（物理化学专业论文）血红蛋白在修饰电极上的催化行为研究及信息分析.pdf

摘要 捕要 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 酶的催化下进行的，生物中最基本的运动便是电荷的运动，生命科学的基 本学科也包含电化学，因此电化学方法是揭示生命奥秘的有利工具之一。血红 蛋白是人体中的一类重要的生物大分子，是生命活动的物质基础。h b 的定量测 定是临床分析、生化分析、疾病检测中的重要指标，它的电化学行为研究成为 生物电化学研究的一个重要方向。 从信息处理的角度来说，如何依据试验测试数据来取得过程信息，从而洞 察研究课题的内在演化规律，这一点是各专业研究领域所关注的问题。 本论文研究了血红蛋白在玻碳修饰电极上的电化学行为，并对所得实验测 试信息进行了较为详细的分析，主要的研究结果如下： 1 采用循环伏安方法对血红蛋白( h b ) 在月桂酸修饰电极上的响应特征 进行分析，结果说明h b 在修饰电极上出现一不可逆的还原峰，随扫速增大峰 电流增大，峰电势稍微向负极移动；随着p h 值的增大，峰电流逐渐增大；浓 度升高时，峰电流升高，在低浓度和高浓度区分别呈线性关系。 2 通过h b 的还原峰电流与电势扫描速率的定量分析，得出h b 在月桂酸 修饰玻碳电极上的电还原反应过程难以断言为扩散作用或吸附作用起主导地 位，而很可能是扩散因素和吸附因素两者共同起作用。 3 根据j pj f 。d + j 即= x y 2 + k p构造出【f p ，y 】的理论数据集，并 将最大不超过l o 的随机偏差附加到该理论数据集后作为模拟实验数据集，然 后分别对理论数据集和模拟实验数据集进行f 。对v “2 和f 。对v 的线性回归处理， 处理结果与前面的判断具有十分明显的相似性，进一步确认h b 在月桂酸修饰 玻碳电极上的电还原反应过程是扩散因素和吸附因素两者共同起作用的结果。 采用遗传算法和g a l l s s - n e w c o n 算法对不同溶液p h 条件下的f 。实验数据集 进行处理，得出模拟参数与p h 值的关系：模型参数随溶液p h 提高呈现出 较为良好的线性增大的关系，在实验测试的p h 范围内，其回归直线方程为( 线 性相关系数i 瑚9 9 2 6 ) ：幻= _ 3 7 7 9 1 0 - 5 + 1 1 0 9 l o q p h ，意味着溶液p h 对血红蛋白在电解液中的扩散行为的影响机制较简单；模型参数七。随溶液p h 的变化曲线呈抛物线型，在实验测试的p h 范围内，其曲线方程可以表示为： 。= 2 8 3 1 1 0 “e x p 【( p 何一6 4 8 3 ) 2 】+ 1 1 1 7 1 0 “e x p 【( p 旧一6 0 4 5 ) 2 】 得出处于p h = 6 3 5 2 时，h b 在月桂酸修饰玻碳电极上的吸附量最低。 4 由于电活性物质的吸附作用致使经典的m i c h 神l i 卜m c e n 模型并不能 很好地反映出血红蛋白浓度与还原峰电流的内在关系，而将表征着c 斗o 时， 吸附态物质对电流响应仍有贡献的一项引入到m i c h i i s m e n t e n 方程后，新模 型的适用性得以提高。 5 通过对谱图和试验数据的分析初步得出h b 在修饰电极上的反应机理为： h bh e m e ( f c i i i ) + e c h 3 ( c 狮l o c o o h胁h c m 印ei i ) 关键词：血红蛋白；循环伏安：修饰电极；月桂酸 a b 剐1 a c t a b s t r a c t a sw ea i lk n o wm a ta h n o s ta i lt l l ec h e m i c a lr e a c t i o l l s f o r i n i n g 也eo r g a i l i s m m e t a s t 髂i sa r ep r o c e s s i n gu n d e r 也ea c 6 v ep r o t c i n n e t h 锄e t h er n o s tf o u n d a t i o n a l m o v e m e mi i la i l i m a lb o d yi st h ec h 盯g e s i h eb 船i ss u b j e c to f b i o l o g ys c i e r l c ea l s o i n c l u d e se l e c t m c h e m i s 妇哆t h e 曲陀，d c c 自r o c h e m i c a li n e m o d s 缸eo n eo ft h e b e n e f i c i a lt o o l se x p l o 血g 也eb i o l o g i c a lp r o u dm y s t 哪h e m o g l o b i ni s 趾i m p o 衄畦 s o no fb i o l o g i c a lm a c r o m o l e c m 盯i i lh u 啪a nb o d ya n ds u b s t 枷a lb 硒i so fb i o l o 西c a l a c t i v 吼h