仿生界面上生物分子的电子传递和荧光光谱电化学

论文摘要

生物分子间的电子传递反应是生物体发挥其生物功能的一类重要的化学反应过程。电化学方法特别是表面电化学方法作为一种快速、简便、低能耗而且具有较高灵敏度的实时原位方法,被用于研究生物分子的电子传递过程,不仅可以测定其基本的热力学和动力学参数,而且可以揭示生物体系中电子转移机理,对于理解生命活动及制备电化学生物传感器等具有重要意义。脱氧核糖核酸（DNA）作为生命体的基本遗传物质,它的研究带动了20世纪生命科学的发展。利用DNA修饰电极研究DNA与其它分子的相互作用得到广泛的研究和应用。上世纪末出现的碳纳米管（CNTs）等纳米材料,由于其独特的电子传递特性和生物相溶性,在电化学传感器研究领域引起了人们的极大兴趣。然而,常规的电化学方法具有统计平均的性质,不能满足分子水平检测的需求。分子荧光光谱技术由于其较高的灵敏度、能提供多种物理参数等优点,它和电化学技术相结合,大大促进了从分子水平对生物分子的结构和功能进行研究,引起越来越多的关注。多光子激发荧光技术是最新光子学技术（飞秒红外激光技术等）与高灵敏探测技术结合发展来的,它克服了单光子激发存在的光损伤、光漂白等缺点,而且单一波段的激光可以同时激发多种分子,为生物医学研究提供一种多参数的研究手段。将多光子激发荧光技术与电化学调制技术有机地结合起来,用于仿生界面上生物分子电子传递动态过程的高灵敏度的实时研究,对生物分子中的能量传递与电子传递研究具有非常重要的科学意义和实际价值。鉴于此,本论文利用DNA和CNTs作为修饰材料,采用简便的干燥吸附法制备修饰电极,采用电化学方法对不同生物分子的电化学行为进行了探讨。主要研究内容和结果如下:（1）采用循环伏安（CV）技术和差分脉冲伏安（DPV）技术在金电极和玻碳（GC）电极上对细胞色素c（Cyt c）与dsDNA和ssDNA的相互作用进行了研究。结果表明,Cyt c均能与DNA通过静电效应发生较强的相互作用。在GC电极上,Cyt c与dsDNA的结合常数kds为（1.69±0.38）×105 L mol-1,与ssDNA的结合常数kss为（3.35±0.50）×105 L mol-1,每个Cyt c与3.3个dsDNA碱基对结合,与4.0个ssDNA碱基结合。本研究为利用电化学方法研究DNA和蛋白质的相互作用提供了一种有效的方法。（2）纳米材料的尺寸效应在化学、物理等领域都有着广泛而深刻的研究。本文采用循环伏安（CV）技术研究了基于多壁碳纳米管（MWNTs）的纳米界面上和普通界面上dsDNA与Co（phen）33+/2+的相互作用,结果表明,在MWNTs纳米界面上,dsDNA与Co（phen）32+的相互作用比在常规大尺度界面上的相互作用显著增强。在MWNTs的纳米界面上,Co（phen）32+与dsDNA的结合常数为k2=（2.53±0.22）×104 L mol-1,比在大尺度界面上的结合常数k1=（1.68±0.15）×104 L mol-1明显增大;Co（phen）32+在大尺度电极表面与DNA的解离速度常数为0.16 min-1,也远远大于在纳米界面上从DNA解离的速度常数0.0025 min-1。（3）采用循环伏安技术在CNTs纳米界面上对SOD的电化学行为和生物催化活性进行了研究。结果表明:SOD作为一种氧化还原蛋白质,与常规电极相比,在纳米级界面CNTs上可以进行快速的电子传递过程,实验具有较好的重复性。在100 mM pH5.9的Tris-HCl空白溶液中测得:SOD与CNT之间的电子传递为一单电子单质子传递过程,式电势（E°?）为+0.075 V,电子传递系数（α）为0.52,电子传递速率常数（ks）为1.4 s-1,SOD在CNTs表面的平均覆盖量（Γ）为6.93×10-11±4.2×10-12mol·cm-2。在邻苯三酚和DMSO体系中,考察了SOD对歧化反应的催化作用,结果表明SOD在CNTs表面仍保持其生物活性,对的歧化反应具有显著的催化活性。采用光谱电化学方法对界面上5-HT和核黄素的电子传递进行了研究,主要研究内容和结果如下:（4）对5-HT-HCl体系的电化学调制荧光光谱进行了研究。结果表明,当5-HT溶液浓度大于30μМ时,其电化学反应近似为一单电子的转移过程;而当小于30μМ时,其电化学反应过程的电子转移数n约为1.5。这一结果与单独的电化学研究结果一致。同时,又利用其电化学调制的荧光光谱求得其扩散系数D0=2.6×10–6cm2s–1。此工作为研究5-HT分子电子传递提供了一种新方法。（5）将多光子激发荧光探测技术与电化学技术相结合,以钛兰宝石激光器作为激发光源,建立了电化学多光子激发荧光系统,并对核黄素进行了多光子荧光光谱和多光子荧光光谱电化学研究。结果表明,核黄素能在740 nm左右产生较强的双光子激发,其双光子吸收截面为35 GM和9.3 GM,量子产率为0.26;电化学反应的式电势为–0.56 V,电子转移数为1.8,与单光子激发结果相近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 化学修饰电极产生和发展
• 1.2 电化学DNA传感器
• 1.3 纳米生物传感器
• 1.4 光谱电化学研究的发展和应用
• 1.5 本论文主要研究内容
• 2 细胞色素c与DNA的相互作用
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.4 小结
• 3 纳米界面上DNA与金属络合物的相互作用
• 3.1 引言
• 3.2 试验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 小结
• 4 超氧化物歧化酶在纳米界面上的电化学和生物电催化活性
• 4.1 引言
• 4.2 试验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 小结
• 5 5-羟色胺的荧光光谱电化学研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 小结
• 6 核黄素的多光子荧光及多光子荧光光谱电化学研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.4 小结
• 7 结论
• 7.1 结论
• 7.2 创新
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录