CN115739182B - 含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途 - Google Patents
含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115739182B CN115739182B CN202211440108.3A CN202211440108A CN115739182B CN 115739182 B CN115739182 B CN 115739182B CN 202211440108 A CN202211440108 A CN 202211440108A CN 115739182 B CN115739182 B CN 115739182B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- peroxide
- monodisperse iron
- iron atoms
- solution
- enzyme
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 102
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 title claims abstract description 75
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 title claims abstract description 75
- 230000003278 mimic effect Effects 0.000 title claims abstract description 42
- 150000002978 peroxides Chemical class 0.000 title claims abstract description 31
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 3
- 102000003992 Peroxidases Human genes 0.000 claims description 24
- 108040007629 peroxidase activity proteins Proteins 0.000 claims description 22
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 22
- LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M Cetrimonium bromide Chemical compound [Br-].CCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 18
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 claims description 16
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 16
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 16
- JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N melamine Chemical compound NC1=NC(N)=NC(N)=N1 JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 claims description 15
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims description 15
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 11
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims description 10
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 10
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 10
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 claims description 9
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims description 8
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 claims description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011942 biocatalyst Substances 0.000 claims description 4
- VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N iron(3+);trinitrate Chemical compound [Fe+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L zinc dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 4
- ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N zinc nitrate Chemical compound [Zn+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 2
- RUTXIHLAWFEWGM-UHFFFAOYSA-H iron(3+) sulfate Chemical compound [Fe+3].[Fe+3].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O RUTXIHLAWFEWGM-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 2
- 229910000360 iron(III) sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 2
