（分析化学专业论文）自组装天然磷脂双层膜的修饰及其在生化分析中的应用.pdf

摘要 摘要 本论文全文共分五章，研究了模拟生物膜一双层类脂膜的修饰及其在生化分析 中的应用，其主要内容如下： 1 对超分子试剂、生物物质等对双层类脂膜的修饰以及基于双层类脂膜的电化学 传感器在牛化分析中的应用进行了评述。 2 在盐桥支撑的双层类脂膜体系中，研究了镶嵌于其中的冠醚与金属离子的相互 作用，从而开发了一种新型的金属离予传感器。 3 首次用肉豆蔻酸修饰的双层类脂膜体系并通过循环伏安法研究神经递质多巴胺 的电化学行为。结果表明此体系可作为生物传感器用于多巴胺的检测。 4 用修饰了肉豆蔻酸的天然卵磷脂双层类脂膜来研究氯化血红素的电化学行为， 并在此模拟生物膜体系中，测定氯化血红素的含量，考察各种因素的影响。此 方法表现出较高的灵敏度、选择性和良好的稳定性。 5 首次用肉豆蔻酸修饰的模拟生物膜体系，以循环伏安法对去甲肾上腺素进行了 研究。在p h 7 5 的p b s 缓冲溶液中，去甲肾上腺素的浓度与其氧化峰电流成很 好的线性关系，并可消除抗坏血酸对测定的干扰，此法不但具有生物相容性， 而且具有较好的灵敏度和选择性，建立了药物分析的新方法。 关键词：双层类脂膜，修饰，生物传感器，电化学分析沤，冠醚，金属离子，肉豆蔻 酸，多巴胺，氯化血红素，去甲肾上腺素 摘要 a b s t r a c t t h et h e s i s ，c o m p o s e do f5c h a p t e r s ，d e a l sw i t ht h em o d i f i c a t i o no fb i l a y e rl i p i d m e m b r a n e s ( b l m s ) ，a n dt h ea p p l i c a t i o n si nb i o c h e m i c a la n a l y s i s 。t h ec o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： 1t h er e v i e ww a s p r e s e n t e do n t h em o d i f i c a t i o no fb l m sw i t h s u p r a m o l e c u l a r r e a g e n m ，b i o l o g i c a lm a t e r i a l s a n dm e d i c i n e s i t s a p p l i c a t i o n s ，w h i c hw e r eo nt h e f i e l d so f b i o s e n s o ra n db i o c h e m i c a la n a l y s i s ，w e r ea l s os u m m a r i z e d 。 2t h em u t u a le f f e c t so fc r o w ne t h e r s ，w h i c he m b e d d e di ns a l tb r i d g es u p p o r t e db i l a y e r l i p i dm e m b r a n e s ( s b b l m s ) ，a n dm e t a li o n sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h es b b l m sm o d i f i e db yc r o w ne t h e r sc o u l db ed e v e l o p e di n t oa n e w s t y l e m e t a li o i l sb i o s e n s o r 3t h ec y c l i cv o l t a m m e t r yb e h a v i o r so fd o p a m i n ei nb i o - m e m b r a n ew e r es t u d i e dw i t h t h eg c e ( g l a s s y c a r b o ne l e c t r o d e ) w h i c hi sm o d i f i e db ym y r i s t i ca c i de m b e d d e di n b l m s i tw a san e wm e t h o do fe l e c t r o d em o d i f i c a t i o nf o rd o p a m i n ed e t e r m i n a t i o n + 4t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so fh e r o i na tt h eg c e ，w h i c h2 m o d i f i e dw i t hm y r i s t i c a c i de m b e d d e di nb l m s ，w e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fc y c l i cv o l t a m m e t r y i nt h e m i m i cb i o 。