CN105018081A - 一种负载铜的碳量子点模拟漆酶及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种负载铜的碳量子点模拟漆酶及其制备方法和用途。所述负载铜的碳量子点模拟漆酶粒径为1-20nm，具有荧光发光性能，在350nm波长光的激发下发射荧光的波长为460nm，并有类漆酶活性。所述方法为将可溶性铜盐与可溶性碳源混合，再通过水热法制备负载铜的碳量子点模拟漆酶。本发明的制备方法原料易得，工艺简单，操作方便，易于推广应用。所制备出的负载铜的碳量子点模拟漆酶可替代漆酶用于生化检测、有机污染物降解和废水处理等领域。尤其是模拟漆酶性能和碳量子点表面负电荷共同作用，可以使直接用阳离子絮凝剂无法絮凝的弱电荷小分子有机污染物絮凝出来，实现简单、便捷地废水处理。

Description

一种负载铜的碳量子点模拟漆酶及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及无机纳米复合材料制备及其应用技术领域。更具体地，涉及一种负载铜的碳量子点模拟漆酶及其制备方法和用途。
背景技术
生物酶是一类具有催化功能的蛋白质，具有很高的催化效率，反应条件温和且专一，在化学、生物、农业、食品加工和环境保护等领域有重要的应用。但天然酶存在着提纯困难、价格昂贵、储存和使用成本高、易变性失活等缺点，使得更多的研究者把目光投向模拟酶的研究。
在模拟酶的大家族中，纳米材料模拟酶是最新并最具应用前景的生力军之一。与天然酶相比，纳米材料具有成本低、稳定性高、易于处理和储存、催化活性可调节等优点。很多纳米材料如四氧化三铁纳米颗粒、金纳米颗粒、氧化石墨烯、碳纳米管等已被发现具有类过氧化物酶活性(L.Gao,J.Zhuang,L.Nie,et al.,Nat Nanotechnol.2007,2,577-583；Y.Jv,B.Li,R.Cao,Chem.commun.,2010,46,8017-8019)，金、铂纳米颗粒被发现具有氧化酶的活性，铂纳米颗粒还被发现具有过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的活性(中国专利201410488414.3)。但相对于天然酶，纳米材料模拟酶的种类还是太单一，远远达不到实际应用的需求。因此其他模拟酶的研究成为当务之急。
漆酶是一种含铜多酚氧化酶，属于铜蓝氧化酶蛋白，广泛存在于真菌、细菌和植物中。漆酶具有较广泛的底物专一性，能催化许多酚类和芳香胺类物质，如苯酚、苯胺以及多酚和多胺类物质，并能催化氧化多种难降解的有机污染物，在生物燃料电池、生物传感器和废水处理等领域有着广泛的应用。漆酶主要从漆树中提取或由白腐菌等菌类发酵而来。但菌类发酵工艺目前还存在着工艺复杂、成本高、产率低等问题，严重制约了漆酶的工业化生产。另一方面，由于漆酶易溶于水，在水中游离的漆酶不可回收也不能长期保存，在高温或其他极端环境下易变性失活，限制了漆酶的实际应用。因此有必要研制具有漆酶特征，稳定性好的模拟酶。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种负载铜的碳量子点模拟漆酶，所述模拟漆酶为粒径1-20nm的负载铜的碳量子点，具有荧光发光性能，在350nm波长光的激发下发射荧光的波长为460nm，并有类漆酶活性。
本发明的第二个目的在于提供一种负载铜的碳量子点模拟漆酶的制备方法。本发明通过一步水热法制备出了负载铜的碳量子点，合成原料简单，方法易行，便于规模化生产。
本发明的第三个目的在于提供一种负载铜的碳量子点模拟漆酶的应用。由于所述模拟漆酶具有类漆酶活性，可以与苯酚、苯胺类化合物作用，应用于生化检测、有机污染物降解和废水处理等领域。
为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
一种负载铜的碳量子点模拟漆酶，所述负载铜的碳量子点模拟漆酶粒径为1-20nm，具有荧光发光性能，在350nm波长光的激发下发射荧光的波长为460nm，并有类漆酶活性。
为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