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000011592 zinc chloride Substances 0.000 claims description 2
- NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L zinc sulfate Chemical compound [Zn+2].[O-]S([O-])(=O)=O NWONKYPBYAMBJT-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 229960001763 zinc sulfate Drugs 0.000 claims description 2
- 229910000368 zinc sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 abstract description 4
- 238000001354 calcination Methods 0.000 abstract description 3
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 abstract description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 abstract description 2
- 229960000074 biopharmaceutical Drugs 0.000 abstract 1
- 238000004737 colorimetric analysis Methods 0.000 abstract 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 28
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 12
- 108010001336 Horseradish Peroxidase Proteins 0.000 description 11
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- -1 iron atom peroxide Chemical class 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 3
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102000035195 Peptidases Human genes 0.000 description 2
- 108091005804 Peptidases Proteins 0.000 description 2
- 108700020962 Peroxidase Proteins 0.000 description 2
- 239000004365 Protease Substances 0.000 description 2
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003278 haem Chemical class 0.000 description 2
- TUJKJAMUKRIRHC-UHFFFAOYSA-N hydroxyl Chemical compound [OH] TUJKJAMUKRIRHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 2
- CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M Bromide Chemical compound [Br-] CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910017108 Fe—Fe Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004061 bleaching Methods 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000003593 chromogenic compound Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000003398 denaturant Substances 0.000 description 1
- 239000003599 detergent Substances 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000000835 electrochemical detection Methods 0.000 description 1
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 102000034238 globular proteins Human genes 0.000 description 1
- 108091005896 globular proteins Proteins 0.000 description 1
- 238000004128 high performance liquid chromatography Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 125000000913 palmityl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 description 1
- 150000004032 porphyrins Chemical class 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 239000012089 stop solution Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000002371 ultraviolet--visible spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