m e m b r a n es y s t e m ，t h ec o n c e n t r a t i o no fh e m i nc o u l db ed e t e c t e d t h e p r o p o s e dm e t h o d e x h i b i t e dg o o d r e c o v e r y ，h i g hs e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y 5 n o r e p i n e p h r i n e ( n e ) w a sf i r s t l y s t u d i e db ym e a n so fc y c l i cv o l t a m m e t r ya tt h e b l m sm o d i f i e dw i t hm y r i s t i ca c i d i nt h ep b so fp h7 5 ，t h eo x i d a t i o nc u r r e n t i n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fn ea n dt h ei n t e r f e r e n c eo fa s c o r b i ca c i d ( a a ) w i t ht h ed e t e c t i o no fn e c o u l db e e f f i c i e n t l ye l i m i n a t e d i tc a l lb eu s e da sa n e w a p p r o a c h t od e t e r m i n i n gn ew i t hh i g hs e n s i t i v i t y k e y w o r d s ：b i l a y e rl i p i dm e m b r a n e s ，m o d i f i c a t i o n ，b i o s e n s o r , e l e c t r o c h e m i c a la n a l y s i s ，c r o w ne t h e r s ， m e t a li o n s ，m y r i s t i ca c i d ，d o p a m i n e ，h e m i n ，n o r e p i n e 曲f i n e 南开大学硕_ 上学位论文第一章绪论 第一章绪论 当今世界，各个学科相互渗透，边缘科学发展迅猛。这其中，仿生化学的 研究越来越受到人们的重视【1 3 】，它是一门由生物、化学、物理、医学、电子、 等多门科学互相渗透成长起来的新学科，有着极为广阔的研究领域和应用前景。 随着研究的不断进展和深入，许多的研究已取得成果并已在生物分析中得到应 用。生物膜与众多生命过程密切相关，它的许多重要生理功能是由其结构决定 的。因而，生物膜的模拟及其应用就更引人注意【4 5 1 ，这是一个涵盖化学、生命 科学和物理学的跨学科的研究领域，已成为一门内容广泛、发展迅速的前沿学 科，其在分析化学中的应用也日益增多。生物膜在信号转换和信息处理过程中 起着十分重要的作用，这是因为生物体大多数生理功能都涉及基于配体- 受体相 互作用的脂质双分子层。人们在对生物膜的模拟及应用研究中提出了双分子层 脂质膜0 3 l m s ) 的概念，据文献报道，早在1 9 2 5 年，g o r t e r 和g r a n d e ! 等人就指 出红血球细胞的原生质膜是双分子层脂质膜，并提出了双分子层小叶模型【6 j ， 后来的大量的研究结果也支持了这一观点。本世纪5 0 年代，人们已公认双层类 脂膜是生物膜的基本结构川。6 0 年代初，人们发现了两种实验双层脂质膜系统， 即人工平板双层类脂膜限9 】和球形脂质体 1 叩。此后，平板双层类脂膜及后来发 展起来的球形脂质体广泛作为许多生物膜的模型1 12 1 。本论文主要研究了用某些 功能物质修饰的双层类脂膜，在生化分析中的应用。以下是对这一领域研究_ t 作的综述，内容包括以下几个部分： 一、双层类脂膜的组成结构、基本性质和存在形式 二、超分子试剂对双层类脂膜的修饰及其应用： 三、b l m s 在生物电化学传感器方面的应用进展； 四、本文研究的背景和目的。 南开大学硕士学位论文第一奄绪论 1 1b l m s 组成结构、基本性质、存在形式及其理论形成 1 1 1 弓l 富 。 自从上个世纪六、七十年代以来，生物膜的研究越来越引人注目，并深入 翻生秘学乃至其它学摹粤静译多领域，膜的磷究掏袋了一门薪学辩一簇学 ( m e m b r a n e l o g y ) 。细胞外侧的一层薄膜( 质膜) 和包围各种细胞器的内膜统称 为生物膝。广义的生物膜是指存在于生物体内的各种膜结构，狻义的生物膜即 必细胞膜。生物膜在细腿中分柱的位置及所构成的细胞嚣虽然务不相同，但它 们在化学组成、结构以及功能上基本相似。从形态上来糟，生物膜呈薄片结构， 器度在6 0 - - - 1 0 0 友之润。