功能化聚吡咯修饰电极对蛋白质电化学研究[文献综述].doc

1、 1 文献综述 功能化聚吡咯修饰电极对蛋白质电化学研究 1 前言 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。 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 -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

2、和动力学研究提供了强有力的方法 ， 已经成为制备新一代电化学生物传感器领域的重要手段。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 1。 2 聚吡咯 2.1 导电高分子材料简介 自从掺杂聚乙炔呈现金属导电特性以来，新型交叉研究领域 导电高分子诞生了。导电高分子材料可以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

3、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

4、缘体 -半导体 -金属导体范围内变化 2。 根据导电高分子的定义，它具有两方面的根本性质：首先是高分子的性质，即每个导电高分子都是由许多小的，重复出现的结构单元组成。其次是导电性，即在材料两端加上一定电压，在材料2 中应有电流流过。 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

5、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） 3。 图 1 导电高分子的相关应用 2.2 聚吡咯 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。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 2.2.1 聚吡咯的性质 聚吡咯由于其结构，其性质包括导电性、氧化还原性以及稳定性。 纯

6、聚吡咯 (即不经过掺杂 )其导电性较差 ， 只有经过合适掺杂剂掺杂后的聚吡咯才能表现出较好的3 导电性。影响其导电性的因素主要有掺杂剂、介质的选择、反应 体系的理化性质等。掺杂阴离子不同对合成的聚吡咯电导率影响较大 ， 可以相差若干个数量级。研究表明电解液溶剂对电化学聚合过程的影响 ， 发现溶剂给电子性 (DN)越低 ， 得到的聚吡咯膜电导和力学强度越好。吡咯聚合电解液所用溶剂的 DN值应在 20以下。除上述因素外 ， 反应体系的理化性质 ， 包括反应温度、 pH值、电压、电流密度等对聚吡咯的导电性也有不同程度的影响。在电化学合成过程中 ， 控制电位或电流密度较低 ，则聚合反应速度较慢 ， 生

7、成的聚吡咯结构有序 ， 电导率较高。掺杂阴离子不同对合成的聚吡咯电导率影响较大 ， 可以相差若干个数量级。通常采 用有机磺酸或盐可以得到电导率较大的聚吡咯膜。温度也是重要的影响因素 ， 温度越高所合成的聚吡咯膜表面越粗糙 ， 电导率也越低。此外 ， 支撑电解液的 pH值也是重要影响因素 ， 其值越小 ， 在其中合成的聚吡咯的电导率就越高。 在导电聚合物中 ， 掺杂是指溶液中的离子在电化学或化学作用下 ， 在氧化 (或还原 )过程中聚合物的主链产生了多余电荷 ， 根据电中性原理 ， 为了补偿这些电荷 ， 外界异相荷电离子进入导电聚合物母体的过程 ； 脱掺杂则是掺杂的逆过程 ， 即当导电聚合物重新

8、被还原 (或氧化 )后 ， 聚合物主链变为电中性 ， 而原本掺杂在导电聚合物膜中的异相荷电离 子由于静电作用脱出聚合物母体的过程。通常聚吡咯膜的掺杂和脱掺杂过程伴随着离子交换和氧化还原的发生。在一定的电位或开路电位控制下 ，聚吡咯膜内离子或与其接触的溶液内的离子发生传输交换。聚吡咯膜的电控离子交换性能本质上是聚吡咯膜中离子的掺杂和脱掺杂过程的直接反映 ， 因此聚吡咯膜的离子交换特性必然受到聚合时所掺杂的离子本身特性的影响。不同对阴离子掺杂的 PPy表现出不同的离子交换性能 ， 如掺杂 Cl-等较小对阴离子的聚吡咯只表现出阴离子的交换性能力 ； 掺杂对甲苯磺酸根离子 (pTS- )和 NO3-等

9、对阴离子的聚吡咯对阴离子和阳 离子均具有交换能力 ； 而掺杂十二烷基苯磺酸根 (DBS- ) 、聚甲苯磺酸根( PSS- )等较大对阴离子的聚吡咯则表现出阳离子的交换性能。但在溶液浓度较大或者高速循环伏安扫描等特殊条件下 ， 掺杂了大阴离子的聚吡咯也会表现出一部分阴离子交换能力。文献报道表明 ，聚吡咯膜的离子交换性能取决于聚吡咯膜的电化学合成条件、掺杂的阴离子种类和大小、支持电解质溶液 ， 以及膜的厚度和老化程度等因素。除此之外 ， 在实际的电控离子交换过程中 ， 聚吡咯膜的离子交换特性还受所交换的离子大小和电荷的影响。一般来说 ， 离子的体积越小则交换越容易进行 ，而且进行的越彻底 ， 这一

