（物理化学专业论文）血红蛋白在膜修饰电极的电化学行为及其信息分析.pdf

摘要 血红蛋白是人体中一类重要i 眩生物大分子，是生命活动的物质基础，因此 对于血红蛋白的研究尤为重要。电化学方法检测血红蛋白在临床分析、生化分 析和疾病检测中都有广泛的应用蛋白质等生物大分子在一般的电极上响应极 弱，而化学修饰电极的出现，极大的推动了蛋白质电化学研究的发展。 电化学方法检测血红蛋白，实验数据的获取、信息的选择、处理和整合都 是尤为重要的本学位论文以牛血红蛋白在月桂酸、胆固醇和大豆卵磷脂修饰 的玻碳电极上的电还原系统为研究载体，以循环伏安和交流阻抗技术为测试手 段，引入新的科学计算方法，开展电化学信息处理方法的研究。 本学位论文循环伏安测试的基本结论如下： 1 鉴于实验测试所得到的循环伏安响应谱图上只有单一的血红蛋白的还原 峰而未出现表征其强吸附的后峰；在连续多次的伏安扫描测试中，血红蛋白的 还原峰电流随扫描次数增加而逐渐降低。因而可以认为血红蛋白在该修饰电极 上的电催化还原反应伴有电活性质粒的弱吸附现象。 2 血红蛋白在该修饰电极上的电还原反应过程难以断言为扩散作用或吸附 作用起主导地位，比较而言扩散作用很可能具有更为显著的影响。 3 鉴于对经典的m i c h a e l i s - m e n t e n 方程加以分形修正后的模型能较好地 表征出血红蛋白的还原峰电流与其浓度的关系，相应的h a u s d o r f f 维数的最佳 估计为西= 0 6 6 ，因而初步推断血红蛋白在经月桂酸、大豆卵磷脂和胆固醇修 饰的玻碳电极上的电催化还原涉及到分形动力学机制。 依据借助于e q u 软件对实测e i s 数据进行处理所得到的信息以及对这些 信息的分析与整合，就血红蛋白在经月桂酸、大豆卵磷脂和胆固醇修饰的玻碳 电极进行电还原的阻抗谱特征来说，可以得到下列基本结论： 1 该电极反应体系的e i s 很可能涉及到三个状态变量，它们分别是直流极 化电势、血红蛋白吸附表面覆益度和修饰膜的统计平均厚度，最佳等效电路码 为( c 【r ( q 【r 】) ( q r 乃】) 。 2 该电极反应体系呈现出十分明显的弥散效应，它主要与电活性物质的吸 附特性和修饰膜自身结构有关，两蛋白质分子在交流电场中的介质损耗因素并 未起主导作用。 3 在该电极反应体系中，除修饰电极溶液界面电双层结构的阻抗是由非 法拉第电流引起的之外，修饰膜本身的交流频晌特性也与非法拉第电流有关。 4 该电极反应体系中的扩散行为不符合常规扩散模型，而可以归属于具有 “阻挡层扩散”型的非常规模型，而出现非常规扩散的原因尚需要进一步探讨。 鉴于循环伏安测试业已表明，对经典的m i c h a e l i s - m e n t e n 方程加以分形修正后 的模型能较好地表征出血红蛋白的还原峰电流与其浓度的关系，因而初步推断 出现非常规扩散的原因很可能与血红蛋在经月桂酸、大豆卵磷脂和胆固醇修饰 的玻碳电极上的电催化还原涉及蜀分形动力学机制有关。 关键词：牛血红蛋白循环伏安交流阻抗胆固醇大豆卵磷脂月桂酸修 饰的玻碳电极 a b s t r a c t h e m o g l o b i ni s 越白单。删s o r to f b i o l o g i c a lm a c r o m o l e c u b ri nh u m a nb o d y a n ds u b s t a n t i a lb a s i so f b i o l o g i c a la c t i v i t y t h e r e f o r e , i t sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c h h e m o g l o b i n e l 劬o c h m i c a lm e t h o d s 黜eo f t h eb e n e f i c i a lt o o l se x p l o r i n gt h e b i o l o g i c a lp r o u dm y s t e r y i th a sw i d e l y 印p 矗c 撕o na n a l y s i s , b i o l o g i c a la n a l y s i sa n d d i s e s s ee x a m i n a t i o ma s w el m o mi ti sd i f f i c u l tt or e s p o n d0 1 1t h eo r d i n a r ye l e c t r o d e 黝t h ed e v a l o l , m e a to ft h em o d i f i e dd e c t r o d e , t h ea l e c m , c h e m i s t r yr e s e a r c ho f p r o t mi sg r e a t l y p r o m o t e d i nt h ep r o c e s so fb i o l o g i c a le l e c t r o c h e m i c a la n a l y s i s i t sv e r yi m p o r t a n tt o a c q u i r e , s e l e c t , d i s p o s ea n dc o