幾個生物-化學催化體系的壓電電化學研究.pdf

1、生物/化學催化劑修飾電極已廣泛用于傳感檢測、能源和電合成等領域。與化學催化劑相比，生物催化劑通常選擇性更好、催化效率更高、反應條件更溫和。生物電催化是生物傳感和生物燃料電池的重要學科基礎，創(chuàng)新和優(yōu)化酶等生物催化材料在電極上的高效固定方法對實現(xiàn)高效生物電催化至關重要。此外，電化學技術集合成、分離與分析功能于一體，若以電極作為工作平臺，建立生物/化學催化體系的表征新方法，對于研究催化反應過程與機理頗具意義。本學位論文中，我們綜述了壓電傳感技

2、術、酶生物傳感器、酶生物燃料電池和酶催化聚合的近期進展，采用壓電電化學等方法對幾個生物/化學催化體系進行了較詳細的研究，主要內容如下：
　　 ⑴首次采用電化學噪聲(ECN)裝置測試了無隔膜葡萄糖/空氣生物燃料電池(BFC)和單極葡萄糖BFC的性能。無隔膜葡萄糖/空氣BFC的陽極采用明膠-多壁碳納米管(MWCNTs)固定葡萄糖氧化酶(GOx)和二茂鐵，陰極采用聚吡咯-MWCNTs固定漆酶和2,2'-連氮-雙(3-乙基苯并噻唑-6-

3、磺酸)二胺鹽(ABTS)。在含有40 mM葡萄糖的醋酸緩沖溶液(pH5.0)中，磁力攪拌下，無隔膜葡萄糖/空氣BFC的短路電流為85μA cm-2，開路電壓為0.29 V，最大輸出功率密度為8μW cm-2。該BFC在100 kΩ外阻負載下，在上述溶液中連續(xù)放電15小時，電池輸出電流降至初始值的78.9％。經(jīng)雙通道壓電石英晶體微天平(QCM)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電池性能下降主要是因為陰極所固定的電子媒介體ABTS的泄漏所致。單極葡萄糖BFC中，陰

4、極液為酸性KMnO4溶液，陽極液為含40 mM葡萄糖的磷酸緩沖溶液(pH7.0)，陰極室和陽極室間以Nafion117質子交換膜隔開。以ECN裝置測得此電池短路電路為202μAcm-2，開路電壓為1.24 V，最大輸出功率密度為115μW cm-2，與無隔膜葡萄糖/空氣BFC相比，電池輸出功率有顯著提高。此外，還比較了陽極有無MWCNTs修飾時單極葡萄糖BFC的性能，發(fā)現(xiàn)修飾MWCNTs后輸出功率提高到未修飾時的1.8倍。ECN裝置有望

5、成為研究BFC的一種實時、靈敏而簡便的手段。
　　 ⑵通過簡便的材料改性，使生物高分子殼聚糖(CS)用于酸性介質中BFC和生物傳感研究成為可能。先通過CS和戊二醛(GA)反應制得GA功能化的CS(GAfCS)，再與漆酶(Lac)反應形成Lac-GAfCS復合膜。QCM研究表明，該膜在弱酸性溶液中有較好的穩(wěn)定性。ABTS存在下，Lac-GAfCS-MWCNTs/玻碳電極(GCE)能很好地催化氧氣的還原，并研究了催化活性對溶液pH的

6、依賴性。以Lac-GAfCS-MWCNTs/GCE為陰極、GOx-GAfCS-MWCNTs/GCE為陽極、Nafion膜為隔膜，構建了葡萄糖/空氣BFC。采用ECN裝置測得該BFC最大輸出功率為9.6μW cm-2，開路電壓為0.19 V，短路電流為114μA cm-2。此外，基于Lac-GAfCS-MWCNTs/GCE在pH3.0的B-R緩沖溶液中檢測了鄰苯二酚，線性范圍為0.1～50μM，檢測限為20 nM。與直接采用GA一鍋法交聯(lián)

7、固定Lac所制Lac-GA-CS和Lac-GA相比，采用大分子交聯(lián)劑GAfCS(即兩步法)對酶活性的影響更小，因而更適合固定酶用于研制BFC和生物傳感器。
　　 ⑶在少量交聯(lián)劑存在下，使酶先鍵合到殼聚糖，再進行一鍋法電沉積，可明顯提高酶負載量和所制生物傳感器的檢測靈敏度(與無預交聯(lián)的常規(guī)CS電沉積固定酶技術相比)。基本的實驗流程如下(以模型酶GOx為例)：以低濃度GA(0.08 wt％)將GOx鍵合到CS鏈上，再通過電還原過氧化