本发明属于纳米酶催化技术领域，具体涉及一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途。本发明将原料混合溶解后蒸发溶剂，制备出含铁的混合物前驱体固体，随后在惰性气氛下煅烧，通过高温原位转化形成由多孔石墨碳负载的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。本发明的材料在用于比色法测定H2O2的传感器中，可以实现低浓度和宽浓度范围内线性检测H2O2，是一种简单、便宜、便捷、灵敏且易容易操作的比色测定法，制备工艺简单，所得的含铁单原子结构稳定，对各种极端环境耐受性好，合成过程可有效降低材料制备成本和对环境污染的风险，在食品卫生、生物制药、轻化工业和环境保护等领域具有广阔的应用潜能。
Description
技术领域
本发明属于无机纳米酶催化技术领域，特别是一种具有高效过氧化物模拟酶催化活性的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途。
背景技术
作为高效的生物催化剂，酶参与了几乎所有的生物反应。除了在体内的重要作用外，酶还广泛用于生物医学、化学、食品、环境和农业科学。尽管它们具有高底物特异性和催化效率，但大多数天然酶可以被蛋白酶消化，因为它们是球状蛋白质。它们的催化活性在极端条件下很容易被抑制，因为蛋白质结构会被环境变化破坏，例如加热或添加化学变性剂。因此，寻找具有良好稳定性和低成本的天然酶模拟物是非常有吸引力的。自从2007年以来人们发现Fe3O4纳米粒子具有与自然界中发现的过氧化物酶相似的内在酶活性，尽管它通常被认为是生物和化学惰性物质。在此基础上，又发现了几种金属氧化物模拟酶材料，它们与天然酶相比具有突出的优势。首先，它们对极端的pH值和变化的温度有更强的抵抗力，而天然的酶通常对外部条件很敏感，也很容易失去活性。其次，以无机纳米粒子为基础的模拟酶具有较高的稳定性，而天然酶可被蛋白酶消化。第三，随着纳米科学和纳米技术在过去三十年中的广泛发展，各种纳米物体的制备和表面改性可以很容易地进行，而天然酶的合成和纯化仍然耗时、昂贵和困难。
众所周知，辣根过氧化物酶(HRP)是一种天然存在的酶，已广泛应用于有机合成和生物转化。例如，它已成功地用作漂白洗涤剂。它可以激活过氧化氢并将不发光的底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)转化为发光产物氧化TMB(oxTMB)。HRP的这种特性应用已用于疾病诊断，有机合成，食品农药分析等领域。这是因为，与目前的其他检测方法(如电化学检测、高效液相色谱等)相比，基于比色法检测的光学传感具有操作简单快捷、灵敏度高、实时性好等独特优势。直接视觉监控的传感分析很有吸引力，是一种操作简单、灵敏度高、检测小分子或生物分子的新型比色传感平台。然而，高温、苛刻的pH条件很容易使HRP变性，这严重限制了其广泛应用。由于反应条件的限制，人们已经做出了许多努力来寻找或设计一种新的人工酶来模拟HRP。然而，目前报道的无机模拟酶材料中的大多数仅具有较差的过氧化物酶活性。
发明内容
本发明的目的之一是针对现有的纳米材料模拟酶在实际应用中催化效率较低、易变性的不足之处，提供一种具有高过氧化物酶活性、抗环境污染能力强的一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，包括如下步骤：
S1、制备含铁的碳前驱体：
取一份去离子水，加入水溶性的Zn2+盐和Fe3+盐，完全溶解后标记为溶液A；
另取一份去离子水，加入三聚氰胺和葡萄糖，完全溶解后标记为溶液B；
将溶液A和溶液B缓慢混合，加热至70-90℃下磁力搅拌1-2小时，然后加入十六烷基三甲基溴化铵即CTAB，在70-90℃继续搅拌10-20min后冷却静置，离心分离得到固体前驱体；
反应体系中所含Zn2+、Fe3+、三聚氰胺、葡萄糖、CTAB的摩尔比为(12-20):1:(80-120):(20-25):(50-70)；
S2、高温煅烧法制备含单分散铁原子的过氧化物模拟酶：
将固体前驱体置于高温管式炉中，在惰性气氛中，以5-10℃/min的升温速率升至910℃-1000℃下保温2-4小时，然后自然冷却至室温，得到黑色粉末，洗涤去除杂质后干燥，即制得含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。
作为含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法进一步的改进：
优选的，所述固体前驱体的制备方法中，向体积为20mL的去离子水中添加0.2克Zn(NO)2·6H2O固体粉末和0.01克Fe(NO)3，完全溶解后标记为溶液A；再将0.2克葡萄糖和0.5克三聚氰胺加入至体积为20mL的去离子水中，标记为溶液B。
优选的，步骤S2中将固体前驱体转移至刚玉磁舟内，然后一起置于高温管式炉里。
优选的，所述水溶性的Zn2+盐为硝酸锌、氯化锌、硫酸锌中的一种。
优选的，所述水溶性的Fe3+盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的一种。
优选的，所述离心分离的转速不低于10000rpm，时间不低于3分钟。
优选的，所述惰性气氛为氩气、氮气中的一种或者是两者以任意比例的混合气。
优选的，步骤S2中洗涤去除杂质的方法为：使用1mol/L-2mol/L的稀硫酸洗涤去除黑色粉末中的杂质。
本发明的目的之二是提供一种上述制备方法制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。
本发明的目的之三是提供一种上述含单分散铁原子的过氧化物模拟酶在生物催化剂或生物化学传感器上的用途。
本发明相比现有技术的有益效果在于：
1)本发明提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，本发明基于作为过氧化物酶模拟物的血红素肽高度稳定的特点，构造具有类似铁-卟啉结构的无机纳米材料。血红素肽是通过将肽与铁卟啉共价连接产生的，在医学检测、生物催化剂、敏感传感器和其他应用中显示出巨大的潜力。本发明模仿自然酶结构的活性中心，设计出高效的无机过氧化物模拟酶新材料。
步骤S1中以葡萄糖为碳源，三聚氰胺为氮源，CTAB作为诱导自组装的表面活性剂，制备多孔碳前驱体,用于塑造形成Zn2+、Fe3+交联的多孔碳前驱体。
步骤S2中通过高温煅烧让无定形碳前驱体转化为石墨碳，前驱体材料中的Zn元素，其沸点为905℃，在910℃-1000℃煅烧条件下，Zn会挥发，留下的位点产生介孔结构，有利于反应底物的传质和电子的传导，Zn在此处起造孔剂的功效；在煅烧后，前驱体中三聚氰胺中的N元素掺杂进入石墨碳中，起到锚定Fe单原子的功效。
2)合成使用的原料都是廉价易得的，合成步骤简单，产量高，适合工业级别扩大再生产，提高材料的合成效率。
3)相比于传统纳米人工酶，本发明含单分散铁原子的过氧化物模拟酶中的金属原子利用率高，催化效果好，能够在广泛的浓度范围内实现对H2O2的精准比色法检测，线性度高(1μM至100μM)，检测限低(0.35μM)。