n f o r mt h ei n f o r m a t i o n 髓et h e s i sc o n s i d e r st h e c l e c 响曲脚i c a lr e d u c t i o ns y s t e mo fb o v i n eh e m o g l o b i n ( h b ) o nag l a s s y 斌= o o n e l e c t r o d em o d i f i e dl a u r i ca c i d , c h o l e s t e r o l ，l e c i t h i na st h ea i mo f t h ei n v e s t i g a t i o n n e 帕d l l c s y s t 锄e m p l o y st h et e c h n i q u e so ft h ec y c f i cv o l t a m m e t r ya n da c i n 邛o d 龃f i l r t h o m l o r c , t h et h e s i sa l s of o c u s e s0 1 1t h ei n t r o d u c t i o no fs c i e n t i f i c m e t h o d s i no r d e rt od ot h i sr e s e a r e h ，w ca l s ou s et h ec o m p u t e zt e c h n i q u e s 1 km a i nc vw o r ka n dt h eb a s i cc o n c l u s i o n s o u t l i n e da sf o n o w ： 1 t h ec h a r a c t e ro fh bo rt h em o d i f i e dg ce l e c t r o d ew a sa n a l y z e db yt h e m e t h o do f c v , w h i c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r o c h e m i c a ld e o x i d i z a f i o no f h bw a s a ni r r e v e r s i b l ec h a r g ow a n s f e r s y s t e mw i t h o ms t r o n ga d s o r p t i o n t h ep c a l 【g u r r c n t d e c r e a s e dw i l ht h ec o n s t i t u t ee x l m h n e n t s oi n t h i ss y s t e m , t h e r ei st h ew e a k a d s o r p t i o no f e l e c u o a c t i v es p e c i e s 2 ，a c c o r d i n gt ot h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ed a t a , i t sd i f f i c u l tt op r e d i c a t e w h i c hi st h ed o m i n a n tf u n c t i o nb e t w e e nd i f f u s i o na n da d s o r p t i o n m a y b et h e d i f f u s i o ni sm a i nf a c t o r 3 a d dt h ef r a c t a lo nt h em i c h a e l i s - m e n t e nm o d e l ，w ec a l lg e tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep e a kc u r r e n ti pa n dt h ec o n c e n u a t i o no f i b s oi tc a r tb ec o n c l u d e dt h a t t h ed e c t r o e h e m i e a ld e o x i d i z a t i o no f h bo nm o d i f i e de l e c t r o d er e l a t e dt ot h ef r a c t a l i i i d y n a m i c s i no r d e rt oo b t a i n 翻m n ei n f o r m a t i o n , t h ee x p e r i m e n t a le i sd a t ai st r e a t e dw i t h t h eh e l po fe q u t h e n , t h ei n f o r m a t i o ni sa n a l y z e da n dc o n f i r m e d t h eb a s i c o o 血c l u s i n n sc s nb ed r a w nu p o n ： 1 t