利用碳纳米管独特的一维纳米管状结构、良好的导电性和大比表面积等特性,进一步发展合成碳纳米管-蛋白质/酶组装体系,将为构建理想的新型生物传感器、生物燃料电池等纳米生物电子器件提供重要基础。

上海师范大学  贾能勤

  组成生命体的许多生物物质是荷电的微粒或分子,在生命活动过程中,无论是能量转换、神经传导、光合作用,还是大脑思维、基因传递,甚至生命的起源,都与电子传递密切相关。从某种意义上讲,研究生命过程实质就是研究生物体中的电子传递过程。例如,生物体的呼吸链就是一种典型的由氧化还原蛋白质和酶组成的电子传递体系。由此可见,生命现象的许多过程皆伴随着电子传递反应。

  在生命体内许多涉及氧化还原蛋白质的化学反应都发生在带电荷的生物膜上或其附近,因而其电子的传递必然会受到电场的作用和影响。这种电场的作用和影响与电化学研究中的工作电极表面或其附近的情况十分相似。因此,采用电化学方法研究氧化还原蛋白质和酶等生物大分子的直接电子转移过程是生物电化学和生物学领域一直非常关注的研究问题。

  通过这些研究,首先,可方便地帮助获得蛋白质的内在热力学和动力学性质的重要信息;其次,获得电极物质与具有高催化活性和生物传感特性的蛋白质和酶等生物大分子间结合的动态信息,如在特定的电极表面蛋白质键合特征,电子传递对蛋白质在电极表面的取向的要求等,深入认识蛋白质和酶等生物大分子在生命体内的生理作用和电子传递反应传递机制;再次,在实际应用中也为构筑新型第三代生物传感器和生物燃料电池等生物电子器件提供了重要基础。

  由于蛋白质在电极表面易于吸附,可能造成构象变化和活性丧失,因此,目前主要采取以下一些研究途径通过构筑适宜的蛋白质-电极界面来实现氧化还原蛋白质与电极之间直接电子传递。

  1.生物膜和生物模拟膜电极构筑及蛋白质/酶直接电化学

  在生命体内,类脂双分子层构成生物膜的基本结构单元。类脂具有典型的双亲结构,即疏水的碳氢长链和亲水的极性基团,蛋白质就吸附在生物膜表面或嵌入其内部。我们知道,生物体内很多电子传递蛋白都是膜蛋白,表明生物膜环境有利于蛋白质的电子传递。

  早在1993年,美国Rusling研究小组在基于模拟生物膜薄膜的蛋白质直接电化学方面取得了很大进展。他们把肌红蛋白包埋在双十二烷基二甲基溴化铵多双层表面活性剂薄膜中,其异相电子传递速率比在水溶液中提高了1000倍,这是首次将蛋白质的直接电子传递与模拟生物膜相结合。显然,模拟生物膜能为某些蛋白质提供比其在水溶液中更为有利的微环境,更有利于深埋在多肤链内部的电活性基团接近电极表面,大大促进了它们与电极之间的电子交换,并可保持蛋白质或酶的生物活性。

  从某种意义上讲,蛋白质在模拟生物膜微环境中的电化学行为,很可能更接近于其在生命体内的电子转移过程。因此,氧化还原蛋白质在模拟生物膜电极上的直接电化学研究,对于认识生命体内的电子转移机制和酶的催化机理以及某些重要生命物质在生命体内的代谢过程有重要意义,同时该研究也能为生物传感器的研制提供一条新思路。

  为了提高生物膜修饰电极在水溶液中的稳定性,研究人员提出了多双层复合薄膜方法。多双层复合薄膜也是一种模拟生物膜,它是先将离子型聚合物或离子交换型粘土等骨架材料与成膜的表面活性剂通过静电引力相结合,再将它们在某种溶剂中的分散系涂布到电极表面,依靠自组装作用,待溶剂蒸发后就会在电极表面形成以聚合物或粘土为骨架。表面活性剂分子有序排列的多双层复合物薄膜,如以双十六烷基二甲基溴化铵为表面活性剂,以肝素或硫酸软骨素为聚合物形成的表面活性剂/聚合物薄膜。

