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几个生物/化学催化体系的压电电化学研究

作　者: 谭月明
导　师: 谢青季
学　校: 湖南师范大学
专　业: 分析化学
关键词: 生物/化学催化剂石英晶体微天平(QCM) 电化学石英晶体微天平(EQCM) 电化学噪声(ECN)装置电聚合电沉积酶催化聚合生物传感器生物燃料电池(BFC) 壳聚糖(CS) 漆酶(Lac) 葡萄糖氧化酶(GOx) 过渡金属配合物催化剂
分类号: O643.3
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

生物／化学催化剂修饰电极已广泛用于传感检测、能源和电合成等领域。与化学催化剂相比,生物催化剂通常选择性更好、催化效率更高、反应条件更温和。生物电催化是生物传感和生物燃料电池的重要学科基础,创新和优化酶等生物催化材料在电极上的高效固定方法对实现高效生物电催化至关重要。此外,电化学技术集合成、分离与分析功能于一体,若以电极作为工作平台,建立生物／化学催化体系的表征新方法,对于研究催化反应过程与机理颇具意义。本学位论文中,我们综述了压电传感技术、酶生物传感器、酶生物燃料电池和酶催化聚合的近期进展,采用压电电化学等方法对几个生物／化学催化体系进行了较详细的研究,主要内容如下：1.首次采用电化学噪声(ECN)装置测试了无隔膜葡萄糖／空气生物燃料电池(BFC)和单极葡萄糖BFC的性能。无隔膜葡萄糖／空气BFC的阳极采用明胶-多壁碳纳米管(MWCNTs)固定葡萄糖氧化酶(GOx)和二茂铁,阴极采用聚吡咯-MWCNTs固定漆酶和2,2’-连氮-双(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)二胺盐(ABTS)。在含有40 mM葡萄糖的醋酸缓冲溶液(pH 5.0)中,磁力搅拌下,无隔膜葡萄糖／空气BFC的短路电流为85μA cm-2,开路电压为0.29 V,最大输出功率密度为8μW cm-2。该BFC在100 kΩ外阻负载下,在上述溶液中连续放电15小时,电池输出电流降至初始值的78.9%。经双通道压电石英晶体微天平(QCM)监测,发现电池性能下降主要是因为阴极所固定的电子媒介体ABTS的泄漏所致。单极葡萄糖BFC中,阴极液为酸性KMnO4溶液,阳极液为含40 mM葡萄糖的磷酸缓冲溶液(pH 7.0),阴极室和阳极室间以Nafion 117质子交换膜隔开。以ECN装置测得此电池短路电路为202μAcm-2,开路电压为1.24 V,最大输出功率密度为115μW cm-2,与无隔膜葡萄糖／空气BFC相比,电池输出功率有显著提高。此外,还比较了阳极有无MWCNTs修饰时单极葡萄糖BFC的性能,发现修饰MWCNTs后输出功率提高到未修饰时的1.8倍。ECN装置有望成为研究BFC的一种实时、灵敏而简便的手段。2.通过简便的材料改性,使生物高分子壳聚糖(CS)用于酸性介质中BFC和生物传感研究成为可能。先通过CS和戊二醛(GA)反应制得GA功能化的CS (GAfCS),再与漆酶(Lac)反应形成Lac-GAfCS复合膜。QCM研究表明,该膜在弱酸性溶液中有较好的稳定性。ABTS存在下,Lac-GAfCS-MWCNTs/玻碳电极(GCE)能很好地催化氧气的还原,并研究了催化活性对溶液pH的依赖性。以Lac-GAfCS-MWCNTs/GCE为阴极、GOx-GAfCS-MWCNTs/GCE为阳极、Nafion膜为隔膜,构建了葡萄糖／空气BFC。采用ECN装置测得该BFC最大输出功率为9.6μW cm-2,开路电压为0.19 V,短路电流为114μA cm-2。此外,基于Lac-GAfCS-MWCNTs/GCE在pH 3.0的B-R缓冲溶液中检测了邻苯二酚,线性范围为0.1～50μM,检测限为20 nM。与直接采用GA一锅法交联固定Lac所制(?)Lac-GA-CS和Lac-GA相比,采用大分子交联剂GAfCS(即两步法)对酶活性的影响更小,因而更适合固定酶用于研制BFC和生物传感器。3.在少量交联剂存在下,使酶先键合到壳聚糖,再进行一锅法电沉积,可明显提高酶负载量和所制生物传感器的检测灵敏度(与无预交联的常规CS电沉积固定酶技术相比)。基本的实验流程如下(以模型酶GOx为例)：以低浓度GA(0.08 wt%)将GOx键合到CS链上,再通过电还原过氧化氢以增加电极表面的pH,可电沉积得到CS-GA-GOx复合膜。