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毕业设计（论文）毕业设计（论文） 生物燃料电池阴极载体的研究 The study of the cathodic supports of the biofuel cell 学生姓名：学生姓名： 高莉 高莉 学历层次：学历层次： 大学本科 大学本科 所在院系：所在院系： 理学院理学院 所在专业：所在专业： 应用化学 应用化学 所在班级：所在班级： 应化应化 0342 0342 i 指导老师：指导老师： 邢巍、朱琳 邢巍、朱琳 教师职称：教师职称： 研究员、博士 研究员、博士 完成时间：完成时间： 20072007 年年 6 6 月月 9 9 日日 长 春 工 程 学 院 ii 摘 要 本文主要简介了生物燃料电池的发展历史,回顾了生物燃料电池载体的概况。通 过循环伏安法研究壳聚糖修饰电极的电化学性质以及细胞色素 C 在修饰电极上对 H2O2的生物电催化活性。 在最优化实验条件(如壳聚糖溶液的浓度为6.0 mg mL-1、 膜的 厚度为 3 L、 缓冲溶液的pH 值为6等)下，得到了一系列的实验数据，证明壳聚糖可 以作为生物燃料电池阴极载体使用。 关键词关键词 生物燃料电池；壳聚糖；过氧化氢；电化学还原；循环伏安法 分类号：分类号：O69 I Abstract This paper reviewed the history and the supports of the biofuel cell briefly. Cyclic voltammetry was used to observe the electrochemical characteristics of the modified electrode by chitosan, and the bioelectrocatalytical activity of Cytochrome c for peroxide hydrogen. We obtained a series of data to find the suitable condition about this experiment, such as the concentration, the thickness and the values of pH of the phosphate buffer solution, and so on, these results demonstrated that the chitosan can be used for the cathodic support of the biofuel cell. Keywords: Biofuel cells ； chitosan, ； hydrogen peroxide ； electrochemical reduction ； cyclic voltammetry II 目 录：目 录： 毕业设计（论文）毕业设计（论文） . I 摘 要摘 要 . I 关键词关键词 . I 分类号：分类号： O69 . I ABSTRACT . II KEYWORDS: . II 目 录：目 录： . III 1 论文综述论文综述 . 1 1.1 引言 1 1.2 生物燃料电池的研究概况 . 2 1.2.1 生物燃料电池的特点 1 . 2 1.2.2 酶生物燃料电池的研究概况 2 ， 3 . 2 1.2.3 生物燃料电池发展的瓶颈 . 4 1.3 酶或氧化还原蛋白质固定载体的选择 . 5 1.3.1 模拟生物膜 . 5 1.3.2 自组装膜 . 6 1.3.3 高分子载体 . 6 1.3.4 无机载体 . 7 1.3.5 复合载体 . 8 1.4 壳聚糖作为酶的固定化载体 . 9 1.5 本文的立题思想和研究内容 . 9 2 实验部分实验部分 . 10 2.1 试剂和程序 : . 10 2.2 壳聚糖修饰玻碳电极的制备 . 