1、毕业论文 开题报告 环境工程 功能化聚吡咯修饰电极对蛋白质电化学行为研究 1 选题的背景和意义 蛋白质是 生物体中广泛存在的一类生物大分子， 在生命过程中扮演着极其重要的作用。它是 由核酸编码的 氨基酸之间通过 氨基和 羧基形成的肽键连接而成的肽链，经翻译后加工而生成的具有特定立体结构的、有活性的大分子。 蛋白质是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。因此，它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。 蛋白质直接电化学一直是研究者非常感兴趣的领域。 研究氧化还原蛋白质的直接电化学可以提供能量转换和代谢过程 的生命信息，对阐述生物能量传递具有重要的意义，同时为揭示蛋白质 (酶 )的结构
2、 -功能关系提供了一条有效途径，也为进行蛋白质电子传递过程的热力学和动力学研究提供了强有力的方法。 蛋白质在生物体内广泛存在于荷电界面上，如生物膜就是一种荷电界面。电极作为一种研究荷电界面的模型系统，有助于我们深入了解蛋白质在生物膜中发生电子传递的分子机制。其研究，首先，可以方便地获得蛋白质的热力学和动力学性质，有助于深入了解蛋白质电子传递过程；其次，由于蛋白质直接电化学涉及界面专一性、界面相容性和蛋白质的变性问题等，因此在研究过程中可以 得到很多关于生物大分子界面问题的启示，进而模拟生物体内的电子传递过程；再次，从应用角度，这项研究把电极与生物大分子联系起来，可以获得一种专一的电催化模式，以
3、实现高灵敏度和高选择性的分子传感1。 蛋白质在材料表面吸附的研究是发展先进生物芯片、生物传感器、生物反应器 , 以及一些新型诊断技术的基础 2。 导电高分子材料 分为结构型和复合型两大类。结构型导电高分子材料是高分子本身的结构具有一定的导电性能，或者经过一定的掺杂处理后具有导电功能的材料，例如聚乙炔、聚苯胺等。复合型导电高分子材料是由高分子基质与具有导电 性能的材料通过各种复合方法形成的导电材料，复合材料中聚合物本身没有导电性能，起导电作用的是聚合物中添加的导电物质，例如炭黑、金属粉等。结构型导电高分子材料相对于复合型导电高分子材料具有更多的优越性，它是由具有共轭双键结构的高分子经化学或电化学
4、掺杂，使其由绝缘体转变为导体或半导体的一类高分子材料，包括本征态导电高分子材料和掺杂态导电高分子材料。导电高分子材料无需添加无机导电材料即可导电，且 电子的成键与反键能带之间能隙小（ Eg=1.5 4.2 eV），接近于无机半导体的导带价带能隙。本征态导电高分子材料不 仅由于发生 P 型掺杂（失去电子）或 N 型掺杂（得到电子）而形成掺杂态导电高分子材料，而且具有分子结构可设计、原料来源广、易加工、密度小的特点，其室温电导率可在绝缘体 -半导体 -金属导体范围内变化 3。 导电高分子具有独特的物理（光学性质、电学性质、磁学性质）及化学性能（重量轻、易加工、有弹性、结构多样化），可以被应用于许许
5、多多的领域。导电高分子的应用主要是基于两种基础：利用其导体的特性，或者是利用其作为半导体的特性。具体体现在如下一些方面：非线性光学器件，高分子发光二极管，电致变色或者是智能窗户，光刻胶，抗 静电涂层，传感器，电池，电磁波过滤材料，人造鼻子与肌肉，太阳能电池，电极，吸微波材料，新型存储器件，纳米开关，光学调制器及阀门，成像材料，高分子电连接材料，纳米电子学及光学器件，晶体管等等（图 1） 4。 图 1 导电高分子的相关应用 聚吡咯是一种重要的结构型的导电高分子材料。吡咯单体是一种 C,N五元杂环分子，室温下为无色油状液体，沸点 129. 8 ，密度 0. 97 g/ cm3 ，微溶于水，无毒，在