b sq u 删枷v e 删d y s i si sas i 鲥f i c 舭ti n d e xi na p p l i c a t i o na i l a l y s i s ， b i o l o g i c a la n a l y s i sa l l dd i s e 船ec x 粗血a t i a n dt h er e s e a r c ho fi 乜e l e c t m c h e m i s 打y b e l a v i o t f r o mt i l e 唧e c to fd a 协p r o c 髓s i n g ，h o wt 0 q u i r et 1 1 ep r o c 髂si n f o r m a t i o n a c c o r m n gt 0 也e 叩r i m t a ld a 土aa n do b s e r v et h ei m l e re v o h m o nl a w si st h e s u b j e c tp a i da t t e n t i o nt qb ya l lp o 钯嘶a l 咒a 毗& 王d s e l e c 仃d c h e m i s 仃yb c h a v i o ro fh bo ng cc l e c 订0 d em o d i f i e db yal a l l r i ca c i d r e s e a r c h e d ，w l l i c hd a t a 硼锄a l y z c di nd e t a i l s t h em a i nw o r ka n d c o r r e s p 伽d i n gc o n c l 瑚i o 璐a i eo u n i 眦d 鹤f o l l o w ： 1 1 h ec h a r a c t e ro f h bo n al 肌r i ca c i dm o d i f i c dg ce l e a 响d ew a sa n a l y z e d b yt h em e t h o do fc vw h i c h s u l 招s h o wm a tt l 玲e l e c t r o c h e m i c a l d e o x i d i z a t i o no f i b 啪d i 丘e de l e 咖d cw 蹈觚i 鹏v e r s i b l ec h a r g et r a n s f e r s y s 协i p 硫r e i 墩d 谢m 也e 抽c r e a s m gc o n c 删o no fh ba n dt h ev a l u eo f p h w h 雠s c a i lr a t cw 船i n c r e 懿e d ，t h c l u eo f e pw a sm o r en c g a t i v c 2 a c c o r d i n gt o 也eq u a 蕊瓴t i v e 锄a l y s i so fh b si d 孤dv ，m er e s u h si n d i c a t e t h a t “i sd i 伍c u l tt op r e d i c a t e 、 d l i c hi st h ed o m i n a n t 如n c t i o nb e t 、v e e n a d s o r p t i o na n dd i 打h s i o n h o w e v e r ，m a y b en l e yr e a c tt o g e t l l e l 3 at r e a 劬e n to ft l 圮p e a kc u 玎c i n t f 口i n v o l v i n ga d s o r b e da l l d d i f f u s e d r e a c t a n t sh a sb e e nw 0 1 k e do u tw i lm ea i do fc o m d u t e rs i m u l a t i o n w h e na s i m l l l a t e dd a t as e ti sg e n e r a t e d ，( h ee 啪r sa d d c dt oe v e r yt h e o r e t i c a ld a t a p o i ma r ea l lg 姐e 阻l 耐砒r 如d o mh 出啪_ 2t o + 2 o f t l l et h e o r e t i c a lv a l u e s i i i t h et h c o r e t i c a ld a t a s e t 【f 口，y 】 c 髓b ec o n s t r u c t e d a c c o r d j n g t o l 口= 屯x y m + 七。