血红蛋白直接电化学的界面设计与传感研究进展

收稿日期:2008206213

基金项目:国家自然科学基金(No.30376397,30770549,20805035,90817103)

3通讯联系人:胡胜水,男,教授,博士生导师,研究方向:生物电分析.

第24卷第6期

Vol.24　No.6分析科学学报J OU RNAL OF ANAL YTICAL SCIENCE 2008年12月Dec.2008文章编号:100626144(2008)0620705208

血红蛋白直接电化学的界面设计与传感研究进展

许艳霞1,2,胡成国1,胡胜水31,2

(1.武汉大学化学与分子科学学院,武汉430072;2.传感技术国家重点实验室,北京100080)

摘　要:血红蛋白为人体红细胞中的一种主要蛋白质,是血液中运输氧气的主要物质。

由于其类酶的性质、确定的结构以及分布的广泛性,长期以来一直是氧化还原蛋白质直

接电化学以及生物传感研究的理想模型。近年来,受益于材料科学与信息技术的快速

发展,血红蛋白直接电化学的界面设计以及生物传感已成为当前的研究热点。为此,本

文对近年来这方面的研究进展进行综述。通过介绍血红蛋白直接电化学界面设计的基

本方法以及生物传感的原理和研究现状,以探索今后的发展趋势。

关键词:氧化还原蛋白质;血红蛋白;直接电化学;生物传感器;界面设计

中图分类号:O657.1 文献标识码:A

1　前言

蛋白质是一类重要的生物大分子,在生命过程中扮演着极其重要的作用。研究氧化还原蛋白质的直接电化学不仅可以提供能量转换和代谢过程的生命信息,而且为第三代生物传感器的制备奠定了理论基础。研究生物大分子的电子传递,自然会遇上生物物质电活性中心难以暴露、电子传输缓慢以及失活和电极钝化等诸多难题。因此,必须设计合适的界面和表征方法来解决这类难题。

血红蛋白(Hb )是血液中运输氧气的主要物质,它的辅基血红素的铁原子能与氧分子可逆结合。Hb 分子具有四级结构,是由两条α2和两条β2多肽链构成的四聚体。四条肽链各含有一个血红素辅基,为其氧化还原活性中心。Hb 分子因为结构的确定、分布的广泛一直是研究血红素类蛋白质甚至其它氧化还原蛋白质直接电化学以及生物传感和电催化的理想模型。Hb 直接电化学的研究同样会遇到上述生物大分子电子传递所发生的问题,使得其直接电化学研究具有一定的困难。滴汞电极、膜修饰石墨电极、染料修饰电极、修饰碳纤维电极或氧化铟电极上都能观察到Hb 的电化学行为[1-5],但是Hb 在这些电极上的电化学行为往往不可逆或者电子传递速率极其缓慢。因此,人们在加快Hb 的直接电子传递速率方面开展了很多工作,如寻找不同的电极反应促进剂、使用不同的修饰电极以及特殊的电极材料等,这些工作使人们对Hb 在不同界面上的电子传递机制有了更深刻的认识和理解。其中,使用蛋白质膜技术形成适宜的Hb 电极界面是一种最主要的方法。比如Hb 2生物模拟膜界面、Hb 2纳米粒子界面、Hb 2聚合物膜界面等[6-10]。这些界面不仅能为Hb 提供一个类似于其生物膜的微环境,保持其自然结构和生物活性,而且能阻止杂质以及Hb 变性吸附引起的电极钝化,加速Hb 与电极之间直接、可逆的电子交换反应。本文按照界面材料的不同分别对Hb 在这些电极界面上的直接电化学研究及其传感应用作简要综述。

2　模拟生物膜界面

血红蛋白不能与裸电极之间进行有效的电子传递,其中一个重要的原因就是血红蛋白容易在裸电极表面吸附变性。而模拟生物膜的存在有效地阻止了血红蛋白在电极表面的吸附变性,为Hb 提供了一个

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第6期许艳霞等:血红蛋白直接电化学的界面设计与传感研究进展第24卷

类似于生理条件的微环境,为Hb直接电化学提供了一个很好的研究平台。

在生命体内,类脂和蛋白质共同组成了生物膜。由类脂构成的双分子层是生物细胞膜的基本构成单元,而蛋白质分子吸附在双层生物膜表面或嵌入其内部。类脂属于一种表面活性剂,它具有典型的两亲结构,既有疏水的碳氢长链,又有亲水的极性基团。将某些表面活性剂或磷脂通过吸附、滴涂、共价键合、自组装或LB膜转移等方法引入到电极表面,可在表面形成有序排列的双分子层结构,类似于生物膜,故而称为模拟生物膜。

