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《西南大学》 2019年
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基于铁钴的纳米材料模拟酶特性及其生物分析应用探究

赵佳  
【摘要】:酶是由活细胞产生的一类极为重要的生物催化剂。与普通催化剂相比,酶具有高效性、高底物特异性和高选择性等特点。基于这些特性,酶在日常生活和工业生产中具有不可忽视的作用。然而,大多数酶的本质是蛋白质,具有不稳定性、纯化过程复杂和造价高等缺陷,外加对反应条件的严格要求,限制了其进一步应用。随着对纳米技术研究的不断深入,纳米材料模拟酶(纳米酶)已成为天然酶的替代品。与天然酶相比,纳米酶不仅具有相对较高的催化活性,而且还具有成本低、合成可控、催化活性可调节和高稳定性等优点。目前,已报道的主要用作纳米酶的材料包括碳材料、金属纳米颗粒、金属氧化物、金属有机框架等。在本文,我们研究了基于铁和钴的纳米材料的模拟酶特性。此外,根据其相关的模拟酶特性,我们还建立了比色传感器来研究它们对谷胱甘肽和葡萄糖检测的生物分析应用。具体内容如下:(1)聚多巴胺衍生的Fe_3C/NC的氧化物模拟酶特性并用于谷胱甘肽的检测本章我们以聚多巴胺(PDA)微球为载体负载亚铁离子,并在800℃下氩气氛围中碳化1 h得到Fe_3C负载的N掺杂的介孔碳(Fe_3C/NC)。所得Fe_3C/NC可以催化TMB发生显色反应而表现出优异的氧化酶特性。其形貌和成分通过SEM,TEM,XRD,XPS,Raman和BET等手段进行表征。通过动力学研究表明,Fe_3C/NC在以TMB为底物时所得米氏常数(K_m)为0.385 mM,这表明其与TMB之间具有比CeO_2(0.42 mM)更高的亲和力。自由基捕获实验证明在催化过程中产生了三种活性氧中间体分别为O_2~(·-)、~1O_2和·OH。基于谷胱甘肽对TMB氧化的抑制作用,我们构建了一种快速且高灵敏度的比色传感用于其检测。线性范围分为两段,分别为0.01-10μM和10-30μM,检测限低至10 nM。该方法成功应用于生物样品中谷胱甘肽的定量分析。(2)ZIF-8@ZIF-67衍生的Co-N-C中空纳米笼的氧化物模拟酶特性并用于谷胱甘肽的检测本章我们利用核壳结构的ZIF-8@ZIF-67为前体并将其在Ar氛围下800°C煅烧2 h得到具有高氧化酶活性的Co、N共掺杂的中空纳米笼(Co-N-C HNCs)。其中,ZIF-8衍生的介孔碳作为中空结构的骨架,而ZIF-67衍生的钴、氮共掺杂的碳壳是活性中心。通过SEM,TEM,XRD,XPS,Raman和BET等手段对Co-N-C HNCs进行表征。我们对其模拟酶活性研究发现该催化剂适用于较宽的温度范围(20°C-55°C)。动力学研究表明,Co-N-C HNCs(K_m=0.374 mM)与TMB间表现出比CeO_2(K_m=0.42 mM)更高的亲和力。自由基捕获实验证明在催化过程中产生了三种活性氧中间体分别为O_2~(·-)、~1O_2和·OH。基于谷胱甘肽对TMB氧化的抑制作用,提出了一种快速且高效的比色法用于其检测。线性范围分为两段,分别为0.005-1μM和1-40μM,检测限低至5 nM。该方法成功应用于生物样品中谷胱甘肽的定量分析。Co-N-C HNCs的高催化性能归因于其中空多孔结构可以尽可能地将活性位点暴露使其与底物充分接触;此外,ZIF-8衍生的介孔碳为ZIF-67形成的活性位点提供支撑,使其更加分散。(3)ZIF-67衍生的FeNPs@Co_3O_4中空纳米笼的过氧化物模拟酶特性并用于在葡萄糖检测本章我们使用ZIF-67为前体碳化得到的Co_3O_4中空纳米笼(Co_3O_4 HNCs)为载体,然后在水溶液中原位还原Fe~(2+)到Co_3O_4 HNCs的表面得到FeNPs@Co_3O_4中空纳米笼(FeNPs@Co_3O_4 HNCs)。通过SEM,TEM,XRD,XPS和FT-IR等手段表征FeNPs@Co_3O_4 HNCs的形貌和成分。FeNPs@Co_3O_4 HNCs复合材料可催化H_2O_2氧化TMB产生蓝色产物,表现出比单独的FeNPs和Co_3O_4 HNCs更高的过氧化物酶活性。动力学研究表明,FeNPs@Co_3O_4 HNCs对H_2O_2表现出极佳的亲和力,K_m值为0.019 mM,比HRP低195倍。在此基础上,建立了一种简便的比色传感来检测葡萄糖,线性范围为0.5μM-30μM,检测限为0.05μM。所提出的传感器成功用于测定人血清样品中的葡萄糖。FeNPs@Co_3O_4 HNCs的高催化性能归因于其多孔中空结构,这有益于分散原位形成的FeNPs。此外,具有多孔特性的FeNPs@Co_3O_4 HNCs催化剂尽可能地将活性位点暴露给底物并且增加了催化活性位点。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB383.1;Q55

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