CN115420692A - 一种具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料及应用 - Google Patents
一种具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料及应用。所述纳米材料的制备方法包括以下步骤：（1）以杨梅为原料，通过水热法制备碳点；（2）将制备的碳点做溶剂，加入硫酸铁和L‑半胱氨酸，采用一步溶剂热合成法合成Fe3S4/CDs纳米材料。本发明利用杨梅果实制备的本身不具有类过氧化物酶催化活性的碳点CDs合成了具有较高的类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料，该材料在过氧化氢的存在下能够氧化TMB，并构建了一种对氨基苯酚p‑Ap灵敏检测的传感平台。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料及应用。
背景技术
具有高底物特异性和活性的天然酶在各种催化反应中起着重要的作用，已广泛应用于临床医学、生物工程、农业和食品工业以及环境保护等领域。然而，天然酶的固有缺点严重限制了其应用，如纯化成本高、对环境敏感及变性导致的低稳定性等。为了克服这些缺点，越来越多的研究人员关注高效酶类似物的制备和利用。
纳米酶是具有类酶特性的纳米材料，通常被用作构建相应传感器。与天然酶相比，纳米酶具有成本更低、在恶劣的条件(如温度、pH值等)下可以保持高度稳定、表面积更大等优点。在2007年四氧化三铁(Fe3O4)被首次发现具有类过氧化物酶活性，并且在过氧化氢的存在下，四氧化三铁催化显色底物TMB产生蓝色反应，在652nm处具有最大吸光度，利用这一原理构建了H2O2传感器。目前已经开发了大量高效、稳定的纳米酶材料，如金属氧化物、金属硫化物、碳纳米材料、金属有机框架和复合材料，在环境化学、生物技术和医学领域具有广阔的应用前景。
碳点(CDs)作为一种新型的碳纳米材料，具有毒性低、成本低、荧光强度高以及生物相容性好等优点。CDs也被发现具有类过氧化物酶样活性，其在葡萄糖检测中的应用已被报道。近年来，以碳纳米材料为基础的混合纳米材料由于其制备、存储和分离简单，以及与天然酶相比具有更优异的协同性而受到了很大的关注。与单个CDs或金属化合物相比，基于CDs的金属纳米复合材料能够提高其类过氧化物酶的活性。其中，碳材料应该是通过协同催化作用促进自由基的生成，从而提高了材料的酶活性。因此，开发合成具有高过氧化物酶活性的碳基与铁基复合纳米材料有利于推动纳米科学技术的发展。
对氨基苯酚(p-Ap)在石油、橡胶、染料、医药和摄影工业中具有广泛的工业应用前景，同时作为扑热息痛的主要降解产物，p-Ap具有苯胺和苯酚的双重毒性，被认为是一种具有致畸作用、肾毒性和遗传毒性的污染物，很容易通过皮肤和粘膜渗透到人类、动物和植物体内。不仅会影响体内的血液和肾脏，还会引起眼睛刺激、肝毒性和影响呼吸系统等问题。因此，从环境保护和职业健康两方面来说，有必要开发一种简单、灵敏、方便的方法监测环境和生物样本中的p-Ap。报道中测定p-Ap的方法大多数涉及昂贵、低选择性以及复杂的样品处理程序，这大大限制了其在实践中的直接应用。而利用纳米酶构建比色传感器测定p-Ap具有便捷、灵敏的优点。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料及应用。
本发明所采取的技术方案如下：一种具有类过氧化物酶催化活性的 Fe3S4/CDs纳米材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)以杨梅为原料，通过水热法制备碳点；
(2)将制备的碳点做溶剂，加入硫酸铁和L-半胱氨酸，采用一步溶剂热合成法合成Fe3S4/CDs纳米材料。
优选的，步骤(1)中，将杨梅粉碎，加入超纯水后充分混合，密闭后于 180-200℃下加热8-14h，冷却至室温，用0.22μm微孔薄膜过滤器过滤取滤液。
优选的，步骤(2)中，硫酸铁和L-半胱氨酸的摩尔比为1:1。
优选的，步骤(2)中，硫酸铁和L-半胱氨酸加入到碳点中充分混合，密闭后于180-200℃下加热8-16h，冷却到室温后将合成好的固体产物通过磁铁吸附分离，再用蒸馏水和乙醇进行冲洗，干燥后得到Fe3S4/CDs纳米材料。
如上所述的具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料在制备检测对氨基苯酚含量的产品中的应用。
一种检测对氨基苯酚的方法，包括以下步骤：
