电化学调控脱氧核酶结构及催化活性的基础研究

本项目目标是发展新的电化学调控核酸纳米结构的新方法。依照项目计划，重点从以下三个研究工作开展工作：核酸分子探针的精准设计、核酸级联反应的信号放大效应、电化学刺激调控核酸分子探针与反应。我们按照项目计划书，实施了活体细胞成像与临床疾病诊断应用的探索和研究，初步取得了一系列研究成果：发展了多种分子运算线路，用于信号扩增及医学生物标志物的超灵敏检测，通过进一步设计核酸酶和核酸杂交链式反应，深入理解了核酸杂交反应和核酸酶的可能动力学基础。建立了活细胞内生物标志物的实时成像方法，为发展临床早期疾病诊断和治疗奠定了研究基础。在ACS Nano, Chemical Science等国际一流刊物上发表SCI 论文13篇。申请国家发明专利1项。

实现对脱氧核酶结构和性能的精确调控是一个研究热点和难点。电化学方法是一个简便的、重要的研究工具和调控手段，有利于实现对核酸分子的准确结构调控。本课题拟采用电化学方法调控核酸分子的结构和金属离子的价态及空间分布等，揭示电化学激发条件下金属离子与核酸分子之间的相互作用规律。采用静电场调控方法研究脱氧核酶分子在固/液界面处的构象变化和催化性质改变；采用电化学氧化还原法调控金属离子的价态，进而影响溶液相脱氧核酶分子的结构和性质；发展电化学选择性激活多脱氧核酶体系。揭示不同电化学条件下脱氧核酶与底物的作用机理，为脱氧核酶结构及性能的电化学调节方法提供理论依据，尝试将电化学激发脱氧核酶用于制备一维核酸纳米结构、调控核酸纳米机器等。作为一种普适性电化学调节方法，相信随着生物技术的发展，将会在电化学治疗技术等更多领域内得到更广泛应用。

扩散脱氧是利用熔渣使钢液脱氧，脱氧反应发生在钢液一熔渣界面上。

如向熔渣内加入强脱氧剂（如硅铁粉、炭粉、电石粉或铝粉、

扩散脱氧可在能形成还原气氛的电炉内进行，这样渣中的(

但是，在一般电炉内进行扩散脱氧有某些重大缺点。由于钢液一熔渣的比表面小及熔池的搅拌作用弱，钢液中氧的扩散缓慢，脱氧过程的速率很低，而且炉衬受到高温炉渣的侵蚀严重。由于这些原因，扩散脱氧仅在盛钢桶内用

脱氧的两种最基本的方法是沉淀脱氧法和扩散脱氧法。

沉淀脱氧原理 沉淀脱氧也称直接脱氧，将与氧的亲和力强于铁的元素以铁合金或金属块等形式直接加到钢液中，与氧生成不溶于钢液的沉淀析出物M_xO_y，一般M_xO_y的密度小于钢液的密度，而可上浮排除。钢液中元素沉淀脱氧反应式一般为aM_xO_y为脱氧产物的活度；aM为脱氧元素的活度；a为溶解氧的活度。当脱氧产物为纯氧化物或呈饱和状态时，aM_xO_y=1。所以，取其倒数K=1/KM=[aM]x[ao]y，叫做脱氧常数，用以判断元素的脱氧能力。在一定温度、一定浓度，某一元素的脱氧常数K值越小，与该元素平衡的氧含量便越低，则该元素的脱氧能力就越强。各种元素脱氧能力的测定，现多采用固体电解质定氧探头进行电动势法测定，1600℃时铁液中各种元素的脱氧能力。当元素含量为0.1%时，各种元素的脱氧能力由强到弱的顺序是：Al，Ti，B，Si，C，V，cr，Mn。脱氧元素含量升高时，与之平衡的氧含量下降；但脱氧元素含量达到某一数值后，随着脱氧元素含量升高，相应的平衡氧含量反而增加。而且脱氧能力越强的元素，其平衡氧含量增高的临界含量(转折点)越低。在不同温度下，与不同元素含量相平衡的氧含量，可利用表1数据进行计算。从脱氧常数K与温度丁的关系式可知，升高温度则脱氧常数K值增大，即升高温度脱氧时，平衡向左移动；而降低温度时，平衡向右移动。这意味着当钢液温度降低时(在钢液凝固时)，脱氧反应将继续进行，并形成新的脱氧产物，而它们往往来不及从钢中排除出去。因此，在钢脱氧时应加入适量脱氧剂，使钢液中残余氧量立即降到相当低的水平，以减少凝固降温时脱氧产物的生成。

在炼钢和铸造过程中降低钢中氧含量的反应。是保证钢锭(坯)和钢材质量的重要工艺环节。在钢液中氧以溶解形式([O])或非金属夹杂物形式(MxOy)存在。在吹氧炼钢过程中，随着杂质含量的降低，钢液中[O]含量升高。如果将未经脱氧的钢液出炉浇注，则钢液中溶解的氧在冷凝过程就要与碳反应，析出Co气泡而发生沸腾；随脱氧的程度不同，析出气体的特性有着显著的差异。经充分脱氧的钢液，在冷凝过程中没有Co析出，不发生沸腾，是平静的，故称镇静钢；轻度脱氧的钢液，在冷凝过程中碳氧发生反应，析出Co，有明显的沸腾现象，此为沸腾钢；部分脱氧的钢液，在凝固一段时间后，剩余的氧与碳反应，产生短时间的沸腾，则为半镇静钢。图1表示脱氧程度不同的钢中氧含量范围。沸腾钢脱氧，即轻度脱氧，只使钢液中氧含量稍许下降，但仍超过与碳平衡所需的含量。半镇静钢脱氧，即部分脱氧，大致可使钢的氧含量达到与碳平衡的含量，故又称为平衡钢。镇静钢脱氧，亦即充分脱氧使钢的氧含量大大低于与碳平衡的含量。钢液脱氧虽降低[O]的含量，但若不使脱氧产物MxO_y上浮排除出去，而残留在钢液中形成钢中非金属夹杂物，则影响钢的质量；所以，脱氧时要尽可能排除脱氧产物。因此，脱氧就是要降低钢中总氧量乏∑O(∑O=[O] O_MxO_y)。但不管炼钢技术如何发展、改进，钢中总还残留有夹杂物。所以脱氧时还要控制残留夹杂物的形态、大小和分布，以保证钢的各项性能(见钢中非金属夹杂物)。

脱氧程度不同的钢中含氧量范围：

1一镇静钢；2一半镇静钢；3一沸腾钢；4一脱氧前一般含氧范围；5一氧与碳的平衡曲线。

脱氧得当还可保证钢的晶粒度。钢中单独加入或复合加入铝、钒、钛、锆，则使奥氏体晶粒粗化温度升高。脱氧时，这些元素除生成氧化物外，还生成氮化物；而钒、钛、铌、锆还会生成碳化物。这三种化合物的粒子都可阻止晶粒长大，其中碳化物最为有效，而氮化铝比氧化铝有效。铝是强脱氧剂又是最常用的晶粒细化剂，所以细晶粒钢只能是镇静钢，而沸腾钢和半镇静钢只能是粗晶粒钢。但半镇静钢加少量铌、钒可得到细晶粒钢。钢的脱氧工艺通常要与钢的合金化相配合。二者配合得当，则有利于准确控制成分，提高合金元素的收得率。