重金属影响下金属蛋白质在界面上的电子传递机制与理论模拟

Heavy metal pollution has caused the attention of the society. Heavy metal can enter a body and coordinate with all kinds of proteins and enzymes extremely easily, affecting the life body normal physiological function. The electronic transfer participated by metal proteins is one important process to maintain the vital activity of life body. Based on this, studies the change of the electronic transfer behavior of metal protein under the influence of heavy metals appears particularly important. This project, with the help of nano-biotechnology research means, studies how to construct interfaces with different characteristics and assemblies with different transfer path, as well as the preparation of target protein molecules, to create a good experimental platform for the performance research of the electronic transfer of metal protein molecules; Studies systematically the influence of heavy metal in different conditions on the electronic transfer of metal protein on the interface, including oxidation reduction, I-V curve, and further develops heavy metal biological detection devices with low detection limit, to reveal the variation rules of its own metal center in the electronic transfer process and the effect role of heavy metal ions in the environment; Studies theoretical calculation on the metal protein electron transfer under the influence of heavy metals, to explain the experimental results from theoretical level, and further extends and develops some conditions which are difficult to be carried on or difficult to be obtained in laboratory conditions, to reveal the important role of metal ions on the electron transfer of protein, and promote the development of some new biological and chemical method for heavy metal pollution treatment.

重金属污染已引起了社会各界的关注。重金属进入生命体内极易与蛋白质及各种酶发生配位作用，影响生命体正常的生理功能。由金属蛋白协同参与的电子传递是维系生命体生命活动的一个基本过程。基于此，研究重金属影响下金属蛋白质电子传递行为的变化显得尤为重要。本项目利用纳米生物技术的研究手段探索不同界面特性的构建及目标蛋白质分子的制备，为蛋白质电子传递的性能研究创造良好的实验平台；系统地研究在不同状态下重金属对金属蛋白质在界面上电子传递的影响，包括氧化还原、I-V曲线等，进一步研究低检测限的重金属生物检测材料，揭示自身金属中心在电子传递中的变化规律及环境中重金属离子对其的影响作用；开展重金属影响下金属蛋白质电子传递的理论计算，从理论的层面上来解释实验结果，进一步扩充、衍生到一些实验室条件难以进行、难以得到的条件中去，揭示金属离子在蛋白质电子传递中的有效作用，促进治理重金属污染的一些新的生物及化学方法的开拓。

本项目以构建不同界面、不同传递路径组装体为基础，研究其在界面上的电子传递和氧化还原现象。同时结合理论计算，研究实验中难以进行、难以得到的条件。在溶液电化学研究中，VOx因为电化学性能优越，价格低廉，环境友好而成为优良的电极材料，但它的不稳定性也制约了该材料的进一步发展。我们制备了V2O5@C的核壳纳米线。相较于单纯的V2O5纳米线，V2O5@C纳米线表现出显著提升的电容性能和优越的稳定性。该研究可为其它电极材料性能的提升提供思路。在电子传递的研究中，金属有机纳米颗粒由于不同于本体材料的化学和物理特性，在纳米电子器件，催化和传感等应用中吸引了广泛的关注。我们选择了三种相同金属核心不同配体保护的Ru纳米颗粒。在junction实验中，这些纳米颗粒结均表现出明显的库仑台阶和库仑封闭现象，电子传递行为与颗粒尺寸和与配体的成键情况相关。金属和配体之间的相互作用对于金属纳米颗粒的调控起着重要作用。在界面的构建和分子组装中，我们利用电化学方法结合接触角、扫描探针显微镜等方法对直链烷基硫醇自组装的吸附动力学进行了研究。实验结果表明，硫醇自组装过程符合扩散控制的Langmuir模型。表观吸附动力学常数kobs与吸附动力学常数都显示了浓度相关性。在环境友好材料方面，聚乳酸材料与人类生活密切相关，从纺织材料到医药卫生中的应用。我们通过原位插层聚合制备了聚乳酸蛭石纳米复合物材料，实验结果表明随着蛭石掺杂量的增多，聚乳酸韧性增大，降解率显著增加，达到了改性的目的。电化学环境处理方面，重金属离子由于不宜代谢，在体内极易累积，为环境污染的长期作战对象。实验采用微分脉冲阳极溶出伏安法，利用自制的修饰电极于水体环境下同时检测溶液中的铅和铬离子，并研究了相关条件因素对检测的影响，如Bi(III)离子浓度，预富集电势，预富集时间，缓冲溶液的pH值等。理论计算方面，纳米尺度受限空间内的分子扩散是化学学科中的核心问题之一, 微化学反应器、分子筛催化、晶体生长、分离富集等基本化学过程都与之密切相关。我们利用随机行走方法对色谱填充柱中的分子扩散过程进行了模拟。考察了固定相的填充率、固定相的形状和柱长对色谱动力学行为的影响。在此基础上，进一步研究了温度和压力两个重要的色谱参数。同时，还开展了相对应的实际气相色谱实验。模拟与实际实验给出了给出了一致的结果。该计算方法对于发展高效能色谱，开发新型分离技术等具有参考意。