v ，也e n ，r e s p e “v d y 也e yw e r ed e a l t 、v i md a 协l i n e a r r e c u r s i v eb y 7 p t o v 1 膻a n d0 t ov ，w 蜥c hr e s u l t sw e r es i m i l a r 谢t l lt h e f 0 珊e rc o n c l u s i o n f u r t h e n n o f e ，l ec o n c l u s i o no fa d s o r p t i o na n dd i 礅l s i o n r e a c t i n gt o g e m e rw a sa p p i 钾e d a c c o r d i n gt op r o c e s s i n g 也ee x p e 曲e n t a l 由恤u n d e rd i f f b r e ：n tp hb y m e a i l so fg e n c t i ca l g o r i t l l m s 柚dg a 懈s n 咖o na l g 嘶岫s ，t l l e n ，w ec a l lg e t m er e l a t i o nb e t w e e ns i i n u l 砸o np 甜a m e t e ra n dm ev 芒d u eo fp h ：s i m l l l 砒i o n p a r a m e t e r i n c p 目惦e db y l i l l e a r 、v i t l lt h ev a l u eo f p h 七d = _ 3 7 7 9 x 1 0 - 5 + 1 1 0 9 1 0 5x p 日 nm e a n st i l a tt l l em e c h a i 锄、h i c l lp ho f 也es 0 枷o n 抽l p a c t st 1 1 e d i h 诬i o no fh bi i le l e c 仃o l y t ei ss i 唧l e ；s i m u l 蚰衄p 啦m e t e r 七口沁r 锶s e s b y p a r a b 0 1 a w i 也也e v a l u co f p h 屯= 2 8 3 1 x l o 一6 c x p 日一6 4 8 3 ) 2 】+ i 1 1 7 1 0 “e x p 【( p 日一6 0 4 5 ) 2 】 1 ke q u a t i o ns 1 1 0 娜吐m t 谢l e nt h ev a l l | eo fp hi s6 3 5 2 ，t h ea b s o r b 吼c e o f h bo n ai a u f i ca c i dm o d i f i e dg ce l 烈灯o d ei s 也el 钧s t 4 b e c a u s eo f 也ea d s o 删o na c t i o no f e l e c 的c h e i i l i c a la c t i v es u b s t a n c e ，m e m i c h a e l i s m e n t c nm o d e ic 姐n o tr e n e c tt h ei e rr e l a t i o l l i pb e t w e e nc a n d j p t h c n ，w h e n at e 咖，砌c hl l a dc o n t r i b 埘o nt o w a sg o n ei n t o 血em i c h a e l i s m c n t e ne q u a t i o n ，也ea p p h c a b i l 姆o fm en e wm o d e lw a s i n c r e a s e d s a 岱钉铽试y z i n g 也ec y d i cv 0 1 t a m m o 簪啪s 姐dt h e q p e r i m e m a ld ，旺a t h er e a c t i o nm e c h a l l 至s mo fh bo nm o d i f i e de i e c 昀d e 、姐so u 血da s f o l l o w s ： h bh e m e ( f e i i i ) + e c h 3 ( c h ) i o c 0 0 h h bh e m e ( f ei i ) k e y w o r d s ：h e m o g l o b i n ；c y c j i cv 0 t a m m e 缸y ；m o d m e de l 缸埔i e ：i 娜| r i ca c i d 第一章绪论 第一章绪论 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。 文献调研的主要内容有： ( 1 ) 修饰电极及蛋白质的电化学研究； ( 2 ) 循环伏安法研究简况： ( 3 ) 凇t l a b 语言梗概； ( 4 ) 通过文献调研所提出的问题及选题依据。 1 1 蛋白质的电化学研究 1 1 1 蛋白质的研究进展 蛋白质是生命的重要组成部分，蛋白质的研究是生命科学重要的组成领域。 近年来，随着现代科学手段的革新，对蛋白质结构性能的研究日趋深入。蛋白 质的研究在色谱学、光谱学、电化学领域内都取得了一定进展，各种方法都有 自己的特点和优点，以适应不同的实际需要。 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 酶的催化下进行的，生物中最基本的运动便是电荷的运动，生命科学的基 本学科也包含电化学，因此电化学方法是揭示生命奥秘的有利工具之一。