一、将pH为2-5的缓冲液、TMB、H2O2、如上所述的具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料混合在25-55℃进行震荡反应；
二、在步骤一震荡反应后的体系中加入待测液，进行反应。
优选的，步骤一中，缓冲液的pH为3-4。
优选的，步骤一中，缓冲液的pH为3.5。
优选的，步骤一中，反应温度为30-40℃。
优选的，步骤一中，反应温度为35℃。
优选的，步骤二，反应后通过紫外-可见分光光度计测定，在10-100μmol/L 范围内，A371/A652呈线性关系。
本发明的有益效果如下：本发明利用杨梅果实制备的本身不具有类过氧化物酶催化活性的碳点CDS合成了具有较高的类过氧化物酶催化活性的 Fe3S4/CDs纳米材料，该材料在过氧化氢的存在下能够氧化TMB，并构建了一种对氨基苯酚p-Ap灵敏检测的传感平台。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1Fe3S4/CDs的表征：(a)XRD；(b)TEM；
图2中，(A)Fe3S4/CDs的XPS光谱；(B)高分辨率C1s光谱；(C)的高分辨率N1s光谱；(D)高分辨率S2p光谱；
图3中，(A)不同材料存在下反应体系的紫外-可见吸收光谱对比。插图为实际照片；(B)pH值对类过氧化物酶活性的影响；(C)温度对类过氧化物酶活性的影响；(D)Fe3S4/CDs用量对类过氧化物酶活性的影响；
图4为Fe3S4/CDs的稳态动力学分析：(A)H2O2的米氏曲线；(B)TMB的米氏曲线；(C)H2O2的双倒数图；(D)TMB的双倒数图；
图5为不同自由基清除剂存在下体系的紫外-可见吸收光谱(1:不加猝灭剂；2: 异丙醇；3:乙二胺四乙酸；4：对苯醌)；
图6中，(A)加入不同浓度Cp-Ap时系统的吸收光谱；(B)A372/A652与Cp-Ap 线性关系体系中的浓度为：NaAc-Hac为2610μL(20mM)、TMB为200μL(6mM))、 H2O2为40μL(50mM)、Fe3S4/CDs为50μg/mL、pH为3.5；
图7中，(A)p-Ap和一些常见干扰物质存在时体系的紫外可见光谱；(B)相应的颜色变化。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1:
(1)碳点(MN-CDs)的合成
通过水热法制备了碳点(MN-CDs)。首先，将杨梅(5g)粉碎并转移到100mL 反应釜内胆中，然后加入超纯水(25mL)后充分混合。将高压釜放入鼓风干燥箱中在190℃条件下加热11h。待高压釜冷却至室温后，用0.22μm微孔薄膜过滤器过滤上述溶液。并将制备好的碳点溶液储存在4℃的冰箱中备用。
(2)Fe3S4/CDs的合成
将制备的碳点做溶剂，采用一步溶剂热合成法合成Fe3S4/CDs纳米材料。将 0.834gFeSO4·7H2O(0.003mol)和0.363g L-半胱氨酸(0.003mol)分别溶解在 30mL的碳点溶液中，在室温条件下磁力搅拌20min形成混合物。随后转移到聚四氟乙烯的高压釜中，在190℃的条件下加热12h。冷却到室温后将合成好的固体产物通过磁铁吸附分离，再用蒸馏水和乙醇依次冲洗三次，最后在60℃的真空干燥箱中干燥6h至材料完全干燥。研磨称量后备用。
首先我们通过X射线衍射仪(XRD)对合成的Fe3S4/CDs进行了分析。如图 1A，在25.4°、30.0°、36.3°、47.8°和52.4°五个位置的特定衍射峰对应的是Fe3S4的(220)、(311)、(400)、(511)和(440)晶体平面]，结果表明，样品的峰与Fe3S4的标准XRD图相匹配，Fe3S4/CDs的XRD图在20°的位置有新的小峰，这可能是由无定形碳引起的。通过扫描电子显微镜(TEM)研究了材料的形貌。纳米材料表现出镂空花状结构(图1B)，与单纯的Fe3S4相比，材料具有更大的接触面积。
如图2A的XPS光谱所示，S2p、S2s、C1s、N1s、O1s和Fe2p的结合能分别为 164eV、228eV、286eV、415eV、530eV和711eV，表明所有元素都存在于材料中。在C1s谱图中(图2B)，有2个峰位于286.5eV、284.8eV，分别对应C-N键和C-C键。在Fe2p的高分辨光谱(图2C)中出现了四个峰，在712.6eV、724.9eV 和718.2eV处的Fe2p1/2、Fe2p3/2和卫星峰分别表明了Fe3+的存在，在710.3eV处的峰对应的是Fe-O。从图2D可以看出，在163.7eV和164.5eV处的结合能分别对应于S2p3/2和S2p1/2，167.8eV对应的是卫星峰。
实施例2:Fe3S4/CDs纳米材料的类氧化物酶催化活性.
