中文标题微通道中蛋白质吸附的流动电势研究英文标题 Study of Protein Adsorption in the Microfhiidic Channels Using Streaming Potential目录摘要 3Abstracts 41. 引言 51・1•蛋白质分子概述 51・2•蛋白吸附研究近况 61・3•研究蛋白吸附常用的技术 71.4流动电势法研究蛋白质吸附概述 72 材料与方法 92. 1. 实验仪器与试剂： 92. 2.实验内容 102. 2. 1.毛细管预处理 102. 2.2.离子种类影响 102. 2.3. pH 影响 102.2.4. 蛋白浓度的影响 112. 2.5.内壁涂层方法 113 •结果与讨论 113. 1.离子种类的影响 113. 2.不同pH条件下BSA溶液的吸附 123. 3.蛋白浓度的影响 153.4. 毛细管表面的影响 174. 结论 235. 参考文献 24致谢 27摘要：本论文利用自行组建的基于虚拟流动电势测量装置，研究了牛血清白蛋白（BSA）在 石英毛细管内的吸附引起的流动电势变化，讨论了不同pH、蛋白浓度以及不同毛细管表面涂 层对BSA吸附的影响。
实验发现BSA吸附前后流动电势的改变（AE）与蛋白质的电荷、毛 细管壁状态等密切相关，在溶液pH低于BSA的等电点（pl=4.7）时AE明显增大，在pH=6〜 9时，BSA吸附前后的AE相对稳定同时BSA浓度对吸附后的流动电势有明显的彫响，达到 平衡时，BSA的浓度越高，吸附前后AE也越大本论文还发现在涂了氨基硅烷（KH・550）和聚 苯乙烯涂层（PS）的毛细管表面上蛋白吸附速度快，吸附层更加稳定本结果对研究蛋门质 吸附过程、设计生物相容性材料和消除蛋白质的非特异性吸附等有一定参考意义关键词：流动电势；BSA；吸附；石英毛细管；涂层Study of Protein Adsorption in the Microfluidic Channels UsingStreaming PotentialZhang yuan Supervisor : QS PuLanZhou University College of Chemistry 730000Abstracts： The thesis describes a study of the change of streaming potential across fused silica capillaries caused by the adsorption of bovine serum albumin (BSA) with a home -made streaming potential measurement device. Influence of pHs, BSA concentrations, and coatings on BSA adsorption was investigated. The results show that the changes of streaming potential (AE) are highly dependent on the charge status of BSA and capillaries.. AE is relatively stable in the pH range of 6-9, while it increases when pH is lower than the isoelectric point of BSA (pl=4.7). The concentrations of BSA have prominent influence on AE , higher concentration gives higher AE before it gets saturated. It is also found that BSA adsorption is quicker and stronger when the capillaries are coated with aminopropyl triethoxysilane(KH-550) and polystyrene The results obtained here is useful for applications such as study of protein adsorption, design of biocompatible materials and elimination of non-specific adsorption of proteins.Key words: Streaming potential； BSA； Adsorption； Fused silica capillary； Coating1-引言1・1•蛋白质分子概述蛋白质是由多条肽链组成的大分子结构，每个肽链由不同的氨基酸序列组成，而肽链Z 间则通过二硫键和氢键以及范德华力维持其三维结构。
组成肽链的氨基酸通过肽键连接，形 成一个肽键只用一个氨基和竣基，而有些氨基酸有一个以上的氨基或竣基，故肽链表而至少 会有一个自由氨基或竣基，其表面带正电荷或负电荷，是一种两性电解质同肽链一样，蛋 白质也属于两性电解质，根据所处溶液pH和组成蛋白氨基酸种类的不同，蛋白质表面净电荷 可正可负蛋白质分子具有复杂的空间立体结构，多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性 结构形成蛋白质的二级结构(Secondary structure),主耍有a ■螺旋、B ■折叠、B ■转角等，在 此基础上，由一级结构中相距较远的肽段Z间的儿何相互关系及骨架和侧链在内的所有原子 的空间排列构成蛋白质的三级结构(tertiary structure)＞亚基和亚基Z间通过疏水作用等次级 键结合成为有序排列的特定空间结构则是蛋白质分子的四级结构(quaternary structure)o本实验中选择的蛋白是牛血清白蛋白(BSA),血清白蛋白是血清中含量最丰富的蛋白⑴, 据报道其在血浆中含量约为3. 4〜4. 8g/lOOmL,占血液中总蛋白质含量的50〜60%,其分子量 为66. 3KDO人和牛的血浆白蛋白都是由585个氨基酸残基组成的单条肽链蛋白质。