生物膜绫掏是续腿缍橡蕤基本形式，羹绥庭痰垒三位反应 提供有序进行和细胞的区域化( c o m p a r t m e n t a t i o n ) 提供必要的然本结构。它使 各个缀魏器帮鼗缀箍器结稳及各自其膏相对恒定酌内嚣境，又确互联系，镬整 个细胞活动有条不紊、协调一致的进行，几乎所有重要生命过楗无不与生物膜 有关。例如，物质转运、信息交换、能鬟传递、吸收分泌、兴奋传导、药物作 用等等都要通过生物膜缡构来完成。细胞环境中的各种物理性刺激和体内产生 的激素等化学性刺激物，很多也都是首先作用于生物膜，然后褥影响各种生理 遘程。缴魏貘逐_ 秘凝体戆谗多生理和痪疆过程褒壤稠关，医露，生兹骥的磅变 将为许多疑难病症的诊断与治疗提供新的途径。 然褥，生魏貘懿缓戏、结擒窝凌裁稷鸯复杂，要漾入磅突貘土所发生豹各 种过程照然是非常困难的。因此，仿生膜的研究应运而艇，它可使我们在分子 承平上磷究擎个膜组分的结构翻性能。鞭层类i 瞽膜( b i l a y e rl i p i dm e m b r a n e s ，简 称b l m s ) 是目前生物膜电化学研究中最常用的模拟膜模型之，下砸对其发 展、组成、结构和存在形式进行简要穰述。 1 1 2 双层类脂膜理论的发展 双联类脂膜经过西十年的发袋历程： 1 9 6 1 。1 9 7 0 ，b l m s 的成膜技术：用于研究兴奋传导物质。抗原一抗体及酶 底物的相互作用；生物体的光电效戚等。 2 南开大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 7 1 - 1 9 8 0 ， 1 9 8 1 - 1 9 9 0 1 9 9 1 - 2 0 0 0 代表性的研究是与细胞原生质膜、神经膜、线粒体膜、叶绿体 的类囊体膜有关的仿生研究：眼睛细胞膜的视觉受体的镶嵌及 离子通道重组等。 膜过程的分子机制研究；金属材料支撑的双层类脂膜：光合成 及膜生物能等方面的研究。 盐桥支撑的双层类脂膜以及其它材料支撑的类脂膜；与其相关 的生物电子器件的开发研究。 双层类脂膜与l a n g m u i r b l o d g e t t 膜( 单层或多层的附着物或一个底物上的 薄膜技术开始于l 和b 两人) 以及其它膜体系不同，主要表现在： ( 1 ) 传统的b l m s 非常接近天然生物膜，具有流动性、自我封闭、抵抗一定程 度破裂的特点； ( 2 ) 自组b l m s 的形成过程，无论在金属、凝胶或者其他物质表面，都是很简 单的，不需要复杂的仪器装置和苛刻的环境条件： ( 3 ) 双层类脂膜提供了受体配体相互作用的环境，同时又能保持其生物活性： ( 4 ) 双层类脂膜明显的降低了背景噪声，能阻止亲水的电活性物到达传感膜， 发生不希望的反应。 1 1 3 双层类脂膜的组成、结构和基本特性 生物膜主要由蛋白质、脂质( 主要是磷脂) 、多糖类、水和金属离子( 如： 钙及镁离子【”】) 等组成【。这些组份的有机排列及相互作用形成了生物膜的特 有结构，并且赋予了各种生物膜的特定功能，其中量最多的是脂质和蛋白质， 它们的相对含量随膜的不同而异。一百年前，o v e r t o n 发现不带电的分子透过植 物细胞膜的速率大致与该分子在脂肪重的溶解度呈正相关，他提出细胞膜主要 是由脂质组成的，由此确定了脂质是细胞膜的基质【”】。 在构成b l m s 时类脂化合物被采用，早期用于研究b l m s 的类脂大部分来 自于生物体，近年来则大多采用人工合成的类脂，例如：卵磷脂( 磷脂酰胆碱) ， 胆固醇、磷脂酰丝氨酸、硫代脂等【1 6 ，”】。磷脂的结构式如图1 - 1 所示。 3 南开大学硕士学位论文第一常绪论 疏 ( 蛙 部 分 棠 j 水 性 部 分 p ip sp e p c 隧l l 磷勰豹分子缭构 f i g 1 - 1s 【n l c t l i r eo fp h o s p h o l i p i d 磷脂是两亲性分子，一端脊一个极性的磷酸头基( 亲水性部分) ，另端是 两条疏承豹瑟貉酸碳穗豹尾部( 疏永毪部分) 。它在一定的热力学条俘下便可形 成厚度小于1 0n m 的双分子层结构，即疏水的脂肪酸碳链向内对接形成脂双层 的疏永区，磷酸头基向外形成两个亲水表面。排斥力主要是指带相同电荷韵磷 b 警之闽魄静电摊斥力，吸弓l 力龟摄甄种力，即( 1 ) 带棚反电荷的基团之间的静 电吸引力，( 2 ) 具有氢键给体和氢键受体的、带电荷城中性磷脂之间的氢键作 鼹。霞予膜表瑟豹磷誓分子豹浆窳投煞蔟嚣透过静电箨鼹窝氢键痒习霹形戏缀 稳定的结构。这种作用力使膜中分子尽可能彼此靠近和疏水力相互补充，在膜 结擒孛瞧起着十分重要豹痒焉。麴蚕l 。2 ( a ) 秘1 - 2 强) 鬣示，它遗一步谎鞠 一个能分割开两个水溶液的类腊双层的构造，约5 n m 长的疏水烃链处于流动态 并形成双层韵肉核，而赢径约o 8 r i m 的亲永极性基团以液晶的形式组装成有净 的排列，这种类b 旨双层终6 r i m 厚。 