应用电化学方法和电化学原位红外反射光谱(electrochemical in-situ FTIR)等研究了纤维蛋白原在Pt电极上的界面电化学行为.结果表明:纤维蛋白原在Pt电极上的吸附使电极的析氢与氧脱附过程减弱,影响程度随扫速的增加而增强;同样纤维蛋白原的吸附会降低亚铁氰化钾-铁氰化钾电对的氧化还原反应可逆性和电流;在-0.1~0.6V(vs.SCE)扫描范围内没有出现纤维蛋白原的特征"氧化还原"峰.电化学原位红外反射光谱测试表明纤维蛋白原在0.3~0.5V(vs.SCE)间发生化学反应,有新的产物生成

万国江

周剑章

曾冬梅

林仲华

陈松妹

黄楠

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收稿日期 : 2007208208,修订日期 : 2007209209　3 通讯作者 , E2mail: superwgj@263. net; Namba_wan@ home. swjtu. edu. cn国家自然科学基金 (NSFC: No. 20603027) , 厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室开放课题 (No. 200507) ,国家重点基础研究“973”(No. 2005CB623904) ,西南交通大学“竢实之星 ”(No. 200701)项目资助.第 14卷 　第 1期2008年 2月电化学ELECTROCHEM ISTRYVol. 14　No. 1Feb. 2008文章编号 : 100623471 (2008) 0120056205纤维蛋白原在 Pt电极上的界面电化学研究陈松妹 1, 2 , 周剑章 2 , 林仲华 2 , 曾冬梅 2 , 黄　楠 1 , 万国江 1, 23(1. 西南交通大学 材料学院 ,材料先进技术教育部重点实验室 , 四川 成都 610031;2. 厦门大学 化学化工学院 ,固体表面物理化学国家重点实验室 , 福建 厦门 361005)摘要 : 　应用电化学方法和电化学原位红外反射光谱 ( electrochem ical in2situ FTIR )等研究了纤维蛋白原在Pt电极上的界面电化学行为 .结果表明 :纤维蛋白原在 Pt电极上的吸附使电极的析氢与氧脱附过程减弱 ,影响程度随扫速的增加而增强 ;同样纤维蛋白原的吸附会降低亚铁氰化钾 2铁氰化钾电对的氧化还原反应可逆性和电流 ;在 - 0. 1～0. 6V ( vs. SCE)扫描范围内没有出现纤维蛋白原的特征“氧化还原 ”峰. 电化学原位红外反射光谱测试表明纤维蛋白原在 0. 3 ～0. 5V ( vs. SCE)间发生化学反应 ,有新的产物生成.关键词 : 　纤维蛋白原 ; 电化学原位红外反射光谱 ; 吸附 ; 凝血中国分类号 : 　O 646 文献标识码 : 　A　　生物材料表面形成血栓是现今心血管植入材料应用中面临的首要问题. 材料触发凝血的过程非常复杂 ,其机制目前仍不很清楚. 但普遍认为 ,该过程的本质是材料与其表面吸附的血液凝血因子蛋白之相互作用 ,引起了黏附血小板激活 ,从而导致血栓 [ 1 ] . 其中纤维蛋白原作为第一凝血因子 ,在凝血和血栓的形成过程中扮演着重要的角色. 许多研究报道了纤维蛋白原在高分子聚合物和一些金属表面的吸附和变形 [ 228 ] , 并从吸附动力学及纤维蛋白原二次构象变化等解释了材料的凝血行为 ,但对不同材料表面的凝血行为仍然难以形成一致的结论. 有研究认为 ,纤维蛋白原的激活可能伴随有界面的电荷转移的电化学反应 [ 9 ] . 本文应用循环伏安法和电化学原位红外反射光谱研究含纤维蛋白原模拟人体液在 Pt电极界面的电化学行为及其界面电化学和化学反应信息.1　实验部分1. 1　电极制备工作电极为 Pt电极 (φ = 5. 0 mm ) ,经聚四氟乙烯包封制成 ,表面用 6号金相砂纸和 5～0. 3μmA l2O3粉抛光 ,超声波水浴清洗 ,然后在 0. 1mol/LH2 SO4溶液中连续循环伏安扫描 20次以进一步清洁活化表面 ,辅助电极为铂片电极 ,参比电极为饱和甘汞电极 ( SCE). 将活化后的 Pt电极浸泡于 4mg/mL纤维蛋白原溶液中 60 m in修饰.1. 