基于硼掺杂金刚石电极研究Aβ与金属离子的相互作用

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近年来,化学修饰电极在电分析化学领域受到了人们的极大关注,将化学修饰电极用于生命科学现象和环境的研究已是当今化学的重要研究领域。阿尔茨海默病(Alzheimer’sdisease,AD),是一种发病率几乎与年龄成对数关系的进行性神经退化疾病。AD的两个定义性病理标志是大脑皮层中β-淀粉样蛋白(Amyloid-βpeptide,Aβ)的纤维化沉积和活性氧物种积聚。Aβ的沉积与金属离子-Aβ的相互作用有关,其相互作用机理的研究在近十多年来进展迅猛,已成为AD分子机理的主流研究方向之一。由于电化学反应和生物反应的相似性使之可模拟生物体内发生的氧化还原反应机制获得其他方法无法得到的信息,因此利用修饰电极监测电活性物质间的相互作用是电分析化学一个研究热点。化学修饰电极可利用电催化反应以提高测定的选择性和灵敏性,测定小分子化合物是电分析化学的又一个研究热点。正是基于以上考虑,本文重点探索和研究了应用化学修饰电极探讨Aβ与金属离子的相互作用,同时还研究了将化学修饰电极应用于测定环境污染物邻苯二酚和对苯二酚。  硼掺杂纳米金刚石薄膜作为新型碳素类电极材料应用在生物电分析方面有诸多优势:电化学稳定性高,电化学势窗宽(3.5V),背景电流低,生物兼容性良好。具有氧化还原活性的Cu(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)会诱导Aβ聚集、催化产生活性氧物种,这两种现象是AD最显著的病理特征。我们采用化学气相沉积法合成具有优良电化学特性和生物兼容性的硼掺杂会刚石电极薄膜,然后用于研究β-淀粉样蛋白(Aβ(1-42),Aβ(1-16),Aβ(H-N)和Aβ(Y-F))与Cu(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的相互作用。实验中主要采用原子力显微镜研究了Cu(Ⅱ)或Fe(Ⅲ)存在下Aβ(1-42)和Aβ(1-16)的聚集行为,应用循环伏安法探讨了Cu(Ⅱ)或Fe(Ⅲ)与不同Aβ片段和定点突变氨基酸位点的Aβ的电化学性质的变化,同时辅助紫外可见光谱和荧光光谱来检测作用后Aβ的结构变化,以确定两者相互作用时的键合位点及氧化还原位点。  实验结果表明:Cu(Ⅱ)会促进Aβ的聚集,但是聚集状态并非纤维状,Aβ(1-16)-Cu(Ⅱ)为相对规则的圆球体,Aβ(1-42)-Cu(Ⅱ)为杂乱的聚集态。组氨酸参与了Aβ与Cu(Ⅱ)的键合,但Aβ中酪氨酸的取代对于二者的相互作用影响不大,酪氨酸不是Aβ-Cu(Ⅱ)配合物中的O配体。实验还表明Cu(Ⅱ)被还原为Cu(Ⅰ)并非来自于Aβ中氨基酸的还原作用。Fe(Ⅲ)促进Aβ(1-42)形成原纤维状聚集体,同时会促进Aβ(1-16)聚集为较规则的圆球体。酪氨酸是Aβ与Fe(Ⅲ)络合的作用位点,但与Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)不同,Aβ中组氨酸的取代不影响Aβ-Fe(Ⅲ)的相互作用。Aβ(1-42)中的第35位的蛋氨酸会还原Fe(Ⅲ)为Fe(Ⅱ)。  选取相比碳纳米管在外石墨层拥有更多的边缘活性位点,更好的分散性和湿润度的碳纳米纤维并充分利用纳米金高导电率的优势,制成纳米金/碳纳米纤维修饰电极。采用扫描电镜和交流阻抗技术对修饰电极表面进行了表征,并采用循环伏安法和微分脉冲伏安法研究了对苯二酚和邻苯二酚在纳米金/碳纳米纤维修饰电极上的电化学行为,两者的氧化峰电位差达112mV,当混合溶液中存在150μM对应的同分异构体时,邻苯二酚的氧化峰电流与浓度(5.0~350μM)呈线性关系,检出限为0.36μM(S/N=3),对苯二酚的氧化峰电流与浓度(9.0~500μM)呈线性关系,检出限为0.86μM(S/N=3)。
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