铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶及制备与应用

1.本发明属于仿酶催化领域，尤其涉及一种铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶、其制备方法及其应用。


背景技术：

2.天然酶具有高催化效率且反应条件温和，但是天然酶的稳定性差，容易失活，不易保存，且成本高，限制了其应用。因此寻找一种同时具有酶活性和高稳定性的材料成为研究热点。纳米酶是一种具有模拟酶活性的纳米材料，纳米酶的发现及研究填补了天然酶的缺点。在现有的模拟酶活性的材料中，铁卟啉金属有机骨架(mofs)，尤其是具有二维结构的铁卟啉mofs纳米片是一种极具前景的仿酶催化剂(cn202010342037.8)。
3.为进一步提高铁卟啉纳米片的催化性能，一些复合纳米材料引起人们的关注。qiu等制备了pd纳米粒子在铁卟啉mofs纳米片表面生长的pd/cu-tcpp(fe)杂化纳米材料，该材料显示出模拟酶的催化活性，可应用于有机过氧化物的爆炸物残留检测(2d materials，2019，6(3)：035008)。ling等发现pt@pmof(fe)表现出优异的过氧化氢酶活性，对过氧化氢(h2o2)和o2具有高的电催化活性，可应用于燃料电池等领域(acs applied materials and interfaces，2020，12(15)：17185)。然而这些技术均是基于贵金属材料在二维mofs材料上生长形成复合材料，来提高其催化活性的，增加了模拟酶的成本。因此，制备非贵金属纳米材料与铁卟啉mofs纳米片复合的纳米酶，并应用于仿酶催化相关领域，具有重要的应用和研究价值。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶及制备方法。
5.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.通过表面活性剂辅助溶剂热法合成铜-四羧基苯基铁卟啉(cu-fetcpp)二维mofs纳米片，再将铜系纳米粒子原位生长于铁卟啉纳米片表面，具体包括以下步骤：
7.(1)采用表面活性剂辅助溶剂热法合成cu-fetcpp纳米片，将所述cu-fetcpp纳米片分散在水中，纳米片浓度为0.3mg/ml，得到分散液；
8.(2)将所述分散液加入到浓度为0.12m的氯化铜水溶液中混合均匀，再滴加质量分数为0.1％的氨水溶液，且所述分散液和所述氯化铜水溶液的体积之比为10∶(0.1～0.3)，所述分散液和和所述氨水溶液的体积之比为10∶(1～2)，经反应后得到产物溶液，反应温度为20～30℃，反应时间为1min～15h；
9.(3)将所述产物溶液依次进行离心沉淀和纯水洗涤，得到所述纳米酶。
10.制备得到的纳米酶中铁卟啉纳米片具有超薄的二维片层结构，厚度为3～10nm；所述的铜系纳米粒子，其组成包括氢氧化铜和氧化铜，其形貌包括纳米颗粒、纳米针和纳米棒的形貌，纳米颗粒粒径为10～50nm，纳米针直径为20～40nm，长100～300nm，纳米棒直径为
50～70nm，长200～300nm；所述铜系纳米粒子在所述铁卟啉纳米片表面分布均匀，铜系纳米粒子与铁卟啉纳米片的质量比为0.35∶1～0.8∶1。
11.所述的铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶具有类辣根过氧化酶催化活性，可催化h2o2氧化3，3’，5，5
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四甲基联苯胺(tmb)使其显色，并且铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片之间存在协同作用，复合纳米酶的催化活性高于同条件下的铜系纳米粒子，铁卟啉纳米片，及铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片的混合物，与反应底物h2o2和tmb的亲和力好，米氏常数低于同条件下铁卟啉纳米片做催化剂时的米氏常数。
