普鲁士蓝纳米粒子过氧化物模拟酶及其在过氧化氢和葡萄糖检测中的应用研究

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天然酶具有催化效率高、专属性强、反应条件温和等特点。但天然存在着一些固有缺陷,如纯化过程繁琐、成本高;易受到多种物理、化学因素的影响而失活。为了弥补天然酶的固有缺陷,人工模拟酶的研究和应用一直是人们研究的热点。纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应,这使得纳米材料表现出奇特的电学、光学、磁学、热学性质和催化性能。最近Gao等人惊奇的发现,Fe304磁性纳米粒子具有过氧化物模拟酶的性质,可以催化过氧化氢中介氧化过氧化物酶的底物产生特征的颜色。这一研究报道引起了人们的广泛关注。许多纳米材料,如金纳米粒子、CuO纳米粒子、CeFe2O4磁性纳米粒子、V205纳米线、碳纳米材料、C0304纳米粒子、FeS纳米片等相继被发现具有过氧化物酶或氧化酶的性质。普鲁士蓝具有良好的电化学和催化性能,广泛被作为电子媒介构建第一代电化学酶生物传感器。普鲁士蓝分子结构含有Fe2+/Fe3+氧化还原结合点,这种可逆转化常常发生在许多过氧化物酶的活性中心。最近的研究工作表明,普鲁士蓝纳米粒子显著地增强了Fe203纳米粒子过氧化物模拟酶的催化活性。但普鲁士蓝纳米粒子具有过氧化物模拟酶的性质尚未得到证实。本论文研究发现普鲁士蓝纳米粒子具有过氧化物模拟酶的性质,可以催化过氧化氢氧化过氧化物酶底物——2,2’-联氮基-双-(3-乙基苯并二氢噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS)产生绿色的溶液以及氧化鲁米诺产生强的化学发光。基于普鲁士蓝纳米粒子过氧化物模拟酶的这一性质,本文构建了灵敏的过氧化氢分光光度法和化学发光法。将上述反应与葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖生成过氧化氢的酶促反应相偶合,进一步发展了高灵敏的葡萄糖分光光度法和化学发光法。具体研究内容如下:一、基于普鲁士蓝纳米粒子过氧化物模拟酶的过氧化氢和葡萄糖比色分析法研究发现,普鲁士蓝纳米粒子可以催化过氧化氢氧化过氧化物酶底物—2,2’-联氮基-双-(3-乙基苯并二氢噻唑啉-6-磺酸)二铵盐生成绿色溶液。该催化反应遵循Michaelis-Menten行为。这表明普鲁士蓝纳米粒子本身具有过氧化物模拟酶的性质。普鲁士蓝纳米粒子的催化活性依赖于反应介质pH,反应温度和反应时间。以普鲁士蓝纳米粒子作为过氧化物模拟酶,提出了检测过氧化氢的分光光度法。420nm处吸光度值与过氧化氢浓度在5.0×10-5.0×10-5mol L-1内具有良好的线性关系,检出限达3.1×10-8mol L-1过氧化氢。与葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化产生过氧化氢反应相偶合,实现了对葡萄糖的灵敏测定。该方法测定葡萄糖的线性范围为10×10-7-5.0×10-5mol L-1,检出限为3.0×10-8mol L-1.与其它纳米材料模拟酶相比,基于普鲁士蓝纳米粒子的灵敏度高10~100倍。该方法己成功用于人体血液中葡萄糖的含量测定。二、基于普鲁士蓝纳米粒子过氧化物模拟酶化学发光法测过氧化氢和葡萄糖研究发现,普鲁士蓝纳米粒子作为过氧化物模拟酶可以催化过氧化氢氧化鲁米诺产生强的化学发光。采用流动注射技术,详细地研究了影响化学发光反应的各项实验条件。在优化的实验条件下,相对化学发光强度与过氧化氢浓度在5.0×10-8-1.0×10-4mol L-1范围内具有良好的线性关系。该方法测定过氧化氢的检出限为1.8×10-8mol L-1。通过将葡萄糖氧化酶固定于玻璃管内壁,并连接于流路中,实现了葡萄糖的在线转化与化学发光检测。该方法测定葡萄糖的线性范围为1.0×10-7-1.0×10-4mol L-1,检出限为7.2×10-8mol L-1。如与其它氧化酶生成过氧化氢的酶促反应相偶合,这一检测平台有望用于其它临床重要物质的分析测定之中。
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