可開關(guān)的生物電催化與生物傳感

胡乃非，宋韶靈，姚惠琴,2

（1.北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京，100875）

（2.寧夏醫(yī)學(xué)院化學(xué)系，寧夏銀川，750004）

酶在電極上的直接或間接電化學(xué)反應(yīng)是構(gòu)筑生物傳感器的重要基礎(chǔ)，而實現(xiàn)可控的或可開關(guān)的生物電催化，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)可開關(guān)的生物傳感器的構(gòu)筑，近年來已引起研究者日益強烈的興趣。在生命體內(nèi)，酶的電子轉(zhuǎn)移是一個極其復(fù)雜的過程，受到各種條件和因素的影響。這些因素使得酶的電子轉(zhuǎn)移和催化作用在生命活動中有選擇地發(fā)生或者不發(fā)生，在一定條件下可以被“開啟”，而在另一條件下又可以被“關(guān)閉”，表現(xiàn)出明顯的“開關(guān)性質(zhì)”。因此，用電化學(xué)方法在體外研究酶在電極上的開關(guān)行為，也可以為探討在真實生命過程中如何調(diào)控酶的電子轉(zhuǎn)移和生物催化提供模型。近年來，該文課題小組在這方面進行了一系列嘗試[1～7]。

采用旋轉(zhuǎn)涂布技術(shù)將支鏈化聚乙烯亞胺(BPEI)和聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)通過靜電作用力層層組裝 (LBL)在電極表面，構(gòu)筑了BPEI/｛PSS/BPEI｝nLBL薄膜。雙羧酸二茂鐵(Fc(COOH)2)在此薄膜電極上的CV響應(yīng)對測試溶液的pH非常敏感，在 pH4.0 時“開”，即信號很大，而在 pH7.0 時“關(guān)”，即信號很小。且該開關(guān)性質(zhì)是可逆的，可反復(fù)多次。薄膜和探針之間的靜電相互作用在薄膜體系的pH開關(guān)行為中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此pH開關(guān)性質(zhì)可以用來調(diào)控以Fc(COOH)2為媒介體的葡萄糖氧化酶(GOD)對葡萄糖的電化學(xué)催化氧化。

采用電化學(xué)誘導(dǎo)自由基聚合的方法在電極表面合成聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAm)薄膜。PNIPAm薄膜在伸展態(tài)與塌縮態(tài)之間的相變對環(huán)境溫度和Na2SO4濃度非常敏感，并可以通過羧酸二茂鐵(Fc(COOH))探針的CV響應(yīng)進行監(jiān)測。在不含Na2SO4的25℃的溶液中，薄膜對探針表現(xiàn)為 “開”；而當(dāng)溫度升至35℃時，薄膜表現(xiàn)為“關(guān)”。類似地，也可以觀察到PNIPAm薄膜對探針溶液中Na2SO4濃度敏感的可逆的開關(guān)性質(zhì)。溫度和Na2SO4濃度對此薄膜開關(guān)行為的影響并不是各自獨立的而是具有協(xié)同效應(yīng)的。PNIPAm薄膜的溫度和Na2SO4濃度雙因素刺激響應(yīng)的性質(zhì)可以用來調(diào)控以Fc(COOH)為媒介體的GOD對葡萄糖的電化學(xué)催化氧化反應(yīng)。

利用Con A和Dex二者的特異性相互作用可以在電極表面構(gòu)筑 ｛Con A/Dex｝5LBL薄膜，這里Con A為伴刀豆球蛋白，Dex為葡聚糖。然后再在薄膜表面實現(xiàn)包裹有辣根過氧化物酶(HRP)的N,N-二乙基丙烯酰胺(PDEA)的水凝膠的化學(xué)聚合，從而形成｛Con A/Dex｝5-(PDEA-HRP)薄膜。 該薄膜表現(xiàn)出對探針Fe(CN)63-可逆的對pH、溫度和鹽濃度敏感的CV開關(guān)行為。這種三重刺激響應(yīng)型薄膜體系可以進一步應(yīng)用于實現(xiàn)三控的可開關(guān)的生物電催化，即以Fe(CN)63-為媒介體、以固定在電極表面的HRP為酶催化劑的H2O2的電化學(xué)催化還原。該體系對pH敏感的特性取決于內(nèi)層的 ｛Con A/Dex｝5層與探針之間在不同pH條件下的靜電相互作用，而該體系對溫度和鹽濃度敏感的特性則取決于上層PDEA-HRP中PDEA水凝膠在不同刺激條件下的結(jié)構(gòu)變化。

（略）