基于Fe3O4纳米材料的生物电催化研究
基于Fe3O4纳米材料的生物电催化研究[20200411154923]
摘要
本实验研究血红蛋白(Hb)吸附在石墨电极（GE）上的直接循环伏安和电催化的性能。吸附在石墨电极表面的血红蛋白在0.1M pH=7.0的PBS缓冲溶液中有明显稳定的氧化还原峰，由此可得出石墨电极与血红蛋白之间有直接的电子转移。电子转移速率常数为2.5428s-1，式量电位为-0.3145V（vs.SCE），表面覆盖量r=8.572×10-10mol/cm2，红外和紫外光谱表明，固定在Hb/Fe3O4/DMSO膜中血红蛋白可以保持它原有的活性和功能。热稳定性表明这一修饰好的电极有良好的耐热性能且温度高达75℃，电化学交流阻抗图进一步表征了电极表面的性质。血红蛋白对双氧水有催化还原性。过氧化氢的浓度与电催化的响应呈线性关系，线性范围0.01到0.45μM，检测限为0.00965μM，灵敏度为946mA/M·cm-2，表观米氏常数KMapp为0.4398mM。血红蛋白对苯酚也有催化还原性，包埋在四氧化三铁中的血红蛋白作为新一代的生物传感器有很广泛的应用前景。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:血红蛋白直接电化学生物传感器纳米四氧化三铁双氧水苯酚
目 录
1.引言 1
2.实验部分 3
2.1实验试剂与仪器 3
2.2制备电极 3
2.2.1打磨电极 3
2.2.2配制溶液 3
2.2.3制备六电极 4
2.3 测试方法 4
3.结果与讨论 4
3.1 Hb/Fe3O4/DMSO膜的光谱分析 5
3.2Hb/Fe3O4/DMSO修饰电极的直接电化学行为 6
3.3 pH值对Hb/Fe3O4/DMSO/GE直接电子传递的影响 10
3.4 Hb/Fe3O4/DMSO/GE电极的交流阻抗实验 11
3.5 Hb/Fe3O4/DMSO/GE电极对H2O2的催化 13
3.6 Hb/Fe3O4/DMSO/GE电极对苯酚的催化 15
3.7 Hb/Fe3O4/DMSO/GE电极的热力学稳定性 15
3.8 Hb/MnO2/DMSO/GE电极的重复性 16
结论 18
参考文献 19
致谢 20
1.引言
生物电催化是生物电化学领域中的重要方法，广泛应用于生物燃料电池和生物传感器的研究[]。自1990起，科学家们将生物电催化灵活而有效的应用于环境化学等领域。在染料废水处理[]中得到了应用，电催化得到了研究者们的青睐和关注。
生物传感器[]是由分子识别元件(感受器)和(换能器)组成。分子识别元件是由具有分子识别能力的生物活性物质构成；信号转换器是电化学或光学检测元件[]。它具有分析速度快，选择性高，操作简易和仪器价格低廉等特点。活性良好，结构有序的生物分子膜是实现新型生物传感器的重要因素。生物传感器发展迅速，可分为微生物传感器，组织传感器，免疫传感器，酶传感器，场效应晶体管生物传感器等。
化学修饰电极[]的兴起和发展与许多学科的联系相当紧密，特别是电化学[]。电化学的历史非常的久远，但在研究的方法上还是在电容，电流，电位等方面。化学修饰的电极是由人工制造的表面微结构，它有很多的变化，由此给电极带来了一些的奇特效应和在其他方面的应用的潜在价值引起了人们非常大的兴趣。在分子的基础上人为的设计和制作电极的功能，把酶反应的特异性和化学修饰电极紧密的结合起来，以电化学的方法制作酶电极也是生物电化学传感器的研究方向。根据电极修饰的功能的不同，有可能会在检测限，灵敏度，稳定性等方面带来好的发展，这也有利于酶电极在集成化和微型化方向的发展。
