组蛋白促进[Ru(bpy)2(dppz)]2+和MWCNTs在ITO电极上的阳极共沉积 杨绮琳;陈琳琳;李南希;李红
【摘 要】应用计时库仑法、循环伏安法、微分脉冲伏安法、荧光光谱和扫描电镜等方法研究了组蛋白(His)、[Ru (bpy)2(dppz)]2+(bpy=2,2'-联吡啶,dppz=邻联二吡啶[3,2-a:2',3'-c]吩嗪)和多壁碳纳米管(MWCNTs)在铟锡氧化物(ITO)电极上的电化学共沉积.结果表明,His能促进[Ru(bpy)2(dppz)]2+和MWCNTs在ITO电极上的阳极共沉积(1.2 Vvs.Ag/AgCl),所获得的复合膜呈现2对由表面电化学过程控制的氧化还原峰;通过研究His质量浓度和pH对复合膜中Ru(Ⅲ)/Ru(Ⅱ)氧化还原反应的影响,阐明了His作为媒介体调控[Ru(bpy)2(dppz)]2+和MWC-NTs在ITO电极上共沉积的机理.在优化的条件下,复合物中[Ru (bpy)2(dppz)]2+发生氧化的电量在0.01～0.2mg/L和0.2～5.0 mg/L区间内与His质量浓度呈线性关系,其线性回归方程分别为△Q=3.24(±0.27) ×10-6+2.95(±0.09)×10-4CHis(R =0.993)和△Q =5.92(±0.25) ×10-5 +6.26(±0.62)×10-6CHis (R =0.998).该研究建立的方法可应用于具有良好氧化还原性能的无机生物纳米复合材料的制备及蛋白质的固定与检测. 【期刊名称】《华南师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(047)003
【总页数】7页(P62-68)
【关键词】组蛋白;钌(Ⅱ)配合物;碳纳米管;电化学
【作 者】杨绮琳;陈琳琳;李南希;李红
【作者单位】华南师范大学化学与环境学院,广州510006;华南师范大学化学与环境学院,广州510006;华南师范大学化学与环境学院,广州510006;华南师范大学化学与环境学院,广州510006
纳什均衡理论
【正文语种】中 文
【中图分类】O657.1
蛋白质作为生命有机体的主要成分，参与细胞内各类代谢和调控等生命活动.氧化还原蛋白质由于电活性基团被多肽链所包裹，其与电极表面相距较远，难于进行直接的电子传递，通常引入媒介体［1］、表面活性剂［2］、纳米粒子［3］等来调控该类蛋白质在电极表
面的空间取向，缩短氧化还原活性中心与电极间的距离，改善蛋白质的电子传递反应［4-5］；另一类非氧化还原蛋白由于缺少电子传递的通道和电化学活性中心，即使引入碳纳米管（CNTs）和表面活性剂与其作用，仍难于实现非氧化还原蛋白质与电极间的电子传递反应及电化学传感［6］.
组蛋白（His）是结合到染质的主要蛋白质，属于非氧化还原蛋白，在电极上不容易发生氧化还原反应，因此难于借助His的直接电化学氧化来实现其伏安检测.与目前His的免疫荧光检测法相比［7］，电化学法具有成本低、操作简单、便于自动化控制等优势，因此研究His的电化学检测具有重要的意义［8-9］.实现His的伏安检测需要引入氧化还原媒介体来间接指示His浓度变化，而与His结合后，氧化还原媒介体的电化学信号往往发生减小［10-11］，因此希望能获得互为增强的电化学信号.一些多吡啶钌配合物具有良好的氧化还原活性和刚性的π-共轭平面配体［12-13］，碳纳米管（CNTs）具有优良的导电性和高比表面积的大π体系［14］，借助其与His间的相互作用可能可以实现His的固定和传感.本课题组在前期的研究中［15］，通过引入单壁碳纳米管（SWCNTs）和［Ru（bpy）2（tatp）］2+（bpy=2，2＇-联吡啶，tatp=1，4，8，9-四氮三联苯），采用连续电位扫描法实现了牛血清蛋白（BSA）在铟锡氧化物（ITO）电极上的固定和传感，但通过恒电位法实现蛋白
质、多壁碳纳米管（MWCNTs）和多吡啶钌（II）配合物在ITO电极上的阳极共沉积的研究尚未见诸文献报道.本文选取了十二烷基硫酸钠（SDS）作表面活性剂分散MWCNTs，三羟甲基氨基甲烷（Tris）作缓冲剂，［Ru（bpy）2（dppz）］2+（dppz=邻联二吡啶［3，2-a:2＇，3＇-c］吩嗪）为指示剂，应用计时库仑法、循环伏安法、微分脉冲伏安法、荧光光谱和扫描电镜等方法研究了His促进［Ru（bpy）2（dppz）］2+和MWCNTs在ITO电极上的阳极共沉积.
