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实验三十 碳纳米管组装血红蛋白的直接电化学 和对过氧化氢的电催化研究

实验三十 碳纳米管组装血红蛋白的直接电化学 和对过氧化氢的电催化研究. 一、研究背景. 1 、血红蛋白（ Hemoglobin, Hb ）. 由两条 α 和两条 β 多肽链构成的四聚体. 分子结构庞大，电活性中心不易暴露. 在电极表面的吸附造成蛋白构象变化和丧失活性 以及电极表面的钝化. 在一般固体电极的电子传递速率很低，电子传递受阻. 电子传递媒介体、促进剂、特殊电极材料. 加速 Hb 的电子传递. 2 、血红蛋白直接电子转移的意义： 获得有关蛋白质或酶的热力学和动力学性质等重要信息。

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实验三十 碳纳米管组装血红蛋白的直接电化学 和对过氧化氢的电催化研究

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  1. 实验三十碳纳米管组装血红蛋白的直接电化学和对过氧化氢的电催化研究实验三十碳纳米管组装血红蛋白的直接电化学和对过氧化氢的电催化研究

  2. 一、研究背景 1、血红蛋白（Hemoglobin, Hb） 由两条α和两条β多肽链构成的四聚体

  3. 分子结构庞大，电活性中心不易暴露 • 在电极表面的吸附造成蛋白构象变化和丧失活性 以及电极表面的钝化 在一般固体电极的电子传递速率很低，电子传递受阻 电子传递媒介体、促进剂、特殊电极材料 加速Hb的电子传递

  4. 2、血红蛋白直接电子转移的意义： 获得有关蛋白质或酶的热力学和动力学性质等重要信息。 Hb结构已知、价廉，被选作探讨生物大分子电化学行为的理想模型，用于开发新型生物传感器和生物反应器。 了解其在生命体内的电子转移机理和生理作用机制。 3、血红蛋白结构类似于辣根过氧化物酶，有很高的类似过氧化物酶的催化活性。

  5. 二、实验目的 1．了解模拟生物膜Hb-MWNT-Nafion的制备方法 2.实现血红蛋白 (Hb)直接电子传递 2．学习Hb-MWNT-Nafion膜修饰玻碳电极对过氧化氢的电催化行为和催化机理 4．掌握测定血红蛋白催化过氧化氢的米氏常数的测定方法

  6. 三、实验原理 1、Hb的直接电子转移 Hb在一般固体电极的电子传递速率很低，电子传递受阻 将Hb直接吸附固定在经羧基化处理的多壁碳纳米管（MWNT） 和聚四氟乙烯（Nafion）薄膜中 实现Hb的直接电子转移

  7. 2、血红蛋白对H2O2的催化 2Fe2+（ferro） + H2O2 → 2Fe3+（ferro） + 2OH- Fe3+ （ferro）+ e → Fe2+ （ferro） ferro-卟啉

  8. 3、米氏常数的测定 • 米氏常数(Km) 等于酶促反应达到其最大速率一半时的底物浓度[S] • 表示酶和底物之间的亲和能力，Km值越大，亲和能力越弱 稳态条件下，类似于酶促反应的电催化过程，根据 Lineweaver-Burk方程可得 以1/i~1/[S] 作图，利用斜率和 截距可以计算出米氏常数

  9. 四、实验步骤 1、玻碳电极的预处理和循环伏安表征 • 预处理：玻碳电极用0.05μm的Al2O3粉抛光成镜面， 依次用无水乙醇及蒸溜水超声洗净，晾干。 • 循环伏安表征 扫描速率：100 mV/s 电位范围：+0.6 ~ −0.20 V 方法：线性扫描法 扫描方式：循环 灵敏度：3 要求：峰峰距ΔEp,<80mV 电解质：1.0mM K3Fe(CN)6 0.1M KCl 混合液 （通氮除氧15min以上） 工作电极：玻碳电极 参比电极：饱和甘汞电极 对电极：铂丝电极

  10. 超声分散 2、纳米组装血红蛋白修饰电极的制备 0.5mg羧基化的MWNT、 4mg Hb中加入500μL水以溶解Hb， 100μL 0.5%Nafion溶液，再加入500 μL 无水乙醇，超声1h。 （由老师完成） 10μL 分散液滴涂于电极表面， 晾干，得Hb-MWNT-GCE 。 不加MWNT以相似方法制得Hb-GCE。 Hb-GCE为对照电极（对照电极每大组每种各1支）