12.所述的铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶，可作为仿辣根过氧化酶，用于基于仿酶催化的应用。
13.优选的，所述的铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶，应用于催化刚果红染料降解，优化条件下，反应20min，刚果红染料脱色率大于90％，降解效率高，催化刚果红染料的方法包括以下步骤：
14.(1)在刚果红水溶液中加入浓度为0.1m、ph为6.8～8的tris缓冲液；其中，所述刚果红水溶液与所述tris缓冲液的体积比为1∶(1～5)；
15.(2)在步骤(1)的溶液中加入所述纳米酶的水溶液和h2o2水溶液，得到初始混合溶液，经反应0.5～6h后，完成所述降解刚果红染料；其中，所述初始混合溶液中所述纳米酶的浓度为10～100mg/l，所述h2o2的浓度为10～100mm，所述刚果红的浓度为10～200μm。
16.优选的，所述的铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶，应用于葡萄糖检测，对葡萄糖检测的最低检测限为12μm，检测灵敏度高，检测方法包括以下步骤：
17.(1)制备至少三种葡萄糖浓度的标准水溶液，分别向每一种所述标准水溶液中加入葡萄糖氧化酶磷酸缓冲溶液，得到葡萄糖-葡萄糖氧化酶混合溶液，并于50℃下反应1h后，再依次加入所述葡萄糖-葡萄糖氧化酶混合溶液1～5倍体积的醋酸缓冲溶液、所述纳米酶的水溶液和tmb水溶液，得到初始反应溶液，将所述初始反应溶液在20～30℃下反应2～5h后，得到检测溶液，通过紫外分光光度计分别检测每一种所述检测溶液，获得每一种所述标准水溶液对应的吸光度；
18.其中，所述初始反应溶液中，所述葡萄糖的浓度为0.05～1.5mm，所述葡萄糖氧化酶的浓度为0.5～2mg/ml，所述醋酸缓冲溶液的ph为3.5～4.2，浓度为0.1m，所述纳米酶的浓度为5～20mg/ml，所述tmb的浓度为0.05～0.2mm；所述紫外分光光度计的检测波长为650nm；
19.(2)根据各个所述标准水溶液中葡萄糖的浓度和对应的吸光度，拟合标准曲线方程；
20.(3)采用步骤(1)的方法测试待检测的葡萄糖水溶液，并得到所述待检测的葡萄糖水溶液的吸光度，根据步骤(2)得到的所述标准曲线方程，计算得到所述待检测的葡萄糖水溶液的浓度。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.1.本发明采用非贵金属铜系纳米粒子，与铁卟啉纳米片复合，制备纳米酶，具有增强的仿辣根过氧化酶活性；
23.2.本发明将铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶应用于刚果红染料的降解，实现了优选条件下对刚果红的高效脱色；
24.3.本发明将铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶应用于葡萄糖的检测，建立了基于本发明中复合纳米酶催化的对葡萄糖的高灵敏度检测方法。
附图说明
25.图1.不同类型催化剂催化tmb的紫外吸收光谱图(催化剂分别为：a，对比例1中铁卟啉纳米片；b，对比例2中铜系纳米粒子；c，对比例3中铜系纳米粒子与铁卟啉纳米片的混合物；d，实施例1中铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶)；
26.图2.实施例1中铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶的透射电镜图；
