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1、1亚硒酸钠在 L半胱氨酸自组装类生物 膜修饰电极上的电化学行为作者：温金凤 朱爱花 崔胜云【摘要】 利用 L 半胱氨酸自组装膜修饰金电极（L Cys,Au/SAMs）, 在 0.05mol/L H2SO4 底液中研究了 Na2SeO3 的电化学特性。在 0.001.30 V (vs. SCE) 电位范围内对微量 Na2SeO3 进行循环伏安扫描，发现 L Cys, Au/SAMs 修饰电极在峰电位 0.89 V 处有灵敏的 Se 的氧化溶出峰。通过比较裸金电极和修饰电极在Na2SeO3 溶液中的电化学特性发现，修饰电极通过巯基中的 S 与 Na2SeO3 发生氧化还原作用生成 Se，且修饰电极
2、对沉积在电极表面的 Se 的氧化过程具有催化作用。根据 Na2SeO3 在单分子膜上的电化学行为，提出了单分子膜中硫（Au S）与 Se 作用生成 Se 的反应机理、Se 电化学催化氧化机理及巯基化合物通过生成纳米硒生物吸收 Se 的类生物膜模型。 【关键词】 L 半胱氨酸, 亚硒酸钠, 修饰电极, 纳米硒，伏安法 引言半胱氨酸残基的巯基与 Na2SeO3 的相互作用研究多集中于还原型谷胱甘肽(GSH)的巯基和 Na2SeO3 的相互作用1,2。因为 Na2SeO3 的生物利用过程须通过与 GSH 的巯基相互作用的代谢途径完成3。Na2SeO3 的生物利用过程是通过与细胞内 GSH 的巯基跨膜
3、氧化还原作用，依次把 Se 还原成硒代谷胱甘肽(GS Se SG)和 SeH4。一部分 SeH4 经磷酸化过程生物合成硒蛋白来被生物体利用，还有一部分经甲基化排泄到体外。上述代谢模式中值得关注的是： (1)2Na2SeO3 对生物体而言是外源性的，它与细胞质内 GSH 的巯基间的跨膜氧化还原反应是生物利用硒的最重要的反应;（2）细胞质内的巯基和胞外的 Na2SeO3 经跨膜氧化还原作用，在细胞内生成不同价态的硒的化合物。这种胞内含硒作用产物的多样性决定了硒的生物学功能的多样性。近年来，在均相的液相体系中 Na2SeO3 被巯基等还原型基团作用后生成的纳米级红色元素硒受到人们的关注4。Kessi
4、 等5研究细菌 Rhodospirillum rubrum时发现，亚硒酸盐与该细菌作用时，细胞内生成红色纳米硒，且这种纳米硒通过细胞膜外排,也可被细胞跨膜吸收。文献6,7通过动物实验对红色纳米硒的生物活性进行了证实。尽管目前对红色纳米硒的生物化学反应机理未作详细的阐明，但红色纳米硒的跨膜吸收或外排及其生物活性作用与细胞内含量最丰富的 GSH 的巯基相互作用密切相关。因此，设计一种仿生界面来研究 Na2SeO3 在巯基相联的电极界面上的电化学作用，对揭示生物利用硒的机理及硒在生物体内的活性形态都有重要意义。L 半胱氨酸自组装膜(L Cys Au/SAMs)修饰电极是分析化学研究的热点之一。这种巯
5、基构成的单分子膜对仿生界面上巯基与各种生物活性物质在氧化还原过程中的电子传递过程、分子识别和选择性响应等生物电化学过程具有可模拟性8。由于 L Cys Au/SAMs 中的硫原子与电极表面直接相连，当电极上发生电化学反应时，硫原子起到电子传递媒介体的作用。因此，电活性生物活性物质在单分子膜上的电化学特性间接反映了这些活性物质与硫原子相互作用的特性。本实验利用L Cys Au/SAMS 修饰金电极为工作电极，利用循环伏安法（CV）比较研究了Na2SeO3 在裸金和修饰电极上沉积 Se 和 Se 氧化溶出过程中的电化学特性，探3讨了电极表面 S 和 Se 的作用机理及修饰电极对 Se 的氧化溶出过
