基于类酶活性材料的生物传感体系的构建及其应用

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天然酶因提取成本高,储存条件严苛且稳定性较差等缺点限制了其广泛应用。虽然传统模拟酶(如环糊精、金属配合物、卟啉类化合物等)在有机复合物基础上通过聚合物胶束或分子印迹等方式能够模拟酶的催化中心,但其也存在制备复杂、成本较高且催化活性不够理想的缺点,因此开发新型的模拟酶材料仍受到广泛关注。自研究者发现无机纳米材料四氧化三铁(Fe3O4)具有类似辣根过氧化物酶的催化活性以来,贵金属、金属氧化物、碳基材料以及其它复合材料等也逐渐被研究发现可以模拟如过氧化物酶等天然酶的活性。然而,目前开发的大多数模拟过氧化物酶需要引入大量生物破坏性的过氧化氢来诱发催化活性,这使得模拟酶在生物传感器中的应用受到限制,因此探究更具生物相容性的光诱导模拟酶显得尤为重要。基于此,本文主要围绕光诱导模拟酶活性及其在酶催化相关的比色生物传感器中的应用进行研究。具体研究内容如下:(1)在近中性条件下,铜离子(Cu2+)可以促进石墨相氮化碳纳米片(C3N4)在可见光照射下的电子-空穴对分离,提高光催化活性,并氧化显色底物3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB),这表明光诱导Cu2+触发的C3N4是一种新型的模拟酶系统。焦磷酸盐(PPi)能络合Cu2+,抑制模拟酶生成,而酸性磷酸酶(ACP)可以有效水解PPi,恢复模拟酶催化活性。通过偶联天然酶和酶促形成的模拟酶,构建了新型光响应生物催化级联,并基于此新型级联反应开发了比色检测平台用于灵敏检测ACP。(2)我们发现可见光照射下银离子(Ag+)触发的钒酸铋(BiVO4)具有模拟酶活性,且Ag+浓度影响模拟酶的光催化活性。在光照条件下,Ag+作电子受体接收BiVO4的光生电子并被还原成单质银,并进一步通过光诱导电子转移促进BiVO4的电子-空穴对分离,从而提高催化活性氧化底物TMB。乙酰胆碱酯酶(AChE)可以水解底物碘化乙酰硫代胆碱(ATCI)产生硫代胆碱与Ag+作用,由于光诱导Ag+触发的BiVO4模拟酶对Ag+浓度响应较为灵敏,将这两者结合,我们建立了一种检测AChE及其抑制剂的比色方法。(3)碘氧化铋(BiOI)在可见光照射下产生活性中间体超氧阴离子(O2·-)和光生空穴(h+),可在无过氧化氢(H2O2)条件下催化氧化底物TMB,展现出优异的模拟酶活性。此外,我们发现抗坏血酸(AA)可以抑制BiOI的光诱导模拟酶活性。其中,AA不仅可以消耗BiOI产生的O2·-并还原氧化产物oxTMB,同时还可以与BiOI结合,改变BiOI的表面性质,影响其催化活性。基于碱性磷酸酶(ALP)水解抗坏血酸磷酸盐(AAP)能形成AA对模拟酶活性产生影响,我们构建了一种比色检测ALP及其酶抑制剂的方法。
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