用于构建稳定的蛋白质2模拟生物膜电极界面的多是一些难溶于水的双链或多链表面活性剂,如溴化双十二烷基二甲基铵(DDAB)、双十四酰基磷酯酰胆碱(DM PC)和双十六烷基磷酸(D H P)等[11-15]。通常有两种方法形成这种蛋白质2模拟生物膜电极界面:(1)在电极表面滴涂含表面活性剂的氯仿溶液,待氯仿挥发后,形成的表面活性剂膜修饰电极可从蛋白质溶液中直接吸附蛋白质;(2)将蛋白质溶液与表面活性剂分散液均匀混合,取该溶液滴涂于电极表面,空气干燥后即可得到蛋白质2模拟生物膜电极界面[16]。

Rusling等[17]将DDAB水分散液与Hb溶液混合滴涂于石墨电极表面得到了Hb2DDAB电极界面。在p H5.5的乙酸缓冲溶液(含50mmol/L NaBr)中,Hb在界面上表现出一对峰形可逆的氧化还原峰,式电位为84±6mV(vs.SH E)。通过Laviron理论[18]计算,Hb在此界面上的电子传递速率常数为2.3±0.4s-1,转换为标准异相电子转移数率常数为4.6±0.8cm・s-1,大于Hb在裸石墨电极以及染料修饰铂电极上的电子传递速率常数[19221]。Hu[22]等探讨了Hb在DM PC2石墨界面上的直接电化学行为。在p H 5.5的乙酸缓冲溶液中,Hb在DM PC界面于-0.26V(vs.SCE)处出现一对可逆的氧化还原峰,对应于Hb的氧化还原中心HbFe(Ⅲ)/HbFe(Ⅱ)的相互转换。差示扫描量热法(DSC)表明此界面上的DM PC 为规则的多层层状结构。其他表面活性剂形成的模拟生物膜2Hb界面也实现了Hb的直接电化学[23-25]。如Wang[24]等使用鸡蛋卵磷脂包埋固定Hb于玻碳电极表面,在形成的界面上可以得到Hb可逆的氧化还原峰。Y in[25]等采用LB膜技术制备了Hb2亚油酸(LA)LB单层膜,并转移到金电极表面,实现了Hb 与金电极之间的直接电子转移。

除了这种双链或多链的表面活性剂以外,表面活性剂与某些离子型聚合物或离子交换粘土等骨架材料通过静电引力相互结合构成的多双层复合薄膜也是一种模拟生物膜。这种复合多双层模拟生物膜不仅保持了多双层表面活性剂模拟生物膜的全部优点,而且由于聚合物或粘土骨架的引入,大大增强了薄膜在水溶液中的坚固性和稳定性。Sun[26]等研究表明DDAB与聚苯乙烯磺酸钠(PSS)组成的复合物(2C12N+ PSS-)能在石墨电极表面上形成模拟生物膜。在p H5.5和p H7.0的缓冲溶液中,Hb在该膜界面上都能表现出可逆的循环伏安行为,其式电位分别为-170mV和-233mV(vs.SCE)。同样,在DDAB2粘土薄膜界面上,Hb也能呈现出一对可逆的氧化还原峰,为HbFe(Ⅲ)/HbFe(Ⅱ)电对的氧化还原峰。这种多双层复合膜界面相当稳定,在空白缓冲溶液中浸泡一个月后其伏安响应仍能基本保持其原来的峰高[27]。

表面活性剂除了形成多双层膜外,还可以形成单层膜[28]。L u[29]等就将一种水溶性的单链表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(C TAB),通过疏水相互作用在碳糊电极表面形成了C TAB单层膜界面,再通过CTAB与Hb之间的静电相互作用吸附Hb并实现其直接电化学。实验证明,Hb在该电极界面形成单分子吸附层,吸附的Hb基本上都能发生直接电子传递。

3　生物材料界面

模拟生物膜是根据表面活性剂以及类脂的两亲性质在电极表面形成类似于生物膜的双分子层结构,蛋白质在这样的膜界面内的电子转移过程,接近于其在生物体内的电子转移过程。活体生物材料如酵母细胞、红细胞等的环境与生理环境更接近,对于研究蛋白质的直接电子传递与理解生命体内电子转移机制有着重要的实际意义。

L u[30]首次将一种活体细胞———酵母细胞用于Hb的界面固定及其直接电化学研究。通过静电吸附作用,Hb可以稳定地吸附在酵母细胞修饰的玻碳电极表面并发生准可逆的电化学反应,且该反应为表面控制的电化学过程。我们课题组进一步研究了将一种纯生物材料血液作为Hb的来源和固定材料,研究了Hb的直接电化学和催化性能[31]。结果表明,Hb在blood/GC电极界面表现出良好的电化学活性和生

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