27.图3.实施例1中刚果红染料脱色率随时间的变化曲线；
28.图4.实施例1中溶液颜色及tmb吸光度与葡萄糖浓度的关系图；
29.图5.实施例2中铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶的透射电镜图；
30.图6.实施例3中铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶的透射电镜图。
具体实施方式
31.下面结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。
32.本发明涉及了一种铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶及制备与应用。具体地，采用非贵金属铜系纳米粒子，通过原位生长的方式，与铁卟啉纳米片复合，制备纳米酶，提高了铁卟啉纳米片的催化活性，克服了现有技术中局限于贵金属纳米粒子制备仿酶材料的问题。下面结合实施例进一步叙述本发明，但本发明不受实施例的限制。
33.对比例1：铜-四羧基苯基铁卟啉(cu-fetcpp)二维mofs纳米片的制备及催化
34.将0.01mmol硝酸铜和10.0mg聚乙烯吡咯烷酮溶于12ml n，n-二甲基甲酰胺与无水乙醇体积比为3∶1的混合溶液中，记为溶液a；取0.005mmol四羧苯基铁卟啉(fetcpp)溶于4ml n，n-二甲基甲酰胺和无水乙醇体积比为3∶1的混合溶液中，记为溶液b；将溶液b滴加到溶液a中，随后加入20μl三氟乙酸(1.0m)，超声混匀并在80℃下反应3h；反应完成后，加入适量无水乙醇，在8000r.p.m下洗涤离心10min，重复3次后，分散在水中备用。
35.将制备的cu-fetcpp铁卟啉纳米片作为催化剂，用于tmb的催化显色，实验条件：9.5mg/l催化剂，0.12mm tmb，5mm h2o2，醋酸缓冲体系ph＝3.6，浓度0.1m，tmb在650nm波长处显色吸光度为0.28，如图1中a所示。
36.对比例2：铜系纳米粒子的制备及催化
37.在10ml水中加入0.1ml的浓度为0.12m的氯化铜水溶液，并混合均匀，再滴加1ml的0.1％氨水溶液，反应1min；再将产物离心沉淀后用纯水洗涤3次。
38.将制备的铜系纳米粒子作为催化剂，用于tmb的催化显色，实验条件：9.5mg/l催化剂，0.12mm tmb，5mm h2o2，醋酸缓冲体系ph＝3.6，浓度0.1m，tmb在650nm波长处显色吸光度为0.07，如图1中b所示。
39.对比例3：铜系纳米粒子与cu-fetcpp纳米片混合物的制备及催化
40.将对比例1制备的cu-fetcpp纳米片和对比例2制备的铜系纳米粒子以1∶0.35的质量比混合，并作为催化剂，用于tmb的催化显色，实验条件：9.5mg/l催化剂，0.12mm tmb，5mm h2o2，醋酸缓冲体系ph＝3.6，浓度0.1m，tmb在650nm波长处显色吸光度为0.35，如图1中c所示。
41.实施例1：
42.制备铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶：
43.(1)将对比例1制备的cu-fetcpp纳米片分散在水中，使其浓度为0.3mg/ml；
44.(2)取步骤(1)溶液10ml，加入0.1ml的浓度为0.12m的氯化铜水溶液，并混合均匀，再滴加1ml的质量分数为0.1％的氨水溶液，20℃下反应1min；
45.(3)将产物离心沉淀后用纯水洗涤3次，得到纳米酶。
46.铜系纳米粒子主要组成包括氢氧化铜和氧化铜，如图2所示，铜系纳米粒子呈纳米颗粒、纳米针和纳米棒的形貌，其中以纳米颗粒和纳米针为主，纳米颗粒粒径为10～50nm，纳米针直径为20～40nm，长100～300nm，在纳米片表面分布均匀；铜系纳米粒子与铁卟啉纳米片的质量比为0.35∶1。