6、程中的催化机理，并提出了 Na2SeO3 与 GSH 通过氧化还原作用跨膜吸收 Se 的类生物膜模型。2 实验部分2.1 仪器与试剂EG G Model 273 电化学系统（美国），铂电极为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，金盘电极和 L Cys Au/SAMs 修饰电极为工作电极。 L 半胱氨酸和 Na2SeO3(Sigma 公司)，实验用水为三次蒸馏水。2.2 L Cys Au/SAMs 修饰电极的制备2用金相砂纸将金电极表面磨光，依次用 0.1 和 0.05 m Al2O3 粉末将金电极表面抛光，用水清洗后，放入 Piranha 溶液（V(30H2O2)V(H2SO4)=13）中
7、浸泡 15 min，然后分别用无水乙醇、蒸馏水超声清洗 5 min，置于 0.02 mol/L L 半胱氨酸中，通氮除氧 10 min 后，在氮气氛中浸泡 24 h 即得。3 结果和讨论3.1 Na2SeO3 在裸金电极和 L Cys Au/SAMs 修饰电极上的电化学性质为比较 L Cys Au/SAMs 单分子膜及 Na2SeO3 在该单分子膜修饰电极上的电化学特性，在 0.001.30 V（vs. SCE）电位范围内，分别考察了裸金电极和 L Cys Au/SAMs 修饰电极在 0.05mol/L H2SO4 底液和含有一定浓度 Na2SeO3 溶液的该底液中的 CV 特性，结果见图。在
8、 H2SO4 底液中，裸金电极在 1.15 V 处出现明显的金氧化电流(图A)，在 Epc=0.89 V 处出现电极表面生成的金的氧化物的还4原峰。当金电极表面修饰了 L 半胱氨酸单分子膜后(图B)，除了上述金和金的氧化物的氧化、还原峰有明显增加之外，从 0.83 V 开始先于金的氧化有明显的氧化电流，当电位负向扫描时，0.33 V 处有另外一个还原峰出现。电极修饰后的这两个额外的氧化还原电流是由于电极表面单分子膜(Au S)中的硫在外加电位的作用下, 氧化吸附和吸附物还原所致。L Cys Au/SAMs 修饰电极在同样的条件下连续两次 CV 扫描，在第二圈扫描时，0.89 V 处开始的氧化电
9、流随扫描次数的增加而减小（图B（2），而峰电位在 0.33 V 的还原电流无明显变化。说明 Au S 的硫发生氧化作用后其产物可能没有以氧化脱附的形式离开电极表面来破坏单分子膜，而是以硫的氧化物的形式吸附并滞留在电极表面上，当电位还原扫描时这些吸附的氧化物重新还原产生 Epc=0.33 V 处的还原电流。据文献9，L 半胱氨酸中的硫具有较活泼的氧化还原作用。因此，修饰电极上吸附在金电极上的硫在正电位下可在电极表面氧化成次磺酸、亚磺酸、磺酸等不同价态的衍生物，这种衍生物都具有较活泼的羟基，易在电极表面发生氧化 吸脱附反应1。本实验条件下，单分子膜上的硫在较正的电位下主要进行如下的氧化 吸脱附反应
10、：（ads）+H2ORSOH+H+e（ads）e式中 R 表示半胱氨酸有机基团部分，RS(ads) 表示巯基在金电极表面生成的单分子膜。该反应中，单分子吸附层RS(ads)首先氧化脱附生成次磺酰化的半胱氨酸，然后氧化产物中的羟基在正电位下进一步氧化并吸附在金电极表面上。该氧化吸附反应导致图B 中始于 0.89 V的氧化吸附电流的生成。当电位向负向扫描时，吸附物还原产生 Epc=0.33 V 处的还原电流。当修饰电极连续两次 CV 扫描时，单分子膜中的硫的氧化吸附电流明显减小，而还原电流无大的变化，说明次磺酰化的氧化产物在第一圈 CV 扫描时已牢牢吸附在电极表面。当溶液中含有 10 mol/L
11、Na2SeO3 时，裸金电极在峰电5位 1.03 V 处观察到较负电位区沉积在金电极上的 Se 的阳极溶出峰（图C）。Andrew 等11指出，Se 是在负电位驱动下以单分子膜的形式沉积在裸金电极表面上的。而在修饰电极上（图D（1）, Se 的溶出电流较裸金电极明显增加，而且峰电位负移 0.04 V，说明修饰电极对 Se 的氧化溶出具有催化作用。当修饰电极第二圈 CV 扫描时（图D(2)），0.99 V 处的阳极溶出电流急剧减小，可能是由于单分子层的硫的氧化导致这种催化作用减小的缘故。 图 裸金电极(A，C) 和修饰电极(B，D) 分别在 0.05 mol/L H2SO4 溶液和含有 10 m