2　试剂配制牛纤维蛋白原 (美国 Sigma公司 ) ,其他试剂皆为分析纯 ,溶液用超纯水配制.模拟人体体液 ( PBS) :取 0. 14mol NaCl, 3mmolKCl, 0. 024 mol Na2 HPO4 , 7mmol KH2 PO4 ,定容于1000 mL的容量瓶 ,用 NaOH调节 pH = 7. 4.纤维蛋白原溶液 :用上述 PBS配成浓度 4mg/mL的溶液.亚铁氰化钾 2铁氰化钾电对 : 取 0. 1648 gK3 [ Fe (CN) 6 ] , 0. 2112g K4 [ Fe (CN ) 6 ] ·3H2 O及0. 5mol/L KCl定容于 250 mL容量瓶配成 2mmol/L[ Fe (CN ) 6 ]4 - / [ Fe (CN) 6 ]3 - 溶液.1. 3　实验条件电化学实验测试使用 CH I2630电化学工作站(上海辰华 ) ,三电极体系 ,工作电极为 Pt电极 , 辅助电极是铂片电极 ,参比电极为饱和甘汞电极( SCE). 电化学原位红外光谱实验使用配备液氮冷第 1期 陈松妹等 :纤维蛋白原在 Pt电极上的界面电化学研究 · 57　 ·却的 MCT2B 型检测器和 Gopher红外光源 N ICO2LET 730红外光谱仪 ,红外窗片为 CaF2单晶片 ,实验过程使用薄层电解池 (厦门大学设计 ) [ 10 ]及多步电位阶跃法 (MS2FTIR ) ,即在参考电位 ( E r)下采集反射单光束光谱 R ( E r) ,然后将电位阶跃至研究电位 ( E s)再采集反射单光束光谱 R ( E s). 所得结果光谱 (△R /R )表示如下 :△R /R = (R ( E s) - R ( E r) ) /R ( E r) (1)室温下实验 ,单光束光谱由 1000张干涉图叠加平均 ,光谱分辨率为 8 cm - 1. 所得谱图负向峰代表在研究电位 E s下产物的生成 ,而正向峰则表示该电位下反应物的消耗.2　结果与讨论2. 1　循环伏安扫描图 1分别示出 Pt电极在 PBS和含 4 mg/mL纤维蛋白原的 PBS溶液中的循环伏安曲线. 如图可见 , 对空白的 PBS溶液 ,在 100 mV / s扫描 ( a)下负向扫描 , I～E曲线于 - 0. 8～ - 0. 5V ( vs. SCE)区间分别出现析氢与氢脱附的峰 , - 0. 25V左右出现一个氧的还原峰. 而在含有纤维蛋白原的 PBS溶液中 ( b) ,氧的还原峰明显减小 ,提高扫速至 500mV / s(图 1B ) ,二者差别更加明显 ,说明纤维蛋白原在电极表面发生竞争吸附 ,并阻碍了析氢与耗氧的反应. 有研究认为 ,含有纤维蛋白原的溶液在- 0. 7～ - 0. 8V ( vs. SCE)电位区间会出现一个比PBS溶液更高的宽电流峰 ,可能是纤维蛋白原参与电极反应后产物的法拉第电流 [ 5 ] ,此峰本实验表现不明显. 图 1中正向扫描并不显示纤维蛋白原的特征“氧化 ”峰 , Sawyer等 [ 9 ]根据稳态极化过程研究指出 ,在 0. 6～0. 8V电位区间纤维蛋白原于 Pt电极上的电荷转移 (阳极电流 )以非特征峰形式出现. 这可能是由于纤维蛋白原的分子量很大(340Kda) ,二级构象复杂 ,其电荷反应中心深陷在蛋白的多肽链中 ,使其电极界面间的电荷反应为一长程多步电子传递过程 [ 11 ] .图 2示出经纤维蛋白原吸附修饰的 Pt电极在亚铁氰化钾 2铁氰化钾电对溶液中的循环伏安曲线. 如图可见 ,在未修饰的 Pt电极上亚铁氰化钾 2铁氰化钾电对在 0. 1～0. 3V电位区间在出现一个明显的可逆氧化 /还原峰 ( Epa = 0. 236 V , Epc =0. 167 V ) ;而在经蛋白修饰后的 Pt电极上 ,该氧化 /还原峰电位间隔变大 ( Epa = 0. 302V , Epc =　图 2　亚铁氰化钾 2铁氰化钾电对在 Pt电极 ( a)和纤维蛋白原修饰 Pt电极 ( b)上的循环伏安曲线　Fig. 2　Cyclic voltammogram s of the bare Pt electrode ( a)and the Pt modified by bovine fibrinogen electrode( b ) in 2mmol/L ( K3 [ Fe ( CN ) 6 ] + K4 [ Fe(CN) 6 ]. 