科研机构
 
 
生命与环境科学学院


电化学研究室 

电化学研究是生环学院化学系一个比较有优势的学科,在原研究室主任章宗穰教授的领导下,电化学研究室建设成为了一个国内外有一定知名度的研究团体。目前,主要成员有吴霞琴教授、杨海峰教授/博士、曹晓卫副教授/博士、王荣副教授/博士和姜远达讲师,以及近三十位研究生。

电化学研究室成立于1980年,曾被评为上海市教委先进实验室。1996年作为上海市教委重点学科-《物理化学》的主要成员得到了较大的支持。研究室利用获得的较多的经费支持,购置了一些大型仪器设备,如共焦显微拉曼光谱测试仪、石英晶体微天平等,并开发和吸收了与电化学仪器联用的原位光谱测试技术等新技术,获取了大量分子水平的研究信息,使研究工作取得了相当大的进展。近年来,又依托上海市教委《稀土功能材料》重点实验室的经费支持下,又相继购进了一大批研究所需的实验设备和仪器,如电化学扫描显微镜、原子力显微镜、扫描隧道显微镜等,从而使研究工作能进一步瞄准学科发展的前沿。经粗略的统计,近五年来,在国内外发表学术论文一百余篇,申请专利7项,其中一项已公开授权。

一、主要研究方向

1.生物电化学

生命过程是21世纪的热门课题。利用电化学方法研究生物体系对于深入理解生命过程具有重要的理论和实际意义。大多数的生物分子的活性中心被包埋在分子内部,在常规的电极上很难获得直接的电子传递,而实现生物酶分子的直接电子传递是制作高灵敏、准确、响应快速的生物传感器、乃至开发新型、环保的绿色能源-生物燃料电池的基础。研究室早在十多年前就应用薄层光谱电化学、EQCM、现场拉曼光谱电化学等测试技术开展了对生物体系的直接电化学方面的研究。其中,利用生物小分子作电子传递促进剂,成功地获得了对细胞色素C和超氧化物歧化酶(SOD)等生物分子直接的电子传递,研究成果引起了国内外专家学者的关注。

2006年开始,转入对氯过氧化酶电化学行为及其应用研究。氯过氧化物酶(Chloroperoxidase, CPO)是从海洋真菌Caldariomyces fumago中提取的一种特殊的酶,其许多光谱学和化学特性都与细胞色素P-450 相同,且兼具有过氧化物酶和细胞色素P-450的结构,可有效地催化氧化去氢、卤化、环氧化、双氧水歧化和氧传递等反应。尤其是,其特殊的结构在催化有机反应时,具有很高的手性选择性和稳定性。简而言之,CPO应该是众多过氧化物酶中应用最广的一种酶,在有机合成、药物中间体的生产、以及环境处理和生物传感器等许多领域均有着广阔的应用前景。

CPO可以催化多种有机反应,但已见的研究报道中都是将CPO放在溶液中实施催化有机反应的。这一方面,酶用量大,并需要用向反应体系中加入过氧化氢而附带恒流泵等设备,使成本昂贵;另外,存在因加入过氧化氢的量控制不当(即大于反应所需的量时)而导致酶丧失活性、并可能产生副产物等问题。

吴霞琴教授带领的课题组设想了一种电化学体系来解决目前CPO催化反应中存在的诸多问题。这就是通过应用分子自组装技术以及类生物膜、碳纳米管、离子液体等材料将微量的CPO固定到电极上,应用电化学方法原位产生催化反应中所需的过氧化氢,获得高效的催化有机反应的新体系。目前已获得了阶段性成果有:CPO酶在各类修饰电极上的直接电子传递反应,并对氧还原反应具有很好的催化特性;对一氯二甲酮催化为二氯二甲酮的反应显示,具有极高的转化效率。目前,正在应用这些研究成果探索在抗癌药物合成、以及环境处理中的实际应用研究。

2.电化学传感器

1)基于微电子技术加工的微型生物传感器的研制

化学传感器研究工作是研究室成立初就开始的主要研究内容。自九十年代初起追踪国际传感技术研究动向的高新技术探索。力图将微电子技术、电化学、分析化学、生物化学及仪器仪表等多学科多技术相结合,以基础性研究和技术性探索为基础,以批量制作工艺开发及产业化转化为最终目标,力求在所确定的研究目标方面有较大突破。临床应用一次性试条批量制作的项目被鉴定为国际先进水平,申报的发明专利已获公开。在此基础上,曾参与了中科院知识创新工程重大项目 “生物芯片的子课题研究。

2) 基于室温离子液体的电化学气体传感器

室温离子液体,又称离子液体或室温熔融盐,是指在室温或室温附近温度下呈液态由离子所构成的物质,它是继水和超临界二氧化碳后又一类绿色溶剂体系,也是电化学的新研究体系。目前常见的离子液体,其阳离子主要有烷基咪唑,烷基吡啶,季铵盐,季磷盐等,阴离子有四氟硼酸根,六氟磷酸根,三氟磺酸根,双(三氟甲基)硫酰亚胺根等,王荣博士近年来致力于功能化室温离子液体及室温离子液体聚合物的合成,并尝试将其应用于化学电源和气体传感器的研究中。