蛋白质[]的直接电化学一直是研究者非常感兴趣的领域。在生物体内蛋白质广泛存在于荷电界面上，而电极作为一种研究荷电界面的模型系统，它可以帮助我们深入地了解蛋白质在生物膜中发生电子传递的分子机制。
血红蛋白(Hb)[]更是一种比较特殊的蛋白质。血红蛋白是生命活动中很重要的物质基础，它传递CO2和O2，成为它维持血液的酸碱平衡的重要原因。血红蛋白分子有四级结构，它主要由是两条α-和两条β-多肽链组成，每条肽链各含有一个血红素辅基作为它的氧化还原活性中心，当血红蛋白处于还原（亚铁）状态时，能够可逆地和一些气体分子（比如O2或CO）结合，血红蛋白在运输O2的过程中并不发生氧化反应，而是仍然处于还原（亚铁）状态。
因为Hb分子它有确定的结构和广泛的分布，所以它的直接电化学行为一直被研究而且还作为模型而被广泛关注。虽然血红蛋白有电活性中心，但是他的空间结构非常的复杂，分子量相当大，电活性中心容易被包埋，很难暴露，而且电极表面会由于Hb分子的强烈吸附而产生钝化，从而阻碍电子的交流，得不到有效的电流响应，Hb分子需要借助特殊电极材料[]或媒介体[]促进电化学反应。
如上面介绍的，因为血红蛋白和电极之间的电子转移比较难，为此研究者们不断寻找合适材料用来实现加快电极表面的电子传递。经过寻找，发现了有无机多孔材料，模拟生物膜，纳米材料，稀土氧化物和生物大分子。比如二氧化铈[]，L-B膜[]，硫化铜微球等。纳米粒子的颗粒或晶粒一般在1~100nm左右。
而本实验采用的纳米Fe3O4颗粒[]具有良好的磁性和表面活性，其化学性质很稳定,催化活性很高，具有良好的耐光性能，耐热性能和对紫外线的屏蔽性能，因此在精细陶瓷、塑料制品、涂料、催化剂[]、磁性材料[]和医学生物工程等方面有广泛应用。纳米Fe3O4悬浊液主要是作为润滑剂和密封剂等方面而被引用。
2008年，张敏等[]用血红蛋白在纳米金修饰电极上的电化学研究，发现了纳米金可以催化血红蛋白的氧化还原，而血红蛋白在电极上的电化学过程是受表面控制的。2006年，林本兰等[]对四氧化三铁纳米粉在水溶液中分散稳定性的研究，发现纳米Fe3O4在水溶液中的分散稳定性和它的性能、含量、分散剂的种类、添加量、分散方法等因素有关。超声处理后的纳米Fe3O4颗粒大部分为球状结构，颗粒分布均匀，具有优良的磁学性能。麦智彬等[]在血红蛋白的直接电化学研究中，发现吸附了血红蛋白的巯基丙酸修饰电极（AuE/MPA/Hb）在PBS中有一对准可逆氧化还原峰，式电位为-0.218V，该峰产生于内部FeIII/FeII点对的氧化还原。求得Hb在AuE/PMA表面的吸附量为（7.82±0.49）×10-13mol cm-2，电子转移速率KS为（0.44±0.02）s-1。
苯酚是一种常见的化学品，是生产某些树脂、杀菌剂、防腐剂和药物的重要原料。苯酚在给人类生产带来好处的同时也给人类带来了危害。在印染、医药、炼油、炼焦、农药等工业废水中都含有酚类化合物，这类废水给环境和人类健康带来了极大的危害[]。2009年，郑倩[]等在镍掺杂钨氧化物电极制备及对苯酚的催化降解研究中发现苯酚在所制备的电极上产生氧化峰，其氧化峰电位0.556V，远小于苯酚在金刚石膜上的氧化电位1.5V，说明该电极对苯酚有更好的催化氧化作用。2007年，干宁[]等在无试剂金胶—半膀胺苯酚传感器研究中测得苯酚的线性范围为2.5μM～5mM，检出限为0.8μM。说明在对苯酚的研究中已经出现了好的成果，但是这还不够，我们需要做的更好。为此本实验对苯酚的催化氧化再次进行了研究。