h ep r o c e s so ft h i sr o a e t l o np r o b a b l yr e l a t e st ot h r e ev a r i a b l ep a r a m e t e r s , a n dt h e yr e f e rt ot h ed i r e c to m 睫tp o l 缸p o t e n t i a l ，t h ea b s o r p l i o no f t h eh b ，a n dt h e s t a t i s t i ce q u a it h ：i c k n e s so f t h em e m b r a n e 2 i nt h i sr e a c t i o n , t h ea b s o r 两o na n dc o n s t r u c t i o no f t h em e l n b r a n ep l a yt h e i m p o r t a n tr o l e i nt h ed i s p e r s i o ne f f e c t h o w e v e r , n o tt h ed i d 础i cl o s so f t h e h b 3 f r o mt h i sr e a c t i o n a p a r tf r o mt h e 抽】p 伐i 姐o ft h ed e c 岫x l e s o l u t i o n 面l c d 如e - t h e 蛳 a n c oo f t h em e m b r a n ec a u s e db yt h en o n - f a r a d a y 4 t h ee l e e t r o d el 眦- - t i o ns y s t e mi n c o m p a t i b l ew i l ht h ep r o l i f e r a t i o no f c o n v e n t i o n a ld i f f u s i o nm o d 0 1 c a nb ea t m b u t e dt oh a v ea b a r r i e r - p r o l i f e r a t i o n ”- t h e v e r ys c a l e - t h e r ea l es t i l lr ( ：a s o n sf o rt h ep r o l i f e r a t i o no fn o n - c o n v e n t i o n a ln e e d st o b ef l r d l e r e x p l o r e d t e s t i n gh a si n d i c a t e dt h a t i nv i e wo fc y c f i cv o l t a m m e t r y , m i c h a e l i s - m e n t e ne q u a t i o nh y p n o s i st ob et h ec l a s s i ct h a tt h ef i a c t a lm o d e lc a nb e u s e dt od e s c r i b et h ep e a kc m r e n ta n dc o n c e n t r a t i o no ft h ep r o t e 虹t h u si n i t i a l l y r e e d , t h er e a s 蛆m a yb er e l a t e dt on o n - c o n v e n t i o n a lp r o l i f e r a t i o nb yt h ea c i di n t h ec h o l c s t e r o l - l c c i t h i n - l a u r i ca d dm o d i f i e dg l a s s yc 捌o o ne l e c t r o d ea n dt h e e l e c t r o - c a t a l y t i cr e d u c t i o nr o l a t e dt ot h ef r a e t a ld y n a m i c s k e y w o r d s ：b o v i n e h e m o g l o b i n ；c y c l i cv o l t a m m e t r y ；i m p o d a a c e ； c h o l e s t e r o l - l c c i t h i n - l a u r i ca c i dm o d i f i e dg l a s s yc 矧o o ne l e c t r o 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文血红蛋白在膜修饰电极的电化学行为 及其信息分析，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原 创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ： 讶孩 k 司年6 其e t 学位论文原创性确认书 学生谢墓所提交的学位论文 化学修饰电极的研究进展； ( 3 ) 循环伏安法研究简况； ( 4 ) 电化学阻抗谱的数据处理与解析研究； ( 5 ) 秘豇。