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本文基于生物特异性识别作用在电极上构筑了对电活性探针具有刺激响应性的各种层层组装(LbL)薄膜,并将之应用于以探针为电子转移媒介体的基于酶反应的生物电催化的开关,并探讨了不同薄膜对探针的电化学开关行为的机理。研究了肌红蛋白(Mb)在吸入型LbL薄膜电极上的电化学和电催化行为。氧化还原酶或蛋白质的电化学研究可以为理解真实生命过程中的电子转移和生物催化提供模型,并为开发新型的可调控的电化学生物传感器提供重要基础。本研究分为七个部分：
第一章：前言。简述了氧化还原酶和蛋白质的电化学研究的意义及研究现状,并对本论文所涉及到的几种氧化还原酶和蛋白质的结构和功能做了简单介绍。简述了LbL技术及其不同的成膜驱动力,特别介绍了凝集素伴刀豆球蛋白A(Con A)-糖基生物特异性识别作用和硼酸-二醇的特异性相互作用及其相应的LbL薄膜。简要介绍了吸入型蛋白质LbL薄膜及该类薄膜电极的电化学研究现状。简要综述了对环境中不同的物理和化学刺激因素具有响应的可开关的薄膜,重点介绍了环境敏感性薄膜在可调控的生物电催化中的应用。
第二章：{Con A/Dex}m层层组装薄膜对电活性探针的pH敏感的开关行为及其在生物电催化中的应用。通过伴刀豆球蛋白A(Con A)和葡聚糖(Dex)间的凝集素-糖基生物特异性识别作用,在热解石墨(PG)电极上构筑了{Con A/Dex)n LbL薄膜。采用循环伏安法(CV)考察了带有不同电荷的电活性探针在该薄膜电极上的对pH敏感的通透性。薄膜对电活性探针Fe(CN)63-和Fc(COOH)2表现出pH敏感的开关性质,可以用于调控以Fe(CN)63-为媒介体的辣根过氧化物酶(HRP)对H2O2的电化学催化还原,以及以Fc(COOH)2为媒介体的葡萄糖氧化酶(GOD)对葡萄糖的电催化氧化。探讨了这种pH敏感的薄膜体系的物理化学基础。
第三章：过氧化氢在{Con A/HRP}m层层组装薄膜电极上借助于电活性媒介体的pH开关的生物电催化。利用Con A和糖基酶HRP之间的生物特异性识别作用在电极表面成功构筑了{ConA/HRP}n LbL薄膜,并实现了HRP在电极表面的固定。该薄膜对电活性探针Fe(CN)63-表现出可逆的pH敏感的开关性质,在pH4.0时表现为开,而在pH9.0时表现为关。薄膜对探针的pH开关性质可以用薄膜和探针之间的静电相互作用来解释,并可用于调控以Fe(CN)63-为媒介体的固定于薄膜中的HRP对H2O2的电化学催化还原。为了模拟生命体内的环境,通过原位酶催化反应调节溶液的pH,并将其成功应用于pH开关的H2O2的生物电催化还原。
第四章：基于伴刀豆球蛋白A与糖基酶的双酶层层组装薄膜和电活性媒介体的pH开关的生物电催化。通过Con A和糖基酶之间的生物特异性相互作用成功构筑了{Con A/HRP/ConA/GOD}nLbL薄膜。该双酶薄膜电极对电活性探针Fe(CN)63-表现出pH敏感的开关性质。在pH4.0时,探针表现出很大的CV响应,薄膜处于开的状态；而在pH8.0时,探针的CV响应很小,薄膜呈关的状态。薄膜对Fe(CN)63-的这种pH开关性质可以进一步用于激活/去激活共同固定于薄膜中的GOD和HRP对葡萄糖的电催化氧化。通过一系列对比研究,探讨了该薄膜对探针的pH敏感的通透性的机理,并认为应该主要归因于双酶薄膜和探针之间的静电相互作用。
第五章：基于硼酸-二醇特异性识别作用的层层组装薄膜的pH开关的生物电催化。合成了既含有苯硼酸(PBA)基团又含有羧酸基团的聚电解质PAA-PBA,这里PAA为聚丙烯酸。然后通过PAA-PBA和Dex之间的硼酸-二醇特异性识别作用在电极表面构筑了{PAA-PBA/Dex}n LbL薄膜。由于PAA-PBA分子链中自由的-COOH基团的解离对环境pH非常敏感,因此该LbL薄膜对Fc(COOH)2表现出pH敏感的电化学开关性质,并可进一步用于调控以Fc(COOH)2为媒介体的GOD对葡萄糖的电化学催化氧化。为了实现酶的固定,利用PAA-PBA和糖基酶GOD之间的硼酸-二醇特异性相互作用在电极表面构筑了{PAA-PBA/GOD}n LbL薄膜,薄膜对Fc(COOH)2同样表现出pH调控的开关行为,并可应用于pH开关的葡萄糖的生物电催化。
第六章：二元结构的三重响应性薄膜及其生物电催化:层层组装与聚合物水凝胶薄膜的结合。将pH敏感的{Con A/Oex}5 LbL薄膜与温度和盐敏感的PDEA-HRP水凝胶薄膜相结合,在电极表面上成功构筑了具有独特二元结构的具有三重响应特性的{ConA/Dex}5-(PDEA-HRP)薄膜,这里PDEA为聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)。该薄膜对Fe(CN)63-表现出可逆的对pH、温度和SO42-敏感的电化学开关行为。这种多重刺激响应性开关能够用于实现以溶液中Fe(CN)63-为媒介体的薄膜中HRP对H2O2的电化学催化还原的开关.通过一系列对比实验探讨了{Con A/Dex}5-(PDEA-HRP)薄膜对探针通透性的三重开关的机理。与此类似,{Con A/Dex}5-(PDEA-GOD)薄膜可以被用于实现以Fc(COOH)2为媒介体的薄膜中GOD对葡萄糖的电化学催化氧化的三重开关。
第七章：基于伴刀豆球蛋白A与葡聚糖的生物特异性识别作用的层层组装薄膜对肌红蛋白的吸入及其电化学研究。利用Con A和Dex间的生物特异性相互作用,在PG电极上构筑了{Con A/Dex}n LbL薄膜,然后再从溶液中吸入Mb,以形成{Con A/Dex}n-Mb薄膜。{Con A/Dex}n薄膜为保持Mb的生物活性提供了良好的微环境,并成功实现了Mb在薄膜电极上的直接电化学及其对氧气和过氧化氢的电催化还原。采用各种方法表征了{Con A/Dex}n多层薄膜的组装过程及{Con A/Dex}n-Mb薄膜的性质,详细探讨了{Con g/Dex}n LbL薄膜的组装及Mb吸入过程中的各种相互作用力。