蛋白 质是人体中的一类重要的生物大分子，是生命活动的物质基础，其功能对于很 多生命现象是非常重要的。蛋白质定量测定是临床分析、生化分析、疾病检测 中的重要指标，关于生物大分子和有机小分子探针反应机理的探讨，也是生命 化学、临床医学和化学研究的重要内容。它的电化学行为研究成为生物电化学 研究的一个重要分支，所以研究蛋白质分子与电极之间的电子转移过程是一个 很有意义的课题。 就运用电化学方法研究蛋白质的文献而言，只要有以下两个方面： 一是侧重于对其做定量的分析，主要有电位法、安培法，这些方法在直接 用于蛋白质的检测方面，在实际应用中会遇上一些问题。因为蛋白质分子通常 具有庞大的空间结构，其活性中心为多肽链艇包凰。同时，这些分子又因强烈 l m 红蛋白在修饰电极上的催化行为研究及其信息分析 地吸附于电极表面造成电极钝化并伴随有蛋白质的变形，因此，蛋白质分子在 通常的电极上具有不可逆的电化学响应，过电位很大，其分析检测也受到限制。 人们不断采用各种手段来进行研究，研究的对象多集中于对血红蛋白、辣根过 氧化物酶、细胞色素c 、肌红蛋白等氧化还原蛋白质。现在一般借助于媒介体 ( m e d i a t o r ) 或促进剂( p r o m o t e r ) 的作用，催化其还原的方法来进行检测。此外， 利用生物大分子和有机小分子探针反应机理也有一些探讨，其主要机理便是应 用蛋白质和小分子有机染料在适当条件下可以通过非共价键相结合成一种超分 子化合物，从而达到对蛋白质问接分析的目的。 最早的方法是采用合适的媒介剂和促进剂来加速电极上的电子交换速率。 初步认为促进剂和媒介荆能与蛋白质相互作用形成复合物使多肽链被伸展，疏 水结构被打开而使电活性中心被暴露在电极表面。常用的促进剂有金属络合离 子、双官能团试剂、表面活性剂等。林琳等人发现血红蛋白在ph = 5 0 的o 3 m o l 儿naac hac 缓冲溶液中，于+ o 4 一o i v 范围内循环扫描，会产 生一对氧化还原峰，在四甲基氯化铵促进下裸银电极测定血红蛋白时，峰电位 之差为o 1 4 v ，氧化还原蜂电流与血红蛋白的浓度在2 o 1 0 埘o l l 1 5 1 0 m 0 1 几范围内有良好的线性关系。何亚楠等人利用十二烷基硫酸钠作为 促进剂在裸银电极上测定血红蛋白，可以得到良好的电流响应。血红蛋白氧化 峰电流与其浓度成正比，浓度范围5 o 1 0 一7 o l l 5 o 1 0 一8 m 0 1 几，可直接 用于血红蛋白的分析测定。 二是蛋白质的定性研究，主要基于以下几个方面：一类是蛋白质自身的氧 化、还原波，即溶液中或吸附在电极表面的蛋白质直接或闻接地与电极发生电 子交换，主要包括其在汞电极上的极谱波和在固体电极或修饰电极上的氧化还 原波“”。二是蛋白质催化氢波。即溶液中或吸附在汞电极表面的蛋白质降低 氢的超电势，催化氢离子提前放电产生氢波。 蛋白质的电化学分析的发展可以促进生物电化学、生物电分析化学、生物 电子学等多学科的交叉发展，促进人们对蛋白质的结构、功能及作用的更深入 了解。以后的发展方向可能包括以下几个方面：蛋白质的仿生电化学；蛋 白质结构与功能的电化学表征：蛋白质与外源分子作用机理的电化学研究； 利用蛋白质如酶的催化活性高灵敏电化学新方法的研究。 2 第章绪论 1 1 2 化学修饰电极的研究进展 化学修饰电极是通过化学修饰的方法在电极表面进行分子设计，将具有优 良化学性质的分子、离子、聚合物固定在电极表面，造成某种特定的化学和电 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。年4 用化学修饰电极表面上的微结构所提供的多种能矛玎用的势 场。使待测物进行有效的分离富集，并借控制电极电位迸一步提高选择性，同 时把测定方法的灵敏性和修饰剂化学反应的选择性相结合，成为分离、富集和 选择性三者合而为一的理想体系。 化学修饰电极的问世突破了传统电化学中只限于研究裸电极电解液界面 的范围，开创了从化学状态上人为控制电极表面结构的新领域。我们可以把具 有不同功能、特点的物质修饰到电极表面以借助这些修饰剂的特性来提高电极 的选择性、灵敏度，从而可以进行我们所希望的电极反应，达到在分子水平上 实现电极功能设计的目的。通过人为设计和制作的电极表面微结构和其界面反 应，不仅可以推动电极过程动力学理论的发展，同时它所显示的催化、富集、 分离、光电、电色等效应和功能，也使整个化学领域的发展开拓了一个创新的 和充满希望的广阔研究领域。 化学修饰电极的来源和兴起与整个化学和其它学科特别是电化学的研究 密切相关。以1 8 8 9 年所建立的著名的n e r n s t 方程式为基础，直到1 9 5 0 年苏联 科学家冲出热力学推理的局限性提出电极反应动力学的基本公式，形成了电极 过程动力学理论和方法，大大推进了电化学学科在研究电极界面结构和电极过 r ， 程方面的进展。1 9 7 5 年m l l e r ”。和m u r r a y “分别独立报导了按人为设计对电 极表面进行化学修饰的研究，标志着化学修饰电极的问世。