附图说明
图1为实施例1所制备的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品SEM照片。
图2为实施例1所制备的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品球差电镜照片。
图3为实施例1所制备的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品扩展X射线吸收精细结构谱，通过傅里叶变换得到的径向结构函数图。
图4为实施例1所制备的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶材料的Raman图谱。
图5为实施例1所制备的含有单分散铁原子的过氧化物模拟酶测定过氧化氢浓度的应用示意图。
图6为实施例1所制备的含有单分散铁原子的过氧化物模拟酶测定过氧化氢浓度的应用示意图。
图7为实施例1所制备的含有单分散铁原子的过氧化物模拟酶与HRP酶在20℃-90℃温度区间内催化活性对比图。
图8为实施例1所制备的含有单分散铁原子的过氧化物模拟酶与HRP酶在pH2-pH12区间内催化活性对比图。
具体实施方式
下面结合具体示例进一步阐述本发明，应当强调在这些示例基础之上，可以作一些工艺改进，这对本领域的专业技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范畴。
实施例1
本实施例提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、制备含铁的碳前驱体：向体积为20mL的去离子水中添加0.2克Zn(NO)2·6H2O固体粉末和0.01克Fe(NO3)3，完全溶解后标记为溶液A。再将0.18克葡萄糖和0.5克三聚氰胺加入至体积为20mL的去离子水中，标记为溶液B。将溶液A和溶液B缓慢均匀地混合，加热至80℃磁力搅拌2小时，然后加入1克十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，在80℃继续搅拌10分钟后冷却静置，通过11000rpm转速离心处理4分钟得到固体前驱体。反应体系中所含Zn2+、Fe3+、三聚氰胺、葡萄糖、CTAB的摩尔比为20:1:96:25:67。
S2、高温煅烧法制备单分散铁原子过氧化物模拟酶：将上述前驱体粉末转移至刚玉磁舟内并置于高温管式炉里，通入氮气将管内空气排尽，以10℃每分钟的升温速率升至950℃，在惰性气氛中保温2小时后自然冷却至室温，得到外观为黑色的粉末，使用浓度为2mol/L稀硫酸洗涤干燥后，得到含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。
图1为制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶SEM照片，由图1可知，铁单原子的碳载体是多孔碳。
图2制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品球差电镜照片，由图2可知，材料中铁原子是单分散的，没有单质团聚，或者其他铁氧化物晶相。
图3为制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品扩展X射线吸收精细结构谱，通过傅里叶变换得到的径向结构函数图。由图3可知，材料中金属Fe的配位结构为类似卟啉那样的单原子分散Fe-N4结构，Fe原子的配位数是4，没有出现像金属单质Fe中的Fe-Fe键信号。
图4是制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品的Raman图谱。由图4可知，说明了碳载体中富含石墨相和无定形相。
实施例2
本实施例提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、制备含铁的碳前驱体：向体积为20mL的去离子水中添加0.27克Zn(NO)2·6H2O固体粉末和0.015克Fe(NO3)3，完全溶解后标记为溶液A。再将0.25克葡萄糖和0.8克三聚氰胺加入至体积为20mL的去离子水中，标记为溶液B。将溶液A和溶液B缓慢均匀地混合，加热至75℃磁力搅拌1.5小时，然后加入1.45克十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，在80℃继续搅拌15分钟后冷却静置，通过10000rpm转速离心处理3分钟得到固体前驱体；反应体系中所含Zn2+、Fe3+、三聚氰胺、葡萄糖、CTAB的摩尔比为18:1:102.4:23:64.8。
S2、高温煅烧法制备单分散铁原子过氧化物模拟酶：将上述前驱体粉末转移至刚玉磁舟内并置于高温管式炉里，通入氮气将管内空气排尽，以8℃每分钟的升温速率升至925℃，在惰性气氛中保温2.5小时后自然冷却至室温，得到外观为黑色的粉末，使用浓度为1.5mol/L稀硫酸洗涤干燥后，得到目标产物。
取4支样品管分别标号1-4，1号样品管中为实施例2制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶，在H2O2存在条件下催化显色底物，3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)显色反应的性能测试，可以看出，单分散铁单原子酶材料可以催化TMB产生氧化反应，在反应10分钟后，加入TMB显色终止液2mol/L的硫酸，然后显色立刻停止，溶液立刻呈现黄色，此时可以在450nm测出稳定的溶液吸光度，因为TMB发生显色反应必须要结合H2O2分解产生的羟基自由基(·OH)，说明了单分散铁单原子酶材料具有高效的过氧化物模拟酶活性，可以有效促进催化H2O2的分解。(2号样品管)只加了H2O2和TMB，(3号样品管)只加了单分散铁单原子酶材料溶液中不含固体的上清液和TMB，(4号样品管)只加了单分散铁单原子酶材料和TMB；对比各样品管的反应结果可知，当没有单分散铁单原子酶材料或H2O2存在时，TMB不发生显色反应，使用含单分散铁原子的过氧化物模拟酶材料溶液的上清液同样无法催化TMB产生显色反应。
实施例3
本实施例提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、制备含铁的碳前驱体：向体积为25mL的去离子水中添加0.35克Zn(NO)2·6H2O固体粉末和0.02克Fe(NO3)3，完全溶解后标记为溶液A。再将0.36克葡萄糖和1.1克三聚氰胺加入至体积为25mL的去离子水中，标记为溶液B。将溶液A和溶液B缓慢均匀地混合，加热至90℃磁力搅拌1.8小时，然后加入2.1克十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，在85℃继续搅拌17分钟后冷却静置，通过10500rpm转速离心处理5分钟得到固体前驱体；反应体系中所含Zn2+、Fe3+、三聚氰胺、葡萄糖、CTAB的摩尔比为15.75:1:112.64:25:70。