随着时代的前进，科学技术也随着不断的发展，而血红蛋白作为人体内一个很重要的组成物质也来越被重视。在和纳米粒子结合的基础上制作为生物传感器，对医疗、环境、食品、能源和分析化学方面有着十分重要的理论和实践意义。
2.实验部分
2.1实验试剂与仪器
试剂：血红蛋白（Hb），四氧化三铁纳米粒子(Fe3O4)，二甲亚砜(DMSO)，磷酸二氢钠，磷酸氢二钠，磷酸，氢氧化钠，丙酮，铁氰化钾，亚铁氰化钾，乙醇，三氧化二铝纳米粒子，二次蒸馏水，高纯氮气。
仪器：石墨电极（南京骄远分析仪器有限公司），铂电极，饱和甘汞电极，CHI660C型电化学工作站，TU-1901双束紫外分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），KQ-100B型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司），微量注射器（上海高鸽工贸有限公司），PHS-3C型精密pH计（上海精密科学仪器有限公司），磁力搅拌器，电子分析天平（常熟市衡器厂），NICOLET380傅立叶红外光谱仪，WH-2微型旋涡混合仪。
2.2制备电极
2.2.1打磨电极
在上膜之前，将石墨电极在WAW7（05）金相砂纸上打磨，打磨时将砂纸放在玻璃上且要保持电极与砂纸垂直，肘部要放在桌上，沿着顺时针方向研磨。磨好后再在麂皮上抛光，磨之前在麂皮表面滴加氧化铝悬浊液，打磨一段时间之后使电极表面非常的光滑并呈现出镜面，磨好之后用二次蒸馏水反复冲洗，冲洗后分别放在丙酮溶液中在超声波清洗器中超声洗涤10分钟，再在二次蒸馏水中超声洗涤10分钟，然后取出再用二次蒸馏水反复冲洗，然后放在室温下晾干。
摘要
本实验研究血红蛋白(Hb)吸附在石墨电极（GE）上的直接循环伏安和电催化的性能。吸附在石墨电极表面的血红蛋白在0.1M pH=7.0的PBS缓冲溶液中有明显稳定的氧化还原峰，由此可得出石墨电极与血红蛋白之间有直接的电子转移。电子转移速率常数为2.5428s-1，式量电位为-0.3145V（vs.SCE），表面覆盖量r=8.572×10-10mol/cm2，红外和紫外光谱表明，固定在Hb/Fe3O4/DMSO膜中血红蛋白可以保持它原有的活性和功能。热稳定性表明这一修饰好的电极有良好的耐热性能且温度高达75℃，电化学交流阻抗图进一步表征了电极表面的性质。血红蛋白对双氧水有催化还原性。过氧化氢的浓度与电催化的响应呈线性关系，线性范围0.01到0.45μM，检测限为0.00965μM，灵敏度为946mA/M·cm-2，表观米氏常数KMapp为0.4398mM。血红蛋白对苯酚也有催化还原性，包埋在四氧化三铁中的血红蛋白作为新一代的生物传感器有很广泛的应用前景。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:血红蛋白直接电化学生物传感器纳米四氧化三铁双氧水苯酚
目 录
1.引言 1
2.实验部分 3
2.1实验试剂与仪器 3
2.2制备电极 3
2.2.1打磨电极 3
2.2.2配制溶液 3
2.2.3制备六电极 4
2.3 测试方法 4
3.结果与讨论 4
3.1 Hb/Fe3O4/DMSO膜的光谱分析 5
3.2Hb/Fe3O4/DMSO修饰电极的直接电化学行为 6
3.3 pH值对Hb/Fe3O4/DMSO/GE直接电子传递的影响 10
3.4 Hb/Fe3O4/DMSO/GE电极的交流阻抗实验 11
