两种功能化纳米金粒子固酶电极的催化性能

以合成的4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子和聚乙烯基吡啶包覆纳米金粒子分别作为固酶载体,制备了2种新型固酶电极,在此基础上组装了2种酶燃料电池。采用电化学方法结合紫外可见分光光度法、透射电镜技术等手段研究了固酶载体的形貌,酶-载体间相互作用对电极表面固定酶分子的光谱学性质,酶-电极间直接电子迁移能力和催化底物反应性能的影响,进一步评估和比较了两种酶燃料电池的能量输出性能。实验结果表明：4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子固酶基电极可以实现酶-电极间的直接电子迁移而且对葡萄糖和氧气具有良好的催化性能(催化反应起始电位分别为-0.03和0.96 V,底物转化频率分别是1.3和0.5 s^-1),其催化性能的重现性、长期使用性能、酸碱耐受性和热稳定性良好,随着自组装固酶层数的增加,催化性能随之增强直至达到极限催化电流;电池性能测试结果表明4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子固酶基燃料电池的开路电压为0.88 V,最大输出能量密度：864.0 μW·cm^-2,长期使用性能优异(储存3 周后仍可达到最佳能量输出的80%以上)。     

L-半胱氨酸/漆酶修饰的纳米金阴极对氧还原的电催化

以四氯金酸和L-半胱氨酸为原料,合成了L-半胱氨酸功能化纳米金粒子,将此纳米粒子修饰在金盘电极表面并共价偶联漆酶分子。 以循环伏安法研究了此固定漆酶电极在无氧磷酸盐缓冲液中电化学行为和催化氧还原能力,并进一步评估了其作为氧传感器使用的性能：以计时电流法测定其对氧气的检测限,与氧气的亲和力（以米氏常数表征）,研究了传感器的长期使用性、热稳定性和pH-催化电流关系。 结果表明,此固定漆酶电极可以实现漆酶活性中心T2与导电纳米粒子间的直接电子迁移而无需任何外加电子中介体（氧化还原峰的式电位为192.5 mV vs AgCl/Ag）,并在接近漆酶活性中心T3氧化还原式电位（780 mV vs NHE）附近发生氧还原;测得的固酶电极与氧气的亲和力较高（米氏常数为216.4 μmol/L）且检测限低达0.22 μmol/L,在4 ℃下保存60 d后活力仍然保持初始活力的大约78%。 但这种电极的热稳定性较差,受pH值影响较明显,在pH值近于生理条件时几乎完全丧失活力。     

壳聚糖-g-N-羧甲基-2-硫代-4，5-2H咪唑啉酮的制备及其抑菌性能

以2-溴乙酸、壳聚糖、2-硫代四氢咪唑啉酮为原料,合成了不同接枝率的壳聚糖-g-N-羧甲基-2-硫代-4,5-2H咪唑啉酮（CTS-g-CSIDZ）,并对其理化性质进行了考察。用络合滴定法测定了该聚合物对Cd²⁺,CrO4^2-,Fe³⁺,Cu²⁺,Pb²⁺等重金属离子的吸附作用;进行了聚合物的悬菌定量实验,测定了接枝聚合物对一系列细菌的抑制能力;采用失重法研究了合成的聚合物在1mol/L HCl溶液中对N80钢片腐蚀的抑制作用。结果表明,部分接枝的CSIDZ比小分子化合物具有更高的对测试的多数金属离子吸附作用的热稳定性;接枝CSIDZ具有较强的抑菌效果,最小抑菌浓度为5.10 g/L;接枝CSIDZ比小分子缓蚀剂具有更高的热稳定性,在90 ℃时对N80钢片的缓蚀效率仍然可以达到71.1％,且用量仅为小分子化合物CSIDZ的1/2。     

