氨基化介孔二氧化硅‑葡萄糖‑二氧化锰纳米复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种氨基化介孔二氧化硅-葡萄糖-二氧化锰纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

纳米复合材料是使用两种及以上物理化学性质完全不同的物质进行耦合或者协同作用重新组合得到的新用途材料。它所表现的性质除具有本身各部分的性能外，还能表现出许多新奇特性，突破了单一组分性能的局限性。纳米复合材料在新功能材料研发、生物医药、环境保护与污染治理等方向都有显著的应用前景。

介孔SiO₂具有良好的生物相容性，优异的化学惰性，在生物医学工程、电子学、催化工程等方面一直被广泛应用。在负载不同生物分子的介孔SiO₂上包覆不同材料可形成一系列新型的纳米SiO₂复合材料，从而可用于不同的传感体系。

目前的传感体系存在两个问题，一是传感体系设计复杂，二是传感体系实用性不强。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种氨基化介孔二氧化硅-葡萄糖-二氧化锰纳米复合材料，结构简单，能够方便地定量检测样品中GSH的含量，且检测线低，灵敏度高；本发明同时提供其制备方法和应用。

本发明所述的氨基化介孔二氧化硅-葡萄糖-二氧化锰纳米复合材料是：二氧化锰纳米片包覆在含有葡萄糖的氨基化介孔SiO₂纳米球表面，其中，所述氨基化介孔SiO₂纳米球的粒径为40～60nm，孔径为2～3nm。

所述的氨基化介孔二氧化硅-葡萄糖-二氧化锰纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)于75-85℃下，将氢氧化钠水溶液加入到十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，并搅拌15-25分钟，再滴加正硅酸乙酯搅拌1.8-2.2小时，过滤，第一次洗涤，干燥得到介孔SiO₂；介孔SiO₂在盐酸和甲醇的混合溶液中回流8-12小时，第二次洗涤，干燥，再分散在乙醇中，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，搅拌5-7小时，离心，第三次洗涤，得到氨基化介孔SiO₂；

(2)在15秒内将MnCl₂·4H₂O水溶液和含有双氧水的四甲基氢氧化铵水溶液混合，于空气中室温下搅拌11-13小时，洗涤，干燥，并将所得粉末分散在水中，超声处理9-11小时，得到MnO₂纳米片；

(3)将氨基化介孔SiO₂分散到葡萄糖水溶液中，搅拌15-17小时，得到悬浮液，并向悬浮液中加入MnO₂纳米片，3-5℃下搅拌7-9小时，离心，洗涤，得到氨基化介孔二氧化硅-葡萄糖-二氧化锰纳米复合材料。

步骤(1)中，氢氧化钠水溶液的浓度为2mol/L，盐酸的浓度为37wt.％，盐酸和甲醇的混合溶液中的盐酸和甲醇的体积比为1.5:75，十六烷基三甲基溴化铵水溶液的浓度为2.5g/L；氢氧化钠水溶液、十六烷基三甲基溴化铵、正硅酸乙酯、盐酸和甲醇的混合溶液、乙醇、3-氨丙基三乙氧基硅烷的用量比例为1.75mL:0.5g:2.5mL:76.5mL:10mL:500μL。

步骤(1)中，第一次洗涤、第二次洗涤均采用去离子水和甲醇进行洗涤；第三次洗涤采用乙醇洗涤。

步骤(2)中，MnCl₂·4H₂O水溶液的浓度为0.3mol/L，四甲基氢氧化铵水溶液的浓度为0.6mol/L，双氧水在四甲基氢氧化铵水溶液中的浓度为3wt％，MnCl₂·4H₂O水溶液与含有双氧水的四甲基氢氧化铵水溶液的体积比为1mL:2mL。

