超小钴铁氧体纳米酶活性调控及其催化应用研究

来源 :西北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:FangShiJiaZu
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纳米酶是指具有类酶催化活性的无机纳米材料,具有稳定性高、易于大规模合成、低成本等优势。铁氧体纳米材料是一类典型的类过氧化物纳米酶,于2007年首次被发现具有类过氧化物酶活性,已成为纳米酶应用的重要平台材料。近年来,铁氧体纳米酶在肿瘤催化治疗、体外诊断、抗氧化治疗、抗菌等生物医学方面展现了诱人的应用前景。有研究表明不同铁氧体纳米材料的类过氧化物酶活性与材料的尺寸、组分密切相关,然而其尺寸、组分依赖的类过氧化物酶活性调控规律仍不清楚。针对这一问题,本文以铁氧体纳米颗粒为模式材料,通过制备不同尺寸、组分的铁氧体纳米颗粒,系统研究了其尺寸、组分依赖的类过氧化物酶活性规律,为构建高效催化的铁氧体纳米酶提供实验与理论基础。基于铁氧体类过氧化物酶类芬顿反应的催化机制,通过调控材料因素(尺寸、组分、表面修饰)和环境因素(底物浓度、干扰离子、培养基环境、温度及p H等),阐明了其尺寸、组分依赖的类过氧化物酶活性,优化了铁氧体纳米酶的结构并提高其类过氧化物酶催化活性。我们通过优化后的超小钴铁氧体纳米酶,将其在降解四环素及亚甲基蓝等污染物方面进行了应用研究;此外,我们还构建了转铁蛋白偶联的超小钴铁氧体纳米酶,用于肿瘤免疫组化染色以期高灵敏检测肿瘤组织,为开发基于纳米酶体外诊断技术提供更好的平台材料奠定了基础。本文主要的研究内容如下:(1)我们首先合成了系列尺寸的钴铁氧体纳米颗粒,用于研究尺寸对铁氧体纳米颗粒类POD酶活性的影响。TEM结果显示,制备的Co Fe2O4纳米颗粒形貌规整呈球形,其平均粒径分别3.1±0.25 nm、6.03±0.5 nm、13.5±0.9 nm及17.7±1.4 nm。通过类POD酶催化活测试,我们证明了Co Fe2O4纳米颗粒类酶催化活性与颗粒的尺寸呈现指数依赖关系,即尺寸越小,表面暴露的金属离子越多,赋予了超小钴铁氧体纳米颗粒最强的类酶催化活性。采用动态同步热分解法成功制备了不同过渡金属离子掺杂超小尺寸(亚五纳米)铁氧体纳米颗粒,分别为Co Fe2O4、Mn Fe2O4、γ-Fe2O3,并通过TEM、XRD、XPS、VSM、DLS、Zeta电位及FT-IR等测试方法对纳米颗粒的结构进行表征。根据TEM、XRD及XPS测试结果,经分析表明颗粒为尺寸约3 nm的球状铁氧体纳米颗粒,其纳米晶体为典型的尖晶石结构。VSM测试结果显示超小Mn Fe2O4、γ-Fe2O3、Co Fe2O4纳米颗粒的饱和磁化强度分别为27.5 emu/g、25.6 emu/g、22.4 emu/g。DLS、Zeta电位及红外结果显示采用配体交换反应将油相纳米颗粒成功转移至水相,且水合粒径结果显示纳米颗粒在15天内分散稳定性良好。(2)我们通过材料因素和环境因素对铁氧体纳米颗粒类POD酶活性进行调控。首先优化了表面配体分子来修饰超小铁氧体纳米酶,选用类酶催化性能最高的DHCA配体分子修饰的纳米颗粒。随后,我们进一步研究了组分在超小铁氧体纳米颗粒类酶催化活性中所起的作用,酶活测试结果显示,在不同p H下,纳米颗粒类酶催化活性均与组分呈现依赖关系,表现为Co>Mn>Fe。至此,我们构建了高性能的超小钴铁氧体纳米酶用于后续实验。通过在干扰离子/细胞培养基环境中评价了超小钴铁氧体纳米颗粒类POD酶催化稳定性,实验结果证明该纳米颗粒有望在活细胞中产生大量ROS用于疾病诊疗一体化的模式材料。(3)将催化活性最强的超小钴铁氧体纳米酶应用于污染物的降解,对该纳米酶的降解性能进行了评估。实验结果表明,超小钴铁氧体纳米酶对四环素和亚甲基蓝等水中常见污染物均展现出良好的催化降解性能,在20 min内对两种污染物的降解效率达95%以上。(4)利用超小钴铁氧体纳米酶较强的类过氧化物酶催化活性,通过将颗粒表面偶联肿瘤细胞表面过表达转铁蛋白Tf R1特异性抗体Tf,最后将该纳米酶体系用于免疫组化定性检测肿瘤组织。实验结果表明,超小钴铁氧体纳米酶在小鼠乳腺癌肿瘤模型的组织切片染色中较传统普鲁士蓝染色提高了检测灵敏度,为基于纳米酶免疫组化染色技术提供了一种新的选择。
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