3.5 Hb/Fe3O4/DMSO/GE电极对H2O2的催化 13
3.6 Hb/Fe3O4/DMSO/GE电极对苯酚的催化 15
3.7 Hb/Fe3O4/DMSO/GE电极的热力学稳定性 15
3.8 Hb/MnO2/DMSO/GE电极的重复性 16
结论 18
参考文献 19
致谢 20
1.引言
生物电催化是生物电化学领域中的重要方法，广泛应用于生物燃料电池和生物传感器的研究[]。自1990起，科学家们将生物电催化灵活而有效的应用于环境化学等领域。在染料废水处理[]中得到了应用，电催化得到了研究者们的青睐和关注。
生物传感器[]是由分子识别元件(感受器)和(换能器)组成。分子识别元件是由具有分子识别能力的生物活性物质构成；信号转换器是电化学或光学检测元件[]。它具有分析速度快，选择性高，操作简易和仪器价格低廉等特点。活性良好，结构有序的生物分子膜是实现新型生物传感器的重要因素。生物传感器发展迅速，可分为微生物传感器，组织传感器，免疫传感器，酶传感器，场效应晶体管生物传感器等。
化学修饰电极[]的兴起和发展与许多学科的联系相当紧密，特别是电化学[]。电化学的历史非常的久远，但在研究的方法上还是在电容，电流，电位等方面。化学修饰的电极是由人工制造的表面微结构，它有很多的变化，由此给电极带来了一些的奇特效应和在其他方面的应用的潜在价值引起了人们非常大的兴趣。在分子的基础上人为的设计和制作电极的功能，把酶反应的特异性和化学修饰电极紧密的结合起来，以电化学的方法制作酶电极也是生物电化学传感器的研究方向。根据电极修饰的功能的不同，有可能会在检测限，灵敏度，稳定性等方面带来好的发展，这也有利于酶电极在集成化和微型化方向的发展。
蛋白质[]的直接电化学一直是研究者非常感兴趣的领域。在生物体内蛋白质广泛存在于荷电界面上，而电极作为一种研究荷电界面的模型系统，它可以帮助我们深入地了解蛋白质在生物膜中发生电子传递的分子机制。
血红蛋白(Hb)[]更是一种比较特殊的蛋白质。血红蛋白是生命活动中很重要的物质基础，它传递CO2和O2，成为它维持血液的酸碱平衡的重要原因。血红蛋白分子有四级结构，它主要由是两条α-和两条β-多肽链组成，每条肽链各含有一个血红素辅基作为它的氧化还原活性中心，当血红蛋白处于还原（亚铁）状态时，能够可逆地和一些气体分子（比如O2或CO）结合，血红蛋白在运输O2的过程中并不发生氧化反应，而是仍然处于还原（亚铁）状态。
因为Hb分子它有确定的结构和广泛的分布，所以它的直接电化学行为一直被研究而且还作为模型而被广泛关注。虽然血红蛋白有电活性中心，但是他的空间结构非常的复杂，分子量相当大，电活性中心容易被包埋，很难暴露，而且电极表面会由于Hb分子的强烈吸附而产生钝化，从而阻碍电子的交流，得不到有效的电流响应，Hb分子需要借助特殊电极材料[]或媒介体[]促进电化学反应。
如上面介绍的，因为血红蛋白和电极之间的电子转移比较难，为此研究者们不断寻找合适材料用来实现加快电极表面的电子传递。经过寻找，发现了有无机多孔材料，模拟生物膜，纳米材料，稀土氧化物和生物大分子。比如二氧化铈[]，L-B膜[]，硫化铜微球等。纳米粒子的颗粒或晶粒一般在1~100nm左右。
而本实验采用的纳米Fe3O4颗粒[]具有良好的磁性和表面活性，其化学性质很稳定,催化活性很高，具有良好的耐光性能，耐热性能和对紫外线的屏蔽性能，因此在精细陶瓷、塑料制品、涂料、催化剂[]、磁性材料[]和医学生物工程等方面有广泛应用。纳米Fe3O4悬浊液主要是作为润滑剂和密封剂等方面而被引用。
