可开关的生物电催化与生物传感

胡乃非，宋韶灵，姚惠琴,2

（1.北京师范大学化学学院，北京，100875）

（2.宁夏医学院化学系，宁夏银川，750004）

酶在电极上的直接或间接电化学反应是构筑生物传感器的重要基础，而实现可控的或可开关的生物电催化，并在此基础上实现可开关的生物传感器的构筑，近年来已引起研究者日益强烈的兴趣。在生命体内，酶的电子转移是一个极其复杂的过程，受到各种条件和因素的影响。这些因素使得酶的电子转移和催化作用在生命活动中有选择地发生或者不发生，在一定条件下可以被“开启”，而在另一条件下又可以被“关闭”，表现出明显的“开关性质”。因此，用电化学方法在体外研究酶在电极上的开关行为，也可以为探讨在真实生命过程中如何调控酶的电子转移和生物催化提供模型。近年来，该文课题小组在这方面进行了一系列尝试[1～7]。

采用旋转涂布技术将支链化聚乙烯亚胺(BPEI)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)通过静电作用力层层组装 (LBL)在电极表面，构筑了BPEI/｛PSS/BPEI｝nLBL薄膜。双羧酸二茂铁(Fc(COOH)2)在此薄膜电极上的CV响应对测试溶液的pH非常敏感，在 pH4.0 时“开”，即信号很大，而在 pH7.0 时“关”，即信号很小。且该开关性质是可逆的，可反复多次。薄膜和探针之间的静电相互作用在薄膜体系的pH开关行为中发挥着关键作用。此pH开关性质可以用来调控以Fc(COOH)2为媒介体的葡萄糖氧化酶(GOD)对葡萄糖的电化学催化氧化。

采用电化学诱导自由基聚合的方法在电极表面合成聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)薄膜。PNIPAm薄膜在伸展态与塌缩态之间的相变对环境温度和Na2SO4浓度非常敏感，并可以通过羧酸二茂铁(Fc(COOH))探针的CV响应进行监测。在不含Na2SO4的25℃的溶液中，薄膜对探针表现为 “开”；而当温度升至35℃时，薄膜表现为“关”。类似地，也可以观察到PNIPAm薄膜对探针溶液中Na2SO4浓度敏感的可逆的开关性质。温度和Na2SO4浓度对此薄膜开关行为的影响并不是各自独立的而是具有协同效应的。PNIPAm薄膜的温度和Na2SO4浓度双因素刺激响应的性质可以用来调控以Fc(COOH)为媒介体的GOD对葡萄糖的电化学催化氧化反应。

利用Con A和Dex二者的特异性相互作用可以在电极表面构筑 ｛Con A/Dex｝5LBL薄膜，这里Con A为伴刀豆球蛋白，Dex为葡聚糖。然后再在薄膜表面实现包裹有辣根过氧化物酶(HRP)的N,N-二乙基丙烯酰胺(PDEA)的水凝胶的化学聚合，从而形成｛Con A/Dex｝5-(PDEA-HRP)薄膜。 该薄膜表现出对探针Fe(CN)63-可逆的对pH、温度和盐浓度敏感的CV开关行为。这种三重刺激响应型薄膜体系可以进一步应用于实现三控的可开关的生物电催化，即以Fe(CN)63-为媒介体、以固定在电极表面的HRP为酶催化剂的H2O2的电化学催化还原。该体系对pH敏感的特性取决于内层的 ｛Con A/Dex｝5层与探针之间在不同pH条件下的静电相互作用，而该体系对温度和盐浓度敏感的特性则取决于上层PDEA-HRP中PDEA水凝胶在不同刺激条件下的结构变化。

（略）