S2、高温煅烧法制备单分散铁原子过氧化物模拟酶：将上述前驱体粉末转移至刚玉磁舟内并置于高温管式炉里，通入氩气将管内空气排尽，以6℃每分钟的升温速率升至980℃，在惰性气氛中保温3小时后自然冷却至室温，得到外观为黑色的粉末，使用浓度为1mol/L稀硫酸洗涤干燥后，得到含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。
图5为实施例3所制备的含有单分散铁原子材料作为过氧化物模拟酶测定过氧化氢浓度的应用示意图。其中显色反应后的溶液吸光度与H2O2浓度的正相关逻辑关系，测试范围1.0μM至1000μM，证实了可以通过测量显色反应后的溶液吸光度来反过来推定H2O2浓度的可行性。
实施例4
本实施例提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、制备含铁的碳前驱体：向体积为10mL的去离子水中添加0.1克Zn(NO)2·6H2O固体粉末和0.005克Fe(NO3)3，完全溶解后标记为溶液A。再将0.08克葡萄糖和0.3克三聚氰胺加入至体积为10mL的去离子水中，标记为溶液B。将溶液A和溶液B缓慢均匀地混合，加热至78℃磁力搅拌1小时，然后加入0.49克十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，在88℃继续搅拌20分钟后冷却静置，通过10900rpm转速离心处理4.5分钟得到固体前驱体；反应体系中所含Zn2+、Fe3+、三聚氰胺、葡萄糖、CTAB的摩尔比为20:1:115.2:21.6:65。
S2、高温煅烧法制备单分散铁原子过氧化物模拟酶：将上述前驱体粉末转移至刚玉磁舟内并置于高温管式炉里，通入惰性将管内空气排尽，以9℃每分钟的升温速率升至1000℃，在惰性气氛中保温2.3小时后自然冷却至室温，得到外观为黑色的粉末，使用浓度为1.8mol/L稀硫酸洗涤干燥后，得到目标产物。
图6为实施例1所制备的含有单分散铁原子材料作为过氧化物模拟酶测定过氧化氢浓度的应用示意图，TMB产生显色反应后其UV-Vis吸光谱中峰值与H2O2在一定浓度范围内呈线性关系，因此可以用来定量的检测H2O2浓度，其线性检测范围为1.0μM至100μM，线性拟合度为0.988，检测限最低至0.35μM。说明了利用含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的特性可以高效率地实现对H2O2的低浓度检测并拥有广阔的线性范围，适合于分析传感器中对H2O2的定量和定性检测。
图7为实施例1所制备的含有单分散铁原子材料作为过氧化物模拟酶与HRP酶在20℃-90℃温度区间内催化活性对比图。由图7可知，含单分散铁原子的过氧化物模拟酶在20℃-90℃范围内，均可以保持优秀的催化活性，而HRP酶仅在40℃-60℃范围内活性较高，在60℃以上随着温度升高，活性迅速下降。
图8为实施例1所制备的含有单分散铁原子材料作为过氧化物模拟酶与HRP酶在pH2-pH12区间内催化活性对比图。由图8可知，含单分散铁原子的过氧化物模拟酶在pH2-pH12范围内，均可以保持优秀的催化活性，而HRP酶仅在pH4时活性较高。
本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备含铁的碳前驱体：
取一份去离子水，加入水溶性的Zn2+盐和Fe3+盐，完全溶解后标记为溶液A；
另取一份去离子水，加入三聚氰胺和葡萄糖，完全溶解后标记为溶液B；
将溶液A和溶液B缓慢混合，加热至70-90℃下磁力搅拌1-2小时，然后加入十六烷基三甲基溴化铵即CTAB，在70-90℃继续搅拌10-20min后冷却静置，离心分离得到固体前驱体；
反应体系中所含Zn2+、Fe3+、三聚氰胺、葡萄糖、CTAB的摩尔比为(12-20):1:(80-120):(20-25):(50-70)；
S2、高温煅烧法制备含单分散铁原子的过氧化物模拟酶：
将固体前驱体置于高温管式炉中，在惰性气氛中，以5-10℃/min的升温速率升至910℃-1000℃下保温2-4小时，然后自然冷却至室温，得到黑色粉末，洗涤去除杂质后干燥，即制得含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。
2.根据权利要求1所述的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，其特征在于，所述固体前驱体的制备方法中，向体积为20mL的去离子水中添加0.2克Zn(NO)2·6H2O固体粉末和0.01克Fe(NO)3，完全溶解后标记为溶液A；再将0.2克葡萄糖和0.5克三聚氰胺加入至体积为20mL的去离子水中，标记为溶液B。
3.根据权利要求1所述的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，其特征在于，步骤S2中将固体前驱体转移至刚玉磁舟内，然后一起置于高温管式炉里。
4.根据权利要求1所述的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，其特征在于，所述水溶性的Zn2+盐为硝酸锌、氯化锌、硫酸锌中的一种。
5.根据权利要求1所述的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，其特征在于，所述水溶性的Fe3+盐为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的一种。
6.根据权利要求1所述的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，其特征在于，所述离心分离的转速不低于10000rpm，时间不低于3分钟。
7.根据权利要求1所述的一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛为氩气、氮气中的一种或者是两者以任意比例的混合气。
8.根据权利要求1所述的一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，其特征在于，步骤S2中洗涤去除杂质的方法为：使用1mol/L-2mol/L的稀硫酸洗涤去除黑色粉末中的杂质。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的制备方法制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。