固定漆酶聚苯胺-CoC2O4纳米复合物修饰电极的直接电化学

采用循环伏安法、微分脉冲伏安法、交流阻抗谱以及计时电流法等电化学方法,结合红外光谱、紫外-可见分光光度法、原子力显微镜、透射电子显微镜以及原子吸收光谱等辅助手段,表征了固定漆酶的聚苯胺-草酸钴纳米复合物的化学组成、结构和形貌,测试了纳米复合物固酶前后的导电性能的变化,研究了纳米复合物修饰电极上固定漆酶的直接电化学行为,评估了该电极的催化氧还原效能以及作为电化学传感器检测氧分子的性能。实验结果表明该电极在不含电子介体的溶液中以酶活性中心T2作为首要电子受体,将得到电子传递给化学吸附的氧气使其被电还原,其表观电子迁移速率为0.017 s~(-1),且具有良好的催化氧还原性能(氧还原起始电位:460 m V vs NHE,转化氧分子为水的表观速率常数为2.6×10-4 s~(-1)),酶电催化氧还原为水分子步骤为反应的速控步。该电极作为电化学传感器对氧具有极低检测限(0.20μmol·L~(-1)),宽线性响应范围(0.4~7.5μmol·L~(-1))以及对底物高亲和力(KM=122.4μmol·L~(-1))等优势。     

漆酶在纳米金溶胶/多重壁碳纳米管复合载体上固定方法的比较及粒子尺寸效应

以纳米金溶胶(NGS)和多重壁碳纳米管(MWCNTs)的共混物(NGS/MWCNTs)作为固定漆酶的载体,研究了3种固定漆酶方法在酶固定量、比活力上的差异。研究了不同的固定方法对固定酶热稳定性和重复使用性及纳米金溶胶颗粒粒径对酶固定量和固定酶动力学参数的影响。实验结果表明,NGS/MWCNTs具有良好的固定漆酶能力和高固酶比活力,NGS/MWCNTs(NGS粒径37nm)通过简单物理吸附法固定漆酶的量和固酶的比活力最高,分别可达33.80mg/g和9.433U/mg。在NGS/MWCNTs上采用化学键合方法固定的漆酶在70℃放置2h后仍然保持初始活力的75%,重复使用20次后仍保持初始活力的70%。纳米金溶胶粒子越小(24nm),底物和固定漆酶间亲和力越好(KM=0.027mmol/L),表观速率常数越大。     

高分子聚合物-多壁碳纳米管复合物固定漆酶及其在玻碳电极上的直接电子迁移

采用不同结构的高分子聚合物与纯化的多壁碳纳米管(MWCNTs)共混的方法,制备得到聚合物非共价功能化多壁碳管复合物,测定了这些载体对漆酶(lac)的担载量、固定漆酶的比活力及稳定性.以固定漆酶的复合物修饰玻碳(GC)电极后,采用循环伏安法研究这些电极在无氧磷酸盐缓冲液(PBS)中的直接电化学行为及催化氧还原活力,粗略地测定了固定漆酶与电极间电子转移的速率常数.实验结果表明,当聚合物中含亲漆酶基团或能与漆酶活性中心发生相互作用的官能团时利于直接电子转移,而且复合物固定漆酶保持了游离漆酶的天然构象.这些电极中,lac/NIPAM-co-BPCP-M WCNTs/GC(NIPAM-co-BPCP:N-烯丙基-1-苯甲酰基-3-苯基-4,5-2H-4-甲酰胺基吡唑-co-N-异丙基丙烯酰胺)在无氧PBS中发生直接电子转移的式电位(605mV)更接近漆酶活性中心的式电位(580mV),具有较快的异相电子转移速率(0.726s-1),较高的漆酶担载量(103.5mg/g)和固定漆酶比活力(1.68U/mg),较高的催化氧还原能力(氧还原起始电位820mV,在650mV时的催化峰电流为85.5μA)以及良好的重复使用性和长期使用性.     

两种功能化纳米金粒子固酶电极的催化性能

以合成的4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子和聚乙烯基吡啶包覆纳米金粒子分别作为固酶载体, 制备了2种新型固酶电极, 在此基础上组装了2种酶燃料电池。采用电化学方法结合紫外可见分光光度法、透射电镜技术等手段研究了固酶载体的形貌, 酶-载体间相互作用对电极表面固定酶分子的光谱学性质, 酶-电极间直接电子迁移能力和催化底物反应性能的影响, 进一步评估和比较了两种酶燃料电池的能量输出性能。实验结果表明:4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子固酶基电极可以实现酶-电极间的直接电子迁移而且对葡萄糖和氧气具有良好的催化性能(催化反应起始电位分别为-0.03和0.96 V, 底物转化频率分别是1.3和0.5 s^-1), 其催化性能的重现性、长期使用性能、酸碱耐受性和热稳定性良好, 随着自组装固酶层数的增加, 催化性能随之增强直至达到极限催化电流;电池性能测试结果表明4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子固酶基燃料电池的开路电压为0.88 V, 最大输出能量密度:864.0 μW·cm^-2, 长期使用性能优异(储存3 周后仍可达到最佳能量输出的80%以上)。     