3H2O) + 0. 5mol/L KClscan rate : 100mV / s　图 1　纤维蛋白原在 Pt电极上的循环伏安曲线　Fig. 1　Cyclic voltammogram s of the Pt electrode in PBS( a) and in PBS containing 4mg/mL bovine fibrinogen ( b)scan rate /mV·s- 1 : A) 100; B) 500· 58　 · 电 　化 　学 2008年0. 113V) ,可逆性下降 ,氧化峰 Ipa电流也降低了大约 50% (由 8. 071 A /cm2 降至 0. 402 mA /cm2 ).2. 2　电化学原位红外反射光谱图 3示出 Pt电极在 4 mg/mL纤维蛋白原溶液中的电化学原位红外光谱 ,参考电位 ( E r)设定为- 0. 75 V,研究电位 E s从 - 0. 70 V (或 - 0. 75 V )逐步改变到 1. 1 V. 其中 , b, c, d分别是 a在不同的波数段的精细谱图. 各图中正向谱峰均表征纤维蛋白原的消耗 ,负向谱峰则表征产物的生成.图 3b示明当电位的正向移动至 0. 3～0. 5V( vs. SCE)时 , 990 cm - 1附近出现了一个较宽的正向峰 ,对应于 C S、S O、S S的双键伸缩振动 ,表征纤维蛋白原二硫键的消耗 ,纤维蛋白原的二硫键结构来自于 29条 3聚合 (Aα、Bβ、Cγ)多肽链的连接 [ 8 ] ; 1060～1090 cm - 1波段范围也在 0. 3～0. 5V ( vs. SCE)区间出现两个正向峰 ,对应于纤维蛋白原 C—O 和 C—N 伸缩振动峰的消耗 ,其C—N键主要形成在脂肪族氨基化合物中 [ 12 ] ;在0. 7V～1. 1V ( vs. SCE)电位区间 , 1161 cm - 1附近出现一个较宽的负向峰 ,对应于 C—O的伸缩振动峰 ,该 C—O键是由纤维蛋白原的反应产物形成的 ,又从图 3c可见 ,在 1500～1700cm - 1范围内分别出现两个微弱峰 (即 1573 cm - 1和 1635 cm - 1 ) ,参照文献 [ 3, 8 ] ,指认该二微弱峰当分别对应于氨基 Ⅱ的 C—H伸缩振动峰 (1550 cm - 1附近 )和纤维蛋白原的特征β2sheet峰 (1633 ±2 cm - 1 )附近. 由于 C—H伸缩振动峰强度的变化是由纤维蛋白原结构变化引起的 ,图 5中显示的峰强度较弱可能是因为本文采用单程的红外反射而非衰减全反射方式 (ATR2FTIR)之故 ,此外也可能与纤维蛋白原浓度较低有关. 另者 ,红外光谱图中还在 2337 cm - 1和 2364 cm - 1处出现了峰位十分接近的较弱双峰(见图 3d) ,它可能对应于纤维蛋白原链中胺类N—H + 的伸缩振动 ,并随着电位的变化而出现交　图 3　Pt电极在 4mg/mL纤维蛋白原 PBS溶液中的电化学界面原位红外光谱　Fig. 3　 In2situ FTIR spectra recorded on the Pt electrode in PBS containing 4mg/mL bovine fibrinogenE r = 0. 75 V, potential scan range E s/V: 　a) - 0. 70～1. 1; b) - 0. 7～1. 1; c, d) - 0. 75～1. 1, wave number/cm - 1 , a) 800～3200; b) 900～1200; c) 1500～1700; d) 2100～3100第 1期 陈松妹等 :纤维蛋白原在 Pt电极上的界面电化学研究 · 59　 ·替的正负向峰 ,说明该官能团在不同电位作用下的消耗与生成 [ 13 ] . 3200～3000 cm - 1间出现的峰是C—H、N—H的伸缩振动形成的 [ 14, 8 ] ,由图 5可以看出 ,电位在 0. 1～0. 9V有产物生成 ,它可能是纤维蛋白单体 [ 1 ] .3　结　论1)纤维蛋白原在 Pt电极上的吸附使电极的析氢与氧脱附过程减弱 ,影响程度随扫描速率的增加而增强 ;纤维蛋白原的吸附会降低亚铁氰化钾 2铁氰化钾电对氧化还原反应电流.2)纤维蛋白原在 0. 