基于納米微粒模擬酶的光分析方法構(gòu)建及其應(yīng)用研究.pdf

1、因其催化效率高和反應(yīng)特異強(qiáng),天然酶已在不同領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注,然而天然酶是一種生物催化劑,它們易受外界環(huán)境的影響而失活。近年來(lái),模擬酶的研究備受人們關(guān)注。目前人們已利用卟啉、主體試劑、印跡高分子聚合物、膜體系及配合物等作為模擬酶。納米材料具有表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等特性,它們已在化學(xué)、物理、生物醫(yī)藥、生命科學(xué)及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域受到人們的青睞。然而,人們一般認(rèn)為,無(wú)機(jī)納米粒子是化學(xué)和生物惰性物質(zhì),其催化活性一直

2、被忽視。自2007年閻錫蘊(yùn)研究小組發(fā)現(xiàn)四氧化三鐵納米粒子具有過(guò)氧化物模擬酶特性以來(lái),各種納米材料,如氧化物納米微粒、碳基納米材料、單金屬納米微粒和雙金屬?gòu)?fù)合納米材料已被發(fā)現(xiàn)具有模擬酶特性。已有研究表明,納米微粒是一種敏感型材料,人們可以選擇不同的合成方法來(lái)獲得不同組成和不同形貌的納米微粒以滿足特定的催化目的。為此,本文基于基于鐵氧體磁性納米微粒、碳點(diǎn)和CeO2 NPs的過(guò)氧化物模擬酶特性構(gòu)建了H2O2光分析法。論文共分為七章:
　

3、　 第一章:綜述了模擬酶的研究進(jìn)展。
　　 第二章:以H2O2—魯米諾化學(xué)發(fā)光反應(yīng)為模型體系,研究了CoFe2O4、CuFe2O4、γ-Fe2O3、MnFe2O4、NiFe2O4前驅(qū)體和MgFe2O4前驅(qū)體等6種鐵氧體磁性納米微粒的過(guò)氧化物模擬酶特性,并與辣根過(guò)氧化物酶(HRP)進(jìn)行比較。結(jié)果表明:(I)與HRP類似,6種鐵氧體磁性納米微粒均能夠催化H2O2氧化魯米諾產(chǎn)生增強(qiáng)化學(xué)發(fā)光,其催化活性依賴于pH值、溫度以及底物(H2

4、O2)濃度,表明本研究所使用的鐵氧體磁性納米微粒具有過(guò)氧化物模擬酶特性;(ii)以H2O2為底物的表觀米氏常數(shù)(Km)從小到大依次為CoFe2O4＜γ-Fe2O3＜NiFe2O4前驅(qū)體＜CuFe2O4＜MnFe2O4＜MgFe2O4前驅(qū)體,均大于HRP的Km值;(iii)基于鐵氧體磁性納米微粒的過(guò)氧化物模擬酶比HRP具有更佳的pH及溫度耐受能力。
　　 第三章:本章以CoFe2O4納米微粒催化H2O2-魯米諾化學(xué)發(fā)光體系為例構(gòu)建

5、了測(cè)定H2O2的新方法。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,方法的線性范圍為0.1-10μM,檢測(cè)限為10 nM。該法己成功用于水樣中H2O2和血清中葡萄糖的測(cè)定。這種基于CoFe2O4納米微粒的過(guò)氧化物模擬酶在環(huán)境分析、生物分析和化學(xué)發(fā)光分析等領(lǐng)域?qū)⒕哂芯薮蟮膽?yīng)用潛力。
　　 第四章:基于CoFe2O4納米微粒的過(guò)氧化物模擬酶固載于溶膠凝膠基質(zhì)中構(gòu)建了一種新型化學(xué)發(fā)光流通式H2O2生物傳感器。將溶膠凝膠固載的CoFe2O4納米微粒填充于玻璃管(

