基于钯膜的电化学pH调控新方法及其在DNA酸/碱变性中的应用
pH值是溶液一个极为重要的参数,许多有机反应的热力学和动力学与氢离子浓度密切相关,细胞生理代谢与胞外环境的pH值有关,各种酶在各自最适合的pH值下才能达到最高的催化活性,生命遗传物质DNA的构型构象以及碱基对之间氢键的稳定性也直接依赖于所处环境的pH值,而由于氢键断裂与形成引起的DNA的变性及复性对基因的表达和调控,对DNA分子的杂交与识别也有很重要的意义。因此,pH控制与调节在众多的化学和生物过程都有着非常重要的意义,因而是长期以来科学家们一直研究的热点。然而,虽然目前已有众多的pH调控的方法,却都存在各种的不足。因此,发展一种普适而且方便的可以实时测量并可以调节溶液pH值的方法是促进众多领域研究的重要前提。
本论文提出基于透氢导电膜和串联电解池构型的电化学原位pH调控新方法,并建立相关的技术平台,使得能够在不改变溶液体积、不需要额外反应物、不产生氢气和氧气的情况下大幅度调变溶液全局的pH,特别适用于需要原位和实时改变溶液pH的各种研究和应用。运用该方法,结合光谱检测,可将该技术用于pH依赖的生物问题和技术的研究,有可能引起一些生物技术的变革与进步。主要的研究内容和成果如下:
(1)提出一种实时、原位、大幅度和快速的溶液pH调控的电化学的方法。此方法利用钯膜导电性和透氢性,以钯膜作为氢传导媒介,组成两室串联电解池,通过电化学方法氧化与还原氢使溶液pH值发生循环改变。可用于各种需要大幅度调节溶液pH的原位研究和应用中。
(2)建立了上述电化学pH调控的技术平台,实现溶液pH调节的模式化控制。在该平台上,运用酸碱指示剂和pH指示电极,研究了该平台大幅度和循环调节溶液pH的行为。实验表明,可以驱动一定体积的溶液从近中性pH开始,在短时间内升高4～5个单位的pH值,并实现可控循环调变,验证了所提出的电化学pH调控方法的可行性和可操作性。
(3)结合电化学pH控制仪对电化学pH调控平台进行系统的研究。系统研究和优化电化学pH调控平台所涉及的Ag／AgCl辅助电极、Pd-H pH指示电极、透氢钯膜的电化学特性和性能。优化了pH调节平台及电化学控制参数,实现对两室串联电解池工作室内溶液pH值进行大范围原位实时的检测与调控。实验表明,在优化的pH调控平台基础上,不对称两室串联电解池对钯膜的预充氢状态可控,pH调节过程中钯膜表面极化电位在-400 mV～-900 mV之间变化,结合pH控制仪可以实现溶液pH值在5.5～11.5之间循环调控。
(4)建立电化学pH调控-紫外光谱测试平台,以适合对pH依赖过程开展实时原位研究。对电化学pH调控平台的电解池进行改进,并通过光纤与紫外光谱仪连接,构建光学测试平台,实现电化学pH实时调控下紫外可见光谱的原位检测。利用酸碱指示剂酚酞对光学测试平台进行评测,酚酞体系的实时A550nm周期性变化,说明光学电解池可以在pH调节的同时,用于实时的光谱动力学数据采集。
(5)运用所建立电化学pH调控平台,结合紫外光谱实时检测对DNA酸、碱变性进行了初步研究,并实现了290 bp长度的DNA多循环实时调控DNA变性和复性,此研究工作提供了运用所建立的电化学pH调控平台的实际例子。研究结果表明,溶液pH值在5.4～11.4范围内原位周期性调节过程中,DNA在紫外吸收光谱260 nm的特征吸收发生相应的周期性涨落,实现了利用酸碱度对DNA的构型的实时循环控制,并且由酸、碱变性导致产生的A260nm增加比例与热变性相接近。
串联电解池;溶液pH值;电化学调控;钯膜;DNA酸碱变性;透氢导电膜
厦门大学
博士
物理化学
毛秉伟;田昭武
2010
中文
O657.92
2012-03-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）