CN113304748B - 一种具有多种仿酶活性的铜纳米团簇及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有多种仿酶活性的铜纳米团簇及其制备方法与应用,属于纳米材料、生物催化及分析检测技术领域。本发明首次公开了一种具有仿过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性、超氧化物歧化酶和抗坏血酸氧化酶活性的铜纳米团簇,其制备方法简单,稳定性好。本发明在生化分析、纳米仿酶催化、临床医药检测等方面具有广阔的发展前景,具有良好的实际应用之价值。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料、生物催化及分析检测技术领域,具体涉及一种具有多种仿酶活性的铜纳米团簇及其制备方法与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
纳米材料作为高效的模拟酶催化剂,在生物催化、纳米医学及治疗等领域得到了广泛的应用,显示了纳米模拟酶的强大生命力。与天然酶相比,人工模拟酶成本低,易于规模化生产,性质稳定,可以广泛推广。
目前,纳米材料的单酶活性已被报道多次,只有少数纳米材料具有Co3O4、Mn3O4、MoS2等多酶活性。但主要的活性一般都是仿过氧化物酶和氧化物酶活性,很少有纳米模拟酶能够催化特定的底物,如谷胱甘肽、亚硫酸盐、抗坏血酸等。因此,寻找具有多种酶活性和新型模拟酶的纳米材料将成为一个研究方向。金属荧光纳米簇由于其独特的光学性质、生物相容性、催化性能等优点,被广泛应用于环境检测、生物检测和细胞成像等领域。然而,发明人发现,现有铜纳米团簇的合成方法步骤相对繁琐,条件苛刻,合成的纳米簇稳定性较差缺点,因此,寻求一种粒径可控、合成步骤简单有效的合成方法是迫切需要的。
还原型谷胱甘肽(GSH)是动物细胞中最常见的非蛋白硫醇。谷胱甘肽有助于维持正常的免疫系统功能,保护细胞免受氧化损伤。建立一种快速、直观的谷胱甘肽含量测定方法,对药物研究的质量控制和临床检测具有重要意义。
抗坏血酸对维持免疫功能,羟化5-羟色胺,保持血管的完整,促进非血红素铁吸收等所必需,目前纳米材料常通过其仿过氧化物酶活性建立比色法检测抗坏血酸,但此种方法不具有选择性。
发明内容
本发明提供了一种同时具有仿过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和抗坏血酸氧化酶的铜纳米团簇。本发明通过简单的合成方法,成功制备直径为2-3nm的纳米铜簇,经试验研究发现,其具有良好的多仿酶活性,因此具有很好的应用价值。
本发明通过如下技术方案实现的:
本发明的第一个方面,提供一种具有多仿酶活性的铜纳米团簇的制备方法,所述制备方法包括:
将半胱胺盐酸盐溶液逐滴加入到二价铜盐溶液中,搅拌后加入水合肼,继续搅拌即得。
本发明的第二个方面,提供上述制备方法得到的铜纳米团簇,所述铜纳米团簇直径为2-3nm,其具有多仿酶活性。
本发明的第三个方面,提供一种上述铜纳米团簇在作为如下任意一种或多种仿酶中的应用:
1)仿过氧化物酶;
2)仿过氧化氢酶;
3)仿超氧化物歧化酶;
4)仿抗坏血酸氧化酶。
本发明的第四个方面,提供一种催化过氧化氢氧化3,3,5,5-四甲基联苯胺显色的方法,将上述铜纳米团簇加入至含有过氧化氢和3,3,5,5’-四甲基联苯胺的醋酸盐缓冲液中,然后进行反应。
本发明的第五个方面,提供一种催化过氧化氢分解的方法,将上述铜纳米团簇加入至含有过氧化氢的磷酸盐缓冲液中进行反应,然后取一定量的上述溶液加入至含有2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸和辣根过氧化物酶的磷酸盐缓冲溶液中进行反应。
本发明的第六个方面,提供一种抑制氮蓝四唑还原的方法,将上述铜纳米团簇、氮蓝四唑、核黄素、甲硫氨酸、Na2EDTA和磷酸盐缓冲液混合后,进行光照反应。
本发明的第七个方面,提供一种催化抗坏血酸氧化的方法,将上述铜纳米团簇加入至含有抗坏血酸的醋酸盐缓冲溶液中,然后进行反应。
本发明的第八个方面,提供一种用于检测还原性谷胱甘肽的比色传感器,所述比色传感器至少包括上述铜纳米团簇。
本发明的第九个方面,提供一种用于检测抗坏血酸的荧光传感器,所述荧光传感器至少包括上述铜纳米团簇。
以上一个或多个技术方案的有益技术效果:
(1)制备的铜纳米团簇同时具有过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性和超氧化物歧化酶、抗坏血酸氧化酶活性。制备方法易于操作,制备的铜纳米团簇分散性良好,粒径均一,可用于大规模生产制备。
(2)利用铜纳米团簇的仿过氧化物酶的性质实现了对还原性谷胱甘肽的定性和定量检测。
(3)利用铜纳米团簇的抗坏血酸氧化酶性质实现了对抗坏血酸的定性和定量检测。
上述技术方案首次公开了一种具有过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性和超氧化物歧化酶、抗坏血酸氧化酶活性的铜纳米团簇,制备方法简单,稳定性好。因此,在生化分析、纳米仿酶催化、临床医药检测等方面具有广阔的发展前景。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1的铜纳米团簇的扫描电镜图;
图2为本发明实施例2中铜纳米团簇的仿过氧化酶活性效果图;
图3为本发明实施例3中铜纳米团簇的仿过氧化氢酶活性效果图;
图4为本发明实施例4中铜纳米团簇的仿超氧化物歧化酶活性效果图;
图5为本发明实施例5中铜纳米团簇的仿抗坏血酸氧化酶活性效果图;
图6为本发明实施例6中测定还原性谷胱甘肽的定性效果图;
图7为本发明实施例7中还原性谷胱甘肽的定量检测标准工作曲线图。
图8为本发明实施例8中测定抗坏血酸的定性效果图;
图9为本发明实施例9中抗坏血酸的定量检测标准工作曲线图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。应理解,本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案;还应当理解,本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案,而不是为了限制本发明的保护范围。
如前所述,寻找具有多种酶活性和新型模拟酶的纳米材料成为一个重要的研究方向。
有鉴于此,本发明的一种典型实施方式,提供了一种铜纳米团簇的制备方法,将半胱胺盐酸盐溶液逐滴加入到二价铜盐溶液中,搅拌后加入水合肼,继续搅拌即得。
本发明经过研究发现,采用上述制备方法制得的铜纳米团簇同时具有仿过氧化物酶活性、仿过氧化氢酶活性和仿超氧化物歧化酶、仿抗坏血酸氧化酶活性。
本发明的一个或多个具体实施方式中,所述二价铜盐为阳离子为二价铜离子的化合物,包括但不限于氯化铜、硝酸铜、硫酸铜和醋酸铜。
本发明的一个或多个具体实施方式中,铜离子与半胱氨酸盐酸盐的摩尔比为0.5~2:1,优选为1:1。
本发明的一个或多个具体实施方式中,上述制备方法反应条件具体为:室温下,在含有铜离子的溶液中逐滴加入半胱氨酸盐酸盐,搅拌10~20分钟(优选15分钟)后,加入水合肼,继续搅拌1~2小时(优选为1.5小时)。
本发明的一个或多个具体实施方式中,提供上述制备方法制备得到的铜纳米团簇,所述铜纳米团簇直径为2-3nm,其具有多仿酶活性。
本发明的一个或多个具体实施方式中,提供上述铜纳米团簇在作为如下任意一种或多种仿酶中的应用:
1)仿过氧化物酶;
2)仿过氧化氢酶;
3)仿超氧化物歧化酶;
4)仿抗坏血酸氧化酶。
本发明的一个或多个具体实施方式中,提供一种催化过氧化氢氧化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺显色的方法(TMB),将上述铜纳米团簇加入至含有过氧化氢和3,3’,5,5’-四甲基联苯胺的醋酸盐缓冲液中,然后进行反应。
本发明的一个或多个具体实施方式中,醋酸盐缓冲液的pH为3.5-4.0。
本发明的一个或多个具体实施方式中,铜纳米团簇、3,3’,5,5’-四甲基联苯胺、过氧化氢的添加浓度比为0.182:2:1,mM:mM:mM。
本发明的一个或多个具体实施方式中,将上述铜纳米团簇加入至含有过氧化氢的磷酸盐缓冲液中进行反应,然后取上述溶液加入至含有2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)和辣根过氧化物酶(HRP)的磷酸盐缓冲溶液中进行反应。
本发明的一个或多个具体实施方式中,磷酸盐缓冲液的pH为7.8~8.2。
本发明的一个或多个具体实施方式中,铜纳米团簇、过氧化氢的添加浓度比为1.82:5,μM:mM。
本发明的一个或多个具体实施方式中,辣根过氧化物酶的浓度为20~25μg/mL。
本发明的一个或多个具体实施方式中,反应温度为35~40℃。
