一种铂纳米粒子/氧化铜片复合材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及纳米材料，具体地说，涉及铂纳米粒子/氧化铜片复合材料。

背景技术：

酶联免疫吸附测定(ELISA测定)在识别、残留分析以及质量控制等各个领域有广泛的应用。作为一种生物催化剂，酶存在于所有的生物体中，参与几乎所有的体内反应，具有高效性和特异性。同样，酶也在工业、医学、化学、食品、环境等方面有广泛的应用。但是，酶的结构很容易受到高温或化学试剂的影响进而导致其催化活性的降低或丧失。由于酶的制备困难，纯化成本高，不易存储等问题导致酶的应用受到一定的限制。因此，开发稳定高效的具有高催化活性的模拟酶越来越受到大家的关注和研究。

2006年，铁磁性的纳米材料被发现与传统的辣根过氧化物酶(HRP)具有相近的过氧化物酶活性，自此，设计新的具有酶活性的纳米材料受到了科技工作者的广泛关注。各种纳米材料被发现具有过氧化物酶活性，如FeS、纳米V₂O₅纳米线以及铂纳米粒子等。相比于其他金属材料，铜源是最便宜的一种贵金属前驱体，可以节省制备铜氧化物和金属基纳米材料的费用。另外，Cu基的材料有与铁基类似的Fenton性质，而这个性质与Fe基材料具有过氧化物酶活性相关。因此，具有过氧化物酶活性的铜基纳米材料被广泛研究。此外，氧化铜(CuO)，一个窄带隙p型半导体(1.2eV)，在高温超导体，太阳能电池和检测器方面得到广泛的研究及应用。然而，由于较低的过氧化物酶催化效率，CuO纳米材料在生物传感器方面有很少的应用。因此，提高氧化铜基纳米材料的过氧化物酶活性的效率是当务之急。

由于具有优良的催化活性，Pt纳米颗粒被广泛的应用于催化领域。但是，Pt纳米粒子的催化活性很容易被聚集或表面活性剂而影响。二维(2D)层状石墨烯或二硫化钼有丰富的活性位点和大的比表面积，可以作为纳米颗粒的支撑材料，提高纳米颗粒的稳定性。然而，据我们所知，氧化铜纳米片层复合材料的制备及其在生物领域的应用很少被报道。

抗坏血酸(AA)是维生素C的主要生物形式，作为辅酶参与许多生化活动。近几年来，AA的检测方法逐渐被开发，包括电化学、分光光度法，色谱法和比色法等。比色方法由于其简单、快速、便宜的特点，已经引起越来越多的关注。

因此，在本领域，期望制备具有高效过氧化物酶的氧化铜铂纳米片层复合材料并将其用于对抗坏血酸的比色检测。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种铂纳米粒子/氧化铜片复合材料及其制备方法与应用。

为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种铂纳米粒子/氧化铜片复合材料，其为表面均匀分散有铂纳米粒子的氧化铜纳米片。铂纳米粒子均匀的负载在氧化铜纳米片的片层结构上，稳定性被提高。本发明所述氧化铜纳米片为水热法制备的，长0.5～2μm，宽0.4～0.6μm；所述铂纳米粒子直径10～20nm。

进一步地，所述铂纳米粒子/氧化铜片复合材料通过在氧化铜纳米片的分散液中一步还原氯铂酸制备得到。

本发明利用一步还原法将铂纳米粒子负载在氧化铜纳米片的片层结构上得到铂纳米粒子/氧化铜片复合材料。

所述铂纳米粒子/氧化铜片复合物具有高效的过氧化物酶活性，在过氧化氢存在的情况下，可高效催化氧化底物分子，呈现一定的颜色变化。例如，铂纳米粒子/氧化铜片复合物在过氧化氢存在的情况下，可以催化底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)，邻苯二胺(OPD)或2'-联氨-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)氧化，呈现过氧化物酶活性，并呈现相应氧化物的颜色。