10.一种权利要求9所述的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶在生物催化剂或生物化学传感器上的用途。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211440108.3A CN115739182B (zh) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211440108.3A CN115739182B (zh) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115739182A CN115739182A (zh) | 2023-03-07 |
| CN115739182B true CN115739182B (zh) | 2024-01-16 |
Family
ID=85372619
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211440108.3A Active CN115739182B (zh) | 2022-11-17 | 2022-11-17 | 含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115739182B (zh) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106955691A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-07-18 | 南京师范大学 | 一种碳‑氮基单原子铁催化剂及其制备方法 |
| CN108445142A (zh) * | 2018-03-12 | 2018-08-24 | 国家纳米科学中心 | 一种铑片纳米酶在模拟生物酶催化中的应用 |
| CA3103154A1 (en) * | 2018-06-29 | 2020-01-02 | Verseau Therapeutics, Inc. | Compositions and methods for modulating monocyte and macrophage inflammatory phenotypes and immunotherapy uses thereof |
| CN110801866A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-18 | 中国地质大学（北京） | 一种制备单原子铜人工模拟过氧化物酶的方法 |
| CN112675856A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-04-20 | 郑州大学 | 一种透明质酸修饰的FeCo双金属协同的单原子催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113975295A (zh) * | 2021-11-15 | 2022-01-28 | 西北农林科技大学 | 麦芽酚铁过氧化物模拟酶在杀菌中的应用 |
| CN114392760A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-04-26 | 天津师范大学 | 一种具有中空结构的铁/氮碳纳米酶的制备方法 |
| CN114878661A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-08-09 | 中国科学技术大学 | 一种应用于传感电极的单原子催化剂及其制备方法以及应用 |
| CN115171807A (zh) * | 2022-09-07 | 2022-10-11 | 合肥机数量子科技有限公司 | 一种分子编码模型训练方法、分子编码方法和系统 |
| CN115301268A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-11-08 | 华南理工大学 | 活化过二硫酸盐选择性产生单线态氧的Fe-N4活性位单原子催化剂及其制备方法与应用 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10746686B2 (en) * | 2016-11-03 | 2020-08-18 | King Abdulaziz University | Electrochemical cell and a method of using the same for detecting bisphenol-A |
-
2022
- 2022-11-17 CN CN202211440108.3A patent/CN115739182B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106955691A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-07-18 | 南京师范大学 | 一种碳‑氮基单原子铁催化剂及其制备方法 |
| CN108445142A (zh) * | 2018-03-12 | 2018-08-24 | 国家纳米科学中心 | 一种铑片纳米酶在模拟生物酶催化中的应用 |
| CA3103154A1 (en) * | 2018-06-29 | 2020-01-02 | Verseau Therapeutics, Inc. | Compositions and methods for modulating monocyte and macrophage inflammatory phenotypes and immunotherapy uses thereof |
| CN110801866A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-18 | 中国地质大学（北京） | 一种制备单原子铜人工模拟过氧化物酶的方法 |
| CN112675856A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-04-20 | 郑州大学 | 一种透明质酸修饰的FeCo双金属协同的单原子催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113975295A (zh) * | 2021-11-15 | 2022-01-28 | 西北农林科技大学 | 麦芽酚铁过氧化物模拟酶在杀菌中的应用 |