2008年，张敏等[]用血红蛋白在纳米金修饰电极上的电化学研究，发现了纳米金可以催化血红蛋白的氧化还原，而血红蛋白在电极上的电化学过程是受表面控制的。2006年，林本兰等[]对四氧化三铁纳米粉在水溶液中分散稳定性的研究，发现纳米Fe3O4在水溶液中的分散稳定性和它的性能、含量、分散剂的种类、添加量、分散方法等因素有关。超声处理后的纳米Fe3O4颗粒大部分为球状结构，颗粒分布均匀，具有优良的磁学性能。麦智彬等[]在血红蛋白的直接电化学研究中，发现吸附了血红蛋白的巯基丙酸修饰电极（AuE/MPA/Hb）在PBS中有一对准可逆氧化还原峰，式电位为-0.218V，该峰产生于内部FeIII/FeII点对的氧化还原。求得Hb在AuE/PMA表面的吸附量为（7.82±0.49）×10-13mol cm-2，电子转移速率KS为（0.44±0.02）s-1。
苯酚是一种常见的化学品，是生产某些树脂、杀菌剂、防腐剂和药物的重要原料。苯酚在给人类生产带来好处的同时也给人类带来了危害。在印染、医药、炼油、炼焦、农药等工业废水中都含有酚类化合物，这类废水给环境和人类健康带来了极大的危害[]。2009年，郑倩[]等在镍掺杂钨氧化物电极制备及对苯酚的催化降解研究中发现苯酚在所制备的电极上产生氧化峰，其氧化峰电位0.556V，远小于苯酚在金刚石膜上的氧化电位1.5V，说明该电极对苯酚有更好的催化氧化作用。2007年，干宁[]等在无试剂金胶—半膀胺苯酚传感器研究中测得苯酚的线性范围为2.5μM～5mM，检出限为0.8μM。说明在对苯酚的研究中已经出现了好的成果，但是这还不够，我们需要做的更好。为此本实验对苯酚的催化氧化再次进行了研究。
随着时代的前进，科学技术也随着不断的发展，而血红蛋白作为人体内一个很重要的组成物质也来越被重视。在和纳米粒子结合的基础上制作为生物传感器，对医疗、环境、食品、能源和分析化学方面有着十分重要的理论和实践意义。
2.实验部分
2.1实验试剂与仪器
试剂：血红蛋白（Hb），四氧化三铁纳米粒子(Fe3O4)，二甲亚砜(DMSO)，磷酸二氢钠，磷酸氢二钠，磷酸，氢氧化钠，丙酮，铁氰化钾，亚铁氰化钾，乙醇，三氧化二铝纳米粒子，二次蒸馏水，高纯氮气。
仪器：石墨电极（南京骄远分析仪器有限公司），铂电极，饱和甘汞电极，CHI660C型电化学工作站，TU-1901双束紫外分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），KQ-100B型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司），微量注射器（上海高鸽工贸有限公司），PHS-3C型精密pH计（上海精密科学仪器有限公司），磁力搅拌器，电子分析天平（常熟市衡器厂），NICOLET380傅立叶红外光谱仪，WH-2微型旋涡混合仪。
2.2制备电极
2.2.1打磨电极
在上膜之前，将石墨电极在WAW7（05）金相砂纸上打磨，打磨时将砂纸放在玻璃上且要保持电极与砂纸垂直，肘部要放在桌上，沿着顺时针方向研磨。磨好后再在麂皮上抛光，磨之前在麂皮表面滴加氧化铝悬浊液，打磨一段时间之后使电极表面非常的光滑并呈现出镜面，磨好之后用二次蒸馏水反复冲洗，冲洗后分别放在丙酮溶液中在超声波清洗器中超声洗涤10分钟，再在二次蒸馏水中超声洗涤10分钟，然后取出再用二次蒸馏水反复冲洗，然后放在室温下晾干。
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