基于多层纳米核-壳结构复合材料模拟酶的制备及其应用研究

发布时间：2020-05-09 18:45

【摘要】：生物体中氧的毒性主要来自于其被部份还原所产生的氧自由基,又称活性氧(ROS),是一系列生物和化学氧化过程中由于氧化不完全而产生的副产物。而过氧化氢(H_2O_2)则是一种最稳定的ROS,具有如免疫和信号传导过程的功能和作用,但是过多的活性氧将会造成细胞膜结构改变、DNA损伤、细胞内损伤和凋亡,导致身体的各种疾病,如:帕金森、阿尔茨海默氏症、动脉粥样硬化,心脏病和癌症等,其含量可以被用于追踪生化反应进程的指标。因此,H_2O_2含量的测定在生物医药和临床诊断等领域具有非常重要的意义。酶是一种具有催化功能的生物大分子催化剂,在温和的反应条件下,酶促反应一般具有极高的反应效率和高效选择性。然而,由于天然酶存在易失活、稳定性差、难回收等不足,严重限制了天然酶在实际生产中的广泛应用。本论文基于这一问题,制备了一系列具备过氧化物酶催化活性的纳米复合材料,作为模拟酶用于H_2O_2含量的检测,具体研究内容如下:首先,以乙二醇作为溶剂,通过一步水热法制备了两种不同结构的四氧化三铁纳米粒子,并且通过XRD、TEM等测试来对其进行表征。同时建立了Fe_3O_4/H_2O_2/TMB反应体系,研究反应条件对催化活性的影响等相关问题。结果发现,实心结构Fe_3O_4NPs对于H_2O_2的线性检测范围为0.81-1.8 mmol/L,检测限为0.81 mmol/L;空心结构Fe_3O_4 NPs对于H_2O_2的线性检测范围为1.1-4.0 mmol/L,检测限为1.1 mmol/L。同时,我们还对其进行了米氏常数(K_m)的测定,发现实心结构Fe_3O_4 NPs的K_m为2.46mmol/L,空心结构Fe_3O_4 NPs的K_m为3.41 mmol/L。较低的K_m数值说明所制备的材料具备潜在的临床应用价值。其次,以所制备的空心结构Fe_3O_4 NPs为内核,采用水热法制备了具有核-壳结构的Fe_3O_4@CeO_2 NCs。再以TMB、OPD以及ABTS等作为反应底物测定其催化活性时,结果发现该材料具有较强的过氧化物酶催化性能,同时可以在强酸环境下保持高效活性,其最佳反应温度与人体温度相近,并且具有高可重复利用性。Fe_3O_4@CeO_2NCs的米氏常数(1.13 mmol/L)相比单纯Fe_3O_4 NPs(3.75 mmol/L)以及CeO_2 NPs(2.50 mmol/L)明显降低,也证实了两种材料之间的协同效应。另外,该材料对反应底物的灵敏度极高,可以检测到极低含量的H_2O_2(8.5μmol/L)以及葡萄糖(21μmol/L),也即可以很好的应用于实际检测当中。最后,利用所制备的实心结构Fe_3O_4 NPs作为内核,在其表面生长了一层MnO_2MCs,构建了Fe_3O_4@MnO_2/H_2O_2/TMB反应体系,研究该材料对H_2O_2以及葡萄糖的催化活性。结果表明该核-壳结构复合材料具备高效的催化性能,能够快速与反应底物发生作用。同时,本课题还对其重复性能进行了研究,发现在多次使用之后,依然可以保持高效的催化活性(90%)。在最优催化条件下,该体系对H_2O_2和葡萄糖的检测限分别为0.5μmol/L和1.1μmol/L,低于糖尿病人(9 mmol/L)以及正常人(3.9 mmol/L)体内所含葡萄糖浓度,因此该材料在糖尿病检测方面有着巨大的实际应用潜力。
【图文】：

曲线,催化显色反应

硕士学位论文反应动力学符合典型的米氏动力学方程，，同时对其双倒数曲线进行明，其催化机理遵循乒乓机制，即先与前一个底物反应，待与第二应之前释放出前一个反应产物。从上面的分析可以看出 Fe3O4M化特性与 HRP 相类似，也即证实了 Fe3O4MNPs 确实具有过氧化催化活性。

曲线,催化动力学,基团,曲线

武汉工程大学硕士学位论文产生羟基自由基，从而催化氧化 ABTS。Fe3O4MNPs 除了有着生物人工酶的主要催化活性之外，还有着诸如尺寸效应、磁响应性等物理化学性能。同时，Fe3O4MNPs 作为具有纳米特性的催化剂，因此其催化性能更为高效，然而传统人工酶的结构大多是由有机复合物所构建的分子结构来模拟出酶催化活性中心及相应的微环境但在 Fe3O4MNPs 人工酶的表面有着大量的铁原子，在酸性环境中，粒子表面的铁原子会与溶液之间发生氧化还原反应，同时由于纳米材料所具有的尺寸效应，Fe2+与 Fe3+之间会不断进行高效转化，但又保持着动态平衡电子之间的相互转换，从而完成人工酶的催化过程[13]。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;O611.62

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