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本论文在电极上构筑了对电活性探针具有刺激响应性的层层组装薄膜和半互穿网络水凝胶薄膜,并将之应用于以探针为电子转移媒介体的基于固定在薄膜中的酶的生物电催化的开关,并探讨了不同薄膜对探针的电化学开关行为的机理。氧化还原酶的电化学研究可以为理解真实生命过程中的电子转移和生物催化提供模型,并为开发新型的可调控的电化学生物传感器提供重要基础。 第一章前言 综述了对环境中不同的物理和化学刺激因素具有敏感响应的材料和薄膜,并特别介绍了刺激响应性薄膜的几种常见的制备方法。简述了氧化还原酶和蛋白质电化学研究的意义及研究历史和现状,并对本论文所涉及到的几种氧化还原酶的结构和功能进行了简单介绍。简要综述了可调控的生物电催化。最后简要介绍了分子逻辑门的相关知识和研究进展。 第二章基于葡萄糖氧化酶和支链化聚乙烯亚胺层层组装薄膜的pH控制的生物电催化开关 将支链化聚乙烯亚胺(BPEI)和葡萄糖氧化酶(GOD)通过静电作用直接在电极表面构筑成为{BPEI/GOD}。层层组装(LbL)薄膜。在{BPEI/GOD}。薄膜电极上,双羧酸二茂铁(Fc(COOH)2)的循环伏安(CV)响应对环境的pH非常敏感。Fc(COOH)2的CV峰电流在pH4.0时很大,而在pH7.0时却大大降低,表现出可逆的pH敏感的开关行为。研究了体系具有pH开关性质的影响因素,一系列的对比实验表明,是薄膜和探针之间在不同pH下的静电相互作用的不同决定了体系的pH敏感的开关性质。这种智能的界面可以用来实现pH控制的生物电催化,即以溶液中的Fc(COOH)2为媒介体、以固定在薄膜中的GOD为酶的对葡萄糖的电催化氧化。这可以为构建新型的pH控制的基于固定化酶的电化学生物传感器奠定基础。 第三章以吸入到弱聚电解质层层组装薄膜中的葡萄糖氧化酶为酶、以二茂铁衍生物为媒介体的pH控制的葡萄糖的生物电催化开关 将带相反电荷的聚丙烯胺(PAH)和透明质酸(HA)作为成膜组分,在电极表面组装{PAH/HA)nLbL薄膜,然后将溶液中的GOD吸入到薄膜内部,表示为{PAH/HA}n-GOD。当将{PAH/HA)n-GOD薄膜电极置于pH5.0含有Fc(COOH)2和葡萄糖的缓冲溶液中时,可以观察到一个较大的循环伏安(CV)氧化峰,这是以溶液中的Fc(COOH)2为探针、以固定在薄膜中的GOD为酶的葡萄糖的电催化氧化峰。但是,当将薄膜置于含有同样浓度的Fc(CooH)2和葡萄糖的pH9.0的缓冲溶液中时,电催化的信号则变得非常小.薄膜体系的生物电催化在。pU5.0时为“开”,而在pH9.0时为“关”,这种pH敏感的开关性质是可逆的,并且可以重复多次.对生物电催化pH开关的可能机理进行了研究和讨论,认为应当归因于薄膜与探针在不同pH条件下的不同的静电相互作用。本工作为实现基于酶吸入型层层组装薄膜的pH控制的生物电催化提供了模型,并可以为发展基于固定化酶的电催化的可调控的电化学生物传感器奠定基础。 第四章基于半互穿网络水凝胶的由酶反应放大和逻辑门控制的pH、糖和温度三重调控的电化学开关 将苯硼酸(PBA)基团接枝到聚丙烯酸(PAA)分子骨架上,形成PAA-PBA聚电解质。利用半互穿网络水凝胶(semi-IPN)聚合的方法将PAA-PBA和聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)(PDEA)固定在电极表面,同时将辣根过氧化物酶(HRP)包埋在薄膜内部,表示为PDEA-(PAA-PBA)-HRP。该薄膜对电活性探针铁氰化钾(K3Fe(CN)6)的CV响应表现出可逆的pH、果糖和温度敏感的开关行为,体系的这种多重控制的CV响应性质可以被进一步用来调控生物电催化,即以溶液中的K3Fe(CN)6为媒介体、固定在薄膜中的HRP为酶对H2O2进行电催化还原。对体系不同的刺激响应机理进行了深入的探讨和研究,一系列对比实验表明,薄膜体系pH敏感的开关性质应当是由于薄膜中的PAA组分在不同pH条件下与探针之间的静电相互作用不同;薄膜的温度敏感性质应当归因于薄膜中PDEA组分随温度改变发生的结构变化;而体系对果糖敏感的行为则是由于PBA与果糖结合后导致薄膜结构发生变化而产生的。这种智能体系可以构建3输入的EnOR逻辑门,从而将薄膜多重敏感的性质和生物电催化的放大作用相结合,应用于化学和生物分子计算。本体系为构建新型的多重控制的电化学生物传感器和生物电子器件提供了新的思路。