  研究还发现天然生物高分子聚合物(如壳聚糖,琼脂等)和人工合成的具有双亲性质的高分子聚合物,既有憎水的碳氢骨架,又有亲水的极性基团,与表面活性剂很相似,故可以将其看作是聚合表面活性剂,而且这些聚合物比表面活性剂有更好的稳定性。一些研究小组报道了血红素类蛋白质在这些聚合物(如壳聚糖,聚磺酸酯等)修饰膜电极上成功实现了直接电子传递,并保持了良好的电催化活性。最近,我们研究小组发现,采用双亲性三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO可用于实现血红蛋白的直接电化学和对过氧化氢的电催化性质。

  2.基于纳米粒子组装体系的蛋白质/酶直接电化学

  随着纳米材料的诞生和纳米科技的发展,纳米材料所具有的独特物理化学性质为生物电化学的研究提供了一条崭新的途径。由于氧化还原蛋白质/酶很难实现在裸露固体电极上的直接电子传递,很大程度上限制了新型无媒介体生物传感器和生物燃料电池的研制。而纳米粒子由于其小尺寸、大的比表面积而具有独特的电子、光学和异相催化等特性及其纳米粒子本身的生物相容性为该研究注入了新活力。

  近年来,通过构筑纳米粒子-蛋白质/酶的组装体系,实现氧化还原蛋白质/酶的直接电化学并在此基础上形成生物传感器成为研究的热点。Natan等首先报道了细胞色素C在金纳米溶胶修饰氧化锡电极表面上的直接电子传递,把金纳米粒子看作是“电子天线”在电极和电解质间的有效传输电子,并且被带负电荷金纳米粒子静电吸引,有利于细胞色素c的活性中心与金纳米粒子表面接近。南京大学陈洪渊院士等报道了蛋白质/酶与纳米粒子的有序组装,将金电极表面通过巯基功能化,随后吸附胶体金微粒,最后将血红蛋白、辣根过氧化物酶等通过静电作用吸附到金纳米粒子表面,实现了其直接电化学响应。

  由此可见,利用纳米粒子在常规电极表面上构筑纳米微结构,即形成类似的纳米电极阵列,纳米粒子使酶分子连接起来,起到“导线”作用;并且由于纳米粒子的小尺寸特点,可插入蛋白质/酶的结构内部,缩短蛋白质/酶分子活性中心与电极表面的距离,从而可进行直接的、无媒介体的电子转移。构建纳米粒子-蛋白质/酶组装体系,并以此为基础开发新型生物电子器件是一个很有发展前景的研究方向。

  3.基于碳纳米管组装体的蛋白质/酶直接电化学

  自从上世纪90年代初Iijima发现碳纳米管以来,由于其具有尺寸小,比表面积大,吸附性能强,电导率高,机械强度高等优异的物理化学性能,因此在工程材料、催化、吸附-分离、储能器件、燃料电池等方面有着广阔的应用前景。近年来,碳纳米管在生物电化学领域的研究受到广泛关注。

  碳纳米管依据其原子结构不同,将表现为金属或半导体,这种独特的电子特性使得它制成电极时能促进电子的传递,并且碳纳米管具有导电性和完整的表面结构,因而它将是一种良好的电极材料。另外,利用碳纳米管对电极表面进行修饰时,将其材料本身的物化特性(如大比表面积,表面易修饰功能化等)引入电极界面,从而对某些特定物质产生特有的电催化效应。基于碳纳米管这些独特的电子和结构性质也决定了其在蛋白质直接电子转移的研究中具有潜在的应用价值。

  Davis等研究发现细胞色素c在碳纳米管上具有较好的可逆电化学响应,并保持了蛋白质良好的生物催化活性。我们小组研究了血红蛋白、葡萄糖氧化酶等在竹节状掺氮碳纳米管上的固定和生物电化学行为,为构建第三代纳米生物传感器奠定了基础。澳大利亚Gooding研究小组等将微过氧化物酶-11共价固定在修饰于金电极的单壁碳纳米管的氧化端口上,实验观察到微过氧化物酶-11的可逆氧化还原行为,这主要归功于碳纳米管起着“电子传输”的桥梁作用。

  因此,利用碳纳米管独特的一维纳米管状结构,良好的导电性和纳米材料的大比表面积等特性,不断发展合成碳纳米管-蛋白质/酶组装体系,将为进一步构建理想的新型生物传感器、生物燃料电池等纳米生物电子器件提供重要基础。