4 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 拽 h o nc o l e p 0 1 a r 舢p ( d 孤t e r 0 8 r i m ) 图i - 2 ( a ) 生物膜的类脂双层 f 毽，i - 2 ( a ) t h el i p i db i l a y e ro fb l o m e m b r a n e s e x t r a c e f l u f a rf l u i d ( o u t s i d e ) ： ( b ) l i p i db i l a y e r i n t r a c c l l u l a rf l u i d ( i n s i d e ) 圈i - 2 ( b ) 具有流动和自组装性质的在体外重组的类脂双层 f i g 1 - 2 ( b ) t h el i p i db i l a y e r w i t hf l u i da n d s e l f - s e a l i n gp r o p e r t i e sa s a n i n d e p e n d e n te n t i t yw a s r e c o n s t i t u t e di nv i t r oi nt h ee a r l y1 9 6 0 s 双分子层脂质膜具有类似于细胞膜的兼容健，它提供了嵌入许多擞物组分 ( 蛋垒族、受体、膜，缝织片颤、甚至整个分子) 的天然环境f 1 8 1 。在环境、医学 和生物学应用研究及传感器的研制和开发中，双分子层脂质膜是固定生物组分 南开大学砸士学位论义 第一章绪论 的理想材料。在双分子艨脂质膜中嵌入不同的成分( 如肽、酶、受体、离子载 体和氧饯还原铭簿 可以禺来梭澳4 其醒对憋( 鍪葳、抗器、蓰尔蒙、离子帮电 子给体域受体) 。在实际应用中，取分子层脂质膜可以作为一种超薄的电绝缘体、 抗聚一挠传绑定橇絮、氧纯还骧反应兹驳辍牲毫檄、襞量转往貉发应器( 懿走裁 转化为电能、化学能) 、佰号传递的传送器和信号转换的转换器等而用于膜生物 物理掌蘩础研究、生物睡学研究、太阳能的转换戳及生物传惑的开发。 作为生物膜的基本结构，双层类脂膜的形成主要靠的是三种类型的作用力 ”。类型一：排斥力和吸引力，它们存在于分子的一切极性和带电基翻之问； 类型二：疏水相互作用。存在于腊双层疏水区的 # 极性基疑之间，对维持膜的 结构起主要作用；类型三：范德华作用力。当非极性基闭相互靠近时，范德华 力就或戈蘸本柜蔓终用懿主要因素。这三秽馋躅力缘属分子阕力，因姥鑫缝装 的双层类脂膜是类脂分子形成的具有液晶性质的超分子体系，它具有有序性和 瀛动牲瑟大特点。许多葫髓性麓凌霹对英进 亍镶嵌穆饰，疆之疲霜予菜一镶辕 的研究中。 1 1 4 双层类艟膜鲍存在形式 随着对b l m s 研究的不断深入，它主要为以下的存在形式( 表1 - 1 列出了 实验室爨缢装的赛覆两亲体系静不同类型) 。蓍秃蔗存在于分害| | 两滚相熬乎板小 孔上的平板双层类脂膜( p l a n a r b i l a y e rl i p i dm e m b r a n e ，简称为p b l m ) ，小孔 的直径一般在l m m 左右。p - b l m 可用一系两方法来制备，包括刷涂、浸涂、 吹泡、没射、以及单分子层技术。其中，刷涂技术较常用。其制备过程如下： 在一个有机玻璃制作的槽内，中间以聚蹦氟乙烯板做的隔板( 膜支撑物) 隔开， 将槽分隽蕊室。隔扳孛瓣有小匿孔( 孑乙面积不超过l c m 2 ) ，援肉放上按瀑配制 的溶液，把小孔浸没，然后用微擞注射器把脂滴加到膜支撑物的小孔上( 或用 亳裁) ，惫予聚鞲氟乙繇蕤有良好麓亲鬻藏求注，馥鬻较容易隆程孔矮爨。夔螽 脂滴中间部分慢慢变薄，最后成为双分子层。而沿着小孔周围则积有较厚的脂， 成为一个圈，这一圈称之为p l a t e a u g i b b sb o r d e r ，简称p g 边界，它的存在维 持了b l m s 的稳定性和突整性。此传统的b l m s 怒贪于鼹水溶液闻的5 n m 厚的 磷脂双分子层，不同于l - b 单层膜和多层膜，b l m s 处于流动的亚稳状态。电 6 南开大学硕士学位论文第一章绪论 化学检测结果f 2 0 i 显示b l m s 的膜电阻( r m ) 为1 0 8q c m 2 膜电势( e m f ) 为 o v ；击穿电压( 、勺) 为2 0 0 + 5 0 m y ；i 莹线遵守欧姆定律。这种其有液晶性 质的b l m s 是种很好的绝缘体。 表1 - 1 实验室自组装的界面两亲体系 t a b l e1 - 1e x p e r i m e n t a ls e l f - a s s e m b l i n gi n t e r f a c i a la m p h i p h i l i cs y s t e m s 注：垂盘线( i ) 表示一个界面 p - b l m 作为最早的双层类脂膜模型，其通透性和存在状态都与真实的生物 膜稻近，但它的机械强度和稳定性较羞，一般最多能够稳定几个小时，妨碍了 它在许多研究中的应用。固体载体支撑的自组双层类月旨膜克服了传统蛇b l m s 稳定性不能持久的问题，为发胺实用的生物传感器提供了可能。这方面的工作 霹默逵溯到1 9 7 6 年，m o u n t z 等人把具袁一定强度霹尺寸魏类囊钵膜佟必模型 系统用作太阳能转换装鬣【枷。