研究寡肽类化合物与金属离子的相互作用在生物科学、生物化学传感器、环境科学等方面有着重大意义。组氨酸作为一种含功能性侧链的必需氨基酸,广泛存在于生物功能蛋白中,并与金属离子结合后对功能蛋白的结构和性能的维持起着重要的作用。本论文主要致力于设计与合成含组氨酸类似物的二茂铁寡肽类杂化材料,研究其在溶液相或在自组装膜表面与金属离子的相互作用,并在此基础上开发可用于温室气体CO2催化减排的碳酸酐酶仿生模型。氧化石墨烯作为新兴材料石墨烯的相似物,虽然自身电活性差,但其良好的溶液分散性及可修饰性为化学家改造其性能提供了可行性并且表现出了巨大的潜力。本论文合成了一种新型的染料分子修饰的氧化石墨烯纳米杂化材料,研究了其在氟离子调控下的光电转换能力。本论文的主要内容和结果包括以下几个方面：第一章综述了二茂铁修饰的寡肽类化合物,碳酸酐酶的仿生学及氧化石墨烯纳米杂化材料的研究进展。第二章合成了一种新型的含组氨酸类似物的二茂铁双链寡肽化合物,充分表征了其光谱学和电化学性质,研究了其与Na+,Mg2+,Fe2+,Cu2+,Zn2+和Cd2+离子的相互作用。该化合物在乙腈溶液中展示出良好的单电子可逆氧化还原活性,半波电位为380.5mV vs.Fc/Fc+,并且呈现出一种近似于1,2’-P螺旋的手性构型。循环伏安法研究发现金属离子的添加会引发罕见的氧化还原电位向阴极电位方向移动的现象,移动顺序为Cu2+(-436 mV)>Fe2+(-284 mV)>Zn2+(-270 mV)>Cd2+(-238 mV)>Mg2+(-180mV)>Na+(-75 mV)。循环伏安滴定和核磁滴定以及质谱的研究结果表明该化合物与过渡金属离子Fe2+,Cu2+,Zn2+和Cd2+离子之间形成了1：1的金属配合物。核磁滴定研究结果还表明过渡金属离子是通过该化合物两条肽链中的组氨酸类似物侧链上的咪唑氮原子进行配位的。圆二色光谱研究表明过渡金属离子的配位作用使该化合物的二茂铁中心的构型发生了变化,变化的程度与过渡金属离子的种类及络合方式有关。Zn2+和Cd2+离子的配位使该化合物在溶液中的构型保持P螺旋,而Fe2+和Cu2+离子的配位使该化合物在溶液中的构型从P螺旋变成了M螺旋。第三章合成了一种新型的包含双硫键和组氨酸类似物的二茂铁寡肽化合物,并通过双硫键与金的共价作用构建了该化合物在金表面的自组装膜,研究了该化合物及其自组装膜的性质及其对Zn2+离子和Cd2+离子的识别能力。该化合物在溶液相中表现出优良的可逆单电子氧化还原活性,半波电位为838mVvs.Ag/AgCl, Zn2+离子和Cd2+离子的添加使其氧化还原电位向阳极电位方向发生移动,幅度均小于20 mV。其自组装膜在金表面表现出优良的可逆单电子氧化还原活性,半波电位为701 mV vs. Ag/AgCl。K3Fe(CN)6研究表明该自组装膜在金电极表面排布紧密有序。该自组装膜与Zn2+离子和Cd2+离子分别结合后形成的金属离子自组装膜表现出强烈的电流减弱现象,Zn2+离子减弱程度最大,可实现与Cd2+离子的有效识别。电化学阻抗谱研究进一步支持了以上结果。X射线光电子谱分析结果表明该自组装膜对Zn2+离子和Cd2+离子的识别能力与两种金属离子在自组装膜中的结合位点不同有关。第四章利用第三章合成的包含双硫键和组氨酸类似物的二茂铁寡肽化合物,在金表面构建了其与Zn2+离子的自组装膜,创建了一种固定化碳酸酐酶仿生模型。X射线光电子谱研究表明该模型的活性中心结构中Zn2+离子是与组氨酸类似物侧链上的咪唑氮原子配位,配比约为2.5：1,接近天然碳酸酐酶活性中心中Zn2+离子与组氨酸侧链上的咪唑氮原子的配比3：1。该模型对CO2气体底物和CO2饱和溶液底物的催化活性用电化学方法进行了研究,其催化条件优化及催化参数评估实验皆用对硝基苯酚乙酸酯做底物,用紫外动力学技术和时间电流曲线法进行了监测。优化的缓冲溶液pH值为7.51,根据米氏方程理论得出该条件下的表观动力学常数K’m为27.2 mM,催化速率常数kcat为506.5 s-1。第五章合成了一种基于氧化石墨烯和荧光黄硅醚衍生物的共价纳米杂化材料。该材料的结构用紫外可见吸收光谱和傅立叶红外光谱做了表征,其表观形貌用透射电子显微镜和原子力显微镜做了表征。F-离子对该杂化材料及原料荧光黄硅醚衍生物结构中的Si-O键的诱发断裂效应分别用紫外可见吸收光谱和荧光光谱做了对比研究。Cl-,Br。和I-。离子的对比研究表明F离子对该杂化材料结构中Si-O键的诱发断裂具有优良的选择性,同时在白光激发条件下还显示出独特的光电流信号。509 nm单色光激发的对比研究得到了类似的结果。原料荧光黄硅醚衍生物在相同的实验条件下没有表现出明显的光电流信号。第六章结论。