m i l l e r 等把光活性 分子键合到碳电极表面，制出“手征性电极”，这种电极亲一种旋光异构物而疏 另一种，同时m u r r a y 还将多种氧化还原体接合到被硅烷化了的电极表面上。 m 1 1 e r 和m u r r a y 的一系列研究表明，通过电极表面的修饰，可将电极反应导 向选择合成的途径，以及电极表面可按设计人工修饰赋予电极更优良或特定的 功能。从以上电化学发展可以看出，传统的电化学研究仅仅限制在裸电极电解 液界面上，而当化学修饰电极| 司世之初，电极表面就被认为是未来二十年的电 化学基础。电极表面的设计及其潜在应用价值的研究，把电化学推进到一个新 血红主 f 臼在修饰电极上的催化行为研究及其信息分析 阶段。大量的相关专著7 “、评论阳，1 0 1 被发表，化学修饰电极在过去的二十年晕 在以下领域得到明显的发展： ( 1 )电极表面微结构以及动力学的理论研究： ( 2 ) 化学修饰电极的电催化研究； ( 3 ) 化学修饰电极在能量转换、存储和显示方面的研究： ( 4 ) 化学修饰电极在分析化学中的应用； ( 5 ) 化学修饰电极在生物电化学和传感器中的应用； ( 6 ) 表面修饰在光伏电极的光电催化和防腐中的应用； ( 7 ) 化学修饰电极在立体有机合成中的研究； ( 8 ) 分子电子器件的研究。 化学修饰电极不仅成为近代电化学、电分析化学的最新成就之一，而且也 为整个化学学科的发展显示出美好的前景。 1 1 3 血红蛋白的研究进展 蛋白质分子通常具有庞大的空间结构，其活性中心为多肽链所包围。所以 血红蛋白在裸电极上过电位很大很难发生还原反应，一般采用在电极表面修饰 媒介体或加入促进剂的方法。在电极表面按照人们的意图设计固定上一些具有 特定功能的官能团，可以达到对待测物质的分子识别。己用的修饰电极有自组 装单层膜修饰电极、生物膜模拟修饰电极、堆积双层膜修饰电极、无机材料双 层膜修饰电极、lb 膜修饰电极等。这些修饰电极的构造目的都是使蛋白质的 构象和空间取向等利于使电活性中心更加接近于电极表面，从而实现二者之间 的直接电子转移“”1 。人血清中血红蛋白含量的测定是临床检测的一个重要内 容，正常人血清中血红蛋白的含量在1 0 0 2 0 0 9 l 范围之内，若血红蛋白的含 量降低则有可能是各种原因造成的贫血而其含量相对增多则主要是由于大量 体液和血浆丢失所致，因此对血红蛋白含量的准确测定具有非常实际的意义“。 y e 和b a l d w i n “”将亚甲蓝吸附在石墨电极上制成修饰电极用于流动体系测 定血红蛋白和肌红蛋白。董绍俊“日等对此进行了光谱电化学研究。汪尔康”7 1 等 用电化学沉积法制备了玻碳基体的甲苯胺蓝修饰电极，获得了对肌红蛋白和血 红蛋白的电化学响应。邓家祺等o ”用光谱电化学方法测定了血红蛋白的式电位 4 第一章绪论 酽和n 。陈洪渊等“9 ”在石墨电极上吸附甲酚固紫制成修饰电极，实现了血红 蛋白的电催化还原。 r u s l i n g 等。“以层状液晶表面活性剂膜修饰的热解石墨电极( p g ) 上得到 了血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素的电化学响应，这种在电极表面形成的自组 装生物模拟体系为蛋白质提供了类似生物磷脂双层膜豹微环境，有利于蛋白质 分子与电极之间的直接电子交换，避免了蛋白质分子的变性。过去人们采用 l a n g m u i r b l o d g e t t 技术在玻碳电极表面上修饰双层类腊膜恤1 ，但最近 n i k 0 1 e l i s 等的研究结果表明双层类脂膜在玻碳电极表面上也能自发形成。 在此基础上沈含熙等o ”应用自组装双层类脂膜修饰的玻碳电极测定了血红蛋 白，研究了在此电极上血红蛋白的电化学行为及其作用机理。胡乃非1 ”1 等人 则利用在多双层表面活性剂薄膜中引入离子型聚合物或离子交抉型粘土作为骨 架材料来提高薄膜的稳定性，并在该类修饰电极上研究了h b 的电化学性质和电 化学催化。如以双十二烷基二甲基铵、聚乙烯硫酸盐、多双层复合薄膜修饰热 解石墨电极为工作电极研究了 l b 的电化学行为啊1 ，在p h 5 5 的缓冲溶液中，h b 在o 1 8 v ( v s s c e ) 左右有一对相当可逆的循环伏安氧化还原峰，为h b 血红素辅 基f e ( i i i ) f e ( i i ) 电对的特征峰，在一1 0 8 v 左右f e ( i i ) 进一步被还原成为 f e ( i ) ，该修饰电极极大的促进了h b 与电极之间的电子传递速率。随着纳米技 术和分子自组装技术的不断发展，现在也采用把血红蛋白同纳米粒子。8 - m 或其 他具有催化性能的物质m 叫通过浸渍的方式修饰到电极表面，实现对血红蛋白 的测定。 袁倬斌等嘲用聚合的方法将天青i 修饰到玻碳电极的表面，研究了其对血 红蛋白的催化还原，得到了很好的催化响应；接着又用电化学沉积的方法将大 黄酸”修饰到玻碳电极表面，制成了对血红蛋白具有催化性能的电极并对血红 蛋白进行了催化还原研究。如在天青i 修饰电极上，随着h b 的加入，第一还原 峰电流逐渐减小而第二还原峰电流逐渐增大，氧化峰电流降低，这是由于氧化态 h b 扩散到聚合物溶液界面并发生电子交换，整个过程由溶液中h b 的扩散速度 控制，峰电流的大小与h b 浓度在o 5 6 0 i n g l 范围内呈线性关系，可用于h b 的测定。