10、方面与传统的离子交换树脂性质具有同样的性质。但离子的电荷越少则吡咯膜的离子交换也越好 ， 则与传统离子交换树脂不一致 ， 主要原因是聚吡咯膜内的离子交换位点很难同时满足多电荷共集状态有关 4-5。 稳定性是决定聚吡咯能否商业应用的关键因素之一。与影响聚吡咯导电性的因素一样 ， 掺杂剂、介质的选择、反应体系的理化性质都是影响聚吡咯稳定性的因素。如以有机阴离子 pTS- 掺杂的聚吡咯稳定性较好 ， 在空气中室温下长期放置电导率变化不大 ， 而以 NO-3 、 ClO-4 等无机阴离子掺杂的4 聚吡咯稳定性较差 ， 放置 110 d 后电导率下降为原来的 25% 30%。掺杂 pTS- 的聚吡咯在

11、200 高温下仍很稳定 ， 掺杂 ClO-4 的聚吡咯在 150 以上会因聚吡咯的分解和对阴离子脱离基体而导致电导率的显著下降 ， 而以 NO-3 为对阴离子的掺杂结构 ， 在 110 左右就会因分解而失稳。聚吡咯在酸性溶液中相对稳定 ， 但在中性和碱性溶液中因去质子化而脱掺杂 ， 掺杂到膜内的对阴离子与 OH- 离子交换 ， 并最终破坏聚合物的大共轭结构 ， 使电导率下降约 4个数量级。 2.2.2 聚吡咯的制备 吡咯的聚合过程属于氧化偶合机理 6。首先吡咯单体失去 一个电子被氧化为阳离子自由基；生成的阳离子自由基间发生加成性偶合反应，脱去两个质子后 ,生成比单体更易于氧化的二聚物；二聚物继

12、续被氧化成阳离子，与自由基或其他低聚的阳离子继续其链式偶合反应，直至生成长链聚吡咯。 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。 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

13、， 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。 电化学氧化法 即 电化学合成 法， 通常采用传统三电极体系 ， 电解质溶液是含吡咯单体和对阴离5 子的有机或水相溶液。采用恒电流、恒

14、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、聚乙烯醇等。因掺杂阴离子种类的不同 ，

15、 聚吡咯的电导率往往可以相差若干个数量级。 2.2.3 聚吡咯的相关应用 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。 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。电控离子交换树脂( ElectricallySwitched Ion Exchange, ESIE)由美国西北太平洋实验室开发用作核电站辐射废水中铯的提取 ， 相比于传统的离子交换树脂 ， 这种材料把电化学和离子交换结合在一起 ,能方便的再生和减

16、小能耗、降低污染。 C. Weidlich, K. -M. Mangold和蔡本慧等人使用电化学和化学氧化法制备了大阴离子掺杂的聚吡咯复合膜 ， 考察了聚吡咯复合膜对多种阳离子的交换能力 ， 并 且将聚吡咯复合膜用于水的软化研究。证实了聚吡咯复合膜的电控离子交换性能稳定 ， 电流效率高等特点 7 9。 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

17、子交换分离膜传输性能的影响 10。 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。可以实现药物在体内的现场控制 ， 可以有选择性的控制血液中的药物浓度 ， 还可以人工的控制药物的定时 ， 定量以及长时间的给药。这种方法可以更好的提高药物的药效 ， 并有效降低了药物的浪费 ， 而且还可以实现更为智能化的功能 ， 即通过神经细胞发出的电信号来实现病人自主的释放过程。对于这种体系的要求是药物载体结合牢固 ， 对体液稳定 ； 药物负载量大 ， 释放率高 ， 释放和关闭转化速度快 ； 载体

18、无毒 ， 无排异反应。而聚吡咯膜恰恰满足这些要求 ， 可以作为一种优良的药物释放载体 11。 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6 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。中科院化学所首先报道了聚吡咯膜在离子传感器电极上的应用 ， 证实掺杂 NO3- 、 Cl- 、 Br- 、 ClO-。 聚吡咯膜在水溶液中分别对这些离子浓度具有很好的电位 (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