第二方面，本发明提供了一种铂纳米粒子/氧化铜片复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将可溶性铜盐和表面活性剂溶解在水中，加入氢氧化钠溶液，均匀搅拌后，转入反应釜中，120～180℃反应6～8h，离心，分散得到氧化铜纳米片的分散液；

(2)在氧化铜纳米片的分散液中加入氯铂酸，冰浴下搅拌，滴加硼氢化钠还原剂，滴加完反应2h；反应结束后，将得到的溶液8000rpm离心10min，用水洗涤，最终将下层重新分散在水中，得到铂纳米粒子/氧化铜片复合物。

进一步地，步骤(1)中可溶性铜盐与表面活性剂的摩尔质量比为1:1～22:1，优选2:1。

进一步地，步骤(2)中氧化铜纳米片和氯铂酸的摩尔比为1:1～5:1，优选3:1。

进一步地，步骤(2)中硼氢化钠与氯铂酸的摩尔比≥10:1。

可选地，所述可溶性铜盐为二水合氯化铜、五水合硫酸铜、三水合硝酸铜或一水合醋酸铜中的任意一种或两种以上的混合物。优选为二水合氯化铜。

可选地，所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵中的任意一种或两种以上的混合物。优选为十六烷基三甲基溴化铵。

作为优选的技术方案，本发明提供一种具体的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)制备氧化铜纳米片

将0.5g二水合氯化铜和0.5g CTAB分散在15mL水中，加入1mL0.3g/mL的氢氧化钠溶液加入，搅拌均匀；将反应溶液转入20mL反应釜中，120℃反应6h；反应结束后，8000rpm离心10min，用水洗涤，最终将离心后的下层分散在水中，得到分散在水中的氧化铜纳米片；

(2)制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料

向660μL 170mg/L氧化铜纳米片的水溶液中加入2.34mL超纯水，超声10min，然后加入23.5μL Pt的摩尔浓度为19.3mM的H₂PtCl₆·6H₂O水溶液；在冰浴快速搅拌的条件下逐滴滴加1mL 4.8mM NaBH₄水溶液，滴加结束后继续搅拌2h；反应结束后，8000rpm离心10min，用水洗涤，最终将离心后的下层分散在水中，得到氧化铜/铂纳米片层复合材料。

第三方面，本发明提供前述铂纳米粒子/氧化铜片复合物在检测抗坏血酸中的应用。

本发明所述的铂纳米粒子/氧化铜片复合物在过氧化氢和抗坏血酸同时加入时，其过氧化物酶活性被抑制，底物的氧化被抑制。由于抑制性能与抗坏血酸的浓度有依赖效应，氧化底物的颜色也呈现不同的抑制情况，所以可以用比色方法实现对抗坏血酸的检测。颜色变化减弱以及特定波长的吸收呈现一定的浓度依赖效应。抗坏血酸的检测范围为1μM～0.6mM，最低检测限为1.8μM。

本发明采用大的比表面积的片层结构的氧化铜提升铂颗粒的稳定性，不仅提升了铂纳米粒子/氧化铜片复合材料的分散性和稳定性，其过氧化物酶的催化活性也得到提高，进而提升材料对抗坏血酸检测的灵敏度。

本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。

本发明的有益效果在于：

本发明利用片层氧化铜的大的比表面积的性质，一步还原法将铂纳米颗粒负载在氧化铜的片层结构上，得到铂纳米粒子/氧化铜片复合材料，制备工艺简单，可操作性强，对设备的要求较低，并且本发明不仅提高了铂纳米颗粒的稳定性同时提高了材料的过氧化物酶催化活性，进而显著提高对抗坏血酸检测的灵敏度和选择性。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的氧化铜纳米片(A)和铂纳米粒子/氧化铜片复合材料(B)的透射电镜图；

图2是本发明实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合物的元素能谱分析(EDS)图；

图3是本发明实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料的X-射线衍射谱图；

图4是本发明实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料在过氧化氢存在的情况下对酶底物分子的催化颜色变化(A)，及米氏方程拟合的稳态动力学分析曲线(B)及米氏常数Km及Vmax与HRP的对比表格(C)