8、氫以增加電極表面的pH，可電沉積得到CS-GA-GOx復合膜?；谒釅A滴定模型對CS-GA-GOx的電沉積行為進行了理論探討，采用電化學壓電石英晶體微天平(EQCM)技術對電沉積過程進行了實驗監(jiān)測。在0.7 V vs SCE檢測電位下，所制第一代酶電極(CS-GA-GOx/Ptnano/Au)的靈敏度高達102μA mM-1 cm-2，是傳統(tǒng)電沉積方法(未將GOx連接到CS上)所制CS-GOx/Ptnano/Au電極的13倍。以紫外可見

9、分光光度法測定了有/無GA時、加堿沉淀CS復合物后的上清液中GOx的含量，結果表明GA處理可明顯增加沉積復合物中的酶負載量。以電化學方法研究了GA處理對GOx活性的影響，發(fā)現(xiàn)該低濃度GA處理GOx幾乎不影響酶活性。此外，通過一系列實驗，可靠地證明了所提出的預交聯(lián)方法具有較高的普適性，包括改變預交聯(lián)方式(1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亞胺(EDC)/N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)激活)、電沉積方式(水還原)、傳感模式(第二代)、

10、電極面積(5μm半徑Pt微電極)及固定酶的種類(堿性磷酸酶)。因電沉積法已廣泛用于固定生物大分子，而提高生物大分子的負載量和生物活性一直是重要的科學問題，這里提出的將生物大分子預先連接到電沉積前軀物上并實現(xiàn)高負載量、高活性固定生物大分子的方法有望在生物技術研發(fā)方面得到廣泛應用。
　　 ⑷通過酶(漆酶Lac)催化聚合途徑，合成了新型聚合物-酶-MWCNTs復合物膜并將之用于生物傳感和BFC研究。采用紫外光譜、循環(huán)伏安法(CV)、Q

11、CM和掃描電鏡等手段，考察了Lac對多巴胺(DA)的催化氧化和聚合。將DA、Lac和MWCNTs混合溶液滴加在GCE上制備了聚多巴胺(PDA)-Lac-MWCNTs/GCE，該電極檢測氫醌的靈敏度達643μA mM-1cm-2，檢測限為20 nM(S/N=3)。與以苯胺、鄰苯二胺和鄰氨基酚為聚合底物相比，以DA為聚合底物所制的電極性能更好。將DA、GOx、Lac和MWCNTs混合溶液滴加在Pt電極上制備了PDA-GOx-Lac-MWCN

12、Ts/Pt電極，該電極檢測葡萄糖的靈敏度達68.6μA mM-1 cm-2。此外，主要通過MWCNTs的吸附效應制備了PDA-Lac-MWCNTs-ABTS/GCE，該電極能有效催化氧氣的還原，用作無隔膜葡萄糖/氧氣BFC的陰極得滿意結果。這種基于酶催化聚合的“綠色”生物固定平臺有望用于制備多種多功能納米聚合物膜，在生物技術和應用領域發(fā)揮作用。
　　 ⑸在含有GOx的水溶液中，以Lac催化氧化和聚合去甲腎上腺素(NA)制得復合物

13、，再通過金電極上的電聚合制備了酶膜和葡萄糖生物傳感器。采用紫外可見分光光度法和電化學方法研究了Lac對NA的催化氧化行為。0.7 V vs SCE下，檢測葡萄糖的靈敏度為38μA mM-1 cm-2，檢測限為0.4μM。該葡萄糖傳感器的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電聚合法(無預氧化步驟)所制葡萄糖傳感器。采用EQCM和紫外光譜法測定了固定化GOx的質量比活性，發(fā)現(xiàn)預氧化-電聚合所固定的GOx保持著很高的活性。
　　 ⑹采用雙通道EQCM研究

14、了水溶液中普魯士藍(PB)薄膜修飾的兩金電極上的兩電極循環(huán)伏安電化學行為，歸屬了普魯士白、PB、普魯士黃三者間的轉變過程，以及金基底和PB膜內所夾帶的Fe(CN)63-/Fe(CN)64-雜質的氧化還原峰，為UV-Vis光譜電化學實驗所支持?？疾炝藘呻姌O體系中PB對過氧化氫的催化還原。此外，還研究了PB粉末的兩電極固態(tài)電化學。夾在兩噴金的銦錫氧化物(ITO)電極間的PB粉末的兩電極固態(tài)循環(huán)伏安圖和兩PB修飾金電極在水溶液中的兩電極循環(huán)伏

15、安圖相似，說明發(fā)生了類似的電極反應。雙通道EQCM有望成為研究其他物質或材料的兩電極系統(tǒng)電化學行為的高效技術。
　　 ⑺為研究8-羥基喹啉型類錳(Ⅲ)配合物催化劑(Q3MnⅢ)催化烯烴環(huán)氧化的機理，采用液相CV和QCM技術研究了Q3MnⅢ、Q3FeⅢ、5-NO2-8-QMnⅢCl和salen-MnⅢCl催化劑。CV和QCM研究表明，六齒配位的Q3MnⅢ催化劑中軸向Mn-O鍵可被打開而形成羥基，轉變?yōu)槲妪X配位結構，Q3MnⅢ催化烯