氏b 语言梗概及e q u 软件简介； 文献调研提出的问题及选题依据。 1 1 电化学方法在蛋白质研究中的应用 1 1 1 蛋白质的研究进展 蛋白质属于生物有机大分子，是决定生命存在和运动的最重要的一类物质。 从极其复杂的具有多细胞和组织、器官分化的高等动植物，到简单的单细胞原 核生物甚至无细胞的分子生命形式病毒，一切生命体的繁衍、代谢、生存、发 展都离不开蛋白质，蛋白质在构成有机体和完成体内榜确的生化代谢和机体多 样的生理功能中发挥着重要作用。从整个生态系统来看，蛋白质的代谢和利用 是维持物种关系和生态平衡的重要因素。对于整个自然界来说，蛋白质作为一 种主要的有机氮存在方式，它在物质循环中起着重要作用，它的出现和演变对 生命的起源和物种的形成、进化具有重要的意义。对于人类来说蛋白质作为 基本营养成份是人类生存所需的基本物质，所以对蛋白质的研究开发和利用都 是非常重要的课题1 。 生命现象最基本的过程是电荷运动，电化学是生命科学的最基础的相关学 科。电化学方法为探讨蛋白质的亚层结构和生理作用等生物电化学中的各种研 究任务和课题提供了重要的研究方法。蛋白质是人体中的一类重要的生物大分 子，是生命活动的物质基础，其功能对于很多生命现象是非常重要的。蛋白质 河北师范大学理学硕士学位论文 定量测定是i i 缶床分析、生化分析、疾病检测中的重要指标，关于生物大分子和 有机小分子探针反应机理的探讨，也是生命化学、临床医学和化学研究的重要 内容它的电化学行为研究成为生物电化学研究的一个重要分支，所以研究蛋 白质分子与电极之匈的电子转移过程是一个很有意义的课题。 研究测定蛋白质的方法有凯氏定氮法、光化学分析法、免疫法、液相色谱 法、电化学分析法等。蛋白质的电化学行为研究是生物电化学的重要分支，常 见的电分析方法有直接电化学分析和侗接电化学分析法，又具体分为蛋白质的 极谱分析、催化氢波、小分子电化学探针等方面。 对其做定量的分析，主要有电位法、安培法，这些方法在直接用于蛋白质 的检滔方面，但是由于蛋白质分子通常具有庞大的空间结构，其活性中心为多 肽链所包围，同时，这些分子又因强烈地吸附于电极表面造成电极钝化并伴随 有蛋白质的变形，因此，蛋白质分子在通常的电极上具有不可逆的电化学响应， 过电位很大，其分析检测也受到限制。现在一般借助于媒介自l k l v l o d i a t o r ) 或促进 剂0 r o m o t e x ) 的作用，催化其还原的方法来进行检测，研究的对象多集中于对血 红蛋白、肌红蛋白、细胞色素c 、辣根过氧化物酶等氧化还原蛋白质。此外， 利用生物大分子和有机小分子探针反应机理也有文献报导，其主要机理是应用 蛋白质和小分子有机染料在适当条件下可以通过非共价键相结合成一种超分子 化合物，从而间接的对蛋白质进行分析。 何亚楠等人h 则利用十二烷基硫酸钠( s d s ) 傲为促进i f ! i ，在# i s 5 的 h o a c - n a o a c 缓冲溶液中，s d s 的加入使h b 的氧化峰明显增大，且峰形对 称，可直接用于h b 的分析测定，在5 0 x 1 0 - 5 0 x 1 0 6 m o l l 范围内氧化峰电 流与其浓度呈正比，可用于人血清中h b 的测定。袁倬斌p 1 等研究了聚天青修 饰电极对血红蛋白的催化还原，利用天青i 或大黄酸等易于聚合的物质，用循 环伏安法或恒电位氧化电解聚合法制备了聚合物膜修饰电极，考察了其对l i b 的电催化还原，随着h b 的加入，血红蛋白浓度在o 5 - 6 0 m g l 范围内与峰电流 呈线性关系。 1 1 2 血红蛋白的研究进展 血红蛋白( h b ) 是脊椎动物红细胞内的呼吸蛋白，是血液中运输氧气的主要 2 第一章绪论 物质，在生物体内起到传输氧气、分解h 2 0 2 、传递电子等与氧和能量代谢有关 的重要活动，在一切生命活动中起着关键作用血红蛋白的相对分子质量约为 6 7 0 0 ，其分子具有四级结构，是由两条伍和两条b 多肽链构成的四聚体，每个 肤链匕各结合有一个血红素分子，且相互接近，形成近似球形的血红蛋白分子， 直径为5 5 r i m 。血红素位于肽链折叠形成的介电常数较低的疏水环境中，铁离 子以共价键形式与卟啉的四个吡咯环中的n 原予以及肽链中的组氨酸相连接， 其结构非常类似于辣根过氧化物酶( h o r s e r a d i s hp e t u x i d a s e ，h r p ) ，因此表现出 很高的类似过氧化物酶的催化活性。对血红蛋白的研究多集中在其结构、输氧 功能及其与电极之闻的电子转移过程和机理。人血清中血红蛋白含量的测定是 临床检测的一个重要内容，正常人血清中血红蛋白的含量在t - - 2 0 0 9 ：t 范围 之内。若血红蛋白的含量降低则有可能是各种原因造成的贫血，因此对血红蛋 白含量的准确测定具有非常实际的意义1 4 1 。 1 2 化学修饰电极的研究现状 l 工l 模拟生物膜修饰电极 在生命体内，类腊与蛋白质共同组成了生物膜。由类脂所形成的双分子层 是生物细胞膜的基本结构单元。类脂也是一种表面活性剂，它具有典型的两亲 结构，既有疏水的碳氢长链又有亲水的极性基团。而蛋白质则吸附在双层生物 膜表面或嵌入其内部。