低共熔溶剂型离子液体中蛋白质的电化学行为分析及应用研究

Bioelectrochemistry is one of the most interesting and important emerging areas where ionic liquids (ILs) are beginning to play a part. Compared to ionic liquids, deep eutectic solvents (DES) shows advanced features (such as better biocompatibility, non-toxicity, low-price), matching the needs of modern bioelectronics. However, a few cases, presumably the electrochemical kinetics of biological molecules (proteins, etc.) in these new ionic fluids and the effect of the structure and composition of DES remain unclear. Considering of these aspects, this project intends to control the starting material composition and proportion, synthesize and screen the DES with excellent electrochemical properties and biological compatibility, evaluate the effect of synthesis techniques on the physicochemical properties of DES, and then investigate the direct electrochemical behavior of proteins observed in the DES, finally build up a structure-activity relationship between the structure, physicochemical properties of DES and the biological characteristics of protein (activity and stability). Based on this, we try to employ the selected DES as function of the electrolyte and electrode material modifier, to construct the electrochemical sensors and enzyme biofuel cells with superior performance. It is hoped that the information collected here can be used to provide valuable guidelines for designing biocompatible ILs for bioelectronics, and broaden the application of the DES in the fields of electrochemistry and biotransformations.

生物电化学是离子液体应用中最有趣和最重要的新兴领域之一。低共熔溶剂（DES）相比普通离子液体更具优势，如生物兼容性更好、无毒、廉价等。这些特点更符合现代生物电子学研究及应用的需求。但目前在这一类新兴溶剂中诸多方面仍待进一步研究，如生物分子（蛋白质等）的电化学动力学过程、DES结构性质对生物电化学响应的影响等。针对上述的认识不足，本项目拟调节合成原料的组成与配比，制备和筛选出电化学性能和生物兼容性优良的DES，准确表征组分及合成条件对DES理化性质的影响，全面观测氧化还原型蛋白质在DES中的直接电化学行为，进而探求DES的结构组成及理化性质与蛋白质电化学生物活性及稳定性之间的构效关系。在此基础上，将筛选出的DES作为电解质溶液或电极修饰材料构筑性能优越的电化学传感器与酶生物燃料电池。该项目的实施有望为设计应用于生物电子学的DES提供重要参考价值，并拓宽DES在电化学和生物催化等领域的应用。

低共熔溶剂（Deep eutectic solvents，DES）是由一定化学计量比的固态盐与配位剂加热熔融形成的两组分或三组分混合物。其物理化学性质与离子液体非常相似，被人称为“第三代离子液体” 或者“低共熔溶剂型离子液体”。相比常规离子液体该溶剂成本低廉、合成简便且原子利用率高。本项目旨在探索DES的物理化学性质如阴阳离子和配合物组成与配比、粘度、氢键供给能力等与电化学性能及气体吸附的构效关系，进而研究氧化还原型蛋白质在DES中电化学动力学过程以拓宽DES在电化学与生物催化等领域的应用。本研究大范围制备了不同成分组成的的低共熔溶剂，探讨配体种类、比重以及环境温度对气体小分子如SO2, CO2和O2在其中溶解度的影响，并筛选出对气体小分子溶解性能较好的两类低共熔溶剂型离子液体（氯化胆碱/乙二醇和氯化胆碱/尿素）。全面考察了以多元醇或尿素为配位剂的氯化胆碱类低共熔溶剂的电化学溶剂性能，筛选出导电性能较好，性能稳定的低共熔型离子溶剂，并明确了低共熔溶剂的阴阳离子及配合物组合与电化学性能的构效关系。在应用方面探索了低共熔型溶剂体系中纳米复合材料的合成、表征及电催化性能研究。氧化还原型蛋白例如葡萄糖氧化酶在所制备的低共熔型离子液体中稳定性能差且易团聚，无法得到稳定有效的电化学数据。因此该部分研究仍处于初级阶段，后期需更多深入研究。