图5是本发明实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料和过氧化氢被不同浓度抗坏血酸作用后的TMB氧化被抑制的紫外吸收的变化图、颜色变化图及吸收与抗坏血酸的浓度依赖效应。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

在本实施例中，通过以下方法制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料，具体包括以下步骤：

(1)制备氧化铜纳米片

将0.5g二水合氯化铜和0.5g CTAB分散在15mL水中，加入1mL0.3g/mL的氢氧化钠溶液加入，搅拌均匀；将反应溶液转入20mL反应釜中，120℃反应6h。反应结束后，离心，洗涤，得到分散在水中的氧化铜纳米片。

(2)制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料

向660μL170mg/L氧化铜纳米片的水溶液中加入2.34mL超纯水，超声10min。然后加入23.5μL H₂PtCl₆·6H₂O(19.3mM)水溶液。在冰浴快速搅拌的条件下逐滴滴加1mL NaBH₄(4.8mM)的水溶液，滴加结束后继续搅拌2h。反应结束后，离心，洗涤，得到铂纳米粒子/氧化铜片复合材料。

实施例2

在本实施例中，通过以下方法制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料，具体包括以下步骤：

(1)制备氧化铜纳米片

将1g二水合氯化铜和1g CTAB分散在15mL水中，加入1mL

0.3g/mL的氢氧化钠溶液加入，搅拌均匀；将反应溶液转入20mL反应釜中，120℃反应6h。反应结束后，离心，洗涤，得到分散在水中的氧化铜纳米片。

(2)制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料

向220μL170mg/L氧化铜纳米片的水溶液中加入2.78mL超纯水，超声10min。然后加入23.5μL H₂PtCl₆·6H₂O(19.3mM)水溶液。在冰浴快速搅拌的条件下逐滴滴加1.5mL NaBH₄(4.8mM)的水溶液，滴加结束后继续搅拌2h。反应结束后，离心，洗涤，得到铂纳米粒子/氧化铜片复合材料。

实施例3

在本实施例中，通过以下方法制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料，具体包括以下步骤：

(1)制备氧化铜纳米片

将0.4g二水合氯化铜和0.1g CTAB分散在15mL水中，加入1mL0.3g/mL的氢氧化钠溶液加入，搅拌均匀；将反应溶液转入20mL反应釜中，120℃反应6h。反应结束后，离心，洗涤，得到分散在水中的氧化铜纳米片。

(2)制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料

向1.1mL 170mg/L氧化铜纳米片的水溶液中加入1.9mL超纯水，超声10min。然后加入23.5μL H₂PtCl₆·6H₂O(19.3mM)水溶液。在冰浴快速搅拌的条件下逐滴滴加2mL NaBH₄(4.8mM)的水溶液，滴加结束后继续搅拌2h。反应结束后，离心，洗涤，得到铂纳米粒子/氧化铜片复合材料。

实施例4

利用透射电镜(Tecnaig2 20S-Twin美国FEI公司)对实施例1制备的氧化铜纳米片和铂纳米粒子/氧化铜片复合材料进行表征，从图1A可以看出，实施例1制备的氧化铜粒子形貌为纳米片状，长约0.5-2μm，宽约0.5μm；图1B中铂纳米粒子均匀的分散在片层结构的表面，大小为10～20nm左右，说明成功制备了铂纳米粒子/氧化铜片复合材料。

对实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料进行EDS能谱扫描(Horiba X射线能谱仪，日本日立公司)，图2为其EDS能谱扫描图。从谱图的结果中可以清晰的看出铜元素(Cu)、氧元素(O)和铂元素(Pt)的存在，且信号强度很高，说明铂纳米粒子/氧化铜片复合材料中有三种元素的存在；另外由于需用硅片作为材料的基底，所以谱图中有硅元素(Si)的信号。