基于酸碱滴定模型对CS-GA-GOx的电沉积行为进行了理论探讨,采用电化学压电石英晶体微天平(EQCM)技术对电沉积过程进行了实验监测。在0.7 V vs SCE检测电位下,所制第一代酶电极(CS-GA-GOx/Ptnano/Au)的灵敏度高达102μA mM-1 cm-2,是传统电沉积方法(未将GOx连接到CS上)所制CS-GOx/Ptnano/Au电极的13倍。以紫外可见分光光度法测定了有／无GA时、加碱沉淀CS复合物后的上清液中GOx的含量,结果表明GA处理可明显增加沉积复合物中的酶负载量。以电化学方法研究了GA处理对GOx活性的影响,发现该低浓度GA处理GOx几乎不影响酶活性。此外,通过一系列实验,可靠地证明了所提出的预交联方法具有较高的普适性,包括改变预交联方式(1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺(EDC/N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)激活)、电沉积方式(水还原)、传感模式(第二代)、电极面积(5μm半径Pt微电极)及固定酶的种类(碱性磷酸酶)。因电沉积法已广泛用于固定生物大分子,而提高生物大分子的负载量和生物活性一直是重要的科学问题,这里提出的将生物大分子预先连接到电沉积前躯物上并实现高负载量、高活性固定生物大分子的方法有望在生物技术研发方面得到广泛应用。4.通过酶(漆酶Lac)催化聚合途径,合成了新型聚合物-酶-MWCNTs复合物膜并将之用于生物传感和BFC研究。采用紫外光谱、循环伏安法(CV)、QCM和扫描电镜等手段,考察了Lac对多巴胺(DA)的催化氧化和聚合。将DA、Lac和MWCNTs混合溶液滴加在GCE上制备了聚多巴胺(PDA)-Lac-MWCNTs/GCE,该电极检测氢醌的灵敏度达643μA mM-1cm-2,检测限为20nM(S/N=3)。与以苯胺、邻苯二胺和邻氨基酚为聚合底物相比,以DA为聚合底物所制的电极性能更好。将DA、GOx、Lac和MWCNTs混合溶液滴加在Pt电极上制备了PDA-GOx-Lac-MWCNTs/Pt电极,该电极检测葡萄糖的灵敏度达68.6μA mM-1 cm-2。此外,主要通过MWCNTs的吸附效应制备了PDA-Lac-MWCNTs-ABTS/GCE,该电极能有效催化氧气的还原,用作无隔膜葡萄糖／氧气BFC的阴极得满意结果。这种基于酶催化聚合的“绿色”生物固定平台有望用于制备多种多功能纳米聚合物膜,在生物技术和应用领域发挥作用。5.在含有GOx的水溶液中,以Lac催化氧化和聚合去甲肾上腺素(NA)制得复合物,再通过金电极上的电聚合制备了酶膜和葡萄糖生物传感器。采用紫外可见分光光度法和电化学方法研究了Lac对NA的催化氧化行为。0.7V vs SCET下,检测葡萄糖的灵敏度为38μAmM-1 cm-2,检测限为0.4μM。该葡萄糖传感器的性能明显优于传统电聚合法(无预氧化步骤)所制葡萄糖传感器。采用EQCM和紫外光谱法测定了固定化GOx的质量比活性,发现预氧化-电聚合所固定的GOx保持着很高的活性。6.采用双通道EQCM研究了水溶液中普鲁士蓝(PB)薄膜修饰的两金电极上的两电极循环伏安电化学行为,归属了普鲁士白、PB、普鲁士黄三者间的转变过程,以及金基底和PB膜内所夹带的Fe(CN)63-/Fe(CN)64-杂质的氧化还原峰,为UV-Vis光谱电化学实验所支持。考察了两电极体系中PB对过氧化氢的催化还原。此外,还研究了PB粉末的两电极固态电化学。夹在两喷金的铟锡氧化物(ITO)电极间的PB粉末的两电极固态循环伏安图和两PB修饰金电极在水溶液中的两电极循环伏安图相似,说明发生了类似的电极反应。双通道EQCM有望成为研究其他物质或材料的两电极系统电化学行为的高效技术。7.为研究8-羟基喹啉型类锰(Ⅲ)配合物催化剂(Q3MnⅢ)催化烯烃环氧化的机理,采用液相CV和QCM技术研究了Q3MnⅢ、Q3FeⅢ、5-NO2-8-QMnⅢCl和salen-MnⅢCl催化剂。CV和QCM研究表明,六齿配位的Q3MnⅢ催化剂中轴向Mn-O键可被打开而形成羟基,转变为五齿配位结构,Q3MnⅢ催化烯烃环氧化的高催化效率应与Q3MnⅢ催化剂在反应介质中的配位模式转变有关。CV和QCM技术可为液相化学催化过程和机理研究提供大量有用信息,有望在催化科学中获得进一步应用。