6、电场或氧化剂的作用下易被氧化，进而发生聚合反应生成高分子聚合物 5。聚吡咯 (PPy)具有典型的刚性共 轭大键结构 (图 2)。 图 2 聚吡咯 (PPy) 的共轭大键结构 聚吡咯的应用范围较广，可以应用于离子交换树脂、离子选择性分离膜、电控药物释放、传感器、固相萃取技术、电催化、金属防腐等方面。 1 离子交换树脂广泛应用于工业水的净化和试剂的再生，但其主要缺点是树脂再生过程中需要消耗大量的酸、碱或盐溶液 ,且产生的废液会造成对环境的二次污染。 2 澳大利亚 Wollogong大学智能材料研究所的 Wallace等在 Murray提出聚吡咯分离膜之后，对聚吡咯膜 电化学控制离子传输进行了更深入
7、的研究，发展了以聚吡咯膜为基体的离子交换分离膜的其他应用领域，制备了性能良好的自支撑的聚吡咯膜，并详细研究了各种操作参数和反应器结构对离子交换分离膜传输性能的影响 6。 3 电控药物释放是通过电化学方法或其他手段把药物分子或离子加入到聚合物膜中，组成修饰电极，通过控制此电极的电极电位，将膜内的药物分子或离子释放出去。 4 可逆的掺杂 /脱掺杂是导电聚合物的特性，其物理化学性质随这一过程发生相应的变化。利用导电聚合物对外部环 境的敏感性和可逆的掺杂 /脱掺杂性能可以制备不同的导电聚合物传感器，如 pH传感器、气体传感器、生物传感器和离子传感器等。 5 聚吡咯膜在水溶液中分别对这些离子浓度具有很好
8、的电位 (电流 )响应。而且，由于离子在聚吡咯膜氧化还原过程中充当电荷补偿作用，并非是自身的氧化还原，因此类如这些非电化学活性的水相离子，也具有典型的能斯特响应。将葡萄糖氧化酶掺入聚吡咯膜中制备成葡萄糖传感器，对溶液中的葡萄糖浓度有稳定的线性响应电流。 6 聚吡咯膜可以在不同的电位控制下吸收 与其接触的溶液中的离子，并可以在反向电位的情况下可逆的脱出，这使得聚吡咯可以做为一种有效的固相微萃取探头材料来对极性分子和离子进行分离和富集。 7 在聚吡咯的修饰电极中掺杂氧化还原体的媒介来大范围地促进发生在电极上的电子转移反应，增加电极传递电子的功能，改变反应的电位和反应速率，使反应能在比裸电极上更低的
9、过电位发生，同时，基底电极和电极表面修饰物本身并不发生改变。 8 聚吡咯可以作为二次电池的电极材料 7。聚吡咯具有良好的导电性并具有完全可逆的掺杂和 脱掺杂过程，离子可以在膜内自由传输，更为有益的是聚吡咯膜比重小，单位质量的能量载荷大，因此对于二次电池和电化学高能电容器来说，聚吡咯是一种非常理想的电极材料。 9 金属材料表面由于受到周围介质 (大气、高温、熔盐、非水或含水介质 )的化学或电化学作用而发生状态的变化并转化为新相，从而使金属材料受到破坏，这一现象称之为金属腐蚀。一般金属材料如船体、管道等的防腐都是应用含铬、铅的防腐涂层，对环境的危害性大。而聚吡咯现在被证实可以做为一种环境友好的防腐
10、涂层用于金属材料的防腐 7。 本课题 拟将导电高分子材料聚吡咯进行功能化，然后将其应用到蛋白质的直接电化学中。 2 相关研究的最新成果及动态 2.1 聚吡咯膜的制备 目前，聚吡咯膜的制备主要有化学氧化法和电化学氧化法两种。通常，化学氧化法制备工艺简单操作，成本较低，适于大批量生产，但得到的聚吡咯一般为粉末样品，加工成型困难；而电化学氧化法则可直接得到导电聚吡咯薄膜。 2.1.1 化学氧化法 吡咯单体在 CH3CN /NaClO4 溶液中的半波氧化电势 + 0.76 V (相对 Ag/Ag+ ) ，在液相中易被氧化。化学氧化法是在一定的反应介质中加入 特定的氧化剂，使得单体在反应中直接生成聚合物
11、并同时完成掺杂过程，与电化学的掺杂不同，因为其中加入了两种物质，并且这些物质进入了聚合物的主链，对聚合物的电化学性质产生了非常重要的影响。常用的氧化剂有(NH4)2S2O8， FeCl3， H2O2 ， K2Cr2O7， KIO3等。介质常选用水、乙醚、乙腈、酸溶液等。研究表明表面活性剂的加入可提高聚吡咯的导电性，还可增加聚吡咯的产量。制备过程中 ,除表面活性剂的加入之外，单体的浓度、氧化剂的性质、氧化剂与单体浓度的比例、聚合温度、聚合气氛、掺杂剂的性质以及掺杂程度等因素都 会影响导电聚合物的物理和化学性质。 2.1 2 电化学氧化法 电化学氧化法 即电化学合成法，通常采用传统三电极体系，电解
