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1、 摘摘 要要 21 世纪是生命科学的世纪，生物分子间的电子传递反应是生物体发挥其生物功能的一类重要的化学反应过程。从生命现象的化学本质看，许多生物物质是荷电的微粒或分子，生命活动往往伴随着电荷的运动。如生物体的各种氧化还原反应（如呼吸链、光合链等） ，生物膜上电荷与物质的分离和转移，反应机制以及生物催化等，可以认为生命现象也表现为一种电化学现象。研究生物分子（特别是氧化还原蛋白质和酶）的电子传递反应过程，不仅可以获得其内在热力学和动力学性质的重要信息，而且可以揭示生物体系中电子转移机理、了解生命体内的能量转换和物质代谢、了解生物分子的结构和各种物理化学性质及与功能之间的关系。因此，基于电子传递
2、的监测的电化学酶传感器、纳米电化学传感器、DNA 传感器以及传感器的生物活体检测都受到了越来越多的关注。 本文采用电化学方法，对不同生物分子的电化学行为进行了探讨，并研究了生物电化学传感器的植物活体检测。主要研究内容和结果如下： (1) 借助Co(phen)33+/2+这一电化学指示剂， 采用间接法在DNA修饰电极表面研究了DNA与CdTe QDs之间的相互作用。 研究了CdTe QDs能对dsDNA/Co(phen)33+/2+体系的电化学行为产生的影响。同时，为了排除CdTe QDs对Co(phen)33+/2+自身电化学行为影响带来的干扰， 又采用解离法来研究DNA与CdTe QDs之间
3、的相互作用。 结果表明， 在CdTe QDs存在下，Co(phen)33+/2+从dsDNA上的解离要明显快于没有CdTe QDs存在的情况。在较低盐浓度时，Co(phen)33+/2+从DNA上解离过程的解离常数增加到 2.7 倍，而在较高盐浓度下解离常数只增加到 1.3 倍。依据在较低盐浓度下Co(phen)33+/2+主要以静电方式结合到dsDNA的双螺旋大沟里，而在较高盐浓度下Co(phen)33+/2+主要结合到dsDNA的双螺旋小沟里, 最终得到了CdTe QDs与dsDNA的结合位点可能为dsDNA双螺旋大沟的结论。 (2) 以壳聚糖作为固定基质，将水溶性CdTe纳米颗粒和血红蛋
4、白（Hb）分散在壳聚糖基质里，制备了一种稳定的Hb-CdTe-CS修饰玻碳电极（GC） 。电化学实验表明，Hb在-0.360 V附近有一对较为可逆的氧化还原峰出现， 其电化学行为是一个表面控制的I电化学过程，在该修饰电极上电子传递速率常数为 1.36 s-1，表面覆盖量为 2.62 10-10 mol/m2。傅立叶红外光谱和紫外可见吸收光谱实验表明，Hb在此修饰膜中结构未发生明显改变。 同时， 该修饰电极对H2O2具有良好的催化能力， 在浓度 7.4410-6 6.9510-4 mol/L范围内催化还原电流与溶液中的H2O2的浓度呈线性关系，线性相关方程为i (A) = -0.2159 -76
5、20.60c (mol/L)，相关系数达到 0.995，检测限为 2.2310-6 mol/L。 (3) 在无促进剂条件下，制备了基于超氧化物歧化酶（SOD）的Nafion-SOD修饰金电极。研究了SOD在金电极上的电化学行为，实验表明Nafion能有效防止SOD从电极上的脱落，并且该修饰电极在+0.16 V附近有一对准可逆的氧化还原峰出现，其电化学行为是一个表面控制过程，在该修饰电极上电子传递速率为 0.65 s-1，并且安培实验证明， 该电极能对超氧负离子 （O2-） 进行检测并且检测限达到 0.083 mmol/L， 说明Nafion能有效地保持SOD的活性，并且该电极能够实现对O2-的
6、快速、灵敏检测。 (4) 在铂微柱电极上制备了聚邻苯二胺修饰分散铂颗粒电极， 并利用该电极监测了受到Cd2+胁迫和紫外线A和C胁迫时油菜叶片组织中氧爆发的过程。结果表明，当油菜受到 84.9 mmol/L的Cd2+胁迫时， 产生了三次氧爆发， 时间分别为 3.3、 8.4 和 13.2 小时。而当油菜受到紫外线胁迫后，会产生的两次氧爆发过程，时间分别为紫外照射后 2 小时和 25 小时， 通过产生的峰面积可大致估算由于紫外胁迫所产生的H2O2的量分别约为6.210-10和 3.110-10 mol。该研究成功地建立了一种实时、在体监测植物受到Cd2+胁迫和紫外线A和C胁迫下产生氧爆发的方法，
7、为深入理解Cd2+以及紫外线A和C胁迫对植物的影响及植物相应的防御机制提供了一种简易方便的监测手段。 关键词：关键词： 生物传感器 纳米颗粒 活体检测 DNA 酶 血红蛋白 导电聚合物 IIAbstract The 21st century is the century for life science. The intermolecular electron transfer in organism is an important chemical reaction which plays fundamental role in biological function. From the v
8、iew point of chemistry, many biomaterials are charged particles or molecules, and life are always associated with the movement of charge, such as various redox reactions in organism (respiratory chain, photosynthetic chain), the separation and transfer of substance and charge on membranes, reaction
