CN115646486A - 一种石墨烯负载钯纳米酶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯负载钯纳米酶及其制备方法和应用,属于纳米酶催化抗菌技术领域。该纳米酶是以石墨烯为载体,硝酸钯为前驱体,通过沉积沉淀法合成了石墨烯负载钯纳米酶,该纳米酶不仅具有较高的比表面积,而且可以在空气中催化氧气分解为活性氧物质破坏细菌的细胞膜,从而可以杀死细菌。本发明所制备的纳米酶,钯以纳米颗粒形式存在,显著的提高了钯的酶催化活性,使其可以催化氧气分解达到完全灭菌。本发明具有简便的制备过程,反应过程易控,且所制备的石墨烯负载钯纳米酶表现出优异的催化抗菌性能,可应用在临床诊疗和环境治理中。
Description
技术领域
本发明属于纳米酶催化抗菌技术领域,具体涉及一种石墨烯负载钯纳米酶及其制备方法和应用。
背景技术
天然酶在实际应用中有操作稳定性较低、产量低、环境条件对催化活性影响比较大等缺点,因此人工酶的开发是很必要的。纳米材料和生物酶在一些方面上具有相似性,比如尺寸、形状和表面电荷,这使得纳米材料能够模拟天然酶表现出相似的活性。纳米酶是具有纳米尺度(1-100nm)和类酶催化活性的纳米材料,它同时具备化学催化和生物催化剂的特点。纳米酶攻克了天然酶的一些缺陷,它有制备成本较低、存储时间长、制备简单、易于批量生产等优点。
细菌感染引起多种疾病,同时抗生素的滥用又使细菌进化产生具有耐药性的基因性新品种,也就是会产生超级细菌。现有抗生素类药物的效力逐渐减弱,俨然成为全球性问题。因此,研制新型有效抑菌药物亟不可待。纳米酶具有氧化物酶、过氧化物酶、超氧化物酶等酶催化活性可以催化产生活性氧物质,诱导细胞氧化损伤,破坏细胞膜的完整性,从而抑制细菌生长,达到杀死细菌的效果,保护环境和人们的健康。
发明内容
本发明的目的是,提供一种高稳定性、低成本、制备过程可控、有优异抗菌性能的纳米酶,具有绿色高效,简单易行等特点。
本发明采用的技术方案为:
一种石墨烯负载钯纳米酶,以钯纳米粒子为活性中心,石墨烯为载体,采用沉积沉淀法直接将钯纳米粒子负载到石墨烯上,在200℃、H2条件下还原2小时,得到石墨烯负载钯纳米酶,按重量百分比,钯元素在石墨烯负载钯纳米酶中的负载量为0.2%或0.5%。
上述的一种石墨烯负载钯纳米酶的制备方法,包括如下步骤:
1)将去离子水加入到石墨烯中,超声均匀分散形成悬浮液,调节pH,得到石墨烯溶液;取硝酸钯在去离子水中溶解后调节pH,得到硝酸钯溶液;在油浴中于磁力搅拌下将硝酸钯溶液逐滴加入到石墨烯溶液中,在100℃下保持搅拌1小时,将反应后得到的混合物自然冷却至室温,并收集、洗涤、干燥、研磨,得到石墨烯负载钯复合材料;
2)将步骤1)得到的石墨烯负载钯复合材料置于石英管中,再放于管式炉中,逐渐升温至200℃后,在H2条件下保持2小时,得到钯的价态均为0的石墨烯负载钯纳米酶。
进一步的,上述的制备方法,步骤1)中,采用碳酸钠溶液调节溶液的pH。
进一步的,上述的制备方法,钯元素在石墨烯负载钯纳米酶中的负载量为0.2%或0.5%。
进一步的,上述的制备方法,步骤1)中,石墨烯溶液的pH调至10。
进一步的,上述的制备方法,步骤1)中,硝酸钯溶液的pH调至7。
上述的一种石墨烯负载钯纳米酶在抗菌中的应用。
进一步的,上述的应用,所述菌为细菌。
更进一步的,上述的应用,所述细菌为大肠杆菌。
进一步的,上述的应用,方法如下:于菌悬液中,加入上述的石墨烯负载钯纳米酶。
本发明的有益效果为:
1、本发明,石墨烯负载钯纳米酶在室温下具有优异的氧化酶催化活性,可以催化空气中的氧气分解产生活性氧物质,从而达到杀死细菌的目的,其抗菌率可以达到98以上%。
2、本发明,石墨烯负载钯纳米酶,以高分散的钯作为活性中心,提高了原子利用率,同时增强了材料的催化活性。
3、本发明,石墨烯负载钯纳米酶通过沉积沉淀法合成,制备方法简单,反应过程可控,可规模化生产。
4、本发明,采用石墨烯负载钯纳米材料作为纳米酶,通过催化空气中的氧气分解产生活性氧物质达到抗菌目的,高效环保。
5、本发明,石墨烯负载钯纳米酶,在环境保护、催化以及生物医药等领域有着非常广阔的应用前景。
附图说明
图1是石墨烯负载钯纳米酶的TEM图,其中,A:50nm;B:10nm。
图2是石墨烯和不同钯负载量的石墨烯负载钯纳米酶的X射线衍射图。
图3是石墨烯和不同钯负载量的Pd-NPs/G纳米酶的TMB实验图,其中,A:模拟氧化物酶动力学分析图,B:紫外-可见吸收光谱图。
图4是石墨烯和不同钯负载量的Pd-NPs/G纳米酶的电子自旋共振光谱图。