3 ～0. 5V ( vs. SCE)电位区间开始发生化学反应 ,有新的产物生成 ,反应过程中一些氨基键发生了变化 ,如硫键发生断裂. 以上的信息为进一步探索纤维蛋白原与材料相互作用机理 ,提供有益的途径.参考文献 ( References) :[ 1 ] 　Cheng Q ing (程青 ) , W ang Guo2bin (王国斌 ). 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S ta te Key L ab. of Physica l Chem istry of the Solid Surface, D ept. of Chem istry,X iam en U niversity, X iam en 361005, Fu jian, China)Abstract: The interfacial electrochem ical behaviors of fibrinogen on Pt electrode in phosphate buffered solution( PBS) was investigated by using cyclic voltammetry and electrochem ical in2situ FTIR spectroscopy. The cyclicvoltammetry results demonstrated that the fibrinogen adsorb on Pt electrode and impede the interfacial chargetransfer of hydrogen ion reaction p rocess as well as of oxygen reduction p rocess, which is increased with higherscan rate. The cyclic voltammetry spectra of p latinum absorbed with fibrinogen in K3 [ Fe (CN ) 6 ] and K4 [ Fe(CN) 6 ] ·3H2O solutions shows that the fibrinogen can partly decrease the oxidation and reduction currentpeaks. There is no specific anodic and cathodic current peaks found to attributed from fibrinogen within potentialscanned rang of - 0. 1～0. 6V ( vs. SCE). Nevertheless, electrochem ical in2situ FTIR spectra indicate the fibrin2ogen undergo chem ical reaction when which anodic potential higher than 0. 3～0. 5V ( vs. SCE).Key words: fibrinogen; electrochem ical in2situ FTIRS; interfacial electrochem ical behavior; coagulation

纤维蛋白原在Pt电极上的界面电化学研究

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/55650/%e7%ba%a4%e7%bb%b4%e8%9b%8b%e7%99%bd%e5%8e%9f%e5%9c%a8Pt%e7%94%b5%e6%9e%81%e4%b8%8a%e7%9a%84%e7%95%8c%e9%9d%a2%e7%94%b5%e5%8c%96%e5%ad%a6%e7%a0%94%e7%a9%b6.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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