10 2.3 电化学性能测试 . 10 2.3.1 不同扫速对修饰电极峰电流的影响 . 11 III 2.3.2 壳聚糖膜厚度对修饰电极峰电流的影响 . 11 2.3.3 壳聚糖溶液的浓度对修饰电极峰电流的影响 . 11 2.3.4 缓冲溶液的 pH 对修饰电极峰电流的影响 . 11 2.3.5 用 H2O2 还原计时电流法做 i-t 曲线 . 11 3 结果与讨论结果与讨论 . 12 3.1 不同扫速对修饰电极峰电流的影响 . 12 3.2 膜的厚度对修饰电极峰电流的影响 . 13 3.3 壳聚糖的浓度对修饰电极峰电流的影响 . 14 3.4 溶液 PH 值对修饰电极峰电流的影响 . 15 3.5 其他条件对电极峰电流的影响 . 16 3.6 用 H2O2 还原计时电流法做 I-T 曲线 . 16 4 结论结论 . 17 参考文献参考文献 . 18 致 谢致 谢 . 20 IV 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文）长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） 1 1 论论文综述文综述 1.1 1.1 引言引言 新能源、 新资源的开发，环境保护，生物固氮，AIDS、 癌症特效药的研究是当今人类面临的 六大难题。 随着传统的石化燃料的日渐耗竭，新能源的开发和利用正得到各国政府的广泛重视1。 燃料电池是将以氢气、 天然气、 甲醇等为燃料、 O2 为氧化剂进行电化学反应时释放出来的化学 能直接转化为电能的一类原电池。1839 年，William Grove首次提出以H2 作阳极燃料，以O2 作阴 极氧化剂的燃料电池，此后的160 多年间，人们对燃料电池作了大量细致的工作。目前，燃料电 池的能量转化率最高可达近80%，约为火力发电的2倍，已被公认为继火力、 水力和原子核能发电 体系之后的第四大发电体系，虽然在现有的技术层面上成本还很高，但是作为一种转化效率高、 可靠性强、质能比高、清洁的理想能量转换系统，由于它能很好地解决能源资源的综合利用和环 境污染这两大可持续发展的问题，已成为当今科技界最热门的研究课题之一，我国对燃料电池 的技术研究和开发也相当重视。 通过热传递或燃烧过程将化学能转变成电能受卡诺循环限制，其能量转换效率远低于50%， 生物燃料电池是通过选择合适的燃料在阳极氧化，同时通过外电路将电子传输给阴极，阴极的 O2 接受电子被还原，从而将燃料中储存的化学能转化为电能，这一过程不受卡诺循环限制，电 池的输出功率取决于电子传输速率和数量以及两极间的电势差。 能量转换效率高于40%, 如把运行 时的热量也加以利用，则能量转换效率可达90%。 生物燃料电池2是利用生物催化剂（如酶）和生物燃料的一类特殊的燃料电池。生物化学反 应与电化学反应的巧妙结合使得生物燃料电池除了拥有一般燃料电池的优点外，自身还具有特 殊的优势，其诱人的应用前景之一是可以作为小功率、长寿命的体内植入电源（如植入体内的某 些组织或血管中），已成为人们研究的热点课题之一。 1 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文）长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） 1.2 1.2 生物燃料电池的研究概况生物燃料电池的研究概况 1.2.1 生物燃料电池的特点生物燃料电池的特点1 生物燃料电池是利用生物催化剂将生物燃料中的化学能转变为电能的一类特殊的燃料电池。 生物燃料电池除了一般燃料电池的优点外，还有以下一些特殊的优点： (1) 燃料来源广泛，价格低廉。 可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、 无机物质作为 燃料，甚至可以直接利用污水等作为其燃料，如当以含酸废水为原料时，生物燃料电池就具有 了双重功能，即在产生电能的同时还进行污水的处理。 (2) 操作条件温和。 一般是在常温、 常压、 接近中性的环境下工作，因此电池维护成本低、 安全 性强。 (3) 生物相容性好。某些生物燃料电池可以直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官（利 用人体内溶解的葡萄糖和氧作为原料）、微型传感器和未来分子机器人等的电源，这是传统燃料 电池无以比拟的。其中分子机器人至今仍仅是科学家们的一种设想，据说一旦实现，当今的一些 疑难病症（如癌症、 高血压等）将迎刃而解。 它是利用纳米技术，以20 种氨基酸为原料，按分子 设计合成所需的蛋白质“零件”，并进一步利用肌肉细胞的纤维结构骨架，从而制造出分子机 器人。利用分子机器人在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断并实施特殊治疗，疏通脑血 管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒、杀死癌细胞。应该说生物燃料 电池的应用前景是相当诱人的。 (4) 生物燃料电池结构比较简单，特别是最近提出的无隔膜生物燃料电池7，不但使结构更 为简单，有利于微型化，而且使电池内阻小，有利于提高电池的输出功率。 1.2.2 酶生物燃料电池的研究概况酶生物燃料电池的研究概况2， ，3 在酶燃料电池中，脱氢酶和氧化酶常作为阳极生物催化剂，Lac、胆红素氧化酶等常为阴极 生物催化剂；甲醇和葡萄糖是最常见的两种燃料；氧气是最常用的阴极氧化剂。甲醇氧化主要使 用酒精脱氢酶ADH ( Alcoholdehydrogenase )或甲醇脱氢酶MDH ( Methanoldehydrogenase ) 作催化 剂，氧化的产物是甲酸或CO2，葡萄糖氧化以 GOD 作催化剂，氧化的产物是葡糖酸内酯。 2 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文）长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） 目前，间接型酶生物燃料电池的研究较多。Plotkin 等人在以MDH 为生物催化剂的甲醇燃料 电池中，比较了媒介体PES 和PMS 的性能，结果发现在pH值9.5 时，PES 工作的稳定性比PMS 要好。这种电池的主要缺陷是产物甲酸积累导致电解液pH 值不断减小，所以难以实现长期连续 工作。为了解决这个问题，Plyue 等在MDH 的基础上又引入了甲酸脱氢酶FDH ( formatedehydrogenase )，使甲醇完全氧化为CO2，其电池中使用的媒介体仍为PES 和PMS。另外， 他们以碳布为阳极，比较了酶固定化和酶游离时电池性能的差别，发现将酶固定化可使电流增 大138%。 Persson 等人研制了MB+作为媒介体、 GOD 为催化剂、 葡萄糖为燃料的酶生物燃料电池， 电池可储存数月之久，但媒介体的寿命却很短，每隔几小时就需要更换。Laane 等人的生物燃料 电池的阳极用GOD为催化剂、DCPIP ( 2,6-dichlorophenolindophenol ) 为媒介体、阴极用CPO ( Chloro-peroxidase ) 作催化剂，电池工作3 天后在阳极和阴极室分别得到葡萄糖酸 ( D- glucoseacid ) 10mg、5-chlorobarbituricacid (5-氯化巴比土酸) 8 mg，表明：用酶生物燃料电池还能 合成生化样品。间接型生物燃料电池方面的研究工作做的比较好的有美国工程院院士、得克萨斯 大学的生物工程学家Heller 课题组和以色列希伯来大学的Willner 课题组。Heller 课题组研制的可 植入体内的微型生物燃料电池，以葡萄糖作为燃料，以体液内的溶解氧为氧化剂，可以在接近 体液中温度（37C）和pH 值（7.2）的条件下工作，能够产生出相当于一块手表钮扣电池提供的 电压。 