| CN114392760A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-04-26 | 天津师范大学 | 一种具有中空结构的铁/氮碳纳米酶的制备方法 |
| CN114878661A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-08-09 | 中国科学技术大学 | 一种应用于传感电极的单原子催化剂及其制备方法以及应用 |
| CN115301268A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-11-08 | 华南理工大学 | 活化过二硫酸盐选择性产生单线态氧的Fe-N4活性位单原子催化剂及其制备方法与应用 |
| CN115171807A (zh) * | 2022-09-07 | 2022-10-11 | 合肥机数量子科技有限公司 | 一种分子编码模型训练方法、分子编码方法和系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| A single-atom Fe–N4 catalytic site mimicking bifunctional antioxidative enzymes for oxidative stress cytoprotection;Wenjie Ma et.al;《Chem. Commun.》;全文 * |
| 人工模拟酶的研究与应用进展;罗莎杰;王妍;饶含兵;王显祥;;化学通报(第07期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115739182A (zh) | 2023-03-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111458316B (zh) | 基于新型纳米复合体系与酶催化反应的比率荧光乳酸探针的制备方法 | |
| CN108375574B (zh) | 四氧化三铁担载负镍碳化层纳米管及其制备方法和应用 | |
| Luo et al. | Ultrasensitive fluorometric determination of hydrogen peroxide and glucose by using multiferroic BiFeO3 nanoparticles as a catalyst | |
| Zhang et al. | Direct electrocatalytic oxidation of nitric oxide and reduction of hydrogen peroxide based on α-Fe2O3 nanoparticles-chitosan composite | |
| CN109092364B (zh) | 一种铜金属有机骨架模拟酶材料及其制备与应用 | |
| Chen et al. | Porous surface MnO 2 microspheres as oxidase mimetics for colorimetric detection of sulfite | |
| Lin et al. | Immobilized Fullerene C60‐Enzyme‐Based Electrochemical Glucose Sensor | |
| CN113237840A (zh) | 类过氧化物纳米酶及其制备方法、活性检测方法及传感器 | |
| Finny et al. | Cerium oxide nanoparticles for chemical and biological sensors: properties, sensing designs, and applications | |
| CN113105646B (zh) | 双金属-有机无限配位聚合物纳米微球的制备方法和应用 | |
| CN115739182B (zh) | 含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途 | |
| CHENG et al. | Pt-Au dendritic nanoparticles with high oxidase-like activity for detection of ascorbic acid | |
| CN116003818B (zh) | 一种制备功能化多金属有机骨架纳米酶的方法及其过氧化物酶活性的应用 | |
| CN111398392A (zh) | 一种基于金属离子依赖性dna酶用于检测邻苯二甲酸二丁酯的电化学免疫传感器制备方法 | |
| Zhang et al. | A fluorimetric and colorimetric dual-signal sensor for hydrogen peroxide and glucose based on the intrinsic peroxidase-like activity of cobalt and nitrogen co-doped carbon dots and inner filter effect | |
| CN109499616B (zh) | 一种四氧化三铁复合金属螯合物模拟酶的制备及应用 | |
| CN113861962B (zh) | 一种比率型荧光探针及其制备方法和在检测过氧化氢中的应用 | |
| CN109482207B (zh) | 一种Ag3PO4模拟酶材料及其应用 | |
| CN112604684B (zh) | 一种金碳复合纳米颗粒模拟酶及其制备方法 | |
| CN106053572B (zh) | 一种电化学双酚a传感器的制备方法 | |
| Chen et al. | Chemiluminescent detection of DNA hybridization based on signal DNA probe modified with gold and cobalt nanoparticles | |
| CN112538518A (zh) | 一种基于纳米酶检测组蛋白乙酰转移酶的方法 | |
| Hormozi Jangi | BSA-Stabilized Gold-Nanozymes Reveal 4-Order Higher Catalytic Efficiency and 2-Fold Higher Substrate Affinity than Mno2-Nanozymes | |
| CN109482182A (zh) | 一种Ag2WO4模拟酶材料及其应用 | |
| CN115046970B (zh) | 一种双荧光检测碱性磷酸酶的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |