空心普鲁士蓝纳米酶催化机制研究

论文摘要

天然酶可以催化特定的化学反应,常被应用于体外诊断,生物传感,污水处理和食品安全等方面。然而其催化活性会受到温度、酸碱度（pH）等条件影响,在高温、强酸或强碱环境下易失活,从而限制了在极端条件下的应用。此外,天然酶提取困难,产量低,成本高,无法大规模生产,难以满足工业上的大批量需求。2007年Gao等首次发现了氧化铁纳米颗粒（IONPs）具有类似天然过氧化物酶的催化性能,将其定义为纳米酶。其中,普鲁士蓝纳米颗粒（PBNPs）因其在不同pH下分别表现为类过氧化物酶（POD）,类过氧化氢酶（CAT）和类超氧化物歧化酶（SOD）活性而备受关注。本文中我们利用钴元素掺杂和酸腐蚀方法分别制备了掺钴普鲁士蓝纳米颗粒（Co-PBNPs）和空心普鲁士蓝纳米颗粒（HMPBNPs）,研究了元素掺杂和多孔结构对于纳米酶活性的调节作用,之后研究了HMPBNPs在超声成像领域的应用。具体研究内容如下:（1）采用沉淀法将不同比例的钴元素掺杂到普鲁士蓝纳米颗粒中得到Co-PBNPs。发现随着Co元素掺杂比例的提高,Co-PBNPs的类过氧化物酶活性增强。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）,电子能谱仪（XPS）观察发现其形貌由立方体变为多面体,其中Co的价态发生改变。利用米氏方程分析其酶反应动力学发现随着Co掺杂比例提高,纳米酶对于酶反应底物的亲和性提高。（2）利用单源法将铁氰化钾（K3[Fe（CN）6]）作为单源反应物置于盐酸溶液中,80℃下制得PBNPs。将单源法制备的PBNPs置于140℃密封,聚乙烯吡咯烷酮存在下进行酸蚀得到空心普鲁士蓝纳米颗粒（HMPBNPs）。研究发现腐蚀后HMPBNPs的酶活性更强,呈现为中空介孔结构,具有大量1.7 nm的介孔和大的比表面积,相较于腐蚀前的PBNPs,HMPBNPs对于酶反应底物的催化效率提高了3倍。（3）HMPBNPs在酸性条件下表现出类过氧化物酶活性,在中性和碱性条件下表现出类过氧化氢酶（CAT）活性,可以催化过氧化氢（H2O2）产生氧气（O2）。采用溶解氧电极验证了其CAT酶活性,并且通过暗场显微镜发现其对于氧气具有很强的负载能力,并且具有稳定性。在小动物超声成像系统（US）中表现出明显的灰度值变化,表明HMPBNPs可以应用于超声成像领域。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 纳米酶的发现与发展

1.2.1 纳米酶的定义

1.2.2 纳米酶的催化机制

1.2.3 纳米酶活性的调节机制

1.2.4 基于纳米酶的应用研究

1.3 空心普鲁士蓝纳米酶

1.3.1 中空介孔材料

1.3.2 空心普鲁士蓝及相关研究

1.4 论文组织架构及其目的、意义

第二章 PBNPS的单源法制备与钴元素掺杂对酶活性的调节研究

2.1 引言

2.2 实验材料与仪器

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.3 实验方法

2.3.1 PBNPs及 Co-PBNPs的制备

2.3.2 PBNPs及 Co-PBNPs的表征

2.3.3 不同元素比例制备的Co-PBNPs的类过氧化物酶活性研究

2.3.4 不同元素比例制备的Co-PBNPs的类过氧化物酶促反应动力学研究

2.3.5 不同元素比例制备的Co-PBNPs类过氧化物酶活性的pH,温度依赖性研究

2.3.6 不同元素比例制备的Co-PBNPs类过氧化氢酶活性的研究

2.4 结果与分析

2.4.1 PBNPs及 Co-PBNPs的材料表征

2.4.2 Co-PBNPs的类酶活性表征

2.4.3 Co-PBNPs的酶稳态动力学研究

2.4.4 Co-PBNPs类过氧化物酶活性的pH,温度依赖性研究

2.4.5 Co-PBNPs类过氧化氢酶活性研究

2.5 本章小结

第三章 HMPBNPs的制备与催化活性研究

3.1 引言

3.2 实验材料与仪器

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.3 实验方法

3.3.1 空心普鲁士蓝纳米酶（HMPBNPs）的制备

3.3.2 空心普鲁士蓝纳米酶（HMPBNPs）的表征

3.3.3 HMPBNPs的类过氧化物酶活性研究

3.3.4 HMPBNPs的类过氧化物酶促反应动力学研究

3.3.5 HMPBNPs类过氧化物酶活性的pH,温度依赖性研究

3.4 结果与分析

3.4.1 HMPBNPs的形貌及孔隙表征

3.4.2 HMPBNPs类过氧化物酶活性的验证

3.4.3 HMPBNPs类过氧化物酶促反应动力学研究

3.4.4 HMPBNPs类过氧化物酶活性的pH,温度依赖性研究

3.5 本章小结

第四章 HMPBNPS在载氧及超声成像中的应用

4.1 引言

4.2 实验材料与仪器

4.2.1 实验试剂

4.2.2 实验仪器

4.3 实验方法

4.3.1 HMPBNPs类过氧化氢酶活性验证

4.3.2 HMPBNPs的超声成像效果

4.3.3 HMPBNPs储氧的稳定性研究

4.4 结果与分析

4.4.1 HMPBNPs类过氧化氢酶活性表征

4.4.2 HMPBNPs的超声成像效果

4.4.3 HMPBNPs的储氧稳定性监测

4.5 本章小结

第五章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、攻读硕士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李卓轩

导师: 张宇

关键词: 空心普鲁士蓝,掺钴普鲁士蓝,纳米酶,超声成像

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 东南大学

基金: 国家重点研发计划(No.2017YFA0205502),江苏省六大人才高峰项目(SWYY-005)

分类号: Q55

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003209

总页数: 73

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