图5是石墨烯和不同钯负载量的Pd-NPs/G纳米酶的抗菌效果图,其中,A:空白;B:石墨烯抗菌效果图;C:0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶抗菌效果图;D:0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶抗菌效果图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面通过实施例对本发明做进一步说明,应理解以下实施目的在于更好地解释本发明的内容,而不是对本发明的保护范围产生任何限制。
实施例1石墨烯负载钯纳米酶的制备
(一)石墨烯负载钯纳米酶的制备方法
包括如下步骤:
1)首先,取石墨烯(G)于圆底烧瓶中,加入去离子水配成溶液,超声使其分散成悬浮液,用碳酸钠溶液调节pH值至10,得到石墨烯溶液;取硝酸钯加入去离子水中溶解,用碳酸钠溶液调节pH至7,得到硝酸钯溶液;然后,在油浴磁力搅拌下,将硝酸钯溶液逐滴滴加到石墨烯溶液中,在100℃下保持搅拌1小时;最后,将反应后得到的混合物自然冷却至室温,并收集、洗涤、干燥、研磨,即得到石墨烯负载钯复合材料,按重量百分比,钯的负载量为0.2%或0.5%。
2)将步骤1)得到的石墨烯负载钯复合材料置于石英管中,再放于管式炉中,逐渐升温至200℃后,在H2条件下保持2小时,即得到石墨烯负载钯纳米酶,按重量百分比,钯元素在石墨烯负载钯纳米酶中的负载量为0.2%或0.5%(即0.2wt%或0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶)。
(二)检测
图1为石墨烯负载钯纳米酶的TEM图。由图1可见,可以看出钯粒径较小、分散良好,没有出现团聚现象。
图2为石墨烯和0.2wt%和0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶的X射线衍射图。由图2可见,钯的负载并没有破坏石墨烯的结构,且在XRD图中没有出现钯的特征峰,表明钯粒径极小。
实施例2石墨烯负载钯纳米酶的氧化酶活性研究
(一)Pd-NPs/G纳米酶的TMB实验
通过TMB实验测定Pd-NPs/G纳米酶模拟氧化酶活性。
方法:将15μL Pd-NPs/G纳米酶(0.15mg·mL-1)和20μL 20mM TMB加入到含有970μL乙酸钠-乙酸缓冲液[100mM(pH=4.0)]的离心管中。通过测量氧化形式的TMB在波长652nm的紫外吸收变化来研究Pd-NPs/G纳米酶对TMB的催化氧化,进而计算Pd-NPs/G纳米酶的氧化酶活性。
图3为石墨烯和0.2wt%和0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶的TMB实验图。由图3A可见,可以看出石墨烯的氧化酶活性极低,与石墨烯相比,Pd-NPs/G纳米酶展现出优异的氧化酶活性。不同负载量的Pd-NPs/G纳米酶催化TMB氧化的能力不同,负载量为0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶催化活性最高,负载量为0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶次之,这表明Pd-NPs/G纳米酶催化氧气分解使TMB氧化,验证了Pd-NPs/G纳米酶具有优异的氧化酶活性。由图3B可见,0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶比0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶在652nm处有更大的紫外吸收,所以0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶比0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶有着更强的催化TMB的能力,所以0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶有着更强的模拟氧化酶活性。结果表明:不同钯负载量的Pd-NPs/G纳米酶的模拟氧化酶活性顺序为:0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶>0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶>G。
(二)Pd–NPs/G纳米酶的ESR测试
图4是石墨烯和0.2wt%和0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶的电子自旋共振光谱图。可以看出石墨烯、0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶和0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶电子自旋共振光谱中均有相对强度为1:2:2:1的三线信号说明催化产生羟基自由基·OH,并且0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶的信号强度明显大于0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶和石墨烯。验证了Pd-NPs/G纳米酶具有优异的模拟氧化酶活性,在室温下可以催化空气中氧气分解产生羟基自由基而杀死细菌,从而使其具有抗菌领域应用。