19、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。此后越来越多的人利用这种方法制备电极 ， 其他多种酶电极如过氧化氢酶等生物酶传感器也得到了广泛的研究。利用聚吡咯膜在接触某些气体和物质后会发生氧化反应 ， 从而引起电导的变化 ， 也可以用作气体传感器 12。因此 ， 聚吡咯膜在离子选择性电极、生物 (酶 )传感器以及电子鼻等是其最有前景的用途之一。 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

20、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。 Pawlizyn和 wu等把聚吡咯膜镀到铂线电极上 ， 对大量极性有机分子进行了固相微萃取实验 ，分别考察了不同掺杂离子的聚吡咯膜对处理效果的影响 ， 并充分证实了聚吡咯膜固相微萃取技术具有有效的富集和分离效果。 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。聚吡咯修饰电极的电催化也是聚吡咯膜最有前景的应 用领域之一 13。聚吡咯膜电化学催化具体有三方

21、面的作用。首先 ， 吡咯膜本身对某些反应就具有良好的电催化作用 ； 其次 ， 可以把具有高催化功能的金属微粒溅射到聚吡咯表面 ， 利用吡咯膜良好的电化学活性做为复合电极进行的电催化 ； 而第 3种研究最广泛的一种电催化方式是通过聚吡咯膜的掺杂和脱掺杂功能 ， 有针对性的掺杂进许多具有对反应物有催化作用的分子或离子 ， 来提供电催化效率和实际应用价值 ， 比如由大环聚阴离子掺杂的聚吡咯膜用于燃料电池电极材料催化甲醇的还原等等。张国权等 14AQDS/PPy膜修饰电极对氧还原为过氧化氢的反应 表现出明显的电催化能力。还原的 AQDS (H2AQ以及 )对氧的两电子还原起主要的电催化作用。与裸 GC

22、电极相 比 ，AQDS/PPy膜修饰电极上氧的还原电位向正电位方向移动 ， 还原电流显著增加。 聚吡咯可以作为 二次电池的电极材料 15。 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。 Tsutsumi等 16在室温条件下利用聚 (N-甲基吡咯 )和二氯化硫制备了具 有五角结构的聚 (N - 甲基吡咯 ) /二氯化硫聚合物7 膜修饰电极 ， 该电极在含有高氯酸的碳酸丙烯酯和 1, 2 - 二甲氧基乙烷的混合有机电解液中

23、呈现良好的电化学响应。在持续充放电的情况下 ， 利用该修饰电极组成的锂二次电池的最大容量为 14. 8 A h /kg， 平均容量为 11. 5 A h /kg。 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涂层用于金属材料的防腐 17。研究表明聚吡咯膜对金属的保护起到钝化和屏蔽作用 ， 提高了金属基体的腐蚀电位 ,降低了腐蚀速率。 2.2.4

24、 聚吡咯功能化 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。 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(Py-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 。

25、 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 18。 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 ， 邓小燕 等人通过 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

26、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 19。 宋诗稳 ， 于浩等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 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 ，

27、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 20。8 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 21，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

28、，可见光透过率在 550 nm 处可达 80%95%22。 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 ， 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

29、粒子主要包括 Fe3O4 、 Fe2O3 、 M 型钡铁氧体和铁酸盐等 23。 金属氧化物具有良好的半导体性质 ， 如 MoO3 、 SnO2 、 Y2 O3 、 Sb2 O6 、 PbO2 、 TiO2 、 MnO2 、ZrO2 和纳米 A12O3 等。将其与纳米 PPy 复合可以制备出具有良好光电性质的新型复合材料。用炭黑吸附化学氧化聚合法制备了 PPy/ 导电炭黑复合材料。导电炭黑的加入不仅提高了材料的电导率( 由原来的 6. 52 S/cm 增加至 13. 42 S/cm ， 而且提高了材料的堆积密度 ， 改善了 PPy 的颗粒形态和制膜加工性能 24。 3 蛋白质直接电化学 蛋白质直

30、接电化学 一直 是研究者非常感兴趣的领域。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 ， 以实现

31、高灵敏度和高选择性的分子传感 25。 目前，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 26。 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 9 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。 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

