层状碱土金属钒酸盐类酶活性研究及其在检测细胞分泌的H2O2中的应用

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在自然界中,天然酶能高效、高选择性地催化化学反应,在生物医学、生物传感等领域具有较高应用价值。然而,天然酶较高的生产成本和固有的不稳定性限制了其广泛应用。纳米酶因其相对于天然酶具有更好的稳定性和鲁棒性而受到越来越多的关注。纳米酶结合了纳米材料和生物催化剂的特点,具有比表面积大、催化活性可调、成本低等显著优势,有望成为一种有前景的天然酶替代品。迄今为止,已经报道出了具有模拟多种天然酶能力的纳米酶,包括过氧化物酶,过氧化氢酶,氧化酶,超氧化物歧化酶和水解酶等。在这些模拟酶中,由于类过氧化物酶能够催化小分子过氧化物分解和一些底物氧化而被广泛研究,被应用于疾病诊疗、生物分析、生物医学和污染处理等方面。目前虽然已经开发出多种纳米材料用于模拟过氧化物酶,如贵金属,金属氧化物,金属有机框架(MOF)和碳材料等,但对于材料结构与其催化活性之间的关联缺乏系统性研究,合理设计具有高效类过氧化物酶活性的纳米酶仍然是一个巨大的挑战。金属氧化物是一种研究广泛且具有较好应用前景的模拟酶材料,尤其是过渡金属氧化物。氧化钒基材料凭借V从+2到+5的多重氧化态和V-O配位多面体的结构多样化,表现出优异的电子转移能力和高效的催化活性。近年来,一些钒氧化物纳米材料,如V2O5,VO2(A),VO2(B)等,被报道出高出氧化铁基和氧化铈基纳米酶的类过氧化物酶活性。钒氧化物的层状晶体结构中在相邻的层间存在天然的范德华间隙,使它们很容易插入不同的客体物种。利用这一优势,通过插层策略可以有效调节其物理、化学和电子性能。相比于钒氧化物,金属离子预插层到V2O5中产生的钒酸盐不仅具有较大的层间距和更稳定的层状结构,还表现出更加优异的电子转能力,有望成为一类高效的模拟酶材料。然而目前关于钒酸盐类酶催化机制的研究较少,金属离子插入后是否改变了其催化性能需要进一步探索,需要对材料晶体结构,金属活性中心的电子结构和相应的催化机制进行深入研究。基于此,本文通过插层策略向V2O5层间引入碱土金属离子,制备了一类具有层状结构的碱土金属钒酸盐纳米材料,通过研究混合价态、氧空位缺陷及双金属层状结构对其催化活性的影响,深入探讨了电子结构和晶体结构的改变对其类酶催化活性的影响,期望为高效纳酶的设计提供有价值的信息。此外,本文还探究了碱土金属钒酸盐在生物传感方面的应用前景,基于碱土金属钒酸盐高效的类过氧化物酶活性,本文构建了一个用于快速、灵敏地原位检测细胞分泌的H2O2的比色传感平台。具体研究内容如下:第一章为绪论,首先对纳米酶进行简单介绍,其次重点对类过氧化物酶的的催化机制、研究现状及其在生物分析传感方面的应用进行了概述,最后对钒基材料用于模拟天然酶的优势和研究现状进行了阐述。第二章为层状MxV2O5·n H2O的制备及其类酶活性的研究。在该章中通过简单的水热法制备了具有层状结构的碱土金属钒酸盐MxV2O5·n H2O(M=Mg,Ca,Sr)并首次证明了碱土金属钒酸盐材料具有高特异性、优异的类过氧化物酶活性。酶促反应稳态动力学证明其符合典型的Michaelis-Menten动力学行为。价态组成和电子结构分析证明了电子转移能力对其催化活性的影响。DFT计算进一步阐明了MxV2O5·n H2O催化机制,证明了其催化活性源自于较高的H2O2吸附能力和·OH的产生能力,还揭示了碱土金属离子插层后对催化反应决速步骤的促进,最后通过氧化还原策略进一步验证了MxV2O5·n H2O类酶活性的影响机制。第三章为基于MxV2O5·n H2O的类过氧化物酶活性用于细胞分泌的H2O2的比色检测。MxV2O5·n H2O能够在H2O2存在将无色的TMB催化氧化成蓝色的氧化型TMB(ox TMB),基于ox TMB在652 nm处的吸收峰变化构建了一种快速、灵敏的比色传感平台并成功用于检测细胞分泌的H2O2,检测的线性范围为0.5-20 m M,检测限低至8.2μM。
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