将某些双链的表面活性剂通过吸附、涂布、共价键合或 l b 膜转移等方法引入电极表面，由于它们的自组装作用可在电极表面形成 有序排列的双分子层结构。这种由表面活性剂所组成的双层与生物细胞膜中类 脂所组成的双分子层结构很类似，因而又被称为模拟生物膜。显然，蛋白质在 模拟生物膜这样一种微环境中的电极过程，很可能更接近于其在生命体内的电 子转移过程。这就有可能使本来在裸电极上难以实现的蛋白质的直接电子转移 在模拟生物膜修饰电极上得以实现。因此，氧化还原蛋白质在模拟生物膜电极 上的直接电化学研究，将为研究蛋白质在真实生命体系中的电子传递提供一种 模型，对于认识生命体内的电子转移机制和酶的催化机理以及某些重要生命物 质在生命体内的代谢过程都有重要意义，同时也为生物传感器的制备提供了一 种新思路1 9 8 3 年，k u n i t a k e 掣训首次描述了将某些不溶于水的表面活性剂的 河北师范大学理学硕士学位论文 水分散系或有机溶液涂布到固体表面，待溶剂挥发后，由于自组装作用，可形 成有序排列的多层双分子层薄膜。1 9 9 3 年，r u s l i n g 掣川报道了肌红蛋白o 讧b ) 在涂布于热解石墨口g ) 电极上的双十二烷基二甲基溴化铵p d a b ) 多双层表面 活性剂薄膜中表现出相当可逆的c v 行为，首次将蛋白质的直接电化学研究与 多层模拟生物膜相结合。 1 0 2 多双层复合薄膜电极 多双层复合薄膜也是一种多双层模拟生物膜。它是首先将某些可成膜的表 面活性裁与离子型聚合物或离子交换型粘土等骨架材料通过静电引力相结合， 再将它们在某种溶剂中的分散系涂布到电极表面，依靠自组装作用，待溶剂蒸 发后，就会在电极表面形成以聚合物或粘土等为骨架、由表面活性剂分子组成 的有序排列的多层双分子层薄膜。r u s l i n g 掣q 曾探讨了m b 在双十八烷基二甲 基溴化铵( d o d a b ) 2 聚苯乙烯磺酸钠0 s s ) 复合薄膜电极上的可逆伏安行为。 1 2 3 纳米粒子修饰 林丽等制作了以纳米银粒子修饰的银电极，并研究了血红蛋白在该修饰电 极上的直接电化学行为例。实验结果表明，血红蛋白在该修饰电极上具有良好 的电流响应。在2 0 1 0 - ，1 o x l o _ 5 m o l l l 浓度范围内，血红蛋白的氧化峰电流 与其浓度呈良好线性关系，检出限为7 4 x 1 0 s m o l l 。研究了该修饰电极对血红 蛋白的催化机理，利用该电极所建立的方法实现了对血红蛋白的分析测定。 碳纳米管独特的结构使其能表现为金属或半导体，制成电极能促电子传递， 同时由于其优良的物化性能( 如大比表面、能负载较多功能基团) ，逐渐为电分 析领域广泛关注如碳纳米管修饰电极对多巴胺、细胞色素c 等生物分子的电催 化取得了较好结果，用多壁碳纳米管固定蛋白和酶，发现固定在带羧基碳管上 的蛋白或酶没有变性，活性得到保留，提供了一的固定蛋白和酶的方法。c a i 等利用碳纳米管和n a t i o n 膜将h b 固定在玻上研究h b 的直接电化学行为p j 。 1 2 4 其它方法修饰电极 4 第一章绪论 易长青等采用有机改性溶胶凝胶技术，以四甲氧基硅烷( t m o s ) 和二甲 基二甲氧基硅烷( d 蝴e - d i m o s ) 为共先驱体包埋聚苯乙烯磺酸钠口s s ) ，通过离 子交换成功地将联吡啶钌固定在玻碳电极表面【1 0 1 有机改性溶胶凝胶材料由 于利用含烷基的硅氧烷进行有机改性，减少了可聚合的羟基，改变了膜的极性， 使之与p s 的极性匹配，从而不需要加入t r i t o nx - 1 0 0 来防止膜在干燥过程中的 破裂，而且膜制备时间大大缩短。固定在3 0 l 。g d 膜中的联吡啶钌保持了良好的 电化学活性。 李明齐等用循环伏安( c v ) 和方波伏安( s w v ) i 去研究了n e 在l 2 半胱氨酸 自组装金电极上的电化学行为，发现该修饰电极对n e 有i 强显的电催化作用， 已用于分折针剂样品【1 袁倬斌等研究了聚天青修饰电极对血红蛋白的催化还原，利用天青i 或大 黄酸等易于聚合的物质，用循环伏安法或恒电位氧化电解聚合法制备了聚合物 膜修饰电极，考察了其对l i b 的电催化还原，随着l i b 的加入，血红蛋白浓度在 o 5 - 6 0 m g ，l 范围内与峰电流呈线性关系。 1 3 循环伏安及电化学阻抗谱的数据处理与解析研究 1 3 1 循环伏安研究方法简介 循环伏安法( c y 碰cv o l t a m m e t r y ) 的基本原理：以等腰三角形的脉冲电压加 在工作电极上，得到的电流电压曲线包括两个分支，如果前半部分电位向阴极 方向扫描，电活性物质在电极上还原，产生还原波，那么后半部分电位向阳极 方向扫描时，还原产物又会重新在电极上氧化，产生氧化波。因此一次三角波 扫描，完成一个还原和氧化过程的循环，故该法称为循环伏安法，其电流一电 压曲线称为循环伏安图。如果电活性物质可逆性差，则氧化波与还原波的高度 就不同，对称性也较差。循环伏安法中电压扫描速度可从每秒种数毫伏到1 伏。 工作电极可用悬汞电极，或铂、玻碳、石墨等固体电极。 循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法，可用于电极反应的性质、机 理和电极过程动力学参数的研究。但该法很少用于定量分析。 ( 1 ) 电极可逆性的判断循环伏安法中电压的扫描过程包括阴极与阳极两个 方向，因此从所得的循环伏安法图的氧化波和还原波的峰高和对称性中可判断 5 河北师范大学理学硬士学位论文 电活性物质在电极表面反应的可逆程度。若反应是可逆的，则曲线上下对称， 若反应不可逆，则曲线上下不对称。 ( 2 ) 电极反应机理的判断循环伏安法还可研究电极吸附现象、电化学反应产 物、电化学化学耦联反应等。对于有机物，金属有机化合物及生物物质的氧 化还原机理研究很有用【协 1 3 2 电化学阻抗谱的数据处理与解析研究 电极交流阻抗测试技术采用的是小幅度正弦交流( 其峰一蜂电势在- 。i o m v 以下，如士孤l 蝣甚动信号，丽信号的频率f 通常为l o - 3 一l 矿 k 。其测试结果常 以复平面谱图形式给出，称之为电化学阻抗谱( e l e c t r o c h e m i c a li 瑚畔姗 s p e c t r a ，简写e i s ) u “。e i s 作为一种有效的测试手段，已广泛用于研究防腐、 固态电化学、水溶液及非水溶液电化学，而且也应用于有机电合成等领域，除 电化学外，交流阻抗在材料和器件研究方面也有广泛的应用，尤其在多晶材料 和陶瓷等方面。 由于以小振幅的电信号对体系扰动，一方面可避免对体系产生大的影响， 另一方面使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系，这就使测量结果的数学 处理交的简单同时，电化学阻抗谱方法又是一种频率域的测量方法，它以测 量得到的频率范围很宽豹阻抗谱研究电极系统，因而能比其他常规的电化学方 法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息l l 耳j 。例如，可以从阻抗谱中含 有的时间常数个数及其数值大小推测影响电极过程的状态变量的情况；可以从 阻抗谱观察电极过程中有无传质过程的影响等等。即使对于简单的电极系统， 也可以从测得的一个时间常数的阻抗谱中，在不同的频率范围得到有关从参比 电极到工作电极之间的溶液电阻，电双层电容以及电极反应电阻的信息。 电化学阻抗谱是一种研究电极反应动力学及电极界面现象的重要电化学方 法。进行电化学阻抗谱测量的目的，就是根据测量得到的e i s 谱图，确定e i s 的等效电路或数学模型，与其他的电化学方法相结合，推测电极系统中包含的 动力学过程及其机理。 在电化学中，对于任何一个电极系统的阻抗谱与相应的数学表达式的某一 组参数值有唯一对应关系，用数学模型处理数据可以得到有关的各种参数的参 6 第一章绪论 数值，这些参数具有明确的物理意义，这样就可以从e i s 测量中得到准确有用 的电极过程动力学信息。这些是依据数学模型的数据处理方法的优点。而且这 种方法在实际处理中操作简单，在确定阻抗谱所对应的数学模型后，便可以从 阻抗平面中的圆弧或直线上选取相应的数据点进行处理，求得参数的初始值后， 再求取参数的最佳估算值。只要所选取的模型能够很好的与所处理阻抗谱数据 拟合，那么这个模型的选择就是正确的。反之，在阻抗谱测量数据可靠的情况 下，若所选取的模型不能很好的与阻抗数据拟舍，剐说明所选取的模型不当， 应该重新选取模型进行拟合川 一方面，参数的估算一般情况下要根据一定的数学模型或等效电路进行， 先提出一个适合于实测的阻抗谱数据的数学模型或等效电路，然后进行参数值 的估算；另一方面，根据实游的e i s 数据对有关的参数值的拟合结果又成为模 型选择是否正确的判据 根据上述两种不同的情况，阻抗谱的数据处理的两种不同的途径：一种情 况是，依据等效电路模型的数据处理方法：逐个求解阻抗谱中各个时间常数所 对应的等效元件的参数，从测得的阻抗谱求出最有可能的等效电路( 物理模型) ， 然后将整个阻抗谱所确定的物理模型进行曲线拟合，确定等效电路中各等效元 件的参数值；另一种情况是，依据数学模型的数据处理方法：先确定数学物理 模型，然后将阻抗频谱对已确定的模型进行曲线拟合，求出数学模型中各个参 数或等效电路中各等效元件的参数值，如等效电阻，等效电容、c p e 元件的 y o 和n 的数值等 依据等效电路模型的数据处理方法的基本思路是：根据经验与阻纳频谱特 征，确定阻纳频谱对应的等效电路，确定等效电路中所包含的简单复合元件， 确定这些简单复合元件显示其特征的频率范围；在各频率范围内选取阻纳数据， 通过直线拟合或圆拟合求取各复合元件中等效元件的参数值，并进一步以这些 参数值为初始值，用非线性拟合的最小二乘法的曲线拟合方法对阻抗频谱进行 处理。在用这种方法处理数据时，拟合模型及数据点的选择将影响阻抗谱的解 析结果。一般说来，如果解析结果很差，说明模型或数据点选择得不够合理， 需要重新选择。迄今为止，等效电路方法仍然是电化学阻抗谱的主要分析方法。 这是因为由等效电路来联系电化学阻抗谱与电极过程动力学模型的方法比较直 7 河北师范大学理学硬士学位论文 观具体。在大多数情况下，可以为电极过程的电化学过程的电化学阻抗谱找到 一个等效电路。但是，等效电路方法也有一些不可避免的缺陷。首先，阻抗谱 与等效电路之阎并不存在一一对应关系，即很可能有多个等效电路能与试验阻 抗数据很好地拟合，这给等效电路的求解以及等效电路模型的选定带来了困难。 另外，有些等效元件的物理意义不明确，而有些复杂电极过程的电化学阻抗谱 无法用等效元件描述。 依据数学模型处理电化学阻抗谱数据的方法，可以为任何法拉第过程找到 它们所对应的法拉第阻纳表达式以及与之有一一对应的一维参数值，而且这些 参数具有明确的物理意义。