Willner 课题组着重于具有各种可控开关（如电化学开关、 磁控开关等）的生物燃料电池的 研究，如他们以PQQ（pyrroloquinoline quinone 的缩写）为媒介体，将GOD、细胞色素C 氧化酶 通过分子组装的方法分别固定到阳极和阴极上，制得可用作电化学开关的生物燃料电池。但他们 的制备电极的方法复杂，不可能用于大量生产。另外，与Heller 和Willner 课题组都是利用氧化酶 作为生物催化剂不同，加州大学戴维斯分校的Palmore 课题组曾研究过利用脱氢酶作为阳极生物 催化剂的生物燃料电池，他们利用NAD(P)H 作为辅酶，ABTS（2,2-azinobis ( 3-ethyl- benzothiazoline-6-sulfonate ) 的缩写）作为媒介体，脱氢酶直接溶解在溶液中，因此需要有交换 膜将阴极和阳极分开。如以甲醇作为阳极的燃料时，需在溶液中放入甲醇脱氢酶、甲醛脱氢酶和 甲酸脱氢酶三种脱氢酶，而且需要有另外的媒介体和其他酶的作用下实现NADH 在电极上再生， 因而该方法几乎没有实现实用的可能性。日本熊本大学的谷口功课题组和哥伦比亚大学的Barton 博士也进行了一些生物燃料电池的研究，Barton 博士虽然已获得美国国家自然科学基金的资助， 但他们的工作刚刚开始。国内对生物燃料电池的研究还很少。 目前，直接型生物燃料电池的研究还很少，但正逐步引起研究者的关注。Ramanavicius 等以 3 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文）长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） QH-ADH 为阳极催化剂，MP-8 偶合GOx 为阴极催化剂制备得到的直接型生物燃料电池的开路 电位可达270 mV，电池的操作半衰期为2.5天。 1.2.3 生物燃料电池发展的瓶颈生物燃料电池发展的瓶颈 生物燃料电池自身潜在的优点使人们对它的发展前景看好，但要作为电源应用于实际生产 与生活还比较遥远。 其主要原因是输出功率密度低和使用寿命短。 目前质子交换膜燃料电池4-6的 功率密度可达200300 mW cm-2，使用寿命以年为计算单位，而生物燃料电池的功率密度还达 不到1mW/cm2，使用寿命最多为数月，可见两者差距之大。制约生物燃料电池输出功率密度的最 大因素是电子传递过程。 按照Marcus 和Sutin 提出的理论，电子转移速率由电势差、 重组能和电子 供体与受体之间的距离决定。 理论和实验均表明，随传递距离的增加,电子转移速率呈指数下降的 趋势。在这种情况下，即使将这些酶固定在电极的表面上，仅仅是酶分子外壳的厚度就足以对电 子由活性中心到电极的直接传递过程产生屏蔽作用。微生物细胞的体积要比酶分子大的多，所以 在微生物燃料电池中，屏蔽作用就更加明显了。为打破屏蔽，人们提出了利用媒介体的间接型生 物燃料电池，并已进行了大量的有关研究。尽管媒介体能在一定程度提高酶的催化效率，但是具 有电子传递链长（因而电子传递速率小），制备工序繁杂（不利于大量生产），以及寿命短 （不利于实际使用）等弱点，因而不能彻底解决生物燃料电池发展中的两大问题。 解决这些问题的最有效途径是研制基于酶直接电子传递的直接型生物燃料电池。实现生物酶 与电极间的直接电子传递的方法主要有7： (1) 对酶分子的外壳进行修饰，使它能够允许电子通过，然后再把修饰后的酶固定到电极上。 (2) 直接用导电聚合物固定酶，因为导电聚合物可象导线一样，穿过酶分子的外壳，将电极 延伸至酶分子活性中心附近，大大缩短电子传递的距离，从而实现电子的直接传递。 (3) 利用模拟生物膜、 自组装膜、 溶胶-凝胶膜、 碳纳米管、 活性炭、 金属或半导体氧化物纳米粒 子和CS-SiO2杂化膜(其中CS是Chitosan的缩写)等对基底电极进行修饰，构筑仿生微环境，获得 酶在电极表面的控制取向固定，实现直接的快速电子传递。