其分子内 有大量极性氨基酸，所以血浆门蛋白有很高的溶解度其平面图和三维立体图见图1 (a、b) L5DOMAfJIIXXXXODOOCOCCOCk, L.XXXXOOOOOOQOO^DOMAIN IL6L8DOMAIN IIL3awo^cq^00030000^图1 BSA的平面结构和立体结构1・2•蛋白吸附研究近况蛋白在固体表而的吸附有有利的方而，同时也有不利的方而在皮肤和组织的移植过程 中，利用蛋白质良好的吸附性能，可以使移植物与机体有较大的生物相容性〔比在传感器方面, 利用蛋白质对特定表面的选择性吸附，人们能够制造岀只识别某一•种特定蛋白的生物传感器 ⑶同时蛋白在固体表面的吸附也带来了许多不利的影响，在药物供给⑷方面，人们希望蛋白 质能够特异性的识别某种病毒，将载带的药物直接送到病源处，充分发挥药物的作用，而不 希望蛋白在输送药物过程中吸附到血管壁上蛋白质吸附还会引起许多植入体内生物材料的 损坏，使血管内形成血栓宀叫 阻塞人丁动脉和血液透析；淤塞生物传感器和纯化蛋白质用的 的膜⑺等在口常生活中，蛋白吸附会加速细菌黏附⑻引起食物腐败等蛋白质在界面的吸附行为与静电相互作用、接触面的亲水憎水性能以及蛋白本身的性质 如分子量、尺寸等因素有关⑹。
蛋白质的吸附问题涉及到生物、材料、化学、医学等多种学科, 因此有着巨大的科学价值和应用前景对于一种生物材料来说，若将白蛋白吸附到表面，则 可为其他蛋白或细胞提供一种“类体内”的生长环境，从而能更有效的研究其它一些体内的 生化反应，并且白蛋白对维持体内渗透压的平衡也有重要作用，白蛋白是冃前研究较多的与 生物材料血液相容性有关的血浆蛋白，许多研究表明"7〕，当生物材料高吸收血浆白蛋白或生物材料表面用门蛋白预处理后能够明显抑制材料的血液相容性故对BSA在固体表面吸附的 研究是非常有意义的，研究在不同酸度、浓度、表面性质等实验条件下BSA的吸附情况，能 为提高人丁 •材料的生物相容性或减小材料的非特异性吸附提供必要理论基础1.3.研究蛋白吸附常用的技术冃前，研究蛋白质在固体表面上吸附的技术方法较多，常用的有：多维核磁共振(NMR) ⑼，红外光谱(Infrared Spectroscopy) F，01,拉曼光谱(Raman spectroscopy) fl,\ 扫描隧道电子 显微镜(SEM) [|2\ 中子反射(neutron reflectivity) Il3]> X 射线晶体衍射(X-ray diffraction) Ll4\ 原子力显微镜(AFM)[⑸、圆二色性(CD”®叫此外，还有表而等离子体共振技术(SPR) [，9_20\ 椭圆偏振光法(Elliptical polarization) 12,\荧光检测法(TIRF)[2223J等光学方法，重量分析 法，石英晶体微天平(QCM) 0]等。
虽然有这些技术，但人们对蛋白吸附的了解仍然有限， 这主耍是由丁•蛋白质分子具有非刚性结构，其复杂而乂精密的三维结构会随周围环境因素的 改变而改变，蛋白质吸附到固体表面有伸展的趋势，所以它会经历一些构象变化，使Z能与 表面更好的相互作用，而上述技术中很多不能监测这一动态过程，并且所需设备十分昂贵，不 能广泛推广到实际应用中1.4流动电势法研究蛋白质吸附概述在固液界面上，一般认为会形成双电层关于双电层的理论[2S26],有早期的Helmholtz 分子电容器模型，它主要认为在两个平行的平面中电荷均匀排布，而在实际情况中，溶液离 子的热运动会导致某种程度的混乱，引起带电粒子在表面的扩散，这就是更为精确的 Gouy-Chapman双电层模型，由于一些实验现象用上述理论无法解释，后来乂提岀了 Stem层 假说，它认为Stern层将界而附近的离子氛(扩散双层)与紧邻界而的带电粒子(吸附层)分 开，当带电粒子相对丁电解质溶液运动或溶液相对于荷电表面运动时，由黏度效应决定只有 Stem层外的双电层部分可以运动，而Stern层内的粒子将留在表面，两相做相对运动时的切 动面与液体内部Z间的电势差称为i电势。
由上述理论可知由于£电势与溶液表面状态直接相关，根据测得的g电势，即可判断表面吸附情况而流动电势与©电势Z间可通过Poiseuille公式、poisson公式及Ohm定律的推 导而得到这两者Z间的关系式，即Helmholtz・Smoluchowski方程：E = ^其中，E为流动电势，AP为压力差，■为Zefa电势，e为溶液的介电常数，H为溶液粘 度，k为溶液电导率由此公式可知，如果控制压差、已知溶液的介电常数、粘度和电导率, 则可由测得的流动电势计算出4电势蛋白质是一种两亲性生物大分子，随着pH的不同，具自身所带的电荷总数不同，同时， 组成蛋白分子的各种氨基酸的pl值也不尽相同，在同一 pH值下，蛋白表面各区域所带的电 荷有正有负，且大小也不一样，蛋白质吸附到固体表面，通常会引起表面电荷的改变，其在 表而排列方式的不同或构象的变化也会引起表而电荷的改变物质的表而状态可用匚电势 （Zeta电势）来表征，表而电荷的改变必然会引起©电势的变化，而乙电势与流动电势Z间 存在着一定的比例关系所以可以用测量溶液流动电势的方法來表征蛋白分子的吸附Ingmar H.等人〔勿用测量蛋白溶液流动电势的方法研究了蛋白■蛋白、蛋白■膜Z间的相互 作用；Xu等人创借。