32、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 27。 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

33、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子转移的研究中具有潜在的应用价值。 4 聚吡咯 功能材料 在 蛋白质研究中 的应用 聚吡咯作为导电聚合物因其易于制备、良好的环境稳定性和较高

34、的导电率被认为是最有商业价值的导电高分子材料之一 ，在 蛋白质电化学研究中 也具有重要的应用。 4. 1 聚吡咯功能材料 对 DNA 的吸附 聚吡咯膜有良好的生物相容性 ， 许多生物大分子在膜上可以 保持功能 ， 甚至有的酶可以在其电化学作用下再生。 Pande 等 28 用透射电子显微镜研究了电聚合聚吡咯膜 ( 掺杂四乙胺 -P-甲基磺酸乙腈 )表面的两种构象对 DNA 的吸附特性 : 精糙表面 ( 聚合生长面 ) 和光滑表面 ( 铂电极表面 ) 。研究表明 ， 在粗糙表面 ， DNA倾向于移动到空隙的内部 ， 且表面所带的电荷也比光滑表面多 ， 所以粗表面聚吡咯膜吸附的 DNA比光表面多。

35、这可能是由于较多的表面积和较高的表面导电性造成的 ， 而10 且粗表面孔洞尺度分布较大 ， 有利于 DNA 进入其深处。 4.2 聚吡咯功能材料对蛋白质的吸附 张治红 29等人本文采用化学氧化聚合法分别制备吡咯与氨基吡咯以及羧基吡咯两种导电共聚物，使导电聚吡咯上带有功能性基团 氨基和羧基。通过调整共聚单体的比例来控制共聚物的化学组成；采用表面等离子谐振仪 (SPR)在位监测牛血清白蛋白 (BSA)在共聚物薄膜上的吸附行为。确定了蛋白质吸附和功能性基团的种类和含量之间的关系。 由于共聚物薄膜上的功能基团的种类和含量不同 ， 导致 BSA 吸附动力学和吸附量的差异 。 可以明显看出 ， 蛋白质更容

36、易在具有高的氨基密度或低的羧基密度的导电聚吡咯薄膜上进行吸附 ， 随着氨基基团含量的增加 ， BSA 在聚 合物薄膜上的吸附量增大 。 相反 ， 随着羧基基团含量的增大 ， BSA 在共聚物薄膜上的吸附量减小 。 通过上述方法 ，可以控制蛋白质在导电聚合物上的吸附行为 ， 进而为构建出更为敏感的、可精确控制的蛋白质芯片奠定基础 。 4.3 聚吡咯功能材料在血红素蛋白质中的直接电化学应用 程发良 30等人 用循环伏安法研究血红素 (Heme)在聚吡咯一十二烷基苯磺酸 (DDSB)修饰电极上的直接电化学。聚吡咯中的吡咯单元可以与血红素中的铁相互作用而使 Fe2+落入卟啉环中，因而聚吡咯修饰电极可以

37、促进血红蛋白的异相电子传递反应。血红素在聚吡咯 -十二烷基苯磺酸修饰电极上发生准可逆氧化还原反应，可以直接观察到明显的氧化 -还原电流信号，并且无明显的变性作用。 5 聚吡咯功能材料在蛋白质研究中的 展望 蛋白质是一类重要的生物大分子 ， 在生命过程中扮演着极其重要的作用。因此，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 ， 同时，对于阐述生物能量传递也具有重要的意义。聚吡咯是一种导电高分子聚合物，具有易于制备，良 好稳定性以及较高的导电率等特点，能够作为修饰电极的材料 ，期望聚吡咯功能材料能够为蛋白质的研究提供一个广阔的平台。 在我们的工作中， 拟合成具有一定功能团的聚吡咯材料，然后将其修饰到电极表面，采用循环伏安 法 等电化学方法研究蛋白质的直接电化学，并结合材料表征手段对合成的功能化聚吡咯材料进行表征 ， 对其机理进行一定研究。 参考文献 1 张治红 ,梁平 ,闫福丰等 .聚丙烯酰吡咯作为蛋白质吸附材料的研究 J. 化学学报 .2009, 67(17):2019-2024. 2 冯晓苗 , 侯 文 华 , 朱 俊 杰 . 导 电 高 分 子 纳 米 材 料 的 制 备 方 法 研 究 现 状 J. 化 工 进 展