这些是依据数学模型的数据处理方法的优点。只要 所选取的模型能够很好的与所处理阻抗谱数据拟合，那么这个模型的选择就是 正确的。反之，在阻抗谱测量数据可靠的情况下，若所选取的模型不能很好的 与阻抗数据拟合，则说明所选取的模型不当，应该重新选取模型进行拟合。当 研究体系涉及到非法拉第电流所引起的非法拉第阻纳问题时，依据数学模型的 数据处理方法就不能使用了，这是该方法的局限性【埘。 无论采用上述两种数据处理中的哪一种，都必须解决阻纳谱曲线拟合问 题。曲线拟合是阻抗谱数据处理的核心河题。由于阻纳是频率的非线性函数， 其参数解析通常以非线性复数最b - - 乘原理为依据。1 9 7 7 年，m a c d o n a l d 等人 首先把非线性最小二乘算法用于求解电极体系的阻抗或导纳模型的参数。到目 前为止，已有很多用于处理实际体系的阻抗或导纳数据论文发表，专用软件也 有许多应用最为广泛的是由m a c d o n a l d 设计的l e v m 软件以及由b o u k a m p 设计的e q u i v c r t 软件。它们所使用的具体的算法主要有g a u s s - n e w t o n 法、 l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 法和m o d i f i e d - n e w t o n 法。g a u s s - n e w t o n 算法是这三种算 法中最简单，是最具有典型意义的非线性算法。采用c r a u s s - n e w t o n 算法时，需 要构造各模型参数的一阶导数，即需要构造j a c o b i 矩阵。一般说来，常规的非 线性回归算法都需要构造某种梯度向量。这样的算法所具有的优点是，迭代运 算的收敛速度比较快，而缺点是对模型参数初始估计需要具有足够高的质量。 即一组初始参数估计需要足够接近于模型参数的最佳估计，否则算法将发散。 参数初始值的选择对于非线性最小二乘法拟合是一个关键问题。目前，用 于处理实际体系的阻抗或导纳数据的软件尚不具有模式识别的功能。运用这些 软件时，需要预先指定模型、给出各模型参数的初始估计值，而模型参数初始 8 第一章绪论 估计值的给定，具有“隐含经验类知识”的特点。使用者通常采用反复“试探”的 办法来确定适宜的参数估计值，而反复“试探”的次数则与使用者的经验是否较 丰富有关倘若某些参数的初始值选择得不好，即它们与其最佳估计值相差太 远，剐回归处理的迭代过程将发散。在多参数函数拟合时，还可能遇到这样的 情况：目标函数在一次迭代中减小，在下一次迭代中又增大，然后减小，又再 增大，一直反复跳跃，也不收敛。在这样的过程中某些参数的修正值不断地正 负变化，甚至有时会出现不合理的参数估计值。例如，有些参数本身应该总是 正的，但却因绝对值过大的负的修正值而变成了负的数值。只有在各个参数的 初始值选择得好时才会有均匀收敛的结果如何高效快捷地选择一组优良的初 始参数估计值是我们一直在思索的一个问题，这需要站在新的研究视角，努力 从其他学科，尤其是从横断学科中汲取养分，充分发挥计算机技术及多种算法 的信息处理功能。 l 4m a t l a b 语言梗概及e q u 软件使用简介 l a lm a t l a b 语言梗概 m a t l a b 是矩阵实验室( m a n i xl a b o r m o r y ) 之意。除具备卓越的数值计算 能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时 控制等功能。1 9 8 4 年，c l e v em o l e r 和j o h nl i t t l e 成立了m a t hw o r k s 公司，正 式把m a t l a b 推向市场，并继续m a t l a b 的研究和开发它的前身是c l e v e m o l e r 教授( 现为美国工程院院士，m a t h w o r k s 公司首席科学家) 为著名的数学软 件l i n i a c k 和e i s 队c k 所写的一个接口程序。经过2 0 年的发展，m a t l a b 已经成为适合多学科、多工作平台的功能强劲的大型软件0 5 - 1 9 l 。 m a t l a b 将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置 函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿 真和设计工作，它提供了基本的数学算法，例如矩阵运算、数值分析算法， m a t l a b 集成了2 d 和3 d 图形功能，以完成相虚数值可视化的工作，并且提 供了种交互式的高级编程语言m 语言，利用m 语言可以通过编写脚本 或者函数文件实现用户自己的算法。m a t l a b 产品的工具箱有四十多个，分别 涵盖了数据获取、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像 9 河北师范大学理学硕士学位论文 处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。 m a t l a b 的基本数据单位是矩阵【1 9 1 ，它的指令表达式与数学。工程中常用 的形式十分相似，故用m a t l a b 来解算问题要比用c ，f o r t r a n 等语言完相 同的事情简捷得多。当前流行的m a t l a b 包括拥有数百个内部函数的主包和 三十几种工具包( t o o l b o x ) 。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功 能工具包用来扩充m a t l a b 的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时 控镧等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工 具包，通信工具包等都属于此类。 时至今日，经过m a t h w o r k s 公司的不断完善，m a t l a b 已经发展成为适 合多学科，多种工作平台的功能强大的大型软件。在国外，m a t l a b 已经经受 了多年考验。在欧美等高校，m a t l a b 已经成为线性代数，自动控制理论，数 理统计，数字信号处理，时阃序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学 工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计 研究单位和工业部门，m a t l a b 被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在 国内，特别是工程界，m a t l a b 一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方 面的哪个学科，都能在m a t l a b 里找到合适的功能。 1 4 0f q u 软件使用简介 e q u i v o r r ( 等效电路分析) 软件( 简称e q u ) 是b a b o u k a m p 编制的。该等 效电路分析软件以迈夸脱算法为基础，能处理各种阻抗数据，可以应用于许多 体系。该软件具有把m 3 9 8 阻抗数据转化为自己可以使用的数据的功能，而且， 拟合后所得到的数据是a s c i i 码数据，可直接用于绘图软件f 如o r i g i n ) 处理， 便于和试验得到的结果迸行比较，可以非常直观地看出拟合结果的好坏。此外， 该处理软件提供了一个交互式预分析功能，这一功能可以帮助选择合适的等效 电路，提供数据拟合的初值。在预分析的基础上，对所有阻抗数据进行部分拟 合及全部拟合，最终得到测试数据对所选数据等效电路的各元件的最佳拟合值。 此软件中使用的电路元件有r 、c 、l ，除了这三种较为熟悉的元件外，还有四 种与扩散有关的元件：w 、q ，t 、o ，而所谓的常相位元件( c o n s t a n tp h a s e e l e m e n t ，c p e ) ，即为q 元件。c p e 元件的导纳表示式为 2 0 l ： l o 第一章绪论 】，( 叻= k u 叻。= 写国。【c o s 伽州2 ) + j s i n ( h a 2 ) 其中，晶与频率无关 当n = o 时，) = 写，q 元件表征电阻； 当n = l 时，r ( 回= 写u 叫，q 元件表征电容： 当n - - - - o 5 时，h 回= k u 功“2 ，q 元件表征w a r b u r g 阻抗。 当n = 一l 时，联回= 磊o 回。1 ，q 元件表征感抗。 然而，e ( 邳软件毕竟不是一种智能化的软件，对于以“数据库”为基础的数 据处理软件来说，因其库存容量有限，所以无法涵盖所有可以被构想出的模型 组合，这就须借助自编程序和其他软件。 1 5 文献调研提出的问题及选题依据 就文献调研来看，电化学研究中侧重于电分析的工作报道较多；就运用 电化学阻抗技术的研究报道看，一般性解释的较多，而着重于阻抗谱数据的信 息分析处理与整合的研究尚显不足。就电化学阻抗技术应用于蛋白质体系的研 究看，文献报道还较少。再者，当研究体系的电极溶液界面状况较为复杂时， 电化学阻抗谱的分析时常常遇到一些困难，致使该技术的应用受到影响1 2 。这 些都是值得关注与研究解决的问题。 血红蛋白属于生物电活性物质，它具有比较复杂的空间结构，而玻碳电极 被月桂酸修饰后其表面也具有比较复杂的空间结构，面对这样的研究体系时， 阻抗谱数据的信息分析、处理与整合工作就显得尤为重要。如何对数据信息加 以分析、处理与整合，也是值得关注与研究解决的问题。 鉴于此，本学位论文以血红蛋白在月桂酸、胆固醇、大豆卵磷脂膜修饰的 玻碳电极上的电化学阻抗谱测试为研究载体，探讨其循环伏安曲线，并将工作 重心定位于阻抗谱信息数据的识别、挖掘，筛选与整合方法的探讨上。 河北师范大学理学硕士学位论文 第二章学位论文工作的确定 通过文献调研提出了基本问题，理顺了工作思路。本章主要阐喱本硕士学位 论文的总体思想、可行性分析及运作方式。 2 1 学位论文开展研究的总体思想 现代的科学技术为获得待研究的信息提供了前所未有的便利，然而其 信息数据的识别、挖掘、筛选与整合等信息处理方法的研究却明显滞后。 就诸如分子生物学、生物电化学、新型药物靶基因等前沿领域的研究来说， 系统信息的识别与处理技术滞后与系统信息的获取问题时十分突出的。 当今科学与技术发展的特征和趋势之一，是不仅继续向微观深入，而 且直接走向宏观系统