47.将此纳米酶作为催化剂，用于tmb的催化显色，实验条件：9.5mg/l催化剂，0.12mm tmb，5mm h2o2，醋酸缓冲体系ph＝3.6，浓度0.1m，tmb在650nm波长处显色吸光度为0.48(如图1中d所示)，具有仿辣根过氧化酶活性，并且较对比例1～3中tmb显色吸光度都高，具有更高的仿酶活性。
48.将此纳米酶应用于降解刚果红染料：
49.(1)在刚果红染料的溶液中加入3倍体积的浓度为0.1m，ph为7的tris缓冲液；
50.(2)在步骤(1)的溶液中加入纳米酶水溶液和h2o2水溶液，得到初始混合溶液，其中刚果红浓度为80μm，纳米酶浓度为100mg/l，h2o2浓度为100mm；初始混合溶液经反应4h后，脱色率为95％，完成所述降解刚果红染料。
51.随反应的进行，刚果红浓度逐渐降低，反应20min时，脱色率达到91％，如图3所示。
52.将此纳米酶应用于葡萄糖检测：
53.(1)制备9种葡萄糖浓度的标准水溶液，分别向每一种所述标准水溶液中加入葡萄糖氧化酶磷酸缓冲溶液，得到葡萄糖-葡萄糖氧化酶混合溶液，并于50℃下反应1h后，再依次加入所述葡萄糖-葡萄糖氧化酶混合溶液3倍体积的醋酸缓冲溶液、所述纳米酶的水溶液和tmb的水溶液，得到初始反应溶液，将所述初始反应溶液在25℃下反应3h后，得到检测溶液，通过紫外分光光度计分别检测这9种所述检测溶液，获得每一种所述标准水溶液对应的波长为650nm处的吸光度；
54.其中，所述初始反应溶液中，所述葡萄糖的浓度为0.05～1.5mm，所述葡萄糖氧化酶的浓度为1mg/ml，所述醋酸缓冲溶液的ph为3.6，浓度为0.1m，所述纳米酶的浓度为10mg/ml，所述tmb的浓度为0.1mm；
55.(2)根据各个所述标准水溶液中葡萄糖的浓度和对应的吸光度，拟合标准曲线方程；
56.(3)采用步骤(1)的方法测试待检测的葡萄糖水溶液，并得到所述待检测的葡萄糖水溶液的吸光度，根据步骤(2)得到的所述标准曲线方程，计算得到所述待检测的葡萄糖水溶液的浓度。
57.所述的葡萄糖检测方法，计算其检测限为12μm，线性范围为0.05～1.25mm，溶液呈蓝色，且葡萄糖浓度越大，蓝色越显著(图4)。
58.实施例2：
59.制备铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶：
60.(1)将对比例1制备的cu-fetcpp纳米片分散在水中，使其浓度为0.3mg/ml；
61.(2)取步骤(1)溶液10ml，加入0.15ml的浓度为0.12m的氯化铜水溶液，并混合均匀，再滴加1.2ml的质量分数为0.1％的氨水溶液，25℃下反应3h；
62.(3)将产物离心沉淀后用纯水洗涤3次，得到纳米酶。
63.铜系纳米粒子主要组成包括氢氧化铜和氧化铜，如图5所示，铜系纳米粒子形貌主要呈纳米针和纳米棒的形貌，纳米针直径为20～40nm，长100～300nm，纳米棒直径为50～70nm，长200～300nm，在纳米片表面分布均匀；铜系纳米粒子与铁卟啉纳米片的质量比为0.49∶1。
64.将此纳米酶作为催化剂，用于tmb的催化显色，实验条件：9.5mg/l催化剂，0.12mm tmb，5mm h2o2，醋酸缓冲体系ph＝3.6，浓度0.1m，tmb在650nm波长处显色吸光度为0.46，具有仿辣根过氧化酶活性。
65.将此纳米酶应用于降解刚果红染料：
66.(1)在刚果红染料的溶液中加入2倍体积的浓度为0.1m，ph为6.8的tris缓冲液；
67.(2)在步骤(1)的溶液中加入纳米酶的水溶液和h2o2水溶液，得到初始混合溶液，其中刚果红浓度为60μm，纳米酶浓度为80mg/l，h2o2浓度为70mm；初始混合溶液经反应3h后，脱色率为96％，完成所述降解刚果红染料。
68.随反应的进行，刚果红浓度逐渐降低，反应20min时，脱色率达到92％。
69.将此纳米酶应用于葡萄糖检测：