此后，h t t i e n 教授于上世纪八十年代臌期提出 鑫俸支撑的双瑟粪l 碧膜( s o l i ds u p p o r t e db i l a y e rl i p i dm e m b r a n e ，麓穗s - b l m ) 2 1 2 2 1 。按照t i e n 等人1 2 3 , 甜1 的方法，s b l m 的形成包括两个步骤：( 1 ) 将涂有 t e f l o n 蠡句金属黧放入磷脂溶液中，然螽用刀切出一个新的金属两；( 2 ) 将这种 吸隧| 有脂分子的金属丝转移到水溶液中。由于新切的余属表面是亲水的，它能 吸引脂分子中的极性基团在其袭面形成脂分子苹层。将其转移到水溶液中后， 南开大学礤士学位论文第一镦绪论 暴露于水溶液中的疏水层吸附第二层脂分子，形成双分子层：最后，脂双层因 分子霹藏水作用褥到遴一步稳定。该方法形成戆s i b l m s 不会因冲洗或攫藏搅 动而破裂，其击穿电压比传统的b l m s 高几倍f 蝴，一般可稳定存在4 8 小时以上。 尽管金疆支撵兹上影藏弱s - b l m s 稳定往大大壤强，毽金震浚蒋隧褥了离予 通过脂双层的传递。为解决这个问题，研究者又把b l m s 形成猩凝胶上 ( s b b l m s ) t t x , 。7 1 ( s 国l m s 和s b b l m s 的结秘见图1 - 3 ) ；籍a g a g c l 丝插入 t e f l o n 管中， a g a g c l 拦1 - 3s b t a m s 和s b b l m s 魄结构鄹示 f i g 1 - 3 s t r u c t u r eo f s b l m sa n ds b - b l m s 其内充满琼脂和经a g c i 饱和的k c l 溶液，形成t e f l o n - a g a g c l 盐桥，然后将 盐橇鲍一端浸入类e 旨溶液居切撼，孬恕它放入o 1 m o l l 粒k c l 溶渡中形成双分 子层。另外，o t t o v a 和m a r t y n s k i 又发展了以导电s n 0 2 玻璃 冽为载体的自组双 层类疆藏。最近我嬲实骏组【2 9 】怒在不锈钢上固定好聚四氟乙筛管，然悉注入热 的凝胶溶液，再用上述方法制备了b l m s ，也得到了较好效果。 m o u n t z 等入在聚虢酸脂貘( 核孔膜过滤器) 的平西函孔上涮各了巍组双罄 t i p s fo，f-b暮 *鬻笛乏k藏詹ll 南开大学硕士学位论文第一章绪论 类脂膜i ，这种方法生成的双层类脂胺具有超稳定性和可控性，并且具有较长 寿命和魄普逶b l m s 凳大鲍蘧粳。之感，t h o m p s o n 3 1 】莘ly o s h i k a w a 3 2 】魄耀继报 道了这种类型的双层类脂膜的相关体系。k o c h e r g i n s k y 及其合作者【3 3 】报道了类 耱处理熬过滤器，认为该钵系爱寒模羧各静宠零逶邀戆缝囊。 s i o n t o r o u 等人首次报道了s - b l m s 可形成于玻碳电极表面p 4 】。w a n g 和他 煞工终，j 、缰蹬镧最近豹研究藏功遥获得了形成于玻碳电援袭蕊的双艨类腊艨 模型，也进一步表明双层类腊膜在玻碳电极表酾可以自发形成。 b l m s 所确定的空间可作为一个反应器，用特定物质对其修饰后便可显示 特殊的功能，旋生化分援 3 7 , 3 8 1 、生物免疫 3 9 , 4 0 1 、光电器l 牛 4 1 , 4 2 】、环境科学【4 3 朋】、 生物医, 学1 4 5 , 4 6 1 、电子【4 7 】等方面的研究都有着诱人的前景。 1 2 超分子试剂对双层类潴膜的修饰及应用 1 2 1 引畜 越分子纯攀是研究两种以上的纯学物稀遥过分子闽力相互作雳而成为其脊 特定结构和功能的超分子体系 4 8 , 4 9 1 。它的研究和发展不仅与大环化学密切相关， 而且与分子自组装( 双分子膜、胶束、液晶、d n a 双螺旋等) 、分子器件和新 型鸯枫材料等方嚣互相交盖、渗透，超分子化举是二十一世纪化学发爆鲍一个 重要方向。 其蠢超分子瑷裂、缝装、爱应注帮疆强毪簿基零凌憨懿试裁，藏楚超分予 试剂。由于超分子作用普遍存在于生物体系中，超分子试剂在生物分析中具有 重要意义。生携貘是宙褒耪分子组装或豹超分子结掏，在模苏生镑貘瓣研究中， 超分子试剂可以参与成膜凳子的自组装，使科学工作者通过对这些简单有序的 集合模篷的深入研究，了解生物膜在生命现象中的功熊和作用。大环化合物既 是超分子试剂和主客体化学中羹要的研究对象，又是一类很重要鲍分褥试裁， 可用它们修饰b l m s ，本节内容将对这方面的研究及应用作一评述。 1 2 2 卟啉化合物对双层类脂膜的修饰及应用 南开大学硕士学位论文第一摩绪论 卧啉化合物是一类重要的分析试剂，并与超分子化学的发展密切相关。卟 啭及其鑫属配会兹、类镁物豹怒分子珐能已经嶷惩于生讫分毒厅中f 锄姥炎位合物 在生命科学研究中也具有重要地位，因为它们出现在各种血红素蛋白质( 如结 合分子氧懿盘缎蛋鑫秽薤薤红蛋巍) 孛、含寿巍红素豹懿中( 妇绥艟色褰) 帮n f - 绿体中。在模拟生物膜的研究中，可用于模拟生物体系中的电子转移过程而引 起人稍广泛兴趣。