1.1 试剂与材料
［Ru（bpy）2（dppz）］2+按文献［16］方法合成与纯化，其结构式见图1，简称作Ru（II）.SWCNTs、 MWCNTs管径分别为1～2 nm和8～15 nm，管长分别为5～30 μm和30～50 μm，购自中国成都有机化学有限公司；His为小牛胸腺组蛋白，购自Northington公司；Tris购自Sigma公司，使用二次重蒸水配制成10 mmol·L-1Tris/50 mmol·L-1NaCl（pH 7.2）缓冲溶液；SDS等其它试剂均为分析纯.铟锡氧化物（ITO）导电玻璃购自深圳南玻显示器件公司，其薄膜电阻为20 Ω/cm2.
狗电影网站1.2 实验方法
电化学测量在CHI620d电化学工作站（上海辰华仪器公司）完成.实验采用三电极体系，ITO为工作电极（0.785 cm2），对电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl（50 mmol/L NaCl），本实验所有电位都相对于此参比电极；微分脉冲伏安法采用的脉冲宽度为0.2 s，阶跃电位为4 mV，调制幅值为0.1 V；稳态荧光光谱测定在Hitachi RF-2500荧光光谱仪（日本）上进行，激发波长为450 nm；修饰电极的表面形貌分析采用Zeiss Ultra 55场致发射扫描电子显微镜（SEM，德国）；SDS-MWCNTs悬浮液通过将0.3 mg MWCNTs和5.2 mg SDS加入5 mL缓冲溶液中超声波分散8 h制得，温度为25～27℃.乙烯制乙醇
2.1 Ru（II）、His、MWCNTs在ITO电极上的阳极共沉积
2.1.1 溶液中Ru（II）与His-MWCNTs间的相互作用 在450 nm光激发下（图2），由于Ru（II）配合物中的dppz配体上的2个未配位氮原子易与水分子发生电荷转移而导致其在水溶液中基本不发光（曲线1）［17］.当加入MWCNTs后，Ru（II）在630 nm波长处出现一个清晰的发射峰（曲线2），而MWCNTs在该区间并无荧光发射响应，表明由SDS分散的MWCNTs与Ru（II）配合物间存在明显的相互作用，阻碍了水对Ru（II）配合物的荧光淬灭作用，从而增强了它的荧光强度；当进一步加入 His后，Ru（II）配合物的发射峰蓝移了
6 nm，发射强度进一步得到增强（曲线3），表明His具有芳香结构，可能通过π-π堆积作用与MWCNTs结合，进而将多吡啶钌配合物保护在疏水环境中，使之远离溶剂水对Ru（II）荧光的淬灭，增强它的荧光强度.His与Ru（II）和MWCNTs之间相互作用较强，为后面的Ru（II）、His、MWCNTs在ITO电极上的阳极共沉积提供基础.
2.1.2 恒电位电解促进Ru（II）、His、MWCNTs的阳极共沉积 图3中曲线1为 Ru（II）、His和MWCNTs在 ITO电极上的微分脉冲伏安图.在1.074 V电位处出现了一个明显的氧化峰（峰I），对照已报道的单独Ru（II）在ITO电极上的第一次微分脉冲伏安图［18］，峰I通常归属为由扩散控制的Ru（II）氧化生成Ru（III）的反应.当把ITO电极控制在1.2 V电位下300 s，Ru（II）氧化生成Ru（III）的计时电量响应不断地增大，接着经微分脉冲电位扫描（图3曲线2），氧化峰I电流明显增大，约为曲线1峰I电流的3.2倍，更有趣的是在0.702 V电位下出现一个新的氧化峰（峰II），说明Ru（II）在1.2 V被氧化生成强吸附在ITO电极上的产物Ru（III），因此，峰II也被称作由于氧化反应产物强吸附而形成的前置峰［19］.这些由微分脉冲电位扫描法检测恒电位电解前后峰I和II的变化表明，Ru（II）、His和MWCNTs可能在ITO电极上发生了阳极共沉积，由图4所示的SEM图和后面His质量浓度影响得到进一步证实.从该法制备的修饰电极的SEM图可见，被组装到ITO电极
的沉积物含有由CNT和薄层组成的多孔结构，有利于Ru（II）电活性中心与ITO间的电子传递，因此共沉积物呈现了峰I和峰II的伏安响应.
