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表面活性剂及共聚物凝胶薄膜的电化学表征与研究

吕雪  
【摘要】:氧化还原蛋白的直接电化学研究为深入了解生物体电子转移机理奠定了基础。本文利用多种具有良好生物相容性的材料(表面活性剂、季铵盐类抗菌材料和共聚物凝胶)设计和修饰电极表面,探讨了氧化还原蛋白质的直接电化学性质。这些研究对于构造新型无电子媒介体的第三代生物传感器以及深入了解生物分子电子传递机理具有一定指导意义。 将表面活性剂应用于电化学领域,主要由于其活性高,生物相容性好等特点。本文主要探索了一系列不同乙氧基链长的表面活性剂来修饰电极表面从而固载血红蛋白(Hb),通过紫外光谱法来检测蛋白质自身的生物活性和二级结构是否发生改变。结果表明在固载的过程中没有破坏血红蛋白本身固有的天然二级结构,说明表面活性剂提供了非常好的微环境,同时应用电化学方法考察了在电极表面血红蛋白与表面活性剂的最佳配比,探索蛋白在不同乙氧基链长表面活性剂修饰电极的电化学行为,确定蛋白处于最佳吸附态时表面活性剂的乙氧基链长。表明表明活性剂能够促进蛋白的电活性中心与电极表面之间的电子转移。考察不同的pH对三种不同修饰电极chitosan/Hb/AEO3/GCE、chitosan/Hb/AEO23/GCE和chitosan/Hb/ AEO9/GCE式电位的影响,同时进一步探索了三种修饰电极对过氧化氢的电催化行为。 目前随着人类生活水平的提高,对“抗菌材料”的要求也越来越高,这对整个人类社会都具有重要意义。季铵盐类高分子“抗菌材料”由于具备化学稳定性好、低毒、热稳定性好等特点被人们广泛应用于生物技术、医药及农业领域。因此,高分子抗菌剂的开发和应用是一个很有潜力的研究方向。 本文利用甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)与溴代乙烷、溴己烷、溴代癸烷和溴代十二烷合成不同侧链季铵盐类的高分子。通过FT-IR光谱以及元素分析验证季铵盐单体成功合成。应用季铵盐类材料固载Hb并且实现了蛋白在电极表面的直接电子转移,说明季铵盐类材料具有较好的生物相容性。采用UV-vis光谱监测蛋白的天然二级结构在复合膜中是否发生变化。通过电化学的数据初步说明季铵盐侧链的烷烃链长达到一个最佳值时,固载蛋白量也达到一个最大值。同时考察了季铵盐修饰电极对H2O2的电化学催化性质。从医学角度出发首次将可聚合的季铵盐类材料用于白假丝酵母菌和烟曲霉菌的治疗,并得到良好抑菌效果。 具有高保水度、低毒以及良好生物相容性的水凝胶一直备受关注,目前广泛应用于农业、医学、生物等方面。水凝胶的种类繁多,主要分为pH、温度、离子强度敏感等几类,近几年来水凝胶广泛应用于生物传感器方面。 本文首次利用丙烯酸-丙烯酸聚乙二醇单甲醚共聚物凝胶膜(AA-PEGMAcopolymer)作为固载材料来固载Hb,通过CD与UV-vis结果表明所固载的Hb较好的保持了它们的天然构象,这说明该种材料的生物相容性好。AA-PEGMA共聚物与壳聚糖(chitosan)所构筑的修饰电极不但能够实现Hb的直接电子转移,而且对H2O2表现出较好的电催化性质。该种材料良好的生物相容性,不仅与PEGMA中具有大量的乙氧基基团有关,而且与AA本身较好的导电性相关。观察扫描电镜图可看出蛋白引入后使共聚物的结构由小球状变为蜂巢状,这可能是由于生物分子与共聚物膜之间有一种特殊的作用力,使蛋白牢牢的固载于共聚物中。不仅如此,我们还对AA-PEGMA/Hb/chitosan电极的稳定性和重复性进行了初步探索。 水凝胶力学性质差一直阻碍了其更广泛的应用。本文采用经典的胶束共聚方法首次合成一类新型的疏水缔合水凝胶,以十八醇聚氧乙烯醚丙烯酸酯(AEO-AC)作为疏水单体,与单体丙烯酰胺(AM)在表面活性剂SDS溶液中通过经典方法——胶束共聚的方法制备疏水缔合水凝胶(HA-gels),应用FT-IR光谱对所合成的AEO-AC进行红外表征,结果证实了疏水单体的成功合成。本文以疏水单体和表面活性剂含量变化为两条主线来考察HA-gels水凝胶的机械性能和溶胀性能。当凝胶体系中固定SDS和AM的量,探索疏水单体的变化对凝胶的拉伸性能、模量、断裂伸长率的影响。继续讨论当固定体系内部AEO-AC和AM的含量,考查6种不同凝胶体系中SDS含量的变化对凝胶机械性能方面的影响。这六个凝胶体系得到结论是一致的,随着SDS的增加,拉伸强度都是先升后下降,模量的变化规律一样,而断裂伸长率一直增加。从微观出发,研究了不同含量SDS对HA-gels水凝胶疏水链段长度、有效交联密度和交联点间的网链分子量的影响,并推测表面活性剂与疏水单体在胶束中的最佳结构。另外,还考察了不同含量的SDS以及不同含量的疏水单体对HA-gels水凝胶溶胀性能的影响。 综上,本文利用表面活性剂、季铵盐类表活剂单体、共聚物凝胶作为固载材料固载蛋白,并考察蛋白在修饰电极上的直接电化学及所构造的修饰电极对过氧化氢的电催化性能。同时对新型的疏水缔合水凝胶的力学以及溶胀性能做了比较详细的研究,结果对于AEO-AC型疏水缔合水凝胶的应用起到一定的理论指导意义。总之本文对不同固载材料的研究对于构造新型无酶生物传感器,探索氧化还原过程的动力学与热力学方面机理以及开发力学强度好的水凝胶类固载材料奠定了理论基础。


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