其它被研究的染料还有天青a 、亮甲酚蓝等。 血红强凸在修饰电极上的催化行为研究及其信息分析 1 1 4 血红蛋白的结构及其生理作用 人体中血红蛋自是血液运输氧气的主要物质，因为它的辅基血红素的铁原 子能与氧分子可逆的结合。一分子的血红蛋白含有四个亚基，每个亚基可以结 合一个分子氧，因此每分子血红蛋白可输送四分子氧气。 血红蛋白分子具有四级结构，是有两条n 和两条b 一多肽链构成的四聚体。 a 一和b 一链分别幽1 4 1 和1 4 6 个氨基酸残基组成。四条肽链每个结合有一个血 红素分子，且相互挨的很紧，形成近似球形的血红蛋白分子，直径为5 5 a 。在 血红素附近有两个组氨酸残基( a 。和b 。或a 。和b 。) 。它们的咪唑基恰好处在 血红素卟啉环平面的两侧。离血红素平面有五个连结键，此时它的直径较大， 不能全部嵌入卟啉平面。当血红蛋自中的一个n 一亚基与氧结合后，铁的直径缩 小，而能落入卟啉平面，并使铁原子与d 。或s 。组氨酸间连接键的距离改变， 进而引起一系列连接键的变化，使相邻的a 一亚基结构变得易与氧分子结合，最 终整个血红蛋白分子交成氧合血红蛋白的构象。血红蛋白的这种“变构现象” 是调节其功能活动的极有效的方式。 血红蛋白除作为血液缓冲物质而发挥作用外，其主要功能在于携带氧气( 0 ：) 和二氧化碳( c 0 2 ) 。血红蛋白分子是由珠蛋白、原卟啉和二价铁离子( f e “) 所组 成的结合蛋白质。有4 条肢链各结合一个辅基即血红素，也即结合于f 矿上， 血红蛋白与氧疏松结合形成氧合血红蛋白( h b q ) ，这种氧合作用于氧分压高时 容易进行，于氧分压低时易于解离。红细胞结合和携带o 。的过程并不影响二价 铁离子，也即是说不使氧化为三价铁离子；f e ”无带0 2 能力，只见于异常的高 铁血红蛋白。c o 与h b 的亲和力大于0 2 ，结合成h b c o 后不能重新分离致使h b 丧失运输魄和c o 。的机能，此称一氧化碳中毒即煤气中毒。h b 结合和携带0 2 ， 并不耗能，而红细胞保持双凹圆形和膜的完整性以及保持低铁h b 则需耗能，其 能量来自葡萄糖酵解和磷酸戊糖旁路，并以a t p 形式提供膜上n a lk + 泵活动来 完成。 由于h b 具有生物活性，在常温下活性会降低或丧失，未经修饰的h b 也不 能作为血液代替品”。h b 在血浆中胶体渗透压比较高，四聚体在循环中的半寿 期仅为2 4 h ，迅速分解成二聚体和单体并从肾脏滤过，同时由于游离的h b 四 聚体分子及其分解产物能渗透血管内皮进入器官及组织问质，引起严重的副作 用。而且如果h b 失去纽细胞还原酶系统调节，易氧化成高铁血红蛋白，失去携 6 第一章绪论 氧能力，并产生自由基。所以为了提高h b 四聚体稳定性，国内外主要从蛋白质 水平上进行化学修饰和从d n a 水平上进行定点突变改造h b 基因。另外，由于 h b 肽链上氨基酸发生异常与置换而引起h b 分子改变，从而引起贫血、黄疸、 脾肿大、腹痛、骨关节疼痛及网组织细胞增生等现象。 1 2 循环伏安法研究简况 循环伏安法是研究电极表面现象的重要方法。1 9 8 3 年m a t h e s o n 和n i c k o l 首先采用循环伏安法，1 9 5 8 年k e m u l a 和k u b l i 发展了这种方法，并将其应用 于有机化合物电极过程的研究，此后这种方法得到广泛的应用。循环伏安法可 用于研究无机化合物电极过程的机理、有机化合物在滴汞电极上的还原过程和 在铂、碳及碳糊电极上的氧化过程的机制，研究双电层、吸附现象和电极反应 动力学成为最有用的电化学方法之一嘲根据某电极体系的伏安响应谱图，可 以判断其电荷传递过程的可逆性、是否出现了电活性质粒的强吸附等，也可以 利用其峰电流l 和峰电流电势e 。对电势扫描速率的数据进行定量处理，以便获 取研究体系的某些参数。 对于一个可逆电极反应体系： o + n g = r ( 1 3 1 ) 其峰电流平，。与半波电位中。的关系可以表示为： e 。= e ，2 一1 1 0 9 r t n f ( 1 3 2 ) 若反扫电势( px 过中。足够远( 如大于3 5 n v ) ，则 p p = 平n a 一甲- c = 2 2 i 汀n f ( 1 3 3 ) 在稳态2 5 时，伊。= 5 8 n ( m v ) a 循环伏安法也是研究电极表面吸附现象的重要方法。w o p s c h a l ls h a i n 和 l a v i r o n 用这种方法对反应物、产物于电极上吸附的可逆和不可逆过程进行了 系统的研究，导出了数学表达式，并从理论上加以诠释。 电极反应物和产物可分为溶解态和吸附态，电极过程又可分为可逆和不可 逆。 ( 1 ) 反应物为吸附态的可逆过程 7 血红蛋白在修饰电秘上的催化行为研究及其信息分折 如果扫描速度很快，以致反应物没有发生明显的扩散，即扩散因素可忽略 不计：或溶液中反应物的浓度很小，扩散因素对电流的贡献远小于吸附态质粒 对电流的贡献，这时得到可逆的完全吸附波，循环伏安谱图上下左右对称，即 ( p 。= ( p 。，峰后电流降至基线。其峰电位为： p 。= ( p 。一r t n f l n ( b o l b r “) ( 1 3 4 ) 其式中，b 。