在貘的光化学反应及能量移魄子转移过程中，卟啉溶于成膜 液制备b l m s ，用于研究光敏嫩物膜的光转换，这一研究是通过合成必价连结 卧琳( 电子受体) 一醮( 电子给予体) 或卟啉一胡萝b 素络台物作为光合作精 反应中心的原初光物化反应的模型，嵌入p 一转己m 中f 5 】。 啉还可共价结合视 黄醛和醌等物质，用避续闪烁发光的方法测量用这些物质修饰后的膜的光电压 稷走惑滚。其光电压魄只用时绿素骖馋艉骥大3 售，这穗光毫效应与分子瘫电 荷传递和能量传递过程相关f 5 2 】。生物膜中卟啉化合物的光学性质，特别是光敏 效应，在玺翻嚣学中豹应鹰磁究较多 5 3 , 5 4 1 。聚乙二醇( p e g ) 共徐连缓氧纯# 啉衍生物m p f p p ( m = h 2 ，m n ) 得到p e g ( c h 2 ) 一m p f p p ( n = 0 ，5 ，1 1 ) ， 其中 琳部分较容易固定至0p b l m 上，而且具有抗氧化的化学稳定髋( 如抗 h 2 。2 氧化) 。这葺申p b l m 膜上的能量传递依赖于亚甲基链长和卟啉化合物的 结构，卟啉起到了促进电子传递的作用f s 5 5 6 1 。麸价结合聚乙烯旺胺的卧啉或金 属e 旗髅有独特盼臻理及化学性震，n a n g o 等臻究了箕嵌入p b l m 体系的模 型【5 7 l ，此外，对在双层类脂膜中的原卟啉i x 的荧光猝灭也有研究1 5 8 】。卟啉化 台饕溺作生携貘我荧淹探铮，溪定生粝膜中膳懿稿转交，嚣褶转交涉及盘# 啉和原卟啉在类脂双层膜体系中的镶嵌深度、镶嵌部位，而镶嵌深度和部位是 受盂t n l - 啉和原目 啉在簇中的徽环境影响l 矧。卧秣修饰的b l m s 逐可作为模拟酶， 所有这燧对于人们深入了解生命活动具有一定实用价值。从镶嵌模型瓣，卟啉 、 既可以以非共价形式完全嵌入脂双层中，也可以共价结合电予给予体。卧啉和 电子绘予体分嬲位于双层a 旨膜瓣鼹个象求表垂上，这榉既按嚣要修馋了双层类 脂膜，又不影响卟啉的分析性能，为分析生物体内的金属离子以及更好地利用 口卜骥静分子识别、缝装等作尾摄供了极大霹l 瞧。 其它大环化合物也能嵌入类脂双层，可灵敏地和邻近的环境成份( 如离子、 分子等) 稻互佟用。铡知铂支撑的4 , 4 一正辛自旨氰蓁联二苯与7 ，7 ，8 ，8 一西氰基一对 南开大学硕士学位论文第一章绪论 喹诺二甲烷修饰的s - - b l m s 。与无b l m s 的铂电极相比，在检测铅离子时，稔 测限降低3 个数量级删。 1 2 3 冠醚对双层类脂膜游修饰及应溺 六十年代中期，美圆牲邦鹅的工业化学家c 。j 。p e d e r s o n 合成了第一个冠醚 化合物- - 1 8 冠。6 t 6 ”，标志着主客体化学新纪元的开始，也为超分子化学日后的 迅速蠛起嚣下了坚实基懿。冠醚一簸都禽毒若予乙氧綦霾复攀元，处予亲承搜 和亲脂蚀之间的理想平衡状态【6 2 1 ，具有广泛的溶解性能。在亲水介质中，冠醚 繇土黪瓴滠子帮麓寝环矫，亲舔懿c 毪e h 2 楚予琢蠢，形残了一卞亲耨懿碳氢 核：在浆脂性介质中，藏醚的极性恰好逆转，索脂的c h 2 c h 2 * 雄元朝外，氧原 予位于繇的内衡，形成了一个浆承酌、富电子的空麓。阳离子疆容易送入由氧 原子构成的空腔中，形成稳定的配位化食物。徽醚形成配位化食物的能力和配 位选择性，与其结构和配位原予的结构密切相关，脂双腻分子之间恰为疏水区， 在此区域镶嵌赡本空腔可进行分子识别f 蝴。h 。t t i c n 等用冠醚修饰的s 毋l m s 测定金属离子。当金属离子浓度在1 酽一1 0 1 m o l l 范围内时，其膜电位与金属 枣子浓发楚台n e m s t 方程f 蝴。逐年来，郄子瘁等震人王合残懿五穗s c h i f f 碱型 的双冠醚去修饰双层类脂膜，膜两侧的金属离子浓度分别为1 0 2 m o l l 和 1 0 m o l l 靖，辍摇溺定静貘电经，强g o l d m a n - h o d g e k i n k a t z 方程决定阳离子 的渗透厩p c 和阴离子的渗透压p a 。结果表明，由于双环效应，双冠醚裁环的平 面若能以面对谣的方式嗣 列，剐会对离子半径大的一价阳离子鲡n i - h + ，k + 其有 良好赡成键能力，由其所修饰的双层类脂膜对予相应的阳离子办会有较高的选 择性1 6 5 1 。m e i l l o n 等将f 2 1 卜冠7 联接到含有2 1 个氨基酸分子的肽链上，肽链的 亲鬟缝锼缮该镪会兹霉| 2 盂镶嵌戮l 凳双分子层孛；嚣醚琢农貘上以线瞧方戏羲 歹l ， 形成跨膜离子通道，从而具有与短杆菌肽类似的离子传输性能【6 6 1 。 关予冠醚类纯舍耪辩b l m s 修饰及应蕉磷究还不最穰系统帮深入，这方甏 工作有待于进一步完善。 1 2 a 繇凝精对双层类脂貘夔修馋 环糊精超分子化学的研究日趋广泛和深入，在仿生化学研究领域( 如在模拟 南开大学 磺士学位论文第章绪论 方面) 由于其络构和性质上的特点，环糊精有许多优越条件1 4 9 1 ，但尚未见用予 修馋b l m s 的搬遵。爨爱可能楚由予鄢糊壤终缘是亲水蓬的，露b l m s 双层之 间是疏水区，这给环糊精的嵌入带来困难。