納米多孔金屬材料在生物催化和生物傳感中的應(yīng)用研究.pdf

1、本論文采用腐蝕合金(去合金)方法制備了一系列納米多孔金屬材料，并對其進行了基本的表征。研究了生物大分子催化劑酶在納米多孔金屬表面的固定化，固定化酶的基本酶學(xué)性質(zhì)，以及酶的直接電化學(xué)性質(zhì)。結(jié)合多孔金屬自身的電催化性質(zhì)和酶的催化性質(zhì)，探索了多孔金屬固定化酶在電化學(xué)生物傳感器及生物燃料電池方面的潛在應(yīng)用。此外，嘗試研究了納米多孔金屬材料的表面增強拉曼散射性能及其潛在的應(yīng)用。
　　 1.漆酶在多孔納米金上的固定：固定方法和粒度效應(yīng)的比較

2、研究
　　 通過對金銀合金中銀的去合金腐蝕制得納米多孔金(NPG)，將NPG用作漆酶的固定化載體。采用三種固定化策略，即物理吸附、靜電吸引和共價偶聯(lián)，將漆酶固定在NPG上。根據(jù)漆酶的固載量、比活性及泄漏量對三種方法進行了比較研究。結(jié)果表明，物理吸附法是漆酶在NPG上固定的最好策略。分析表明這是由于納米金表面與漆酶表面殘余氨基酸之氨基之間可形成了共價鍵。NPG的粒度大小對漆酶固載量及酶動力學(xué)有影響。小的NPG的粒徑有利于更多的漆酶

3、進入內(nèi)孔被固定住，也有利于酶底物及其氧化產(chǎn)物的傳質(zhì)，即小粒徑的NPG載體更有利于漆酶催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)。
　　 2.漆酶在納米多孔金表面的固定及直接電子轉(zhuǎn)移
　　 通過腐蝕方法以及腐蝕后的熱處理，制備了一系列孔徑的納米多孔金，通過掃描電鏡和氮氣吸附技術(shù)等對納米多孔金的形貌進行了表征。漆酶通過物理吸附的方法固載到多孔金表面。詳細研究了孔徑大小對固定化漆酶酶學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，擁有40-50 nm的多孔金是漆酶的適宜載體。與游

4、離酶相比，固定化酶的最佳pH值沒有改變，但最佳反應(yīng)溫度從40℃上升到60℃。固定化酶的儲存穩(wěn)定性也有了很大的提高。利用漆酶固載的多孔金構(gòu)建了漆酶電極，并實現(xiàn)了漆酶的直接電化學(xué)。此漆酶修飾的多孔金電極表現(xiàn)出強的生物電催化還原氧的性能。由此可見納米多孔金是良好的漆酶固定化載體。此固定化酶在生物燃料電池和生物傳感器方面具有潛在應(yīng)用。
　　 3.納米多孔金表面木質(zhì)素過氧化物酶的固定化，酶學(xué)性質(zhì)及過氧化氫原位釋放
　　 基于前期工

5、作，本研究嘗試用納米多孔金為載體對木質(zhì)素過氧化物酶(LiP)進行固定化。通過腐蝕金銀合金的方法制備了孔徑為40-50nm的多孔金。通過吸附方法，LiP被成功地固定到多孔金表面。固定化酶的最佳反應(yīng)溫度為40℃，高出游離酶10℃。儲存在45℃2小時后，固定化酶仍保持有55％的初始活力，而游離酶幾乎完全失活。此外，通過共固定化的葡萄糖氧化酶催化轉(zhuǎn)化葡萄糖反應(yīng)原位釋放H2O2獲得了高的持續(xù)的LiP活力。此共同固定化酶體系可有效地降解染料。

6、>　　 4.基于酶修飾的納米多孔金的電化學(xué)傳感器
　　 基于納米多孔金獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，本章工作嘗試構(gòu)建了基于納米多孔金的電化學(xué)傳感器。與平面金電極相比，納米多孔金修飾的玻碳電極表現(xiàn)出對煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和過氧化氫高的電催化活性。多孔金高的電催化活性應(yīng)該是由于它含有大量的活性位點和高的比表面積。當(dāng)多孔金電極擔(dān)載醇脫氫酶或葡萄糖氧化酶后，該酶修飾的多孔金電極可以靈敏檢測乙醇或葡萄糖。由于多孔金結(jié)構(gòu)的勻稱、電催化活性強，該醇脫