12、ol/L Na2SeO3 的溶液中的CV 图（略）Fig. Cyclic voltammograms of naked (A，C) and modified electrode(B, D) in 0.05 mol/L H2SO4solutions containing 10 mol/L Na2SeO3电极在 CV 扫描之前在 0.00 V (vs. SCE)处静置 1 min（Electrode stand still at 0.00 V (vs. SCE) for 1 min bofore CV scan）。3.2 还原电位对 Se 溶出峰电流的影响在 0.01.30 V 电位范围内（图），
13、裸金电极和修饰电极在 CV 扫描起始阶段较负电位区均可被还原电位驱动使 Se 还原成 Se 并沉积在电极表面上，又因修饰膜表面的硫（Au S）具有还原性，故修饰电极也可能在无还原电位驱动下通过Au S 与 Se 发生氧化还原作用并沉积 Se。为了探讨还原电位对 Se 的沉积的影响，渐次改变还原电位处起始电位记录了 CV 图并与裸金电极的结果进行了比较（见图）。图 修饰电极（AC）和裸金电极（AC）在含有 10 mol/L Na2SeO3 的0.05 mol/L H2SO4 溶液在不同的起始电位时的 CV 图（略）6Fig. Cyclic voltammograsm of modified el
14、ectrode(AC) and naked gold electrode(AC) obtained with different initial potentials in the solutions of 0.05mol/L H2SO4 containing 10 mol/L Na2SeO3A，A的起始电位(nitial potentials)： 0.2 V; B，B的起始电位(nitial potentials)： 0.6 V; C，C的起始电位(nitial potentials)： 0.8 V。由图可见，起始电位在 0.20.8 V 内，修饰电极在峰电位 0.99 V 处都能观察到 S
15、e 的溶出峰（图 3 AC）；当起始电位大于 0.6 V 时，裸金电极上未观察到 Se的溶出峰。此结果说明，裸金电极上 Se 的沉积是还原电位驱动所致，而修饰电极即使无还原电位驱动也通过电极表面的 S 原子与 Se 作用生成 Se。3.3 L Cys Au/SAMs 修饰电极上 Se 的沉积和催化溶出机理文献12,13指出：GSH 的巯基在生物体内和体外均可与 Se 通过氧化还原作用经硒代过硫化物（GS Se SG）生成不稳定的硒代谷胱甘肽阴离子（GS Se），该阴离子在质子作用下易歧化成 Se 和 GSH。本实验发现，联接到 L Cys Au/SAMs 修饰电极表面上的 S 原子与 Na2S
16、eO3 通过自发的氧化还原作用也能使 Se 还原成 Se。根此可推测 L Cys Au/SAms 修饰电极上 Na2SeO3 还原成 Se 的作用机理为图解所示。图解 1 单分子膜上的硫与亚硒酸作用生成纳米级的 Se 的机理（略）Scheme 1 Mechanism of formation of elemental selenium by redox reaction between sulfur on monolayer and selenite修饰电极与 Se 之间是通过 Au S 界面上的 S 原子与 Se 的氧化还原反应传递电子的。Na2SeO3 在溶液中与电极表面的 S 发生作用并与电极表面的 S 结合生7成类似于硒代过硫化物中间产物 。中间产物 中的 Se 进一步还原成硒代半胱氨酸阴离子 ，阴离子 是很不稳定的中间态物质，故易发生岐化反应生成 Se 并沉积在电极表面。这种反应在单分子膜修饰电极表