全文目录

中文摘要  3-8
ABSTRACT  8-20
第一章绪论  20-40
  1.1.QCM技术及应用  21-24
  1.2.酶生物传感器  24-30
    1.2.1.电流型葡萄糖生物传感器  26-29
    1.2.2.基于漆酶的安培型酚类传感器  29-30
  1.3.酶生物燃料电池  30-34
  1.4.酶催化聚合  34-38
  1.5.本文构思  38-40
第二章电化学噪声装置研究葡萄糖生物燃料电池  40-54
  2.1.引言  40-41
  2.2.实验部分  41-45
    2.2.1.试剂与仪器  41-44
    2.2.2 实验步骤  44-45
  2.3. 结果与讨论  45-53
    2.3.1.循环伏安法、EQCM和ECN装置研究无隔膜葡萄糖/空气BFC  45-52
    2.3.2 单极葡萄糖BFC的性能  52-53
  2.4. 小结  53-54
第三章基于耐酸性漆酶-戊二醛功能化壳聚糖-多壁碳纳米管纳米复合膜的生物燃料电池和酚类传感器  54-71
  3.1.引言  54-55
  3.2.实验部分  55-60
    3.2.1.化学试剂  55-56
    3.2.2.仪器和设备  56-57
    3.2.3.GAfCS的制备  57-58
    3.2.4.酶电极的制备  58-59
    3.2.5.QCM和电化学表征  59-60
  3.3.结果与讨论  60-70
    3.3.1.Lac-GAfCS-MWCNTs/GCE的表征  60-65
    3.3.2.以Lac-GAfCS-MWCNTs/GCE为生物阴极的葡萄糖/空气生物燃料电池的性能  65-67
    3.3.3.酚生物传感器  67-70
  3.4.小结  70-71
第四章基于水相电沉积酶键合壳聚糖的高敏安培生物传感  71-110
  4.1.引言  71-72
  4.2.实验部分  72-77
    4.2.1.仪器与试剂  72-73
    4.2.2.实验步骤  73-77
  4.3.结果与讨论  77-109
    4.3.1.CS-GA-GOx电沉积的理论研究  77-81
    4.3.2.CS-GA-GOx电沉积的EQCM研究  81-85
    4.3.3.CS-GA-GOx/Pt_(nano)/Au用于葡萄糖传感  85-101
    4.3.4.方法的普适性  101-109
  4.4.小结  109-110
第五章漆酶催化多巴胺聚合制备聚合物-酶-多璧碳纳米管生物纳米复合膜用于生物传感和生物燃料电池  110-137
  5.1.引言  110-111
  5.2.实验部分  111-115
    5.2.1.仪器和试剂  111-112
    5.2.2.实验步骤  112-115
  5.3.结果与讨论  115-136
    5.3.1.Lac催化DA的氧化和聚合  115-124
    5.3.2.制备PDA-酶-MWCNTs复合膜用于生物传感  124-131
    5.3.3.PDA-Lac-ABTS-MWCNTs/GCE电极催化氧气还原和生物燃料电池的构建  131-136
  5.4.小结  136-137
第六章漆酶催化氧化-电聚合去甲肾上腺素固定葡萄糖氧化酶用于安培传感  137-151
  6.1.引言  137-138
  6.2.实验部分  138-140
    6.2.1.仪器和试剂  138-139
    6.2.2.实验步骤  139-140
  6.3.结果与讨论  140-150
    6.3.1.Lac催化预氧化NA  140-142
    6.3.2.酶电极的制备和电极性能  142-147
    6.3.3.GOx活性测定  147-150
  6.4.小结  150-151
第七章电化学石英晶体微天平研究普鲁士蓝薄膜的两电极系统伏安行为  151-174
  7.1.引言  151-153
  7.2.实验部分  153-156
    7.2.1.仪器和试剂  153-154
    7.2.2.实验步骤  154-156
  7.3.结果与讨论  156-173
    7.3.1.EQCM研究PB膜的电沉积  156-158
    7.3.2.EQCM研究PB膜的三电极电化学行为  158-163
    7.3.3.EQCM研究PB膜的两电极电化学行为  163-167
    7.3.4.PB修饰电极的UV-Vis光谱电化学行为  167-171
    7.3.5.两电极体系PB膜催化过氧化氢还原  171
    7.3.6.PB膜的全固态两电极CV行为  171-173
  7.4.小结  173-174
第八章 8-羟基喹啉型过渡金属配合物催化剂的压电电化学研究  174-192
  8.1.引言  174-175
  8.2.实验部分  175-177
    8.2.1.仪器和试剂  175-176
    8.2.2.实验步骤  176-177
  8.3.结果与讨论  177-191
    8.3.1.催化剂的结构表征  177-178
    8.3.2.不同催化剂催化苯乙烯环氧化反应  178-179
    8.3.3.催化剂的电化学研究  179-190
    8.3.4.催化剂的压电研究  190-191
  8.4.小结  191-192
参考文献  192-225
缩略语一览  225-228
博士期间发表的相关论文  228-230
致谢  230-231

几个生物/化学催化体系的压电电化学研究

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