本发明的一个或多个具体实施方式中,提供了一种抑制氮蓝四唑还原的方法,将上述铜纳米团簇、氮蓝四唑、核黄素、甲硫氨酸、Na2EDTA和磷酸盐缓冲液混合后,进行光照反应。
本发明的一个或多个具体实施方式中,磷酸盐缓冲液的pH为7.8~8.2。
本发明的一个或多个具体实施方式中,铜纳米团簇、氮蓝四唑、核黄素、甲硫氨酸、Na2EDTA的浓度添加比为0.182:2:13:2:100,mM:μM:μM:μM:μM。
本发明的一个或多个具体实施方式中,反应温度为35~40℃。
本发明的一个或多个具体实施方式中,提供了一种催化抗坏血酸氧化的方法,将上述铜纳米团簇、抗坏血酸和醋酸盐缓冲液混合后,进行反应。
本发明的一个或多个具体实施方式中,醋酸盐缓冲液的pH为5.0-6.0。
本发明的一个或多个具体实施方式中,上述铜纳米团簇、抗坏血酸的浓度添加比为0.182:1,mM:mM。
本发明的一个或多个具体实施方式中,提供一种用于检测还原性谷胱甘肽的比色传感器,所述比色传感器至少包括上述铜纳米团簇。
本发明的一个或多个具体实施方式中,提供一种用于检测抗坏血酸的荧光传感器,所述荧光传感器至少包括上述铜纳米团簇。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案,以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
室温下,在含有铜离子(100mM,2mL)的硫酸铜溶液中逐滴加入半胱氨酸盐酸盐(10mM,20mL),搅拌15分钟后,加入水合肼(50μL),继续搅拌1.5小时即得。
实施例2
铜纳米团簇的仿过氧化酶活性验证:
实验体系a:催化反应体系为包含醋酸盐缓冲液(pH 4,100mM)、上述实例获得的上述铜纳米团簇(0.182mM)之后有机显色剂TMB(1mM)和过氧化氢(1mM)。之后在37℃水浴锅中反应20分钟,利用酶标仪测定其在400-800nm范围内的可见吸收光谱。
除此以外,做对照实验b:在催化体系中包含醋酸盐缓冲液(pH 4,100mM)、铜纳米团簇(0.182mM),其余反应条件与上述实验体系相同,20分钟后测定其吸光值。另一个对照实验c:催化反应体系中不加铜纳米团簇,在与上述实验体系同样条件下反应20分钟后检测其吸光值;
如图2所示,实验体系a显示出明显的峰,说明铜纳米团簇在pH 4处具有明显的仿过氧物酶的活性;对照试验b在652nm附近无明显的峰,说明若无铜纳米团簇作催化剂将无明显反应。对照实验c也没有显示出明显的峰,说明实验体系a的峰不是由材料本身的响应引起的。
实施例3
铜纳米团簇的仿过氧化氢酶活性验证:
实验体系b:催化反应体系为包含磷酸盐缓冲液(pH 7.8,100mM)和H2O2(5mM),上述铜纳米团簇(1.82mM),于37℃反应30分钟后,取其上清液,然后加入辣根过氧化物酶(25μg/mL)和ABTS(0.02mM),在室温下反应10分钟用紫外分光光度计记录其在380-500nm范围内的可见吸收光谱。
另作对照实验体系a:催化反应体系为包含磷酸盐缓冲液(pH 7.8,100mM)、H2O2(5mM),取其上清液,于37℃反应30分钟后,然后加入辣根过氧化物酶(25μg/mL)和ABTS(0.02mM),在室温下反应10分钟用紫外分光光度计记录其在380-500nm范围内的可见吸收光谱。
如图3所示,对照体系b在417nm处的吸光值低于对照实验a,说明体系加入上述铜纳米团簇后,催化了过氧化氢,导致过氧化氢的含量减少,随之其催化ABTS变色的吸光值降低。
实施例4
铜纳米团簇的仿超氧化物歧化酶活性验证:
实验体系b,c,d:催化反应体系为包含上述实例1获得的铜纳米团簇(0.091,0.182,0.273mM)、磷酸盐缓冲液(pH 7.4,100mM)、氮蓝四唑(2μM)、核黄素(13μM)、甲硫氨酸(2μM)和Na2-EDTA(100μM),在25℃下光照反应10分钟后,用酶标仪记录其在400–800nm范围内的可见吸收光谱。
对照实验a:催化反应体系为包含磷酸盐缓冲液(pH 8,100mM)、氮蓝四唑(2μM)、核黄素(13μM)、甲硫氨酸(2μM)和Na2-EDTA(100μM),在25℃下光照反应10分钟后,用酶标仪记录其在400–800nm范围内的可见吸收光谱。
如图4所示,实验体系a在560nm处的吸光值高于对照实验b,c,d,说明实例1获得的铜纳米团簇具有仿超氧化物歧化酶活性。
实施例5
铜纳米团簇的抗坏血酸氧化酶活性验证:
实验体系b:催化反应体系中含有包括上述实例1获得的铜纳米团簇(0.182mM)、坏血酸(1mM)、醋酸盐缓冲液(pH 6),在室温条件下反应3分钟后,酶标仪记录其265nm处吸光值变化。