酶的有效固定不仅可以保持酶的活性， 提高酶的稳定性及使酶与电极间进行有效的直接电子传递，而且还可以通过选择合适的固定载 体（如纳米材料），以期提高酶的附载量，提高酶电极的电流密度，从而提高生物燃料电池的 功率密度。 4 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文）长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） 1.3 1.3 酶或氧化还原蛋白质固定载体的选择酶或氧化还原蛋白质固定载体的选择 虽然一些酶或氧化还原蛋白质能在某些固体电极上进行直接电化学反应，但对直接型生物 燃料电池，最希望的还是要把酶或氧化还原蛋白质固定在合适的载体上。理想的酶或氧化还原蛋 白质的载体材料的首要条件是能促进酶或氧化还原蛋白质的直接电化学，另外还要具有对生物 大分子无毒性、 传质性能好、 性质稳定、 寿命长、 价格低廉等特性。 目前固定酶或氧化还原蛋白质技 术中所使用的载体材料主要模拟生物膜、 自组装膜、 聚合物膜、 无机载体（如碳纳米管、 活性炭、 多 孔二氧化硅珠等）及复合载体（如CS-SiO2 杂化膜）等。 1.3.1 模拟生物膜模拟生物膜 模拟生物膜是将某些双链的表面活性剂（如DDAB, DHP 和DMPC 等）通过吸附、 涂布、 共价 键合或LB 膜转移等方法引入电极表面，从而在电极表面形成排列有序的双分子层（模拟膜结构 与生物细胞膜中类脂所组成的双分子层结构类似）。模拟生物膜可以为酶或氧化还原蛋白质等生 物大分子提供仿生微环境，使本来在裸电极上难以实现的酶或蛋白质的直接电子传递在模拟生 物膜上得以实现8。1993 年，Runitake 等首次将蛋白质的直接电化学研究与多层模拟生物膜结合， 报道了肌红蛋白（Mb）在涂布于热解石墨（PG）电极上的双十二烷基二甲基溴化铵（DDAB） 多双层表面活性剂薄膜中表现出相当可逆的CV 行为，在DDAB 薄膜的微环境中，Mb 与电极之 间的电子转移速率比溶液中的Mb 在裸电极上的电子转移速率快约1000 倍。 Rusling 等分别探讨了 细胞色素P450和血红蛋白在双十二烷基二甲基溴化铵薄膜电极上的直接电化学，也获得了Mb在 双十六烷基磷酸酯（DHP）薄膜电极上可逆的CV 信号。胡乃非等探讨了血红蛋白（Hb）在双十 四酰磷脂酰胆碱 (DMPC) 模拟生物膜电极上的可逆伏安行为。Kong 等报道了辣根过氧化物酶在 双十二烷基二甲基溴化铵薄膜电极上的可逆电化学行为。 模拟生物膜促进生物大分子的直接电化学反应的原因目前还不十分清楚。已有的研究结果表 明，生物大分子在这种薄膜中可能具有某种特定的取向，使其电活性基团也采取某种有规则的 排列和取向，从而有利于他们与电极以及他们自身分子之间的电子交换。另外，模拟生物膜很可 能起到某种“过滤器”的作用，阻止了酶或蛋白质溶液中大分子杂质在电极表面的吸附，因而 也促进了酶或蛋白质与电极之间的直接电子转移。 5 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文）长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） 1.3.2 自组装膜自组装膜 自组装膜是分子通过化学键自发地在固、液或气、固界面形成的稳定的有序膜，能在分子水 平上精确控制界面性质，可通过设计分子结构和进行分子剪裁从而获得预期的、物理和化学性质 优异的界面9。 自组装膜具有原位自发形成、 热力学稳定、 制作方便简单等优点，而且无论基底材 料形状如何，都可以形成均匀一致的、分子排列有序的、高密堆积和低缺陷的覆盖层。