但目前环糊精各种衍生物的研究已 较深入袭广泛，强采筏在繇凝赣耱翻修铸疆臻承基圈，经萁戆滋巯拳稼焉力镶 嵌于b l m s 中，则许多环糊精越分子化学的研究成果可用于模拟生物脱的研究 中，箕前景十分诱入。 1 2 5 杯芳烃对双层类脂膜的修饰及应用- 其蠢空蓬绥褥豹第三代主露亿会凌一蓼芳嫩，在势瓣谨学孛瓣应建醚蕴溪多 嗣。与环糊精、冠醚相比其空腔大小、构象及取代基均可选择。由予其疏水 空往大夺可调，可变修饰函素羹多，困既能褥溯更为丰富静其肖更高选择往豹 主体分子【醴l 。t 6 t h 等 6 9 1 将杯f 4 1 芳烃的偶氮间二硝基苯衍生物制成n a + 选择性光 学膜，获得了测定n a + | 勺良好线性范围( i 0 - 4 5 1 0 - 2 m o i m ) 。日本学者t a k a s h ij i n 等研究了棒f n l 舞烃醮( n = 4 , 5 ，6 ，7 ，8 ) 始生物修馋p b t 艇后，所表现出来的对 碱金属离子的选择传输性能，以离子传输产生的电流为响应信母，结果表明：n = 4 0 懿辐翻势烃蘸掺镶懿p - b l m 表璐爨离子捷埝性黢，其中梅【4 】芳烃醋掺馋 的b l m s 对n a + 的传输能力高于其它离予2 0 倍，对n a + 具有选择性：n = 5 和6 ，7 时，分掰表瑷懑对曩黧c s + 豹逡释洼【翻。 杯芳烃传感器在一般的电化学研究中已有较广泛应用【7 1 7 3 1 ，但杯芳烃超分子 纯学在双层类瀚膜领域的研究应用报道还不是很多。稚据杯芳烃的结构特点， 其许多衍生物可对b l m s 进行修饰，梯劳烃修馋的b l m s 模拟酶催化、生物分 析领域的应用将是很有意义的。 l 。2 6 富勒烯对双层类脂膜的修饰及应用 以环糊精、杯芳烃等为主体，富勒烯为客体形成超分子化合物方面的报道很 多 7 4 l 。在模拟生物膜硪究领域，采用邀向蒸发技术零导到了水溶程的g e 嚣质体 包结物，当该包结物与体外培养的人子宫颈癌细胞融合后，用卤素灯打照射， 发现箕瓣瘗缎艨鸯缀强豹蓉岱憝力【7 5 l 。姜芝凌膜程缨逡分裂、游溺性窝蹭建熬过 程中起糟极其重要的作用，癌可被认为是一种以膜为基础的组织【”】，因此，治 1 2 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 愈癌症的难题之就是昂期诊断。所以有可能用c 6 0 、抗癌药物修饰的b l m s 体系终为癌症的旱期诊叛积治疗艴手段。此终，裹奎笈等磅突了c 岛佟妥共辍 分子修饰的p - b l ，m 的伏安行为【砥】，嵌入c 6 0 的s - b l m s 作为探针用于研究体系 熬氧纯还蔟嚣跨越l 誓双臻静光譬毫予蕊递f ”，著可遂一步鬟锋窀芘学鬟三兹砖感 器和分子电子器件的升发。 1 3 b l m s 在生物电化学传感器方面的应用进展 1 3 1 弓l 言 化学与生物学、医学、生命科学、电子、物理等科学的交叉和相互渗透， 是纯学秘学发震鹃大趋势，生耱佟感菝本便是密忿应运两生静- j 7 耨学辩。1 9 6 2 年c l a r k l 7 8 1 等人提出把酶与电极结合来测酶底物的设想，u p d i k e 7 9 1 等人于1 9 6 7 年完成酶的固化技术，研制出世界上第一支葡萄糖酶电极，开剁了生物传感器 的历史；此后，各种类型的生物传感嚣相继得到发展；进入8 0 年代以来，生物 技术和传感技术的提高和应用，更是带动了生物传感器的发展，使之在国际上 引起广泛磅究。它剪着投为广阀魏硬究领域和应锺翦景，可班测定许多秘无掇、 有机和缴物物质。 瑟蒸予双层类l 誓簇鹣电化擎生凌簧感器是凌1 9 6 6 年，c a s t i l l o 及冀会终者 开创性地运用b l m s 作为转换器，电化学检测选择性的生化相互作用( 酶鹰 底、 抗体，撬琢) 8 。蚓，其基本原理怒：任秘发生在b l m s 中的选择性相互传翊，都 将改变其电性质，从而进行电化学检测。随后，有基于双层类脂膜的电化学生 物传感嚣的报道弹8 8 j ，以下为双层类脂膜在电化学传感器研究中的些应用。 1 3 2 p h 探针 通常用来检测p h 德的是玻璃电极。它体积大、易碎，不适于体内纲胞的检 测和膜界面电势的监控。体内局部p h 傻的变化可改变生物膜的膜边界电势，因 此可用修饰的s - b l m s 电极代替传统的p h 电极，通过b l m s 膜电势的变化来检 南开大学删士学位论文第一章绪论 测p h 德。研究表明【8 9 ，蚓，t c o b q ( 四氯- 0 一苯醌) 或t c p b q ( 四氯- p 一举醌) 修 馋的s - b l m s 的电摄电势露p h 馕变化的喻应接近理论馕( 斜率为5 5 + _ 3 m v ) 。 另外，将短杆菌肽嵌入s b l m s 体系，结果表明，该体系对h + 浓度在o 4 4 m o l l 莲围内鼙线性嘲应【9 一。 1 3 3富勒烯修饰的s - b l m s 传感器 富勒爝是一类很好如疏农鲶电子传递体，霹直接掺杂在b l m s 中。如翦麟 述，用甯勒烯如c 6 0 、c 1 2 0 等对s _ b l m s 进行修饰，就可使电子跨膜传递成为可 戆降蚴。已毒文熬f 9 3 m 】摄遂，鼷c 鞠修镶静s - b l m s 采梭测溶液中夔l + 瘫子。