗谱做过重要的工 作，所以他对测得的阻抗谱也是用电学元件网络分析方法，即等效电路的方法 来进行研究的。2 0 世纪6 0 年代，d s c h u m a n n 继续研究电化学析氢过程的阻 抗谱，也得到类似的结果。但是d s c h u m a n n 后来发现对于这个电极过程的法 拉第阻抗可以得到几个不同的等效电路，于是他作了一件很有意义的工作：提 出了一个通式来概括这些等效电路【2 3 】。d s c h u m a n n 的公式是从等效电路归纳 得到的，公式中的各个参数同等效元件的参数相联系【2 扪。 1 3 2 电化学阻抗谱数据处理的目的与途径 电化学阻抗谱是一种研究电极反应动力学及电极界面现象的重要电化学 方法。进行电化学阻抗谱测量的目的，就是根据测量得到的e i s 谱图，确定 e i s 的等效电路或数学模型，与其他的电化学方法相结合，推测电极系统中包 含的动力学过程及其机理；如果已经建立了一个合理的数学模型或等效电路， 那么就要确定数学模型中有关参数或等效电路中有关元件的参数值，从而估算 有关过程的动力学参数或有关体系的物理参数。 确定阻抗谱所对应的等效电路或数学模型与估算这种等效电路或数学模 型中的有关参数的值是e i s 数据处理的两个步骤。这两个步骤是互相联系，有 8 第一章文献综述 机的结合在一起的。一方面，参数的估算一般情况下要根据一定的数学模型或 等效电路进行，先提出一个适合于实测的阻抗谱数据的数学模型或等效电路， 然后进行参数值的估算；另一方面，根据实测的e i s 数据对有关的参数值的拟 合结果又成为模型选择是否正确的判据。 根据上述两种不同的情况，阻抗谱的数据处理的两种不同的途径：一种情 况是，依据等效电路模型的数据处理方法：逐个求解阻抗谱中各个时间常数所 对应的等效元件的参数，从测得的阻抗谱求出最有可能的等效电路( 物理模 型) ，然后将整个阻抗谱所确定的物理模型进行曲线拟合，确定等效电路中各 等效元件的参数值；另一种情况是，依据数学模型的数据处理方法：先确定数 学物理模型，然后将阻抗频谱对已确定的模型进行曲线拟合，求出数学模型中 各个参数或等效电路中各等效元件的参数值，如等效电阻、等效电容、c 舾元 件的y o 和n 的数值等。 依据等效电路模型的数据处理方法的基本思路是：根据经验与阻纳频谱特 征，确定阻纳频谱对应的等效电路，确定等效电路中所包含的简单复合元件， 确定这些简单复合元件显示其特征的频率范围；在各频率范围内选取阻纳数 据，通过直线拟合或圆拟合求取各复合元件中等效元件的参数值，并进一步以 这些参数值为初始值，用非线性拟合的最小二乘法的曲线拟合方法对阻抗频谱 进行处理。在用这种方法处理数据时，拟合模型及数据点的选择将影响阻抗谱 的解析结果。一般说来，如果解析结果很差，说明模型或数据点选择得不够合 理，需要重新选择。迄今为止，等效电路方法仍然是电化学阻抗谱的主要分析 方法。这是因为由等效电路来联系电化学阻抗谱与电极过程动力学模型的方法 比较直观具体。在大多数情况下，可以为电极过程的电化学过程的电化学阻抗 谱找到一个等效电路。但是，等效电路方法也有一些不可避免的缺陷。首先， 阻抗谱与等效电路之间并不存在一一对应关系，即很可能有多个等效电路能与 试验阻抗数据很好地拟合，这给等效电路的求解以及等效电路模型的选定带来 了困难。另外，有些等效元件的物理意义不明确，而有些复杂电极过程的电化 学阻抗谱无法用等效元件描述。 垒 理学硕士学位论文 依据数学模型处理电化学阻抗谱数据的方法，可以为任何法拉第过程找到 它们所对应的法拉第阻纳表达式以及与之有一一对应的一组参数值，而且这些 参数具有明确的物理意义。这些是依据数学模型的数据处理方法的优点。只要 所选取的模型能够很好的与所处理阻抗谱数据拟合，那么这个模型的选择就是 正确的。反之，在阻抗谱测量数据可靠的情况下，若所选取的模型不能很好的 与阻抗数据拟合，则说明所选取的模型不当，应该重新选取模型进行拟合。当 研究体系涉及到非法拉第电流所引起的非法拉第阻纳问题时，依据数学模型的 数据处理方法就不能使用了，这是该方法的局限性f 2 6 1 。 无论采用上述两种数据处理中的哪一种，都必须解决阻纳谱曲线拟合问 题。曲线拟合是阻抗谱数据处理的核心问题。由于阻纳是频率的非线性函数， 其参数解析通常以非线性复数最小二乘原理为依据。1 9 7 7 年，m a c d o n a l d 【2 7 l 等人首先把非线性最小二乘算法用于求解电极体系的阻抗或导纳模型的参数。 到目前为止，已有很多用于处理实际体系的阻抗或导纳数据论文发表，专用软 件也有许多。应用最为广泛的是由m a c d o n a l d 设计的l e v m 软件【2 5 2 6 】以及由 b o u k a m p 设计的e q u i v c r t 软件2 8 2 9 1 。它们所使用的具体的算法主要有 g a u s s n e w t o n 法、l e v e n b e r g m a r q u a r d t 法和m o d i f ：i e d n e w t o n 法。