1993 年 Lvov 等利用带相反电荷的聚离子和蛋白质之间的静电作用交替的组装于电极表面形成了多层组 装膜，率先研究了在金电极上铁硫蛋白 ( Pdx ) 与聚电解质PDDA ( Poly ( diallyldimethyl ammonium )的层层组装过程以及铁硫蛋白在薄膜中的直接电化学反应。胡乃非等将带正电荷的 PDDA 和带负电荷的血红蛋白按层层自组装的方法修饰在热解石墨电极表面，研究了血红蛋白 在多层膜中的直接电化学。Dong 研究小组在金电极表面先组装一层半胱氨酸单分子层，再在表 面带正电荷的半胱氨酸单分子层表面，利用交替组装的方法制成了 (DNA/Mb)n 多层膜；在自组 装模中，由于DNA 和肌红蛋白（Mb）之间作用的结果，产生了一个电子穿越的通道，即：“电 极/碱基对/肌红蛋白”，从而促进了电子转移。Wang等将3-巯基丙基-三甲氧基硅烷(MPS)水解制 成含有-HS 的硅溶胶，然后组装到金电极表面形成网状的三维硅凝胶单分子层，再将金纳米粒 子吸附到含有-HS 的硅溶胶中的-HS 端基上，以此为载体研究了HRP 或细胞色素C的直接电子传 递过程。 Chen 等将细胞色素C固定到HA ( humic acid ) 自组装膜中，在金电极上研究了细胞色素C 直接电子转移的动力学。 Ohsaka 等将3-巯基丙酸自组装到金电极表面，获得了三种超氧化物歧化 酶在该单分子层自组装膜中的有效直接电子转移。 1.3.3 高分子载体高分子载体 高分子载体分为天然高分子凝胶载体和合成高分子载体两类。天然高分子凝胶载体材料一般 无毒性、 传质性能好、 但强度较低、 在厌氧条件下易被微生物分解，寿命短，常见的有琼脂、 海藻 酸钠和丝素膜等10。 合成高分子载体包括球状纤维素单宁树脂、 溶胶-凝胶膜、 离子交换聚合物膜 和树枝状高聚物等。球状纤维素单宁树脂是以球状纤维素为基体，通过醚化和胺化反应制备的新 型高分子载体，其水力学性能、机械强度和稳定性好、化学稳定性高，能用于酸碱度较高的体系； 6 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文）长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） 有疏松的网状结构和真正的大孔结构；能有效地吸附酶或氧化还原蛋白质等生物大分子；酶或 氧化还原蛋白质的吸附容量高，是良好的酶固定化载体。 水凝胶11，12是指在水中溶胀并保持大量 水分而又不溶解的聚合物（如低温水凝胶聚丙烯酰胺水凝胶和SP-交联葡萄糖凝胶等）（SP 指 Sephadex ），亲水分子能够在水凝胶中扩散。 水凝胶具有良好的生物相容性，高的机械强度和热 稳定性；与疏水聚合物相比，与被固定化的生物物质只有弱得多的相互作用；固定在水凝胶中 的生物分子活性能够保持较长时间。1971 年，Johnson 和Whatley 首次深入地研究了嵌入硅酸干 凝胶中的胰岛素的电催化活性，发现固定在凝胶膜中的胰岛素能保持其在溶液中活性的34%，且 稳定性得到大幅增强。溶胶-凝胶膜固酶载体的研究就此展开13。Dong 等将肌红蛋白用低温水凝 胶膜固载修饰到玻碳电极上，肌红蛋白在不经进一步纯化的情况下在该膜中可观察到良好的准 可逆氧化还原峰。 Fan 等将血红蛋白用SP-交联葡聚糖凝胶膜固载在热解石墨电极上，实现了血红 蛋白在膜内的直接电子传递。Lu 等研究了固定于硅溶胶凝胶膜中的血红蛋白在碳糊电极上的直 接电化学。Rusling 等将血红蛋白和肌红蛋白固定到多孔网状硅溶胶凝胶膜中， 研究了 CTAB（cetyltrimethylammonium bromide ）、PSS（ poly (styrene sulfonate )）和 Nafion 对血红蛋 白和肌红蛋白直接电化学的影响。 Pang 等在琼脂糖水凝胶膜中实现了多种血红素类氧化还原蛋白 质的直接电子传递，利用电化学、光谱学和原子力显微镜表征了电极的结构和性能，阐明了其对 H2O2 和NO 的电催化还原机理。离子交换聚合物膜因为能够有效的消除电活性物质的干扰而受到 了众多学者的关注。