12、质溶液是含吡咯单体和对阴离子的有机或水相溶液。采用恒电流、恒电位或循环伏安法进行电解，使单体在电极表面由电氧化引发生成聚吡咯薄膜。电化学氧化法是通过控制电化学氧化聚合条件 (含吡咯单体的电解液、支持电解质和溶剂、聚合电位 /电流和温度等 )，在电极上沉积为导电聚吡咯薄膜。电化学聚合的电极可以是各种惰性金属电极 (如铂、金、不锈钢、镍等 )及导电玻璃、石墨和玻炭电极等。电极体系不同，掺杂剂不同，聚合电 流或电压也有差异。能够进行掺杂的对阴离子可以是无机阴离子、有机阴离子，也可以是聚电解质等大分子，如硝酸根、氯离子、硫酸根、四氟硼酸根、对甲苯磺酸盐、蒽醌磺酸、苯碘酸、聚苯乙烯磺酸盐、聚乙烯硫酸盐、
13、聚乙烯醇等。因掺杂阴离子种类的不同，聚吡咯的电导率往往可以相差若干个数量级。 2.2 聚吡咯的功能化 聚吡咯的功能化主要分为三大类：聚吡咯功能性单体共聚、与其他聚合物的复合、与无机粒子聚合。 2.2.1 聚吡咯功能性单体共聚 通过合成吡咯与功能性吡咯单体并进行共聚合，是制备导电聚吡咯共聚物最常用的方法。一方面聚 合物材料的导电性能不受吡咯单体存在的影响：另一方面聚合物材料因功能性吡咯单体的引入而富含各种功能基团，如羧基、羟基和氨基等，继而增加了蛋白质在材料基底表面固定的方式。张治红等 9采用氧化聚合法分别合成了吡略与功能性吡咯衍生物的导电共聚物 poly(Py-co-PyHA)和 poly(P
14、y-co PyCA)薄膜。随着功能性吡咯单体比例 f体积比 )的增加，功能性基团在两种共聚物中的含量也随着增大。两种共聚物薄膜均具有一定的电化学活性，但与聚吡咯薄膜相比，其电化学活性有所降低，但通过其他检测手段发现通过改变反应单体的 比例，可以调整共聚物的化学组成制备出对蛋白质吸附程度不同的功能性导电聚吡咯共聚物薄膜，进而有望开发出更加敏感可控的蛋白质芯片。 2.2.2 与其他聚合物的复合 与其他聚合物的复合 ， 这一类主要因为聚吡咯不溶不熔，并且一般方法制备的导电 PPy力学性能较差，这限制了它的应用。如能将它的导电性与尼龙等聚合物的高柔韧性和高力学性能相结合，将可得到广泛应用。 门吉英 ，
15、 邓小燕 等 10人通过 乳液聚合法制备导电性聚吡咯 /聚乳酸 (PPy/PLA)复合膜。扫描电镜观察表明 ， 复合膜中的聚吡咯粒子形成连续的小 或 分散在可生物降解的聚 乳酸骨架中 ， 红外光谱检测显示有 PPy和 PLA的典型吸收峰。复合膜电导率衰减缓慢 ， 导电性稳定 ， 在 560h 1146h电流持续保持在 28A 35A之间。扫描电镜显示原代培养的成骨细胞能在导电性 PPy/PLA复合膜上很好地粘附和铺展 ， 说明复合膜具有良好的细胞相容性。 宋诗稳，于浩等 11以碳纳米管修饰的复合陶瓷碳电极为基础电极，采用循环伏安法制备了 PPy/HCF 复合膜研究了该修饰电极的电化学性质及对
16、NO2- 的电催化活性。结果表明，该复合膜与碳纳米管的协同催化使修饰电极对亚硝酸根的还原表现出了良好的电催化活 性，据此建了测定 NO2- 的新方法，并用于模拟水样中 NO2含量的测定。中科院化学有机固体实验室研究了导电聚吡咯 /尼龙复合膜的制备，研究表明复合 PPy 后使得尼龙的结晶度和结晶完整性显著增加，复合膜表面的 PPy 具有网状结构。另外研究成员还研究了 PPy与一些其他基质聚合物 (弹性体、结晶性聚合物及液晶性聚合物 )的复合材料，当其与聚氨酯弹性体进行复合时，吡咯与掺杂剂需要通过溶涨的聚氨酯到达电极表面进行一层层叠加的氧化聚合，此时扩散作用是决定反应进程的基础， PPy 在基质中
17、呈网状排列。日本的宫田等人制备的聚乙烯醇 /聚吡咯复合膜，导电率达到 1 0 S / c m ，可见光透过率在 550 nm 处可达 80%95%12。 2.2.3 与无机粒子聚合 PPy/ 无机粒子 复合材料不但具有 PPy 的电学、磁学以及光学性能，而且还具有良好的成膜及加工性能，表现出了传统的导体、半导体、铁磁体等的功能，而且具有传统材料所不具备的某些特性。导电聚合物与无机磁性粒子的复合，会兼有导电聚合物和无机磁性粒子各自的优点，在电学、光学、力学和磁学等方面赋予复合材料新的特点 ,如密度小和良好的加工性能等 ,且其在电池、电化学显示装置、电磁屏蔽和 微波吸收材料等方面具有潜在的应用价值