9、mechanism and biocatalysis. Accordingly, the essence of life is reflected in all kinds of electrochemical phenomena. Studies on the charge transfer process of biomolecules (especially for redox protein and enzyme) not only uncover the information about thermodynamics and dynamics, but also reveal th
10、e electron transfer mechanism, energy transfer, material metabolism, as well as understanding structure, physicochemical properties and relationship between different functions of biomolecules. Therefore, the biosensors based on electron transfer mechanism, such as electrochemical enzyme sensor, nan
11、oelectrochemical sensor, DNA sensor and sensor for in vivo detection, are all attracting more and more attentions. Based on electrochemistry, this thesis investigated the electrochemical behavior of varieties of biomolecules and realized in vivo detection of plant using electrochemical sensor. The m
12、ain research content and results are shown as below: (1) The interaction between dsDNA and CdTe QDs was investigated by an indirect electrochemical method with the assistance of electroactive dsDNA indicator Co(phen)33+/2 (phen=1,10-phenanthroline). Influence of CdTe QDs to the system of dsDNA/Co(ph
13、en)33+/2+ was studied. The results indicated that CdTe QDs had an obvious effect on Co(phen)33+/2+/dsDNA system. Dissociation method was employed for eliminating the influence of CdTe QDs on the signal from Co(phen)33+/2+. It was found that Co(phen)33+/2+ was more easily dissociated from dsDNA modif
14、ied gold electrode (dsDNA/Au) in the presence of CdTe QDs. In relatively low ionic strength Tris buffer (pH 7.0, 5 mmol/L NaCl), the dissociation coefficient constant of Co(phen)33+/2+ in the IIIpresence of CdTe QDs was 3.1 times larger than that in the absence of CdTe QDs, while it was 1.32 times i
15、n relatively high ionic strength Tris buffer (pH 7.0, 50 mmol/L NaCl), indicating that the binding site of CdTe QDs on dsDNA was probably at major groove of dsDNA. This demonstration offers a new approach to illustrate the QDs cytotoxicity mechanism. (2) Biosensor for hydrogen peroxide was fabricate
16、d by co-immobilizing CdTe nanoparticles, chitosan and hemoglobin (Hb) matrix. There was a pair of nearly reversible redox peaks around -0.360V, and the electrochemical behavior of Hb was a surface-controlled process, with electron transfer rate constant of 1.36s-1 and surface coverage of 2.62 10-10 mol cm-2. Fourier transform infrared spectra and UV-Vis spectra indicated that Hb sustained its natural conformation. It was demonstrated that Hb in the matrix kept bioactivity,