聚磺酸酯膜 ( Eastman AQ ) 是一种新型的聚合物阳离子交换剂，涂于电极表 面，形成的膜除具有强的附着力外，且具有预富集、离子交换和防污等性能。 细胞色素 C 和血红蛋白固载于该膜中，既促进了蛋白质与电极之间的电子转移，而且这些 血红素蛋白质表现出了良好的酶催化活性14，15。 树枝状高聚物由于分子表面富含活性基团、 结构 均一，且具有多孔网状结构，而成为另一种有潜力的酶固定载体。Hu 等以 PAMAM（polyamidoaminedendrimer）膜为固酶载体在热解石墨电极上实现了HRP、 过氧化氢酶、 血红蛋白和肌红蛋白的直接电子传递。 1.3.4 无机载体无机载体 (1) 粘土类薄膜16，17 自然界中有很多种不同类型的粘土，如蒙脱土、 水辉石、 高岭土、 皂土、 绿石、 海泡石、 叶蜡石 7 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文）长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） 及合成粘土等，其中研究最多的是蒙脱土。 粘土薄膜具有可观的表面积、 有序的结构、 插层反应性、 价廉、 高稳定性和高交换能力等优点。 Lei 等系统的研究了用钠形蒙脱土修饰玻碳电极对细胞色素 C 、 细胞色素 P450、 血红蛋白和肌红蛋白的直接电化学等。 Fan 等将血红蛋白溶液和蒙脱土混合后， 加进聚乙烯醇改善膜的强度，混合溶液涂到热解石墨电极表面制成复合膜，研究了血红蛋白的 直接电子转移及对 H2O2 的酶催化活性。Wollenberger 等研究了细胞色素P450等在蒙脱土纳米胶 粒和非离子型表面活性剂界面上的直接电化学等。 (2) 碳载体 碳载体包括碳纳米管和活性炭等。 活性炭具有比表面积大、 表面活性中心多、 吸附能力强等特 点，Lu 等把微过氧化氢酶吸附在活性炭上，用 Nafion 膜固定，实现了它的直接电化学。 碳纳米管自1991 年被发现以来一直是人们研究的热点18。 由于其独特的电子结构、 高的导电 性和化学稳定性、表面易于功能化以及良好的生物相容性，因此也是固定酶的优良载体，这是碳 纳米管新的应用领域之一19。Cai 等将血红蛋白、HRP 等生物大分子固定到碳纳米管上，实现了 它们的直接电化学反应。Dong 等利用室温离子液体把微过氧化物酶固定到碳纳米管或碳微粒上， 研究了微过氧化物酶的直接电化学。 (3) 纳米颗粒膜20 纳米粒子具有高比表面积、 高活性、 强吸附力、 高催化效率及良好的生物相容性等优异特性， 可在增加酶的吸附量和稳定性的同时提高酶的生物电催化活性，因为纳米粒子尺寸小，因此生 物大分子的活性中心可更接近载体，易于与电极间实现直接电子转移，使酶电极的电流响应灵 敏度得到大幅度的提高。唐芳琼等用溶胶-凝胶法将GOD固定到憎水金、亲水金、憎水SiO2纳米颗 粒以及Au-SiO2纳米复合颗粒与聚乙烯醇缩丁醛构成的复合膜中，获得了基于GOD直接电子转移 的第三代葡萄糖传感器，该传感器的响应电流增加了2个数量级，且响应时间短，仅1 min。 Hu 等 报道了将HRP固定到纳米TiO2颗粒膜中，可实现酶与热解石墨间的直接电子转移。Ju 等研究了血 红蛋白在ZrO2纳米粒子中的直接电化学。 1.3.5 复合载体复合载体 有机、无机杂化复合材料由于具有有机物的柔性和易修饰性，以及无机物的刚性和稳定性等， 8 长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文）长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） 此有利于保持生物分子的活性，有望成为固定化酶的良好载体。 Mao 等将碳纳米管掺杂到硅溶胶- 凝胶膜中，研究了该复合膜电极在电化学中的潜在应用，并预言其有可能成为固定酶或氧化还 原蛋白质的理想载体。Gorski 等将葡萄糖