6、I.d.40 mm×3 mm)作為化學(xué)發(fā)光流通池(感應(yīng)元件)。CoFe2O4納米微粒催化H2O2氧化魯米諾化學(xué)發(fā)光反應(yīng)。當(dāng)魯米諾和H2O2經(jīng)過(guò)化學(xué)發(fā)光流通池時(shí),H2O2被識(shí)別,CoFe2O4納米微粒催化H2O2-魯米諾體系產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)發(fā)光。利用流動(dòng)注射系統(tǒng)仔細(xì)研究了該H2O2生物傳感器的主要參數(shù),如發(fā)光動(dòng)力學(xué)參數(shù)、檢測(cè)限、響應(yīng)線性范圍、重現(xiàn)性、運(yùn)行和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,化學(xué)發(fā)光響應(yīng)與H2O2濃度在0.01-10μM范圍內(nèi)呈良

7、好的線性關(guān)系,檢測(cè)限(3σ)為3.2 nM。該傳感器具有出很高的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和抗惡劣環(huán)境能力等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器已經(jīng)被成功應(yīng)用于測(cè)定雨水中的H2O2。當(dāng)把葡萄糖氧化酶固定于進(jìn)樣環(huán)與H2O2傳感器聯(lián)用,結(jié)合停留技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)血樣中葡萄糖的測(cè)定。
　　 第五章:利用組織酶(菠菜葉中的草酸氧化酶)和基于CoFe2O4納米微粒的過(guò)氧化物模擬酶構(gòu)建了一種草酸化學(xué)發(fā)光流通式生物傳感器。菠菜葉和CoFe2O4納米微粒分別作為分子識(shí)別單元和過(guò)氧化

8、物模擬酶,在組織識(shí)別柱中草酸氧化酶催化溶解氧氧化草酸生成的H2O2進(jìn)而與魯米諾反應(yīng),在CoFe2O4納米微粒(過(guò)氧化物模擬酶)的催化下產(chǎn)生強(qiáng)烈化學(xué)發(fā)光。詳細(xì)考察了化學(xué)發(fā)條件、組織柱識(shí)別條件以及傳感器的穩(wěn)定性和壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在過(guò)氧化物模擬酶的催化下,該生物傳感器的靈敏度得到大大提高。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與草酸的濃度在1.0×10-8-1.0×10-4 M內(nèi)呈正比,檢出限(3σ)為3.2 nM。對(duì)1.0μM草酸進(jìn)行11次平行

9、測(cè)定,其RSD為2.9％。該傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于尿樣中草酸含量的測(cè)定。
　　 第六章:制各了一種穩(wěn)定性高和分散性好的碳點(diǎn),并研究了其過(guò)氧化物模擬酶特性。碳點(diǎn)對(duì)H2O2氧化3,3’,5,5-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)表現(xiàn)出良好的催化活性。與天然辣根過(guò)氧化物酶(HRP)相似,其催化特性受溫度、pH和H2O2濃度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在溫度為35℃、pH為3.5和H2O2為300 mM時(shí)可獲得最大的催化效果。Michaelis-Mente

10、n動(dòng)力學(xué)研究表明,碳點(diǎn)對(duì)TMB的Km為0.039 mM小于HRP對(duì)TMB的Km(0.155 mM),這說(shuō)明碳點(diǎn)對(duì)TMB的親和力大于HRP對(duì)TMB的親和力?；谔键c(diǎn)催化活性對(duì)H2O2濃度具有依賴性,構(gòu)建了一種簡(jiǎn)單、靈敏和選擇性高的比色方法測(cè)定血樣中葡萄糖含量。同時(shí),研究了碳點(diǎn)的可能催化機(jī)理。
　　 第七章:合成了一種穩(wěn)定和水溶性好的聚丙烯酸修飾CeO2 NPs,動(dòng)態(tài)光散射數(shù)據(jù)表明該納米微粒水合粒徑為5 nm左右;傅里葉變換紅外光譜

11、結(jié)果表明,聚丙烯酸成功修飾于CeO2 NPs表面;XPS光譜表明所合成的納米微粒含有Ce3+和Ce4+兩種價(jià)態(tài)存在。該納米微粒能夠催化H2O2氧化3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)發(fā)生顯色反應(yīng),表現(xiàn)出過(guò)氧化物模擬酶催化活性。其催化機(jī)理為TMB和H2O2首先吸附于CeO2 NPs表面,TMB把其氨基上的孤對(duì)電子傳遞給CeO2 NPs,進(jìn)而CeO2 NPs把電子傳遞給其表面的H2O2,H2O2捕獲電子后產(chǎn)生OH和O2-/HO2,這些