，= b 。r 。，b 。= b 。r 。，b 。、0 “分别为物质0 x 、r 。吸附 等温线的能量参数，r 。、r 。分别为物质0 x 、l | 的饱和吸附量。由式( 1 3 4 ) 可见，尹。和中。差值与吸附的相对强度有关。如魄和的吸附强度相同( b o 。 = b “) ，则妒。= 中。；如嘎的吸附比k 强( k b 。) ，则还原峰向负电位移动， 出现在扩散波之后，因而形成后波；如的吸附比n 强( b 。 b 。) ，则峰电位 正移，形成前波。其峰电流为： i 。= ( n f ) y 4 r t av1 1 k( 1 3 5 ) 其中，a 为电极面积，v 为扫速，r 乞为0 ) 【在电极上的吸附量。由( 1 3 5 ) 式可见，峰电流甚至波上各点的电流均与v 成正比，而不是扩散波中所见到的 与v “2 成正比。校正残余电流后的还原峰覆盖的面积，表示与吸附态o 。还原所 需的电量，即n f ar k ，由此可求算出0 i 在电极表面的吸附量。 ( 2 ) 反应物为吸附态的不可逆过程 在此情况下，峰电流和峰电位方程分别为： i 。= 0 l n 。f 2 avr o 。2 7 1 8 r t( 1 3 6 ) 缈口= ( p 。+ r t l n ( r t k 。0 l n fv ) o c n i f ( 1 3 7 ) 其中k o 为标准电极反应速率常数。其理论循环伏安图上下左右不对称，伞。不 等于币。与可逆过程一样，峰电流与v 成正比；峰后电流降至基线，也可由 其峰下面积求其吸附量。 ( 3 ) 溶解态和吸附态均为电活性物质 若产物为强吸附时，b 。一o ，b 。相当大，这时出现一前峰。由于r 。 的吸附自由能使o ，还原至溶解态的更容易，因而吸附波出现在扩散波之前。 b “越大，即吸附自由能越大，则前波越前于扩散波。由于前锋的峰电流i 。吸 8 第一章绪论 附o cv ，扩散峰的峰电流i 。扩散。cv “2 ，i ，吸附i 。扩散随v 增加而增加。该电 流比值随r 。增加而增加，但随c 乞增加而减小。当c 麓很小时，只观察到前锋。 r 1 。随c + 。增大而增大。当r 。接近于饱和吸附时，i 。吸附实际上达到极限值， 因而相对前锋来说，扩散峰增加了。 若反应物o 。为强吸附，即b 。一o ，d 。相当大，这时在嘎扩散波之后出现 一后峰。这时后峰是由于吸附态0 。还原比溶解态o 。还原更困难所造成的，该后 峰有上述前锋的特性。 若反应物o ，为弱吸附，即b 。一0 ，b 。较小，这时由于吸附态o 。和溶解态 0 ，的还原能量差别很小，观察不到单独的后波。因为o 。吸附和扩散均对电流有 贡献，敞其阴极电流比没有吸附的大。反扫时阳极峰也增加，但由于不吸附， 会产生一定的扩散损失，因而阳极峰的增加比阴极峰小。与强吸附一样提高扫 速v ，吸附态o 。对电流的相对贡献也增加。在高扫速v 范围内，i 。接近于v 成 正比，而在低扫速范围内，i 。与v “2 成正比。同样，i 。i 。值是v 的函数，并 小于不存在吸附时的数值1 。与强吸附样，当c 乞大时，吸附作用的相对贡献 要降低。 若产物r 。a 为弱吸附，即b 。一o ，b 。较小的情况。产物r 。弱吸附对正扫 的阴极电流的影响很小，而反扫的阳极电流明显增大。虽然阴极电流受扫速的 影响很小，但其峰电流随扫速增加面正移，这是因为r 。被吸附，在电极表面附 近溶解态r 。a 的浓度降低。k k 值大于l ，并随v 的降低而减少“。 1 3m a t i a b 语言梗概 胜t l a b 是美国m 8 t h o r k 公司自2 0 世纪8 0 年代中期数学软件，它的前身 是c l e v em 0 1 e r 教授( 现为美国工程院院士，m a t h w o r k 公司首席科学家) 为著 名的数学软件l i 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 t l a b 已经成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。 m a t l a 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、信号和图象处理、控制理论分析和系统设计、过程控制、 9 m 曼l ：蛋白在修饰电极上的催化行为研究及其信息分折 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，6 l l a t 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，姒t l 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， l a t l a b 的使用才剐刚开始，国内的一 些理工院校已经或正在把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，一旦使用了脚l a b 都会发出由衷的赞叹。 姒t l a b 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 姒t l a b 的计算机大到各种企业级的服务器，小到具有般配置的计算机。