气体传感器对于工业控制、环境监测等均具有广泛的实用价值。离子液体由于其低蒸汽压,高室温离子导电性等特点,特别适合应用于电化学气体传感器中。王荣博士的研究组根据这一特点设计了基于室温离子液体的电化学湿度和氧气传感器。在湿度传感器中,离子液体被同时用作了敏感材料和离子导体;并以TCNQ作为探针,实现了使用电化学传感器测定非电化学活性的水分子的含量。

3) 有机-无机纳米粒子的有序组装及其在生物传感器制备中的运用

利用具生物亲和性的有机桥联试剂,将ZnOTiO2等生物亲和性的纳米粒子,通过层层自组装技术,在电极表面构筑三维有序结构,作为制备生物传感器的界面。期待通过本项目的研究,探索第三代生物传感器制备新方法。

3.原位光谱电化学及其化学计量学方法的应用研究

1) 原位光谱电化学研究

当前,在分子水平上所开展的有关生物分子行为及其新陈代谢的研究已成为诸如医学、药物学、微生物学等领域的中心工作。了解细胞中所发生的生物化学过程对于发展新型生物技术、医学诊断技术、新药设计以及与食品和环境相关的技术等都是十分必要的。由于表面增强拉曼散射 (surface-enhanced Raman scattering, SERS) 光谱技术有很高的灵敏度,能检测吸附在金属表面单分子层和亚单分子层的分子,因此它被认为是一种很好的生物分子研究工具而日益受到人们的重视,已成为开展分子结构和吸附分子动力学分析研究的强有力的工具之一。杨海峰教授课题组和曹晓卫博士的课题组已经应用Raman光谱与电化学测量技术联用的原位测试技术开展了氨基酸、核酸碱基等生物分子促进氧化还原酶电子传递作用等的表面增强拉曼光谱研究、自组装单分子膜表面性质分析研究等。当前,我们正在开展有关生物大分子及其相互作用的SERS光谱表征及其解析研究。

2) 环境友好金属缓蚀试剂的构效研究和化学成像技术

以环境友好试剂植酸类化合物和AMT分子为研究对象,发展了拉曼化学成像(Raman mapping)技术,首次在两维尺度分子水平表征了它们在几种金属表面上的组装过程,结合量子化学密度泛涵理论(DFT)振动计算方法和SERS增强机制,推测其单层结构。利用交流阻抗技术,考察单层膜的防锈性能。本方向的工作除了有利于进一步完善拉曼化学成像技术,也有助于植酸类化合物等环境友好试剂的推广使用,有良好的社会和经济潜在效益。

包括拉曼光谱在内的各种谱图中蕴含着大量的化学信息。但是,目前还无法从理论上实现由实测谱图到化学成分、分子结构、化学键特征等化学信息的变换。尤其是对于生物分子的拉曼光谱,由于分子结构的复杂性,通过谱图解析获得明确的生物分子结构信息显得尤为困难。而采用化学计量学方法可以从光谱测试数据中提取更有价值的分子结构信息。此前,我们已在有关重元素原子光谱分类的化学计量学研究方面取得了较好的成果,在Chemical PhysicsAnal.Chim.Acta和科学通报等国内外学术刊物上发表了多篇这一方面的研究论文。之后,采用较新的化学计量学算法开展了多组分体系的定量分析,也已取得了初步的成果。目前,我们正在积极开展有关生物分子光谱解析的化学计量学研究,有望取得好的成果。

3) 化学计量学研究

包括拉曼光谱在内的各种谱图中蕴含着大量的化学信息。但是,目前还无法从理论上实现由实测谱图到化学成分、分子结构、化学键特征等化学信息的变换。尤其是,对于生物分子的拉曼光谱,由于其分子结构的复杂性,通过谱图解析获得明确的生物分子结构信息显得尤为困难。而采用化学计量学方法可以从光谱测试数据中提取更有价值的分子结构信息。此前,我们已在有关重元素原子光谱分类的化学计量学研究方面取得了较好的成果,之后,采用较新的化学计量学算法开展了多组分体系的定量分析,也已取得了初步的成果。目前,我们正在积极开展有关生物分子光谱解析的化学计量学研究,有望取得好的成果。

二、活跃于国内外学术交流的舞台

研究室十分注重与国内外知名研究团体之间的学术交流,每年邀请知名学者来研究室作讲座,及时了解学术前沿研究课题及其研究进展,以利于准确地提出研究课题申请报告;同时,研究室成员大都有在国外大学作客座教授、短期访问或去国外参加国际会议发表学术成果的经历,在此期间,与许多学者和研究机构建立了长期友好的合作关系,这都为推进研究工作的进程奠定了良好的基础。

在章宗穰教授的努力下,研究室还曾多次参与组织全国范围的电化学和化学传感器会议,20055月成功地主办召开了第五届亚洲电化学国际会议。

  

我们热忱欢迎更多的研究生和本科生加入我们的科学研究工作。