步骤(2)中，采用去离子水和甲醇进行洗涤，40-60℃进行干燥，优选50℃。

步骤(2)中，MnO₂纳米片的浓度为80ug/mL。

步骤(3)中，氨基化介孔SiO₂、葡萄糖水溶液、MnO₂纳米片的用量比例5mg:500μL:1mL，葡萄糖水溶液的浓度为2.0mol/L。

所述的氨基化介孔二氧化硅-葡萄糖-二氧化锰纳米复合材料的制备方法优选包括以下步骤：

(1)于80℃下，将氢氧化钠水溶液加入到十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)水溶液中，并搅拌20分钟，再滴加正硅酸乙酯(TEOS)搅拌2小时，过滤，第一次洗涤，干燥得到介孔SiO₂；介孔SiO₂在盐酸和甲醇的混合溶液中回流10小时，第二次洗涤，干燥，以从孔中除去剩余的溶剂，再分散在乙醇中，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，搅拌6小时，离心，第三次洗涤，得到氨基化介孔SiO₂(MSN)；

(2)在15秒内将MnCl₂·4H₂O水溶液和含有双氧水的四甲基氢氧化铵水溶液混合，于空气中室温下搅拌12小时，洗涤，干燥，并所得粉末分散在水中，超声处理10小时，得到MnO₂纳米片；

(3)将氨基化介孔SiO₂分散到葡萄糖水溶液中，搅拌16小时，得到悬浮液，并向悬浮液中加入MnO₂纳米片，4℃下搅拌8小时，离心，洗涤，得到氨基化介孔二氧化硅-葡萄糖-二氧化锰纳米复合材料。

本发明所述的氨基化介孔二氧化硅-葡萄糖-二氧化锰纳米复合材料可以用于检测谷胱甘肽。该生物传感器是利用谷胱甘肽(GSH)可以将MnO₂还原为Mn²⁺并导致MnO₂纳米片的破坏，这可以打开分子门，导致葡萄糖分子从孔中释放，个人血糖仪(PGM)测定释放的葡萄糖。

具体步骤如下：

将谷胱甘肽加入到氨基化介孔二氧化硅-葡萄糖-二氧化锰纳米复合材料中，葡萄糖则会释放，通过PGM测定释放的葡萄糖，建立谷胱甘肽-葡萄糖之间的标准曲线；检测试样中谷胱甘肽含量时，测出葡萄糖的含量，由标准曲线即可得到试样中谷胱甘肽的含量。

本发明的有益效果如下：

本发明的复合材料是基于氧化还原反应设计的生物传感器，带正电荷的MSN和带负电荷的MnO₂纳米片之间相互作用，将MnO₂纳米片连接到氨基官能化的MSN的表面上，门控内部的葡萄糖分子。当体系中存在GSH时，可以将MnO₂还原为Mn²⁺并导致MnO₂纳米片的破坏，从而打开分子门，导致葡萄糖分子从孔中释放，PGM测定释放的葡萄糖。当不存在GSH时，则PGM就没有信号。随着GSH量的增加，释放的葡萄糖的量也随之增加，PGM的信号也会发生变化。

本发明采用PGM进行检测，实现了氨基化介孔SiO₂-葡萄糖-MnO₂纳米复合材料定量检测样品中GSH的含量，检测线低，灵敏度高。而且PGM具有便携，尺寸小，操作方便，成本低，定量结果可靠等特点。

附图说明

图1是本发明的氨基化介孔SiO₂-葡萄糖-MnO₂纳米复合材料的制备及应用过程的示意图；

图2是本发明实施例1中氨基化介孔SiO₂的高倍透射电镜图；

图3是本发明实施例2中MnO₂纳米片的高倍透射电镜图；

图4是本发明实施例3中氨基化介孔SiO₂-葡萄糖-MnO₂纳米复合材料的高倍透射电镜图；

图5是本发明实施例中葡萄糖浓度优化曲线图；

图6是本发明实施例中MnO₂浓度优化曲线图；

图7是本发明实施例3的孵育时间的优化曲线图；

图8是本发明实施例的氨基化介孔SiO₂-葡萄糖-MnO₂纳米复合材料对谷胱甘肽的响应曲线。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

将0.5g CTAB溶解在200mL蒸馏水中，于80℃下，将1.75mL浓度为2.0M的NaOH水溶液加入CTAB溶液中，搅拌20分钟，再向其中滴入2.5mL的TEOS并搅拌2小时，将产物过滤，用蒸馏水和甲醇洗涤，并干燥得到介孔SiO₂(MSN)。

