石墨烯类材料对辣根过氧化物酶活性的影响机制研究

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石墨烯类材料作为碳纳米材料家族的一员已经被广泛地应用于电子、清洁能源、环境等领域。由于其巨大的比表面积以及优越的反应活性,它能作为优越的酶载体材料与,但是由于石墨烯类材料的催化特性很大程度受其结构与表面性质的影响,这些表面性质会对酶活性有着怎样的影响,现在的研究很少涉及这一方面。基于此,本研究中选取了三种典型的石墨烯类材料(氧化石墨烯(GO)、还原态氧化石墨烯(RGO)、石墨烯(Graphene))以及在环境领域中应用广泛的辣根过氧化物酶(HRP),通过酶活性实验、吸附实验、圆二色谱、拉曼光谱、傅里叶-红外光谱、紫外-可见光谱等表征手段深入研究不同表面性质的石墨烯类材料对酶活性的影响,并通过分析讨论取得了如下结果:  1)在有H2O2存在条件下,三种石墨烯类材料(GO, RGO, Graphene)对HRP的活性有着截然不同的作用;GO与Graphene对HRP的活性呈抑制作用,且浓度越高,抑制程度越大;而 RGO对 HRP活性成促进作用,且浓度越高促进的程度越大。双指数型曲线能很好地拟合这些材料对HRP活性的衰减曲线。  2)三种石墨烯材材料对 HRP的吸附能力强弱依次为GO≈Graphene>RGO。这是由于它们与HRP的主要作用方式不同所导致;Graphene与 HRP的主要作用方式为π-π作用以及疏水性作用;而RGO和GO对HRP可能还有氢键作用与静电作用的影响;三种材料都会使HRP的二级结构产生变化,且改变程度依次为GO>Graphene>RGO。在GO与Graphene存在下,HRP二级结构的改变是导致HRP活性降低的主要因素。  3)RGO特殊的结构与表面性质是它促进HRP活性的原因。RGO促进HRP活性的机制有两个:a)RGO能淬灭HRP compoundⅢ回到原始的HRP所释放的超氧负离子;RGO本身含氧量以及羰基结构的增加以及超氧化物歧化酶(SOD)能很好地维持HRP的活性能为此机制提供有力的佐证。b)RGO中的醌或类醌结构作为电子转移中介参与加速HRP催化循环中几种形态间的电子转移过程;苯醌能很好地维持HRP的活性以及三种石墨烯类材料存在下HRP的紫外-可见光谱特征吸收峰位置小时间尺度的变化都能说明此机制。总之,HRP活性促进的原因可以归功于RGO淬灭自由基的能力以及RGO的表面(主要是醌结构)可以作为氧化还原中介。  本研究的结论显示通过适当地制备石墨烯类材料,它在酶工程以及生物传感器等领域都会有很好地应用前景;它对碳纳米材料对生物的毒理学研究也具有一定的参考价值。
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