g a u s s n c w t o n 算法是这三种算法中最简单，是最具有典型意义的非线性算法【3 0 】。采用 g a u s s n e w t o n 算法时，需要构造各模型参数的一阶导数，即需要构造j a c o b i 矩阵。一般说来，常规的非线性回归算法都需要构造某种梯度向量。这样的算 法所具有的优点是，迭代运算的收敛速度比较快，而缺点是对模型参数初始估 计需要具有足够高的质量。即一组初始参数估计需要足够接近于模型参数的最 佳估计，否则算法将发散。 参数初始值的选择对于非线性最小二乘法拟合是一个关键问题。目前，用 于处理实际体系的阻抗或导纳数据的软件尚不具有模式识别的功能。运用这些 软件时，需要预先指定模型、给出各模型参数的初始估计值，而模型参数初始 估计值的给定，具有“隐含经验类知识”的特点。使用者通常采用反复“试探” 的办法来确定适宜的参数估计值，而反复“试探”的次数则与使用者的经验是 1 0 第一章文献综述 否较丰富有关。倘若某些参数的初始值选择得不好，即它们与其最佳估计值相 差太远，则回归处理的迭代过程将发散。在多参数函数拟合时，还可能遇到这 样的情况：目标函数在一次迭代中减小，在下一次迭代中又增大，然后减小， 又再增大，一直反复跳跃，也不收敛。在这样的过程中某些参数的修正值不断 地正负变化，甚至有时会出现不合理的参数估计值。例如，有些参数本身应该 总是正的，但却因绝对值过大的负的修正值而变成了负的数值。只有在各个参 数的初始值选择得好时才会有均匀收敛的结果。如何高效快捷地选择一组优良 的初始参数估计值是我们一直在思索的一个问题，这需要站在新的研究视角， 努力从其他学科，尤其是从横断学科中汲取养分，充分发挥计算机技术及多种 算法的信息处理功能。 1 4m a t l a b 语言梗概及e q u 软件简介 1 4 1m a t l 蛐语言梗概 m a r l a b 是美国m a t h w o r k 公司自2 0 世纪8 0 年代中期推出的数学软件， 它的前身是c 1 c v cm 0 1 c r 教授( 现为美国工程院院士，m a t h w o r k s 公司首席科学 家) 为著名的数学软件u n p ：a c k 和e i s p a c k 所写的一个接口程序。经过2 0 年的发展，m a r l a b 已经成为适合多学科、多工作平台的功能强劲的大型软 件【3 1 3 引。 m a t l b 软件优秀的数值计算功能和卓越的数据可视化，使它被广泛的 应用到线性代数、矩阵分析、数值计算及优化、数理统计和随机信号分析、电 路与系统、系统动力学、信号和图像处理、控制理论分析和系统设计、过程控 制、建模和仿真、通信系统、财政金融等众多领域的理论研究和工程设计中， 并成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺 少的基础软件。在国外的高等院校里，m a r l a b 已经成为大学生、硕士生、 博士生必须掌握的基本技能；在设计单位和工业部门，m a ：n a b 已经成为研 究和解决各种具体工程问题的一种标准软件。在国内，m a n a b 的使用才刚 | 1 理学硬士学位论文 刚开始，国内的一些理工院校已经或正在把m a t l a b 作为攻读学位所必须掌 握的一种软件。每一个使用过其它数学软件的用户，一旦使用了m a t l a b 都 会发出由衷的赞叹。 m a t u 擂是一个适合于多种类型计算机及操作系统的数学软件，可以使 用m a ：r u 蛆的计算机大到各种企业级的服务器，小到具有一般配置的计算机。 用m a t l a b 语言编写程序，犹如在一张演算纸上排列公式和求解问题，编程 效率很高，因此被称为“演算纸式的”科学与工程计算的算法语言。m a t l a b 语言的设计思想可以说代表了当前计算机语言的发展方向，它最突出的特点是 简洁，它使用更为直观的，更符合人们习惯的代码，基本数据单元是不需指定 维数的矩阵，其丰富的函数资源，可以使编程人员从繁琐的程序代码中解放出 来。m a t l a b 也大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求。 作为一种计算机语言，m a t l a b 使用起来要比其它高级语言简单方便， 由于该语言具有直接对复数进行运算的功能、直接对矩阵和向量进行运算的功 能，因而特别适合于阻抗谱的数据处理。m a = r l 墟使用入门并不困难，但要 非常有效地使用和驾驭它，充分发挥它的效力，使用者除了需要具备专业知识 外，还必须具有相应的数学知识和软件设计技能。 本硕士论文中需要自行编制的数据处理程序均采用m a t l b 6 1 软件设 计。 1 4 2e q u 软件简介 e q u i v c r t ( 等效电路分析) 软件( 简称e q u ) 是b a b o u k a m p 编制的。该