70.(1)制备5种葡萄糖浓度的标准水溶液，分别向每一种所述标准水溶液中加入葡萄糖氧化酶磷酸缓冲溶液，得到葡萄糖-葡萄糖氧化酶混合溶液，并于50℃下反应1h后，再依次加入所述葡萄糖-葡萄糖氧化酶混合溶液2.5倍体积的醋酸缓冲溶液、所述纳米酶的水溶液和tmb的水溶液，得到初始反应溶液，将所述初始反应溶液在20℃下反应4h后，得到检测溶液，通过紫外分光光度计分别检测这5种所述检测溶液，获得每一种所述标准水溶液对应的波长为650nm处的吸光度；
71.其中，所述初始反应溶液中，所述葡萄糖的浓度为0.07～1.2mm，所述葡萄糖氧化酶的浓度为1.5mg/ml，所述醋酸缓冲溶液的ph为3.9，浓度为0.1m，所述纳米酶的浓度为8mg/ml，所述tmb的浓度为0.15mm；
72.(2)根据各个所述标准水溶液中葡萄糖的浓度和对应的吸光度，拟合标准曲线方程；
73.(3)采用步骤(1)的方法测试待检测的葡萄糖水溶液，并得到所述待检测的葡萄糖水溶液的吸光度，根据步骤(2)得到的所述标准曲线方程，计算得到所述待检测的葡萄糖水溶液的浓度。
74.所述的葡萄糖检测方法，计算其检测限为13μm，线性范围为0.07～1.2mm，溶液呈蓝色，且葡萄糖浓度越大，蓝色越显著。
75.实施例3：
76.制备铜系纳米粒子和铁卟啉纳米片复合的纳米酶：
77.(1)将对比例1制备的cu-fetcpp纳米片分散在水中，使其浓度为0.3mg/ml；
78.(2)取步骤(1)溶液10ml，加入0.2ml的浓度为0.12m的氯化铜水溶液，并混合均匀，再滴加1.5ml的质量分数为0.1％的氨水溶液，25℃下反应6h；
79.(3)将产物离心沉淀后用纯水洗涤3次，得到纳米酶。
80.铜系纳米粒子主要组成包括氢氧化铜和氧化铜，如图6所示，铜系纳米粒子形貌以纳米针和纳米棒为主，纳米针直径为20～40nm，长100～300nm，纳米棒直径为50～70nm，长200～300nm，在纳米片表面分布均匀；铜系纳米粒子与铁卟啉纳米片的质量比为0.64∶1。
81.将此纳米酶作为催化剂，用于tmb的催化显色，实验条件：9.5mg/l催化剂，0.12mm tmb，5mm h2o2，醋酸缓冲体系ph＝3.6，浓度0.1m，tmb在650nm波长处显色吸光度为0.44，具有仿辣根过氧化酶活性。
82.将此纳米酶应用于降解刚果红染料：
83.(1)在刚果红染料的溶液中加入4倍体积的浓度为0.1m，ph为8的tris缓冲液；
84.(2)在步骤(1)的溶液中加入纳米酶的水溶液和h2o2水溶液，得到初始混合溶液，其中刚果红浓度为40μm，纳米酶浓度为50mg/l，h2o2浓度为50mm；初始混合溶液经反应2h后，脱色率为94％，完成所述降解刚果红染料。
85.随反应的进行，刚果红浓度逐渐降低，反应20min时，脱色率达到93％。
86.将此纳米酶应用于葡萄糖检测：
87.(1)制备7种葡萄糖浓度的标准水溶液，分别向每一种所述标准水溶液中加入葡萄糖氧化酶磷酸缓冲溶液，得到葡萄糖-葡萄糖氧化酶混合溶液，并于50℃下反应1h后，再依次加入所述葡萄糖-葡萄糖氧化酶混合溶液2.5倍体积的醋酸缓冲溶液、所述纳米酶的水溶液和tmb的水溶液，得到初始反应溶液，将所述初始反应溶液在30℃下反应2h后，得到检测溶液，通过紫外分光光度计分别检测这7种所述检测溶液，获得每一种所述标准水溶液对应的波长为650nm处的吸光度；
88.其中，所述初始反应溶液中，所述葡萄糖的浓度为0.08～1.5mm，所述葡萄糖氧化酶的浓度为2mg/ml，醋酸缓冲溶液的ph为4.1，浓度为0.1m，所述纳米酶的浓度为15mg/ml，所述tmb的浓度为0.18mm；
89.(2)根据各个所述标准水溶液中葡萄糖的浓度和对应的吸光度，拟合标准曲线方程；
90.(3)采用步骤(1)的方法测试待检测的葡萄糖水溶液，并得到所述待检测的葡萄糖水溶液的吸光度，根据步骤(2)得到的所述标准曲线方程，计算得到所述待检测的葡萄糖水溶液的浓度。
91.所述的葡萄糖检测方法，计算其检测限为14μm，线性范围为0.08～1.5mm，溶液呈蓝色，且葡萄糖浓度越大，蓝色越显著。