一种如上所述的负载铜的碳量子点模拟漆酶的制备方法，包括如下步骤：
1)分别配制可溶性铜盐和可溶性碳源水溶液。
2)将步骤1)配制的可溶性铜盐和可溶性碳源水溶液混合得到混合液，将混合液进行水热反应，得到负载铜的碳量子点模拟漆酶。
优选地，步骤1)中，所述可溶性铜盐水溶液中可溶性铜盐的浓度为2.3×10-2～1.4mol/L，所述可溶性碳源水溶液中可溶性碳源的浓度为4.5×10-3～6.8×10-1mol/L。
优选地，步骤1)中，所述可溶性铜盐为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜。
优选地，步骤1)中，所述可溶性碳源为聚乙二醇-400、聚乙二醇-10000、乙二醇、聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸钠所组成的组中的至少一种。
优选地，步骤2)中，所述混合液中可溶性铜盐的浓度为5.1×10-3～3.6×10-1mol/L，可溶性碳源的浓度为6.2×10-4～3.5×10-2mol/L。
优选地，步骤2)中，水热反应的条件为在160-260℃下反应3-12小时。
为达到上述第三个目的，本发明采用下述技术方案：
一种如上所述的负载铜的碳量子点模拟漆酶的应用，所述负载铜的碳量子点模拟漆酶可作为漆酶替代物，应用于生化检测、有机污染物降解和废水处理领域。
本发明制备的负载铜的碳量子点模拟漆酶对漆酶底物对苯二胺具有催化氧化活性，表现出类似于漆酶的活性特征，因而可作为漆酶替代物与苯酚、苯胺类化合物作用，应用于生化检测、有机污染物降解和废水处理等领域。
所述应用于生化检测领域，是用于漆酶底物的定性与定量检测。本发明的负载铜的碳量子点模拟漆酶在作为上述用途使用时，其灵敏度高，重复性好，操作方便。
所述用于漆酶底物的定性与定量检测，是将含有负载铜的碳量子点模拟漆酶的水溶液与按梯度配制的不同浓度的漆酶底物水溶液混合，用荧光分光光度计测定混合溶液的荧光，在350nm波长的光的激发下，通过460nm波长处荧光强度变化的量来实现对漆酶底物的定性与定量检测。
优选地，所述漆酶底物为对苯二胺或对苯二酚。
所述应用于废水处理领域，是将含有负载铜的碳量子点模拟漆酶的水溶液与待处理废水溶液混合，加入阳离子絮凝剂与碳量子点表面羧基发生键合，使废水中的有机污染物与负载铜的碳量子点模拟漆酶絮凝出来，从而净化废水。本发明的负载铜的碳量子点模拟漆酶在作为上述用途使用时，可以使直接用阳离子絮凝剂无法絮凝的弱电荷小分子有机污染物絮凝出来，实现简单、便捷地废水处理。
优选地，所述有机污染物为苯酚、苯胺、多酚、多胺、多环芳烃或多氯联苯类物质。
优选地，所述阳离子絮凝剂为阳离子聚丙烯酰胺、聚铝、聚铁、聚活性硅胶、聚合硫酸氯化铁铝或聚合聚铁硅。
本发明的有益效果如下：
1、本发明负载铜的碳量子点首次实现了模拟漆酶，拓展了纳米材料模拟酶的种类。由于漆酶在生化和工业领域有着广泛的应用，模拟漆酶也同样具有广泛的应用前景。
2、本发明制备负载铜的碳量子点模拟漆酶的方法与漆酶的菌类发酵工艺相比简便易行，原料易获得且成本低廉，不需要复杂的大型设备，易于形成规模化生产，可极大地推动类漆酶的应用。
3、本发明负载铜的碳量子点模拟漆酶不仅具有模拟漆酶的性能，还具有良好的荧光性能，可以实现常见污染物对苯二胺和对苯二酚等漆酶底物的定量检测，与目前常用的色谱法、电化学法相比，具有操作简单、检测快速、成本低等优势。
4、本发明负载铜的碳量子点模拟漆酶由于使用的碳源具有羧基或羟基等负电荷，合成的碳量子点表面也具有羧基或羟基等负电，可以与阳离子絮凝剂发生絮凝作用。由于漆酶能催化氧化水中有机污染物非常广泛，模拟漆酶与有机污染物的相互作用，再加上碳量子点高比表面积和高表面活性，使得有机污染物与负载铜的碳量子点模拟漆酶一起被阳离子絮凝剂絮凝出来，从而实现有效的废水处理。特别是对于一些弱电荷的小分子有机污染物，如对苯二胺和对苯二酚，直接用阳离子絮凝剂很难去除，用本发明的方法可以方便地实现处理，避免了复杂设备和繁琐程序的使用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例1制备的负载铜的碳量子点模拟漆酶与漆酶底物对苯二胺作用的比色照片图：作用前(a)，作用后(b)。
图2示出本发明实施例1制备的负载铜的碳量子点模拟漆酶的电镜照片。
图3示出本发明实施例3制备的负载铜的碳量子点模拟漆酶检测对苯二酚的荧光光谱图。
图4示出本发明实施例3制备的负载铜的碳量子点模拟漆酶的荧光检测的线性拟合图。
图5示出本发明实施例5制备的负载铜的碳量子点模拟漆酶与对苯二胺在阳离子聚丙烯酰胺作用下的絮凝效果图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
1)分别配制硝酸铜和聚乙二醇-10000水溶液，其中硝酸铜浓度为6.3×10-2mol/L，聚乙二醇-10000浓度为4.5×10-3mol/L。
2)将步骤1)配制的硝酸铜水溶液和聚乙二醇-10000水溶液混合，混合液中硝酸铜浓度为1.4×10-2mol/L，聚乙二醇-10000浓度为2.8×10-3mol/L，将混合液在220℃下水热反应7小时，得到负载铜的碳量子点模拟漆酶。
将本实施例制备的负载铜的碳量子点模拟漆酶与漆酶底物对苯二胺作用，作用前(a)和作用后(b)的比色照片图如图1所示，可以看出加入负载铜的碳量子点模拟漆酶后，对苯二胺溶液由无色变为棕黄色，说明模拟漆酶催化了对苯二胺的氧化反应，这与漆酶的催化氧化作用类似。
本实施例所制备的模拟漆酶的电镜照片见图2。图中显示所述模拟漆酶的粒径在1.4-2.3nm，单分散性良好。
实施例2
1)分别配制氯化铜和聚甲基丙烯酸钠水溶液，其中氯化铜浓度为2.3×10-2mol/L，聚甲基丙烯酸钠浓度为6.8×10-1mol/L。
2)将步骤2)配制的氯化铜水溶液和聚甲基丙烯酸钠水溶液混合，混合液中氯化铜浓度为6.2×10-3mol/L，聚甲基丙烯酸钠浓度为3.5×10-2mol/L，将混合液在240℃下水热反应9小时，得到负载铜的碳量子点模拟漆酶。
实施例3
1)分别配制氯化铜、乙二醇和聚甲基丙烯酸钠水溶液，其中氯化铜浓度为7.2×10-1mol/L，乙二醇浓度为1.0×10-1mol/L，聚甲基丙烯酸钠浓度为1.5×10-1mol/L。
2)将步骤1)配制的氯化铜水溶液、乙二醇水溶液和聚甲基丙烯酸钠水溶液混合，混合液中氯化铜浓度为1.3×10-1mol/L，乙二醇浓度为1.2×10-2mol/L，聚甲基丙烯酸钠浓度为1.0×10-2mol/L，将混合液在200℃下水热反应12小时，得到负载铜的碳量子点模拟漆酶。
3)通过负载铜的碳量子点模拟漆酶的荧光变化检测对苯二酚。
将对苯二酚按梯度配成各种不同浓度的水溶液，用移液器从这些对苯二酚水溶液中各取少量体积的溶液，分别加入到相同体积的负载铜的碳量子点模拟漆酶水溶液中得到混合溶液，用荧光分光光度计测量上述混合溶液的荧光强度，在350nm波长的光的激发下，检测得到的荧光光谱图见图3，荧光检测的线性拟合图见图4。从图中可以得出：对苯二酚的检测限为0.01mM，检测的线性范围为1-30mM。
实施例4
1)分别配制硝酸铜和聚乙二醇-400水溶液，其中硝酸铜浓度为6.4×10-2mol/L，聚乙二醇-400浓度为5.8×10-3mol/L。
2)将步骤1)配制的硝酸铜水溶液和聚乙二醇-400水溶液混合，混合液中硝酸铜浓度为5.1×10-3mol/L，聚乙二醇-400浓度为6.2×10-4mol/L，将混合液在160℃下水热反应3小时，得到负载铜的碳量子点模拟漆酶。
(3)通过负载铜的碳量子点模拟漆酶的荧光变化检测对苯二胺。
将对苯二胺按梯度配成各种不同浓度的水溶液，用移液器从这些对苯二胺水溶液中各取少量体积的溶液，分别加入到相同体积的负载铜的碳量子点模拟漆酶水溶液中得到混合溶液，用荧光分光光度计测量上述混合溶液的荧光强度，在350nm波长的光的激发下，检测得到荧光光谱图和荧光检测的线性拟合图，检测结果与实施例3的结果类似，对苯二胺的检测限为0.1mM，检测的线性范围为1-10mM。
实施例5
1)分别配制硫酸铜和聚丙烯酸水溶液，其中硫酸铜浓度为1.4mol/L，聚丙烯酸浓度为3.9×10-2mol/L。
2)将步骤1)配制的硫酸铜水溶液和聚丙烯酸水溶液混合，混合液中硫酸铜浓度为3.6×10-1mol/L，聚丙烯酸浓度为4.5×10-3mol/L，将混合液在260℃下水热反应5小时，得到负载铜的碳量子点模拟漆酶。
3)用负载铜的碳量子点模拟漆酶处理水中的对苯二胺。
配制负载铜的碳量子点模拟漆酶和对苯二胺的混合溶液，混合溶液中负载铜的碳量子点模拟漆酶浓度为1.0×10-4mol/L，对苯二胺浓度为5.0×10-3mol/L，混合液静置4小时。加入阳离子聚丙烯酰胺1.5mg，振摇混合液出现黑色絮状沉淀，絮凝效果照片见图5。处理后对苯二胺浓度小于1.0×10-3mol/L。
实施例6
(1)负载铜的碳量子点模拟漆酶的制备同实施例2。
(2)用负载铜的碳量子点模拟漆酶处理水中的对苯二酚。
配制负载铜的碳量子点模拟漆酶和对苯二酚的混合溶液，混合溶液中负载铜的碳量子点模拟漆酶浓度为2.0×10-4mol/L，对苯二酚浓度为2.0×10-3mol/L，混合液静置3小时。加入聚铝3.5mg，振摇混合液出现黑色絮状沉淀，处理后对苯二酚浓度小于5×10-4mol/L。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种负载铜的碳量子点模拟漆酶，其特征在于：所述负载铜的碳量子点模拟漆酶粒径为1-20nm，具有荧光发光性能，在350nm波长光的激发下发射荧光的波长为460nm，并有类漆酶活性。
2.一种如权利要求1所述的负载铜的碳量子点模拟漆酶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)分别配制可溶性铜盐和可溶性碳源水溶液；
2)将步骤1)配制的可溶性铜盐和可溶性碳源水溶液混合得到混合液，将混合液进行水热反应，得到负载铜的碳量子点模拟漆酶。
3.根据权利要求2所述的一种负载铜的碳量子点模拟漆酶的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述可溶性铜盐水溶液中可溶性铜盐的浓度为2.3×10-2～1.4mol/L，所述可溶性碳源水溶液中可溶性碳源的浓度为4.5×10-3～6.8×10-1mol/L。
4.根据权利要求2所述的一种负载铜的碳量子点模拟漆酶的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述可溶性铜盐为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜。
5.根据权利要求2所述的一种负载铜的碳量子点模拟漆酶的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述可溶性碳源为聚乙二醇-400、聚乙二醇-10000、乙二醇、聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸钠所组成的组中的至少一种。
6.根据权利要求2所述的一种负载铜的碳量子点模拟漆酶的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述混合液中可溶性铜盐的浓度为5.1×10-3～3.6×10-1mol/L，可溶性碳源的浓度为6.2×10-4～3.5×10-2mol/L。
7.根据权利要求2所述的一种负载铜的碳量子点模拟漆酶的制备方法，其特征在于：步骤2)中，水热反应的条件为在160-260℃下反应3-12小时。
8.一种如权利要求1所述的负载铜的碳量子点模拟漆酶的应用，其特征在于：所述负载铜的碳量子点模拟漆酶可作为漆酶替代物，应用于生化检测、有机污染物降解和废水处理领域。
9.根据权利要求8所述的负载铜的碳量子点模拟漆酶的应用，其特征在于：所述应用于生化检测，是应用于对苯二胺或对苯二酚的定性与定量检测。
10.根据权利要求8所述的负载铜的碳量子点模拟漆酶的应用，其特征在于：所述应用于废水处理，是将所述负载铜的碳量子点模拟漆酶与阳离子絮凝剂共同作用，处理水中的有机污染物；所述阳离子絮凝剂为阳离子聚丙烯酰胺、聚铝、聚铁、聚活性硅胶、聚合硫酸氯化铁铝或聚合聚铁硅；所述有机污染物为苯酚、苯胺、多酚、多胺、多环芳烃或多氯联苯类物质。
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