1 2 修饰的b l m s 对i 一有选择性响威，在该b l m s 溶液中加入c 6 0 可进一步增强该响 应信号的灵敏发：由于c 6 0 加速了1 3 在垒属表面的释放，使得对i 。的检幽限由原 来蛇1 0 6 m o l l 下降到l o g m o l l 。 1 3 4 酶传蒜器 将酶固定予s - b l m s 上制成酶电极，可对溶液中的底物进行选择 生识别。 同其它嗣定化技术制备的酶电极相比，s - b l m s 酶电极县有操作简单、稳定性强、 嗣纯层憋活蠖麓等优点。嚣葚萋戮究较多熬酶是甏莓糖氧纯酶( g o d ) 。将g o d 包埋于聚吡咯卵磷脂形成的b l m s 中，再组装到金属电极上，即可检测葡萄糖 阁。最遮，w a n g 簿天嘲将结合了亲秘素( a v i t i n ) 静g o d 霾定予绦生穆豢( b i o t i n ) 酰化的卵磷脂形成的s - b l m s 上，使a v i t i n g o d 与b i o t i n s b l m s 形成复合物， 丽来谈辅溶液中的葡萄糖。使溺这种方法可避兔酶的滔往中心隐藏到双分子瀑 内部，缩短了待测物质的扩散路径，因此大大提高了检测灵敏度。此外，将脲 酶固定在s - b l m s 上可制备响斑快、稳定性强的尿素传感器 堪l ；将细胞色素c ( c y t o c h r o m ee ) 氧化鹣固定焱s - b l m s 上可捻测溶滚中验c y t o c h r o m ec p ”。 在膜相中加入电子传递体可进一步提高酶传感器的灵敏度【8 5 】。 1 3 5 免疫传感器 1 4 南开大学硕士学位论文第一章绪论 在b l m s 内发生的免疫亲和反应会改变b l m s 自身的电化学性质，产生相 应的电傧号。t i e n 等人【啊磅制7 一个野炎传感嚣，恩翳炎b 的抗原修馋瓣b l m s 检测溶液中的单抗。肝炎病毒的抗体与固定在b l m s 上的抗原的结合可通过膜 泡疆弱下降窝貘逛容戆耀热来羧测，其梭测蕊髂兹线憋莲銎是1 5 0 n g m l 。弱 时，b l m s 电化学免疫传感器避用于癌瘫的研究中。用b l m s 体系建立细胞调 控静萎申瘸消除模壅嘲，诞弱了磺瘩细稳霹增鲡耗向细藏膜的龟露率和渗透瞧。 通过b l m s 体系获得的信息有勋于确定癌细胞对化学治疗试剂产生抗药性的机 理。对于研制新型抗癌翁有很大的参考价值。矮近，h i a n i k 等人i 瑚】还制各了基 于s b l m s 固定化技术的用于捻测人i g e 和农药2 ，4 d 的免疫传感器。 1 3 6 谷氨酸传感器 u m e z a w a 10 ：z - 1 0 4 等将从兔脑中提纯的谷氨酸受体离子通道蛋白嵌入 p b l m s ，根据嵌入膜中的谷氨暇受体数可得到单通道或多通道的两种黼子通道 传感嚣，以通道电流信号为响应，测定谷氨酸含摄，最低检测限达3 1 0 s m o l l 。 最近，他们又将谷氨酸受体离子通道蛋臼对于3 种激动剂n 甲基d 必冬氨酸 ( n m d a ) 、l 签氮酸( l - g l u t a m a t e ) 、( 2 s ，3 r ，4 s 2 一羟基臻嚣基苫氨酸( l - c c c - i v ) 的化学选择性j 款行了电化学模拟，其选择性顺序为( l - c c c - i v ) ( l g l u t a m a t e ) ： ( n m d a ) 1 1 艇1 衢 。 1 3 7 其它 s i o n t o r o u 等援道了运瑁基予s b l m s 懿生秘黉感嚣瞧纯学控剿d n a 及其与 药物的相互作用【1 0 7 】。他们将单链d n a 嵌入s 。b l m s ，d n a 与肼类物质的相互 作蘑遥箴簇结擒豹交纯，麸磊孳l 超貘爨离子逶逶毪戆改交，籍就霹蕉采检测薹骜 类物质如肼、甲基肼、二甲基肼、苯肼。o k a h a t a 等报道了基于s - b l m s 的生物 传感器检铡唉、嘛及莉激日琵靖的物质的可能住 3 馘1 0 9 1 。n i k o l e l i s 簿刚运搿双层粪 脂膜与系虫剂的选择性作用灵敏检测久效磷和玛拉硫磷【0 1 。最近，a n d r c o u 等 运用玻璃纤维的超薄过滤器膜支撑的双层类脂膜，采用流动注射装置榆测了牛 奶及其奶铡瑟孛夔黄塑攥裂n 1 i ；霜盘绞蛋自修馋豹双豢类塞骥( s - b l m s ) 可嗣 于检测c m 含墩【1 1 ”，响应时间仅为1 0 秽，检测限达1 0 。m 。l i m 等人测定了 南开大学硕士学位论文帮一章绪论 磷脂酶c ，磷脂酶c 具有催化生物膜中的磷脂的作用，利用内部包裹钙黄绿素 的脂质体，检测由脂质体溶解后泄漏出的钙黄绿素，从而测定了磷脂酶c 【”3 1 。 1 4 本文研究的背景与目的 前文对b l m s 的发展、修饰及其在分析化学中的应用做了回顾和展望。 b l m s 具有良好的生物相容性，具有流动的液晶态结构，这有利于特定受体的 嵌入，有利于受体与溶液中的配体之间的相互作用。由于这些特点，双分子层 类脂膜在药物与类脂膜之间的相互作用、环境中污染物的测试、生命活性物质 的检测等分析化学领域的应用越来越广泛，并取得了令人瞩目的成果。 分子生物学的发展和生物技术在各个领域的应用，对分析方法