用 姒t l a b 语言编写程序，犹如在一张演算纸上捧列公式和求解问题，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。姒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，更符合人们习惯的代码，基本数据单元是不需制定位数的阵矩， 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。眦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基础的要求。 作为一种计算机语言，m a t l a b 使用起来笔我们熟悉的其它高级语言简单方 便的多。入门并不难，但是要非常有效的使用和驾驭它，充分发挥它的效力， 使用者除了需要具备专业知识外，还必须具有相应豹数学技能和软件设计机技 能3 7 删。 本硕士论文中遗传算法的软件编制及其它需要自行编制的数据处理程序均 采用姒t l a b 6 1 软件设计。 1 4 通过文献调研所提出的基本问鳆 综观动电势扫描谱和交流阻抗谱信息处理方法的文献报道。下列两方面的 问题有进一步加以研究探讨的必要。 、动电势扫描谱的信息处理问题 由文献调研可知，采用动电势扫描法测试时，若某电极体系的伏安响应谱 图上仅呈现出单一的还原或氧化峰，则判定该研究体系是否涉及到电活性物质 l o 第一章绪论 吸附的方法是： 1 、借助于对 i 。，v 数据集，f 。对v “2 和f 。对v 进行线性回归处理，当电极 过程由扩散步骤所控制时，峰电流f 。与电势扫描速率v 的l 2 次方成正比；当 电极过程仅涉及到吸附态电活性物质的氧化或还原时，峰电流f 。与电势扫描速 率y 成正比。并且回归直线的截据应趋近于零，即应接近通过原点。 2 、借助予对 1 n ( i p ) ，1 n ( v ) 数据集的线性回归处理，并以回归直线的斜 率是否落在 o 5 ，1 区间内为判据，直线的斜率越远离o 5 而越接近于1 时， 吸附态物质对系统的电流响应的贡献就越大。 3 、借助予对伏安响应电流的积分，并对 q ，v ”2 数据集进行线性回归处 理，以回归直线的截距是否大于o 为判据，该直线的截雁越大，电活性物质的 吸附量越大。 就文献报道中通常采用的这三种方法看，其可靠性可能是令人怀疑的，出 现误判的概率可能很高。计算机模拟研究业已表明，只要测试数据含有随机噪 声，则无论电极反应是否涉及到电活性物质吸附历程，i 。对v 、i 。和v “2 以及 1 n ( i 。) 对l n ( v ) 的回归直线通常均可以被接受，而1 n ( i 。) 对1 n ( v ) 的直线斜率 总落在 o 5 。1 区闻内。也就是说，文献报道中惯用的分析方法虽然简单，但 是所给出的结论可以是下列三种情况之一： l 、不涉及电活性物质吸附历程。 2 、只涉及到电活性物质吸附历程。 3 、溶解的和吸附的物质都具有电活性。 由于这三种判定结论都有相应数据分析为支持，因而采用哪一种数据分析 方法则会因人而异，也就是其判定结果缺乏确定性。从研究方法的有效性角度 出发来考虑，应当寻求动电势扫描谱信息数据处理的新方法。 j 札红蛋自在修饰电极上的催化行为研究及其信息分析 第二章学位论文工作的确定 本章主要阐述学位论文工作的主导思想和运作方式。 2 1 学位论文的立题依据与开展研究的主导思想 现代的科学技术为获得待研究的信息提供了前所未有的便利，然而其 信息数据的识别、挖掘、筛选与整合等信息处理方法的研究却明显滞后。 就诸如分子生物学、生物电化学、新型药物靶基因等前沿领域的研究来说， 系统信息的识别与处理技术滞后与系统信息的获取问题时十分突出的。 当今科学与技术发展的特征和趋势之，是不仅继续向微观深入，而 且直接走向宏观系统，走向复杂和综合。向着宏观、学科交叉和复杂的整 体化的趋势发展，已成为2 l 世纪科学主流。尽管各学科领域所关注的对象 干差万别，但是每一项研究都要涉及到系统，所面对的问题本质上都是系 统问题。因而需要以系统科学的思想、理论为指导，并运用系统科学的方 法来实旄运作。 考虑到任何系统都有定性和定量特性两个方面，因而需要将定性描述 和定量描述相结合；考虑到一个系统的整体是由若干局部所构成，因而需 要将局部描述与整体描述相结合：考虑到随机因素对系统演化方向可能产 生意想不到的结果，因而需要将确定性与非确定性描述相结合；考虑到要 了解一个系统就要进行系统分析，两要局部认识获得整体认识就要进行系 统综合，因而需要将系统分析和系统综合相结合。 鉴于此，本学位论文以血红蛋自在月桂酸修饰玻碳电极上的电还原系 统为研究载体，以循环伏安扫描技术为主要研究手段。并将工作的重心定 位于该电化学系统信息数据的识别、挖掘、筛选与整合方法的研究。 本学位论文研究的主导恩想是，从适应于现代科学技术未来发展的角 度出发，注重新知识、新技术的引入，运用系统科学的思想和方法，在充 分发挥计算机信息处理功能的基础上开展研究。 1 2 第二章学位论文工作的确定 2 2 血红蛋白电还原的研究 从已经查阅到的有关血红蛋白电还原的文献报道来看，由于其在裸电 极上的过电位很大，一般采用对电极进行修饰的方法。我们采用了在电极 表面修饰月桂酸的方法