18、，从而引起广泛关注。目前，有多种方法制备 PPy/ 无机磁性粒子纳米复合材料 ,复合的磁性无机粒子主要包括 Fe3O4 、 Fe2O3 、 M 型钡铁氧体和铁酸盐等 13。 2.3 蛋白质的直接电化学 蛋白质的直接电化学在金属、金属氧化物、金属纳米粒子、单分子层膜、以及高聚物上的吸附被广泛研究。 2.3.1 生物膜和生物模拟膜电极构筑及蛋白质酶直接电化学 在生命体内，类脂双分子层构成生物膜的基本结构单元。类脂具有典型的双亲结构。即疏水的碳氢长链和亲水的极性基团。蛋白质就吸附 在生物膜表面或嵌入其内部。我们知道，生物体内很多电子传递蛋白都是膜蛋白，表明生物膜环境有利于蛋白质的电子传递。蛋白质在模
19、拟生物膜微环境中的电化学行为，很可能更接近于其在生命体内的电子转移过程。 2.3.2 基于纳米粒子组装体系的蛋白质酶直接电化学 随着纳米材料的诞生和纳米科技的发展，纳米材料所具有的独特物理化学性质为生物电化学的研究提供了一条崭新的途径。由于氧化还原蛋白质酶很难实现在裸露固体电极上的直接电子传递，很大程度上限制了新型无媒介体生物传感器和生物燃料电池的研制。而纳米粒子由于其小尺寸、大的比 表面积而具有独特的电子、光学和异相催化等特性及其纳米粒子本身的生物相容性为该研究注入了新活力 14。 2.3.3 基于碳纳米管组装体的蛋白质酶直接电化学 自从上世纪 90年代初 Iijima发现碳纳米管以来，由于
20、其具有尺寸小，比表面积大，吸附性能强，电导率高，机械强度高等优异的物理化学性能，因此在工程材料、催化、吸附一分离、储能器件、燃料电池等方面有着广阔的应用前景。近年来，碳纳米管在生物电化学领域的研究受到广泛关注。碳纳米管依据其原子结构不同，将表现为金属或半导体，这种独特的电子特性使得它制成电极时能促 进电子的传递，并且碳纳米管具有导电性和完整的表面结构。因而它将是一种良好的电极材料。另外，利用碳纳米管对电极表面进行修饰时，将其材料本身的物化特性 (如大比表面积，表面易修饰功能化等 )引入电极界面，从而对某些特定物质产生特有的电催化效应。基于碳纳米管这些独特的电子和结构性质也决定了其在蛋白质直接电
21、子转移的研究中具有潜在的应用价值。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 3.1 聚吡咯合成 采用电化学聚合的方法合成功能化的聚吡咯，了解聚吡咯的制备方法及功能化的方法。 聚 吡咯功能化为研究的难点，需要选择合适的功能化材料及合理的功能化方法。 3.2 对功能化聚吡咯材料进行表征 采用 X 射线衍射（ XRD）、透射电镜（ TEM）、扫描电镜 (SEM)、 X 射线能谱仪（ EDS）等手段对上述合成的功能化聚吡咯材料进行表征。 了解材料表征的方法。 3.3 蛋白质直接电化学 将功能化聚吡咯材料修饰到电极上，采用循环伏安法等电化学手段对蛋白质进行直接电化学，从而
22、对电极反应机理进行研究。 了解蛋白质电化学反应机理。 4 论文工作进度和安排 2010.11.22 学 生选题 2010.11.25 2010.11.28 下达 论文任务 2010.11.25 2011.3.22 熟悉实验室环境和基本实验操作，准备论文实验 所需基本材料 2011.1.10 前 完成并提交文献综述、开题报告和外文翻译 2011.1.10 2011.5.23 在学校指定时间内完成开题答辩， 实验 ， 整理资料，处理数据，撰写毕业论文 2010.6.4 完成并提交毕业论文 2011.6.10 在学校指定时间进行毕业论文答辩 5 参考文献 1 周波 ,孙润光 ,王丽华 ,宋世平 ,樊
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