对照实验a:催化反应体系中含有包括坏血酸(1mM)、醋酸盐缓冲液(pH 6),在室温条件下反应3分钟后,酶标仪记录其265nm处吸光值变化。
对照实验c:催化反应体系中含有包括铜纳米团簇(0.182mM)、醋酸盐缓冲液(pH6),在室温条件下反应3分钟后,酶标仪记录其265nm处吸光值变化。
如图5所示,实验体系b在265nm处吸光值明显低于对照实验组a,说明实例1的铜纳米团簇具有抗坏血酸氧化酶活性。
实施例6
还原性谷胱甘肽的定性检测:
催化反应体系a包含还原性谷胱甘肽(200μM)、铜纳米团簇(0.909mM)、有机显色剂TMB(1mM)和过氧化氢(1mM)、醋酸缓冲液(pH4,100mM)。在37℃水浴锅中反应20分钟观察其颜色。
反应体系b不含谷胱甘肽,其余条件与上述实验体系相同反应20分钟后观察颜色变化。
如图6所示,实验体系a处吸光值小于反应体系b,则说明该方法可以用于还原性谷胱甘肽的检测。
实施例7
还原性谷胱甘肽的定量检测:
催化反应体系包含不同浓度的还原性谷胱甘肽(GSH,0-500μM)、铜纳米团簇(0.909mM)、有机显色剂TMB(1mM)和过氧化氢(1mM)、醋酸缓冲液(pH 4,100mM)。在37℃水浴锅中反应20分钟观察其颜色。在37℃水浴锅中反应20分钟后,利用酶标仪检测其652nm处的吸光值并绘制出谷胱甘肽的标准工作曲线。如图7所示,线性范围为1-150μM,y=0.00191x+0.06865(R2=0.994)。
实施例8
抗坏血酸的定量检测:
催化反应体系a包含抗坏血酸(50μM)、铜纳米团簇(0.182mM)、OPDA(1mM)、醋酸缓冲液(pH 6,100mM)。室温下,反应5分钟后测定其荧光图谱(激发为350nm)
对照体系b包含OPDA(邻二苯胺,0.5mM)、醋酸缓冲液(pH 6,100mM)。室温下,反应5分钟后测定其荧光图谱(激发波长为350nm)。
对照体系c包括铜纳米团簇(0.182mM)、OPDA(1mM)、醋酸缓冲液(pH 6,100mM)。室温下,反应5分钟后测定其荧光图谱(激发波长为350nm)。
对照体系d包括坏血酸(50μM)、OPDA(1mM)、醋酸缓冲液(pH 6,100mM)。室温下,反应5分钟后测定其荧光图谱(激发为350nm)。
如图8所示,实验体系a的荧光强度高于b,c,d,则说明该方法可以用于检测抗坏血酸。
实施例9
抗坏血酸的定性检测:
催化反应体系包含不同浓度的抗坏血酸(AA,0-100μM)、铜纳米团簇(0.182mM)、OPDA(1mM)、醋酸缓冲液(pH 6,100mM)。在室温下反应5分钟,利用荧光分光光度计检测其荧光强度,并绘制出抗坏血酸的标准工作曲线。如图9所示,线性范围为0.5-30μM,F=8.0899C+4.1727(R2=0.991)
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
应注意的是,以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明,但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种用于检测抗坏血酸的荧光传感器,其特征在于,所述荧光传感器包括具有多仿酶活性的铜纳米团簇;
所述铜纳米团簇的制备方法包括:
将半胱胺盐酸盐溶液逐滴加入到二价铜盐溶液中,搅拌后加入水合肼,搅拌即得;
所述二价铜盐为阳离子为二价铜离子的化合物,包括氯化铜、硝酸铜、硫酸铜和醋酸铜。
2.一种抑制氮蓝四唑还原的方法,其特征在于,将具有多仿酶活性的铜纳米团簇、氮蓝四唑、核黄素、甲硫氨酸、Na2EDTA和磷酸盐缓冲液混合后,进行光照反应;
所述铜纳米团簇的制备方法包括:
将半胱胺盐酸盐溶液逐滴加入到二价铜盐溶液中,搅拌后加入水合肼,搅拌即得;
所述二价铜盐为阳离子为二价铜离子的化合物,包括氯化铜、硝酸铜、硫酸铜和醋酸铜。
3.一种催化抗坏血酸氧化的方法,其特征在于,将具有多仿酶活性的铜纳米团簇加入至含有抗坏血酸的醋酸盐缓冲溶液中,然后进行反应;
所述铜纳米团簇的制备方法包括:
将半胱胺盐酸盐溶液逐滴加入到二价铜盐溶液中,搅拌后加入水合肼,搅拌即得;
所述二价铜盐为阳离子为二价铜离子的化合物,包括氯化铜、硝酸铜、硫酸铜和醋酸铜。
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