7、氫酶或葡萄糖氧化酶修飾的多孔金電極表現(xiàn)出對乙醇或葡萄糖良好的電分析性能。多孔金對酶的穩(wěn)定化作用使得此酶電極非常穩(wěn)定。在4℃下儲存一個月，醇脫氫酶和葡萄糖氧化酶修飾的多孔金電極僅分別喪失初始電流響應(yīng)的5.0％和4.2％。所有結(jié)果說明多孔金是一個良好的構(gòu)建生物傳感器材料。
　　 5.一種新型的納米多孔金修飾電極用于抗壞血酸存在下多巴胺的選擇性測定
　　 在常規(guī)的多巴胺(DA)的電化學(xué)檢測中，共存的抗壞血酸(AA)往往產(chǎn)生干擾

8、。為了解決這個問題，人們已經(jīng)嘗試了許多修飾電極。在本章工作中我們利用不同孔徑的NPG作為電極材料，研究了AA和DA在不通孔徑NPG電極上的電化學(xué)行為。結(jié)果表明，由于NPG/GCE的表面積大，大幅度提高了DA和AA的電化學(xué)檢測靈敏度。結(jié)果還表明，AA的電極氧化是一個擴散控制的過程，而DA的氧化是一個吸附控制過程。這一性質(zhì)可使兩者的氧化峰電位很好地分開，使抗壞血酸存在下多巴胺(DA)的選擇性測定成為可能。當(dāng)使用差分脈沖伏安法(DPV)檢測時

9、，檢測限為17 nM(3σ信噪比)。該NPG修飾電極具有良好的靈敏度，選擇性和重復(fù)性。
　　 6.辣根過氧化物酶在納米多孔銅上的固定化及其潛在電化學(xué)檢測應(yīng)用
　　 本章中我們嘗試了利用納米多孔銅代替多孔金作為酶的固定化載體?？讖酱笮?00-200 nm的納米多孔銅通過在5％(w/w)的鹽酸水溶液中腐蝕銅鋁合金制得，并用掃描電鏡和氮氣吸附等技術(shù)對其進行了表征。辣根過氧化物酶通過吸附的方法固定在多孔銅表面。由于酶分子與多孔

10、銅表面可能存在多點作用，與游離酶相比，固定化酶的熱穩(wěn)定性有了很大程度的提高。在50℃下儲存2小時，固定化酶仍然保持初始活力的90％，然而游離酶僅保持初始活力的10％。當(dāng)然，酶與多孔銅表面的接觸也使得固定化酶的Km值從0.43 mM增加到0.80 mM，Kcat值從8.1×103 min-1降到2.2×103 min-1?；诙嗫足~電極好的導(dǎo)電性和電催化性能，我們構(gòu)建了聯(lián)苯二胺電化學(xué)傳感器。傳感器的線性范圍是0.5μ M～14.5μ M，

11、靈敏度為0.37μ Au M-1。此傳感器擁有令人滿意的重復(fù)性和穩(wěn)定性。在-0.45 V下工作200 s，電流值仍能保持初始值的80％。對五個同樣方法制備的電極，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.5％。所有結(jié)果說明多孔銅是一個好的辣根過氧化物酶載體，并且低的價格有利于它的大規(guī)模應(yīng)用。
　　 7.腐蝕銀鋁合金制備單片納米多孔銀作為表面增強拉曼散射基底：結(jié)構(gòu)演變及表面修飾的影響
　　 應(yīng)用SERS技術(shù)進行分子的高靈敏度檢測依賴于均勻納米結(jié)構(gòu)

12、金屬基底的構(gòu)建。在本章中，通過化學(xué)腐蝕銀鋁合金的方法制備了穩(wěn)定均勻的納米多孔銀(NPS)并研究了多孔銀結(jié)構(gòu)變化對SERS信號的影響。發(fā)現(xiàn)腐蝕條件影響其形態(tài)(系帶/孔徑尺寸)及結(jié)晶情況，二者決定了羅丹明6G在NPS上的SERS信號。具有孔徑小、Al殘余低及結(jié)晶良好的NPS可以得到較強SERS信號。室溫下Ag30Al70經(jīng)2.5％HCl腐蝕15分鐘并在85℃下陳化15分鐘得到的NPS可使羅丹明6G的拉曼信號增強了7.5×105倍。在NPS表