利用X-射线衍射仪(D8focus德国Bruker公司)对实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料进行X-射线衍射测定，图3为得到的X-射线衍射图。从图中可以看出制备出的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料的特征衍射峰同时包括氧化铜CuO(11-1)、(20-2)、(020)、(202)和铂纳米颗粒Pt(111)、(220)的特征衍射峰、并且各衍射峰有不同的强度，表明成功制备出铂纳米粒子/氧化铜片复合材料。

对实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料过氧化物酶活性性质的测试，测试方法如下：

实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料和双氧水中对不同酶底物分子氧化，以及改变底物分子浓度，对催化反应速度进行拟合得到材料的过氧化物酶活性的米氏常数和最大反应速率。

在铂纳米粒子/氧化铜片复合材料和双氧水中加入不同浓度抗坏血酸和TMB分子，得到不同浓度抗坏血酸对催化底物分子的抑制效果，进而依靠比色法对抗坏血酸分子浓度进行检测，得到检测范围及检测限。

图4为实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料在过氧化氢存在的情况下对酶底物分子的催化颜色变化(A)，及米氏方程拟合的稳态动力学分析曲线(B)及米氏常数Km及Vmax与HRP的对比表格(C)。从图中可以看铂纳米粒子/氧化铜片复合材料在过氧化氢存在时，可以将底物分子TMB，OPD和ABTS氧化，呈现明显的颜色变化。依靠米氏方程进行拟合后，发现复合体具有跟酶分子HRP相当的催化能力，材料对底物分子TMB和H₂O₂的亲和力稍显增强，最大反应速率也有一定程度的增加，显出出材料的过氧化物酶特性。

图5为利用实施例1制备的铂纳米粒子/氧化铜片复合材料和过氧化氢被不同浓度抗坏血酸作用后的TMB氧化被抑制的紫外吸收的变化图(图5A)、颜色变化图(插图)及吸收与抗坏血酸的浓度依赖效应(图5B)。从吸收谱图及颜色变化均可以清晰的看出实施例1制备的氧化铜纳米片对TMB分子的催化氧化被抑制。根据抑制程度得到抑制效果与抗坏血酸浓度的依赖性，线性拟合后得到抗坏血酸的检测范围及检测限。抗坏血酸的检测范围为0.6μM～1mM，最低检测限为1.8μM。

实施例5

在本实施例中，通过以下方法制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料，具体包括以下步骤：

(1)制备氧化铜纳米片

将0.7g二水合硝酸铜和0.5g CTAB分散在15mL水中，加入1mL0.3g/mL的氢氧化钠溶液加入，搅拌均匀；将反应溶液转入20mL反应釜中，120℃反应6h。反应结束后，离心，洗涤，得到分散在水中的氧化铜纳米片。

(2)制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料

向1.1mL 170mg/L氧化铜纳米片的水溶液中加入1.9mL超纯水，超声10min。然后加入23.5μL H₂PtCl₆·6H₂O(19.3mM)水溶液。在冰浴快速搅拌的条件下逐滴滴加2mL NaBH₄(4.8mM)的水溶液，滴加结束后继续搅拌2h。反应结束后，离心，洗涤，得到铂纳米粒子/氧化铜片复合材料。

实施例6

在本实施例中，通过以下方法制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料，具体包括以下步骤：

(1)制备氧化铜纳米片

将0.5g二水合氯化铜和0.37g十二烷基硫酸钠分散在15mL水中，加入1mL0.3g/mL的氢氧化钠溶液加入，搅拌均匀；将反应溶液转入20mL反应釜中，120℃反应6h。反应结束后，离心，洗涤，得到分散在水中的氧化铜纳米片。

(2)制备铂纳米粒子/氧化铜片复合材料

向1.1mL 170mg/L氧化铜纳米片的水溶液中加入1.9mL超纯水，超声10min。然后加入23.5μL H₂PtCl₆·6H₂O(19.3mM)水溶液。在冰浴快速搅拌的条件下逐滴滴加2mL NaBH₄(4.8mM)的水溶液，滴加结束后继续搅拌2h。反应结束后，离心，洗涤，得到铂纳米粒子/氧化铜片复合材料。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域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围。