将2610μL NaAc-Hac、200μL的TMB以及40μL H2O2、50μL Fe3S4/CDs加入4mL离心管中，将所得的混合物在30℃震荡反应20min.
如图3A的插图所示，TMB在过氧化物酶的作用下被氧化成oxTMB，形成亮蓝色悬浮液。在缓冲溶液中，只加入TMB/H2O2作为空白对照，分别加入CDs、 Fe3S4、Fe3S4/CDs观察各体系的紫外可见吸收光谱(图3A)，可以发现添加 Fe3S4/CDs后的吸光强度(0.615a.u.)高于添加Fe3S4和CDs后的吸光强度(0.423a.u. 和0.050a.u.)，证实了Fe3S4/CDs的类过氧化物酶活性有所提高。
在反应过程中，实验条件对纳米酶的类过氧化物酶的活性有一定影响。
如图3B所示，观察材料在pH为2.0-8.0范围内的酶活性变化，通过测试体系在652nm处的吸光度发现，随着溶液pH值从2.0增加到3.5，吸光度快速增加到(0.506a.u.)。但是随着pH值进一步增加到8.0，吸光度又快速下降(0.01a.u.)。因此，在pH为3.5时材料的过氧化物酶活性最高。
反应过程中的温度很大程度上影响着反应速率，结果如图3C所示，当温度从10℃升高到35℃，溶液在652nm处的吸光度从(0.395a.u.)逐渐增加到(0.549 a.u.)；但是当温度继续上升从35℃到55℃时，溶液的吸光度却慢慢降低到(0.19 a.u.)。从以上实验可以得出，在35℃时Fe3S4/CDs具有最大类过氧化物酶活性。
实验过程中的Fe3S4/CDs的用量对酶活性也有直接的影响，当体系中Fe3S4/CDs材料的用量逐渐增加到50μg/mL，溶液在652nm处的吸光度慢慢增加到(0.615a.u.)，而对用量进行进一步的增加后可以发现，吸光度并没有很大的变化(图3D)，从节省材料用量且达到最佳催化效果的方面来说，50μg/mL被确认为最佳用量。
综上所述，最佳的催化条件：溶液pH为3.5，反应温度为35℃，和材料用量为50μg/mL。在优化的最佳实验条件下，利用Michaelis-Menten方程研究了基于该纳米材料比色传感器的稳态动力学。如图4，实验分别以TMB和过氧化氢作为底物，每进行一次实验，通过改变一次底物的浓度，每个浓度的实验重复进行三次。越低的Km值表示纳米酶与底物之间的亲和力越高。如表1数据所示，该纳米材料在加入不同浓度的TMB和过氧化氢得到的Km值分别为0.186 和0.366。因此，与天然酶HRP相比，纳米材料的亲和度增加。这些数据表明，Fe3S4/CDs极大地提高了过氧化物酶活性。
表1 Fe3S4/CDs和辣根过氧化物酶催化动力学参数的比较
酶催化比色传感系统一般会产生了三种活性物质，即h+、O2-和·OH，他们可以分别被清除剂PBQ、EDTA和IPA清除。如果在催化反应过程中产生了这三种活性物质，那么随着清除剂的加入催化体系的吸光度会降低。如图5所示，加入PBQ后，体系的吸光度降低的更多，说明催化过程中h+发挥主要作用。而加入其他两种自由基清除剂后，体系的吸光度也都有轻微程度的降低，表明催化过程其他两种自由基也有参与。以上数据说明该催化剂能极大地促进过氧化氢的分解，释放出自由基，从而提高催化活性。
实施例3:
将2610μL NaAc-Hac(浓度为20mM，pH为3.5)、200μL的TMB以及40μL H2O2、50μLFe3S4/CDs加入4mL离心管中，将所得的混合物在30℃震荡反应 20min后，加入100μL不同浓度的p-Ap后，用紫外-可见分光光度计测定了体系的光谱。
图6显示，随着p-Ap的不断增加，光谱中371nm和652nm处的峰不断减小，在10-100μmol/L范围内，A371/A652显示出良好的线性关系： Y＝0.01+0.0052X(R2＝0.994)。
实施例4：
将2610μL NaAc-Hac(浓度为20mM，pH为3.5)、200μL的TMB以及40μL H2O2、50μLFe3S4/CDs加入4mL离心管中，溶液浓度为200μM，而将所得的混合物在30℃震荡反应20min后，在体系加入一系列的干扰物质，包括Ca2+,K+, Mg2+,NO3-,SO4 2-,CO3 2-,Glu,Thr和p-Np，并未发生明显的颜色变化，说明该检测体系的选择性很好。
实施例5:
(1)河水、自来水和饮用水分别取自温州医科大学的河流、水管和饮水机。使用标准加入法对三种水样进行检测。通过注射器过滤器(0.45μm)将水样过滤后备用。
(2)将2610μL NaAc-Hac、200μL的TMB以及40μL H2O2、50μL Fe3S4/CDs 加入4mL离心管中，将所得的混合物在30℃震荡反应20min后，加入100μL待测水样，用紫外-可见分光光度计测定了体系的光谱。