MSN在由HCl(37％，1.5mL)和甲醇(75mL)组成的溶液中回流10小时，然后用蒸馏水和甲醇洗涤，于60℃下真空干燥4小时，以除去多余的CTAB，将所得的0.5g MSN分散在10mL乙醇中，并向其中加入500μL APTES，搅拌6小时后，将悬浮液离心并用乙醇重复洗涤四次，得到氨基化的MSN。将得到的氨基化的MSN进行高倍透射电镜检测，如图2所示。

实施例2

于50mL圆底烧瓶中，在15秒内，将5mL浓度为0.3M的MnCl ₂·4H₂O水溶液和10mL含有3wt％双氧水的浓度为0.6M的四甲基氢氧化铵水溶液混合，将所得混合物于空气中室温下搅拌12小时，用去离子水和甲醇洗涤，在50℃下干燥。将干燥所得粉末分散在水中，并超声处理10小时，直到形成棕色胶体，得到浓度为80ug/mL的MnO₂纳米片。将得到的MnO₂纳米片进行高倍透射电镜检测，如图3所示。

实施例3

将5mg的氨基化的MSN分散到500μL的浓度为2.0M的葡萄糖中，将所得混合物在室温下摇动16小时，向所得悬浮液中加入1mL MnO₂纳米片，将混合物在4℃下搅拌8小时，离心，蒸馏水洗涤，得到负载葡萄糖的MnO₂封端的MSN，即本发明的SiO₂-葡萄糖-MnO₂纳米复合材料，将得到的纳米复合材料进行高倍透射电镜检测，如图4所示。

将负载葡萄糖的MnO₂封端的MSN以浓度为20mg/mL分散在蒸馏水中，形成浓度20mg/mL的MnO₂封端的MSN水溶液。

将50μL不同浓度的GSH水溶液(2μM、4μM、6μM、8μM、10μM，20μM、40μM、60μM、80μM、100μM)，分别加入100μL的上述浓度为20mg/mL的MnO₂封端的MSN水溶液中。在室温下孵育10分钟，期间摇动样品，最后通过市售PGM测定释放的葡萄糖，作出标准曲线。检测试样中GSH的含量时，只要得出葡萄糖的含量，由标准曲线即可得到试样中GSH的含量。

图1是本发明的氨基化介孔SiO₂-葡萄糖-MnO₂纳米复合材料的制备及应用过程的示意图。合成一种氨基化介孔SiO₂，将葡萄糖分子负载在SiO₂的孔中，MnO₂纳米片将SiO₂包覆，再加入谷胱甘肽，MnO₂纳米片破碎，释放出葡萄糖，用个人血糖仪检测葡萄糖。

图2是我们对氨基化介孔SiO₂球的大小和形态进行了表征，由图2清晰可见，合成的氨基化介孔二氧化硅球呈现较规则的球型，粒径约为40～60nm，孔径约为2～3nm，且分散较均匀。因此，可以证明本发明合成的材料属于单分散的氨基化介孔二氧化硅球。

图3是我们对MnO₂纳米片的形态进行了表征，由图清晰可见，合成的MnO₂纳米片有少量的折叠和褶皱结构，主要为二维的平面结构。

图4是本发明氨基化介孔SiO₂-葡萄糖-MnO₂复合纳米材料高倍透射电镜图。

图5、图6、图7是本发明实施例中的葡萄糖浓度，MnO₂浓度，孵育时间的优化曲线。从图中可以看出当浓度及时间到达一定值，个人血糖仪的信号变化趋于平稳，说明达到了最优条件。最优葡萄糖浓度为2mol/L，最优MnO₂浓度为80ug/mL，最优孵育时间是10min。

图8是本发明实施例的氨基化介孔SiO₂-葡萄糖-MnO₂纳米复合材料对谷胱甘肽的响应曲线。从图中可以看出该纳米复合材料对谷胱甘肽有良好的线性，随着谷胱甘肽浓度的增加，个人血糖仪信号增加。检测线较低，为34nM。