CN109158128B - 一种制备模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子的方法。通过Zr6簇和卟啉装配制备得到具有三维纳米通道的高度稳定的金属有机框架纳米粒子，并通过与氯化铁溶液混合加热孵育，使Fe3+与卟啉配位，使粒子掺入不同含量的铁离子，从而使其具有类似过氧化物酶的性能。本发明制备方法简便可控，得到的金属有机框架纳米粒子稳定性好，表现出很高的类似过氧化物酶的催化活性，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备模拟过氧化物酶的纳米粒子的方法，尤其是利用金属有机框架(MOF)纳米粒子来模拟过氧化物酶的方法。
背景技术
近些年来，一些纳米材料，例如富勒烯衍生物，金纳米颗粒，稀土纳米颗粒和铁磁纳米颗粒等被发现具有的酶学特性，由于纳米材料的独特性质，纳米酶这一概念引起了学术界的广泛关注。纳米酶是指在接近生理条件下能够催化类酶反应的纳米材料，其催化活性来源于自身的特殊纳米结构，具有比蛋白质酶更高的稳定性和更低的成本，因此在许多领域具有重要的应用潜力，适用于生物传感器开发、环境修复以及疾病的诊断治疗等各种应用。
金属有机框架(MOF)材料是多孔3D配位聚合物，通常由有机连接分子桥接的金属-氧簇组成。其孔径尺寸、表面积和形态可以综合调整，以产生各种理想性能。与传统材料相比，由连接体的尺寸和几何形状赋予的孔隙率以及金属簇周围的配位层给金属有机框架材料提供了更大的比表面积和更高密度的催化位点，其规整的孔道结构，有利于小分子底物的扩散。已经有研究者将卟啉衍生物通过接头延伸或封装引入到MOF中，而通过后续的金属的掺杂，特别是Fe3+，可以得到类似过氧化物酶中铁卟啉的化学构成，同时结合MOF的孔道结构特征，可以实现化学和结构方面上对过氧化物酶的模拟。
发明内容
本发明的目的是提供一种简便新颖的制备模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子的方法。
本发明的制备模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子的方法，包括以下步骤：
1)取300mg八水合二氯氧锆(ZrOCl2·8H2O)溶于40ml N,N二甲基甲酰胺(DMF)中，加入100mg四(对-羧基苯基)卟啉(H2TCPP)和1.12g苯甲酸，用300rpm的转速搅拌10min，使物质溶解充分。油浴加热至90℃，300rpm反应5h，溶液呈紫红色。将所得的混合液通过离心(12000rpm，45min)收集产生的沉淀，用DMF洗涤3次，从而得到纳米尺寸的有机金属框架粒子。
2)取15mg步骤1)所得的纳米粒子，分散到20mL不同浓度的FeCl3的DMF溶液，并在室温下用300rpm的转速搅拌30min。油浴加热至120℃，300rpm搅拌条件下反应7h，反应完成后通过离心(12000rpm，45min)收集产生的沉淀，用DMF洗涤3次，从而得到具有类似过氧化氢酶的金属有机框架纳米粒子。
本发明中所说的FeCl3的DMF溶液，其浓度为0.2～1.0mg/ml，且经0.22μm的一次性针头式滤器过滤后使用。所说的DMF溶剂需要经过除水处理，否则会使ZrOCl2·8H2O水解并产生HCl，卟啉中心发生质子化，导致形成不同的相。
本发明的原理是：天然的过氧化物酶由于其具备铁卟啉的结构，能够在过氧化氢的存在下，使得一些底物氧化变色。而卟啉分子可以作为一种有机配体与Zr6装配出一系列具有三维纳米通道的高度稳定的纳米金属有机框架粒子。此外，该纳米粒子通过与氯化铁溶液混合加热孵育，Fe3+能够与卟啉配位，从而使得其具有类似过氧化物酶的性能。
本发明的有益效果在于：
本发明工艺简单，过程可控性好，可大量制备；粒子的催化活性可以通过掺入不同量的Fe3+来调控；最终产品粒径均匀可调控，无团聚现象，稳定性高；在医药、生物、化工等领域有着良好的应用前景。
附图说明
图1是用ICP-MS测量与不同浓度的氯化铁溶液(0.2mg/ml、0.4mg/ml、0.6mg/ml、0.8mg/ml、1.0mg/ml)混合加热后纳米粒子中的铁含量。
图2是含铁量为8.8％的金属有机框架纳米粒子的扫描电镜图像。
图3是含铁量为8.8％的金属有机框架纳米粒子的透射电镜图像。
图4是含铁量为8.8％的金属有机框架纳米粒子的a)透射电镜图像和b)N、c)O、d)Fe、e)Zr元素成像图像。
图5是采用四甲基联苯胺(TMB)作为过氧化物酶的反应底物，含铁量为8.8％的金属有机框架纳米粒子分别催化0.1mM、0.2mM、0.5mM、1mM、2mM的过氧化氢反应时，a)反应产物紫外吸收随时间变化的图像和b)催化不同浓度过氧化氢的反应速率，TMB浓度为0.75mmol/L，纳米粒子浓度为20μg/mL。
图6是在不同pH值条件下，含铁量为8.8％的金属有机框架纳米粒子的催化活性。
图7是在不同温度条件下，含铁量为8.8％的金属有机框架纳米粒子的催化活性。
图8是含铁量为8.8％和6.2％的金属有机框架纳米粒子的催化活性对比。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明，但这些实例并不用来限制本发明。
实施例1
1)取300mg ZrOCl2·8H2O，用40ml DMF溶解后加入100mg H2TCPP配体和1.12g苯甲酸，用300rpm的转速搅拌10min，使物质溶解充分。油浴加热至90℃，在300rpm的转速下反应5h，将所得的混合液用DMF洗涤3次(12000rpm，45min)，收集产生的沉淀，从而得到纳米尺寸的金属有机框架粒子。
2)取15mg步骤1)所得的纳米粒子，分散到20mL浓度为1mg/ml FeCl3的DMF溶液，在室温下用300rpm的转速搅拌30min。油浴加热至120℃，在300rpm的转速下反应7h，将所得的混合液用DMF洗涤3次(12000rpm，45min)，收集产生的沉淀，所得具有类似过氧化物酶性能的金属有机框架纳米粒子的扫描电镜见图2。透射电镜图见图3。元素成像图见图4。为验证其具有类似过氧化物酶性能，采用四甲基联苯胺(TMB)作为反应底物，其在不同浓度过氧化氢(0.1，0.2，0.5，1.0，2.0mmol/L)的条件下反应动力学见图5a，计算其初始反应速率，与过氧化氢浓度作图，线性拟合结果见图5b。
实施例2
步骤同实施例1，但在步骤2)中分散到20mL浓度为0.2mg/ml的FeCl3的DMF溶液。
实施例3
步骤同实施例1，但在步骤2)中分散到20mL浓度为0.4mg/ml的FeCl3的DMF溶液。
实施例4
步骤同实施例1，但在步骤2)中分散到20mL浓度为0.6mg/ml的FeCl3的DMF溶液。
实施例5
步骤同实施例1，但在步骤2)中分散到20mL浓度为0.8mg/ml的FeCl3的DMF溶液。
通过调节Fe3+与纳米MOF粒子的比例可以调控调节终产物的催化活性，经实验发现当纳米粒子与FeCl3的质量比为3:4时，最终制得的金属有机框架纳米粒子中铁元素质量分数可达8.8％，其催化活性最佳。
Claims (5)
1.一种制备模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）取八水合二氯氧锆（ZrOCl2·8H2O）溶于N,N二甲基甲酰胺（DMF）中使八水合二氯氧锆的浓度为7.5 mg/mL，加入四（对-羧基苯基）卟啉（H2TCPP）和苯甲酸，用不超过300 rpm的转速搅拌，使溶解充分；油浴加热至90 ℃，以不超过300 rpm的转速搅拌反应5 h，将所得的混合液通过离心收集产生的沉淀，用DMF洗涤多次，从而得到纳米尺寸的金属有机框架粒子；所述的八水合二氯氧锆、四（对-羧基苯基）卟啉（H2TCPP）和苯甲酸的质量比为3:1:11；
2）取步骤1）所得的纳米粒子，分散到FeCl3的DMF溶液中，并在室温下用不超过300 rpm的转速搅拌使分散均匀，油浴加热至120 ℃，在不超过300 rpm搅拌条件下反应7 h，反应完成后通过离心收集产生的沉淀，用DMF洗涤多次，得到模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的制备模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子的方法，其特征在于，所述的离心收集产生的沉淀，离心转速不低于12000 rpm，时间不低于45 min。
3.根据权利要求1所述的制备模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子的方法，其特征在于，步骤2）中所述的纳米粒子与FeCl3的质量比为3：4。
4.根据权利要求1所述的制备模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子的方法，其特征在于，步骤2）所述的FeCl3的DMF溶液的浓度为0.2~1 mg/mL 。
5.一种模拟过氧化物酶的金属有机框架纳米粒子，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的方法制备而成。
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