实施例3Pd–NPs/G纳米酶的抗菌实验
Pd-NPs/G纳米酶的抗菌实验,包括如下步骤:
1)LB培养基的配制:称取氯化钠2.5012g,蛋白胨2.5015g,酵母浸粉1.2519g,加水至250mL,用NaOH溶液调节其pH=7.2~7.4,得到LB液体培养基;向液体培养基中加入2%琼脂,即可得到LB固体培养基,将培养基置于121℃高压蒸汽灭菌锅中灭菌30min,冷藏备用。
2)用接种环挑取大肠杆菌菌种(E.coli ATCC 15597),在LB固体培养基上划线,在37℃培养箱中培养12h,挑取单菌落于LB液体培养基中,37℃的恒温振荡器中培养10h,得到OD值为2.162的菌悬液。
3)取5mL菌悬液于离心机上离心20min,用pH=4.5的醋酸钠溶液洗涤后,再加入醋酸钠溶液,得到醋酸钠溶液菌悬液;用醋酸钠溶液对菌悬液进行逐级稀释,使其最终稀释浓度为104cfu·mL-1。
4)称取1mg实施例1制备的0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶放于离心管中,加入38.4mL醋酸钠溶液超声分散,然后加入1.6mL浓度为104cfu·mL-1的菌悬液,充分摇匀,取100μL涂布平板,将平板放于37℃恒温培养箱中培养12h,观察菌落生长情况,同时计数并计算抗菌率;称取0.1mg实施例1制备的0.5wt%Pd-NPs/G纳米酶放于离心管中,加入9.6mL醋酸钠溶液超声分散,然后加入0.4mL浓度为104cfu·mL-1的菌悬液,充分摇匀,取100μL涂布平板,将平板放于37℃恒温培养箱中培养12h,观察菌落生长情况,同时计数并计算抗菌率。
图5是采用实施例1制备的不同负载量的Pd-NPs/G纳米酶含相同钯金属浓度时的相关抗菌效果图,通过抗菌实验发现Pd-NPs/G纳米酶具有优异的抗菌性能,0.2wt%Pd-NPs/G纳米酶其抗菌率可以达到98%以上。这充分的说明本发明之辈的Pd-NPs/G纳米酶具有优异的抗菌性能,在催化抗菌领域有潜在的应用。
Claims (10)
1.一种石墨烯负载钯纳米酶,其特征在于,以钯纳米粒子为活性中心,石墨烯为载体,采用沉积沉淀法直接将钯纳米粒子负载到石墨烯上,在200℃、H2条件下还原2小时,得到石墨烯负载钯纳米酶,按重量百分比,钯元素在石墨烯负载钯纳米酶中的负载量为0.2%或0.5%。
2.权利要求1所述的一种石墨烯负载钯纳米酶的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)将去离子水加入到石墨烯中,超声均匀分散形成悬浮液,调节pH,得到石墨烯溶液;取硝酸钯在去离子水中溶解后调节pH,得到硝酸钯溶液;在油浴中于磁力搅拌下将硝酸钯溶液逐滴加入到石墨烯溶液中,在100℃下保持搅拌1小时,将反应后得到的混合物自然冷却至室温,并收集、洗涤、干燥、研磨,得到石墨烯负载钯复合材料;
2)将步骤1)得到的石墨烯负载钯复合材料置于石英管中,再放于管式炉中,逐渐升温至200℃后,在H2条件下保持2小时,得到石墨烯负载钯纳米酶。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,采用碳酸钠溶液调节溶液的pH。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,钯元素在石墨烯负载钯纳米酶中的负载量为0.2%或0.5%。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,石墨烯溶液的pH调至10。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,硝酸钯溶液的pH调至7。
7.权利要求1所述的一种石墨烯负载钯纳米酶在抗菌中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,所述菌为细菌。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述细菌为大肠杆菌。
10.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,方法如下:于菌悬液中,加入权利要求1所述的石墨烯负载钯纳米酶。
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