介孔碳掺杂氮材料-壳聚糖固定漆酶电极的直接电化学行为及化学传感性能

以壳聚糖和介孔碳氮材料共混所得复合物为固定漆酶的载体,将固酶复合物滴涂在裸玻碳电极表面并干燥后,得到固定漆酶基阴极.考察了此电极在不含底物的电解质溶液中的直接电化学行为,同时还研究了其对氧气还原反应的催化性能和电极的长期使用性、重现性和力学稳定性.在此基础上还考察了此电极作为氧气电化学传感器的性能.研究结果表明,介孔碳氮材料-壳聚糖固定漆酶修饰电极能在无任何电子中介体条件下,实现漆酶活性中心T1与电极之间的直接电子转移,而且能在较高的电位下实现氧气的电还原.此电极催化氧还原的起始电位约为860 mV,氧还原的半波电流密度约为78×10-6 A/cm2.这种漆酶基电极的重现性良好且具有优异的长期稳定性,但力学稳定性较差.此电极对氧的传感性能良好:检测限低达0.4 μmol/L,灵敏度高达(67.9×10-6A·L/mmol),具有良好的对氧亲和力(KM =764.0 μmol/L).     

4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子固定葡萄糖氧化酶/漆酶基燃料电池性能

以4-巯基苯甲酸修饰纳米金粒子作为固酶载体和导电基体构建了新型纳米结构固酶葡萄糖/O₂燃料电池,其制备简单,长期使用性能稳定。利用纳米金粒子通过表面修饰基团和酶分子活性中心附近疏水结合位之间的相互作用固定葡萄糖氧化酶(GO_x)和漆酶(Lac)分子,分别制备了固酶阳极-4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子固定葡萄糖氧化酶修饰金盘电极GO_x/4-MBA@GNP/Au和固酶阴极-4-巯基苯甲酸功能化纳米金粒子固定漆酶修饰金盘电极Lac/4-MBA@GNP/Au。电化学实验结果表明,两种电极在不引入任何外加电子中介的条件下,均可以实现酶活性中心-纳米金粒子之间的直接电子迁移,而且具有较快的催化反应能力(固酶阳极和阴极的转化速率分别为1.3和0.5 s^-1;催化葡萄糖氧化和氧气还原的起始电位分别为-0.23和0.76 V)。评估了固酶阳极和阴极组装成的纳米结构固酶葡萄糖/O₂燃料电池的能量输出性能。该燃料电池在没有Nafion薄膜和阳极无N₂气保护下,开路电压和最大输出能量密度分别可达0.56 V和760.0 μW/cm²,使用一周后输出能量密度仍然可以达到最初值的~88%。进一步测试结果显示,该燃料电池呈现出与游离漆酶类似的pH依赖关系和热稳定性,这些实验结果均暗示:影响整个酶燃料电池性能的关键在于漆酶基阴极催化氧还原的过程。此外,这种燃料电池的性能虽然受到共存干扰物抗坏血酸的影响,但在人类血清中测试结果显示其仍然具有较高的输出能量密度(132.0 μW/cm²,开路电压0.40 V)。本文研究结果给出了设计高性能葡萄糖/O₂燃料电池的新思路,同时也为研究固酶燃料电池的构效关系提供了实验依据和有价值的启示。     

紫外-可见分光光度法和计时电流法测定酶催化2,6-二甲氧基苯酚氧化反应的米氏常数

设计了一个使用不同方法测定酶催化反应动力学参数的综合性实验,即分别使用紫外-可见分光光度法和计时电流法测定固载在天然高分子衍生物包覆磁性纳米粒子上的漆酶催化酚类氧化反应的米氏常数KM。实验结果表明,2种方法测定所得的KM没有显著性差异,但计时电流法操作更简便、更迅速,测定结果具有更高的精密度。更重要的是,相对于紫外-可见分光光度法,计时电流法测定酚类浓度具有更为良好的重现性和更小的误差,是一种在线测定酚类含量的便捷方法。