甲硫醇生物传感器的制备及乙醇脱氢酶与辅酶的相互作用研究

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生物传感器,由于其具有价格相对低廉、灵敏度高、特异性好以及操作性强等优点,在医疗、工业与环境分析领域具有重要应用,例如甲硫醇与乙醇生物传感器。本论文的研究工作主要关注基于乙醇氧化酶与乙醇脱氢酶的生物传感器的构建。  本论文中,我们研究了基于碳印刷电极的H2O2最优化检测方法,并在此基础上发展了基于乙醇氧化酶的甲硫醇生物传感器;同时,探讨了不同的乙醇脱氢酶生物传感器构建策略,并研究了乙醇脱氢酶与辅酶的相互作用机理。取得的主要结果如下:  1.制备了五种基于实验室自制碳材料印刷电极(homemade screen printedelectrodes,hSPEs)的修饰电极,并分别分析了其对H2O2的电流响应性能。其中,包埋了以金属锇为电子中介体的辣根过氧化物酶(Os-wired Horseradishperoxidase,Os-HRP)修饰的hSPEs(Os-HRP/hSPEs)所使用电势较低,而且对H2O2的检测是最灵敏的,可以得到最低的检测限,是对H2O2检测的最佳选择。  2.在O2的参与下,H2O2是氧化酶类催化氧化反应底物得到的产物之一。为定量分析目标底物,如甲硫醇,因此,可使用电化学氧化或者还原法,对酶促反应产物H2O2进行检测。基于上述对H2O2的电化学检测的条件最优化探索,本论文使用Os-HRP/hSPEs修饰电极与乙醇氧化酶构建甲硫醇电化学生物传感器。使用紫外可见分光光度法表征了乙醇氧化酶催化氧化甲硫醇的产物,并同时对催化氧化甲硫醇的酶促反应动力学过程研究进行了初步探索;在碳印刷电极上修饰了双酶构建甲硫醇电化学生物传感器(AOX/Os-HRP/hSPEs),其后对生物传感器的条件进行了优化。该生物传感器在水相中对甲硫醇的检测限为0.2μM,比文献报道的数值低两个数量级。  3.使用还原石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)与壳聚糖(chitosan,CHIT)混合物作为乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase,ADH)固定的基体,探讨了三种安培型乙醇生物传感器的构建。分别为使用电化学法对还原型辅酶NADH进行直接电化学检测的生物传感器rGO-CHIT-ADH/pSPE以及基于酶催化产物NADH与氧化态PMS反应生成H2O2,而后使用电化学法对H2O2进行检测的两种生物传感器rGO-CHIT-ADH/Au与rGO-CHIT-ADH/PB/pSPE。生物传感器rGO-CHIT-ADH/pSPE对乙醇检测较为灵敏、快速。  4.运用红外光谱法研究乙醇脱氢酶与辅酶的相互作用行为。NAD+的烟酰胺部分与NADH的腺嘌呤部分的红外谱峰强度,分别在NAD+或NADH与乙醇脱氢酶成键后,有较为明显的变化。而NAD+或NADH的所有部分:烟酰胺、腺嘌呤、磷酸与核糖部分,都涉及到与乙醇脱氢酶的相互作用。以上结果主要为蛋白的氨基酸残基与辅酶基团的氢键相互作用。而后,使用石英晶体微天平或者电化学石英晶体微天平法,更加深入研究了ADH与辅酶的相互作用过程。ADH与NAD+相互作用可形成弱亲和力的二元复合物,与NADH相互作用则形成强亲和力的二元复合物。在AHD、NADH与乙醇三者同时存在时,可形成非活性三元复合物;而在电化学法NADH转化为NAD+后,非活性的三元复合物转变为活性的三元复合物,酶催化反应进行。  本论文发展了基于乙醇氧化酶的甲硫醇生物传感器,对甲硫醇在食品、环境中的分析检测具有重要价值。同时,本论文探讨了基于乙醇脱氢酶的乙醇生物传感器的构建策略,并首次使用电化学石英晶体微天平法研究了乙醇脱氢酶与辅酶的相互作用过程,对认识乙醇脱氢酶的催化机理具有重要意义。
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