(3)将2610μL NaAc-Hac、200μL的TMB以及40μL H2O2、50μL Fe3S4/CDs 加入4mL离心管中，将所得的混合物在30℃震荡反应20min后，加入100μL的加入有60μM的p-Ap的待测水样，用紫外-可见分光光度计测定了体系的光谱。
如表3所展示的，在取来的自来水、饮用水和河水中并未检测到对氨基苯酚，表明这些样品中对氨基苯酚的含量都很低。同时我们用标准加入法，在三个水样中加入60μM的p-Ap下，其回收率在99.21-102.42％之间，相对标准偏差小于3.94％。这些检测结果证明该比色检测平台可用于不同水样中p-Ap的灵敏检测。
表2比色检测不同水样中的p-Ap
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料，其特征在于其制备方法包括以下步骤：
（1）以杨梅为原料，通过水热法制备碳点；
（2）将制备的碳点做溶剂，加入硫酸铁和L-半胱氨酸，采用一步溶剂热合成法合成Fe3S4/CDs纳米材料。
2.根据权利要求1所述的具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料，其特征在于：步骤（1）中，将杨梅粉碎，加入超纯水后充分混合，密闭后于180-200℃下加热8-14h，冷却至室温，用0.22μm微孔薄膜过滤器过滤取滤液。
3.根据权利要求1所述的具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料，其特征在于：步骤（2）中，硫酸铁和L-半胱氨酸的摩尔比为1:1。
4.根据权利要求1所述的具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料，其特征在于：步骤（2）中，硫酸铁和L-半胱氨酸加入到碳点中充分混合，密闭后于180-200℃下加热8-16h，冷却到室温后将合成好的固体产物通过磁铁吸附分离，再用蒸馏水和乙醇进行冲洗，干燥后得到Fe3S4/CDs纳米材料。
5.如权利要求1-4任一项所述的具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料在制备检测对氨基苯酚含量的产品中的应用。
6.一种检测对氨基苯酚的方法，其特征在于包括以下步骤：
一、将pH为2-5的缓冲液、TMB、H2O2、如权利要求1-4任一项所述的具有类过氧化物酶催化活性的Fe3S4/CDs纳米材料混合在25-55℃进行震荡反应；
二、在步骤一震荡反应后的体系中加入待测液，进行反应。
7.根据权利要求6所述的检测对氨基苯酚的方法，其特征在于：步骤一中，缓冲液的pH为3-4。
8.根据权利要求7所述的检测对氨基苯酚的方法，其特征在于：步骤一中，缓冲液的pH为3.5。
9.根据权利要求6所述的检测对氨基苯酚的方法，其特征在于：步骤一中，反应温度为30-40℃。
10. 根据权利要求6所述的检测对氨基苯酚的方法，其特征在于：步骤二，反应后通过紫外−可见分光光度计测定，在10-100 μmol/L范围内，A371/A652呈线性关系。
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|---|---|---|---|---|
| CN116173989A (zh) * | 2023-01-30 | 2023-05-30 | 哈尔滨理工大学 | 一种高1T-MoS2相异金属比色传感器材料的制备及性能研究 |
| CN116642845A (zh) * | 2023-04-21 | 2023-08-25 | 苏州科技大学 | 一种用于检测环境水中痕量Hg2+的比色纳米传感器 |
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| CN116173989B (zh) * | 2023-01-30 | 2024-06-11 | 哈尔滨理工大学 | 一种高1T-MoS2相异金属比色传感器材料的制备及性能研究 |
| CN116642845A (zh) * | 2023-04-21 | 2023-08-25 | 苏州科技大学 | 一种用于检测环境水中痕量Hg2+的比色纳米传感器 |
| CN116642845B (zh) * | 2023-04-21 | 2024-05-07 | 苏州科技大学 | 一种用于检测环境水中痕量Hg2+的比色纳米传感器 |
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