康莱特2.1.3 溶液pH影响 由于His在缓冲溶液中的荷电性、酸碱构型及与Ru（II）和MWCNTs间的相互作用将受到pH的影响，本文进一步研究了溶液pH对Ru（II）、His、MWCNTs阳极共沉积的影响.当溶液pH从7.2升高至9.0时（图5），峰I和峰II的氧化峰电流明显增大（曲线2）；当溶液pH降低至4.5时，峰II被明显抑制（曲线3），并在0.571 V电位下出现了一对清晰的氧化还原峰（峰III），表明溶液pH会影响Ru（II）、His、MWCNTs的阳极共沉积.据报道［20］，His属碱性蛋白，其等电点为11，在远低于等电点的酸性介质中（pH 4.5），His结合了较大量的质子使其荷正电性，易于与由SDS分散的MWCNTs结合，但与Ru（II）间存在明显的静电排斥作用，有利于His-MWCNTs调控Ru（II）在ITO上的阳极电沉积；在稍微低于His等电点的碱性介质中（pH 9.0），含有芳香结构的His与Ru（II）和MWCNTs结合，促进Ru（II）的阳极共沉积.考虑到在接近中性的介质中，峰I和峰II不仅表现出明显的氧化还原响应，而且具有较好氧化还原可逆性，除非特别说明，本研究选择在pH 7.2的Tris缓冲溶液中进行.
2.1.4 与SWCNTs的对比 CNTs具有良好的导电性、化学稳定性及较大的比表面积，通常用于制备化学修饰电极以提高电活性物质的反应活性和识别能力.MWCNTs由若干个SWCNTs同轴套叠而成，其结构的差异有可能影响其所修饰电极的伏安行为，因此对比了MWCNTs和SWCNTs对Ru（II）和His在ITO电极上阳极电沉积的影响.含MWCNTs体系的峰I和峰II电流均远远大于SWCNTs体系（图6），前者峰I和峰II电流分别为10.77、1.67 μA，后者仅是1.00、0.31 μA.相对于SWCNTs，MWCNTs管径较大、层数多，使得MWCNTs能更有效地调控Ru（II）和His在ITO电极上的共沉积.因此，为了增强共沉积复合物的导电性，提高其氧化还原响应的灵敏度，本研究选择了MWCNTs作为与Ru（II）和His进行共沉积的对象.
2.1.5 His促进Ru（II）、His、MWCNTs的阳极共沉积 尽管His为非氧化还原蛋白，但实验发现在0.2～5.0 mg/L区间内（图7），随着His质量浓度的增加，氧化峰II电流也随之增大，表明增大His质量浓度有利于更多的Ru（II）和MWCNTs在ITO电极上进行阳极共沉积.对此，结合各因素对Ru（II）、His和MWCNTs在ITO电极上阳极共沉积的影响，提出了对应于氧化峰I、II、III的共沉积模型（图8）.对比于单独Ru（II）体系，连续微分脉冲伏安扫描或恒电位电解（1.2 V）后峰I高出现降低［21］，但在His和MWCNTs出现时，恒电位
最大功率点跟踪电解导致峰I明显增大，表明MWCNTs和His也可能发生了优先的吸附，进而促进Ru（II）在ITO电极上发生弱的阳极沉积，与图8中的模型I对应；同样，单独Ru（II）体系能呈现弱的峰II响应［22］，表明Ru（II）能基于反应产物的强吸附而被固定到ITO表面，随后His和MWCNTs作为媒介体键合剂促进Ru（II）发生对应于图8中模型II的共沉积；此外，在酸性的介质（pH 4.5）中，结合了大量质子的His可能优先与MWCNTs作用形成His-MWCNTs，进而调控Ru（II）在ITO电极上发生对应于图8中模型III的共沉积.革命烈士褒扬条例
