生化物質在納微多孔材料上的吸附、催化及自組鈣化行為研究.pdf

1、納米材料及相關技術的應用為當今生物醫(yī)學、功能材料、能源科學等領域的研究提供了新的技術平臺。納米結構單元構筑的納米材料在磁性、光電性質、化學活性、催化等方面均表現(xiàn)出常規(guī)材料所不具備的性能，目前納米生物檢測、仿生納米材料合成、生物大分子(如酶，DNA)功能化納米粒及納微孔中生物分子受限反應等方面研究已成為研究的熱點。本論文將納米材料、膜制備技術、壓電石英晶體傳感及其它表面分析技術結合起來，研究了納微多孔材料上膽紅素及牛血清白蛋白吸附、尿素酶

2、及葡萄糖氧化酶在納微多孔材料上催化行為以及羥基磷灰石仿生鈣化等過程，獲得了納微多孔材料上特殊的生化作用規(guī)律，對于發(fā)展納米生化檢測新技術、實現(xiàn)酶高效固載與催化、合成仿生礦化材料等具有重要意義。論文主要研究工作概括如下： 一、人體中過量游離膽紅素(BR)沉積到各種組織細胞膜上將引發(fā)BR代謝紊亂，導致多種疾病。本研究借助于石英晶體微天平(QCM)考察了模擬細胞膜(磷脂雙層膜)上BR的沉積過程及影響因素，探討其致病機理。著重探討了BR在

3、納米TiO2膜上的吸附與光催化降解行為，以期為BR引發(fā)疾病的治療提供新思路。UV-vis和IR光譜研究證實了BR在納米晶體TiO2膜上的吸附，QCM測量結果表明溶液的pH、離子強度、濃度以及溫度影響B(tài)R的吸附。BR的吸附量隨著BR濃度的增加而增大；然而溫度和離子強度的增加，BR吸附量卻明顯下降。pH的影響較為復雜，當pH在2-4范圍內變動時，BR吸附量略有上升；然而當pH上升到4-8范圍內時，吸附量隨著pH增大快速增加；當pH大于8時，

4、吸附量則出現(xiàn)下降趨勢。UV光照下吸附BR的光催化降解研究表明TiO2膜能再生并重復使用。目前，納米TiO2膜應用于去除BR仍處于實驗階段，實際應用有待進一步研究。 二、基于溶膠凝膠分子印跡技術，以納米TiO2溶膠為基質印跡了牛血清白蛋白和尿素酶分子。石英晶體微天平研究表明納米TiO2印跡膜穩(wěn)定性好，印跡分子在納米TiO2非印跡與印跡膜上的吸附分別符合Langmuir和Allosteric吸附模型：印跡分子在納米TiO2印跡膜上吸

5、附量隨溶液濃度和pH的增加而增大，然而隨離子強度的增加而減小。鈦絲基體表面修飾一層納米TiO2印跡膜，尿素酶固載后構建了一種廉價的、易于微型化的尿素生物傳感器；電位響應測量表明該方法制備的尿素生物傳感器穩(wěn)定性好，對尿素檢測響應速度快(25 s)、線性范圍寬(8μM-3mM)。 三、采用兩步陽極氧化法制備了納米多孔氧化鋁膜，尿素酶固載于氧化鋁納米多孔膜中構筑了壓電尿素生物傳感器。借助ESPS/FIA傳感體系監(jiān)測酶反應，測量結果表明

6、固載于多孔氧化鋁中的酶具有高催化活性。納米孔中尿素酶固載條件優(yōu)化如下：2.0mg/mL尿素溶液(pH 7.5，25℃)，固載時間2.5h，大尺寸氧化鋁膜。研究發(fā)現(xiàn)戊二醛交聯(lián)60min后殼聚糖涂覆構建的壓電尿素生物傳感器用于尿素檢測具有響應速度快(30s)、低檢測限(0.2μM)、寬線性范圍(0.5μM-3mM)、高選擇性(0.92-1.03)、良好重現(xiàn)性(S.D.=0.02，n=6)及長期貯存穩(wěn)定性(貯存30天后，酶活性保留了76％)等

7、優(yōu)點。實際樣品測量表明該傳感器可用于尿樣中尿素快速檢測，在臨床檢驗與環(huán)境監(jiān)測等領域具有應用前景。 四、單酶分子經由表面修飾和原位聚合制備了一種新的無機/有機聚合物網狀結構包裹的磁性單酶納米粒(SENs)。FEM、FTIR和XRD分析表明合成的SENs呈球形、多分散狀，直徑大約為50nm，包裹酶的納米殼由Fe3O4/聚(吡咯-N-丙烷基磺酸)復合物組成。電磁測量表明SENs的電導率為2.7×10-3S.cm-1，具有超順磁性，飽和

8、磁強度為14.5emu.g-1，矯頑力為60 Oe。與自由酶相比，包裹酶不僅活性顯著增強，而且對溶液pH和溫度變化、有機溶劑影響及長期貯存過程都具有良好的穩(wěn)定性，在生物檢測與傳感、酶催化工程等領域有著潛在的應用前景。 五、采用石英晶體微天平(QCM)技術現(xiàn)場研究了納米TiO2表面Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)的吸附與光化學還原過程。結果表明Cu(Ⅱ)的吸附過程符合準二級動力學反應，反應速率常數(shù)約為0.09g·mmol-1·min-1：H

9、g(Ⅱ)的吸附動力學過程可用準一級方程描述，吸附平衡常數(shù)約為3.9×105L.mol-1。Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)的吸附量均受到溶液pH、濃度和共存陰離子的影響；在pH=4的溶液中，其飽和吸附量分別為1.5和0.85mmol.g-1。UV光照下，Cu(Ⅱ)發(fā)生光還原反應，頻率逐漸下降；然而光照初始階段，TiO2表面水光解產生的質子可使吸附的Hg(Ⅱ)發(fā)生脫附，且Hg(Ⅱ)濃度和pH越大，脫附現(xiàn)象越明顯，隨后Hg(Ⅱ)光還原沉積逐漸占主導地

10、位，頻率下降。此外，Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)的光還原沉積速率受溶液pH和有機物的影響，pH越高，光沉積速率越大，有機物的加入使光化學還原速率顯著加快。 六、基于Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)離子界面物理化學過程的研究，采用SEM、FTIR、XRD、EDX和QCM研究了模擬體液(SBF)中負電荷納米TiO2膜上羥基磷灰石礦化動態(tài)過程中成核、生長及結晶行為。結果發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石的形成過程存在兩個不同的階段，在初始階段，SBF溶液中的Ca2+離子

11、首先結合到負電荷的TiO2膜表面；隨后，在界面上形成的鈦酯鈣與PO43-離子發(fā)生作用，并生成了羥基磷灰石核。成核之后，TiO2膜不再作為成核的中心，初始階段形成的羥基磷灰石變成了成核與成長的新中心，過飽和SBF溶液中的Ca2+、PO43-以及其它微量離子(CO32-和Mg2+等)自發(fā)沉積到初始階段形成的羥基磷灰石層上，并最終生成了羥基磷灰石沉淀。根據(jù)QCM隨時間的頻率變化，求得了羥基磷灰石成核與成長的速率常數(shù)(K1和K2)，結果發(fā)現(xiàn)對同