  11. 170℃ 4h 冷却至室温 3、可溶性（即羧基化的）多壁碳纳米管的制备及表征 1000~2000 rpm 离心3min 去离子水洗涤到 pH值5~6 110℃烘箱干燥1h。 （由老师完成） 20mg MWNT 30mL 30% HNO3 红外灯下恒重 红外表征 ， 与未处理的MWNT对照。

  12. 4、血红蛋白的直接电化学 • 在电解池中放入25.00mL （或10.00mL）0.1M pH=7.0 的 磷酸缓冲溶液，通氮除氧15min以上。 • 分别以Hb-MWNT-GCE、Hb-GCE为工作电极， 记录循环伏安曲线。 观察底液中是否有氧化还原峰 参数： • 扫描速率：100 mV/s • 电位范围：从+1.0 ~ −1.5 V • 方法：线性扫描法 • 扫描方式：循环 • 灵敏度：3

  13. 5、过氧化氢的催化 • 加入25 μL 1mol/L H2O2溶液, 使电解池中H2O2的浓度为1.0 mmol/L。 • 分别以Hb-MWNT-GCE、Hb-GCE为工作电极， 记录循环伏安曲线。 • 观察氧化峰和还原峰哪个更大。 • 参数：（扫描速率：100 mV/s 电位范围：从+1.0 ~ −1.5 V • 方法：线性扫描法 扫描方式：循环 灵敏度：3） • 分别以Hb-MWNT-GCE、 Hb-GCE 为工作电极，记录阴极线性扫描伏安曲线。测出阴极峰电流 ipc，比较3条曲线ipc的大小。 • 参数：（扫描速率：100 mV/s 电位范围：从+1.0 ~ −1.5 V • 方法：线性扫描法 扫描方式：单向 灵敏度：3）

  14. 6、米氏常数的测定 • 在电解池中加入25.00mL 0.1M pH=7.0 的磷酸缓冲溶液， 通氮除氧15min以上。 • 以Hb-MWNT-GCE为工作电极，依次加入25 μL 1mol/L H2O2溶液，使电解池中H2O2的浓度分别为0、1.0、 2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 mmol/L， 每加一次分别记录阴极线性扫描伏安曲线，测出阴极峰电流ipc。 • 参数： • 扫描速率：100 mV/s • 电位范围：从+1.0 ~ −1.5 V • 方法：线性扫描法 • 扫描方式：单向 • 灵敏度：3

  15. 五、数据处理 1、比较分别以Hb-MWNT-GCE、Hb-GCE为工作电极时，阴极线性扫描伏安曲线ipc的大小。 2、以1/ipc对1/[H2O2]作图，求出米氏常数。

  16. 六、注意事项 1、 玻碳电极表面要处理干净，否则会阻碍修饰膜的 电子传递 。 2、 缓冲溶液中的空气要彻底排除，防止氧气对过氧 化氢的催化干扰。

  17. 七、结果与讨论 1、比较处理前后多壁碳纳米管的FT-IR谱图并解释 水溶性原因 2、血红蛋白修饰电极上的直接电化学行为讨论 3、Hb-MWNT-CS和Hb-CS修饰电极对过氧化氢催化 电流大小的比较及讨论 4、探讨血红素蛋白质对过氧化氢的催化机理

  18. 八、思考题 1、纳米材料在电极表面修饰层内作用和原因是什么 2、试说明米氏常数Km的生物学意义

  19. 九、参考文献 [1] 李燕，高艳芳，刘俞辰，周宇，刘进荣.血红蛋白在二氧化铈修饰电极上的直接电化学[J].化学学报，2010,68(12):1161-1166. [2]吴益华. 血红蛋白固定在Ti0.865O2纳米片层间的直接电化 学和电催化[J]. 上海第二工业大学学报. 2010, 27(1): 1-6. [3] 张敏，程发良，蔡志泉，姚海军. 血红蛋白在纳米金修饰 电极上的电化学研究[J]. 化学研究与应用，2008, 20(7):872-875. [4]冶保献,周性尧.血红蛋白在裸银电极上的直接电化学及其 分析应用[J]. 高等学校化学学报,1996,(1)

  20. 实验报告格式与要求 格式： 一、研究背景 二、实验目的 三、实验原理 四、实验步骤 五、注意事项 六、结果与讨论 七、思考题 八、参考文献 • 要求：电子版 参照学院毕业论文格式（独立完成）

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