【摘 要】
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随着纳米技术的飞速发展,许多具有天然酶类似催化活性的纳米材料作为新兴人工酶在生物医学和环境保护领域受到了人们的极大关注。金属纳米颗粒(Metal nanoparticles,MNPs)作为经典的催化剂在催化领域得到了广泛的发展和应用。为了使MNPs获得更高的催化活性,通常利用双金属协同作用(如合成核壳、合金等结构的双金属纳米材料)来提高催化活性或减小纳米颗粒的尺寸以暴露更多的催化活性位点。然而,这
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随着纳米技术的飞速发展,许多具有天然酶类似催化活性的纳米材料作为新兴人工酶在生物医学和环境保护领域受到了人们的极大关注。金属纳米颗粒(Metal nanoparticles,MNPs)作为经典的催化剂在催化领域得到了广泛的发展和应用。为了使MNPs获得更高的催化活性,通常利用双金属协同作用(如合成核壳、合金等结构的双金属纳米材料)来提高催化活性或减小纳米颗粒的尺寸以暴露更多的催化活性位点。然而,这些措施也带了不利的一面,如小粒径的纳米颗粒合成非常困难且容易聚集常常需要加入表面活性剂来改善其易聚集的缺点,从而影响其活性位点的有效利用。高稳定性、大比表面积、丰富的不饱和活性位点的金属有机框架(Metal organic framework,MOFs)的出现和发展,成为了MNPs的理想载体。本文利用MOFs的限域作用合成了均匀分布在MOFs孔道中的超小粒径双金属合金纳米颗粒,极大的提升了MNPs的稳定性与催化活性,并对其催化机理进行了深入探讨,利用其优异的类酶催化活性构建了新型比色免疫传感器,建立了针对谷物与水环境中痕量玉米赤霉烯酮(Zearalenone,ZEN)的快速定量免疫分析方法。具体内容如下:(1)通过简单的水热法一步合成了高比表面积、结构稳定的ZIF-8。将PtCl42-、Pd Cl42-金属前驱体通过浸渍-还原-洗涤-烘干等程序合成了Pt4Pd1@ZIF-8复合纳米材料。通过一系列的表征手段证明了双金属Pt4Pd1合金纳米颗粒密集均匀的分散在ZIF-8的孔道内,其平均粒径仅为2.0 nm。利用米氏方程评估其类过氧化物酶催化活性为辣根过氧化物酶(Horseradish peroxidase,HRP)的800倍。此外,通过X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)及电子自旋共振波谱仪(Electron spin-resonance spectroscopy,ESR)对其优异的催化活性机理进行分析,ZIF-8与Pt4Pd1合金纳米颗粒之间的相互作用,使Pt4Pd1表面为富电子状态,促进活性氧的产生,进而提高催化氧化反应的速率。Pt4Pd1@ZIF-8在催化过氧化氢的(Hydrogen peroxide,H2O2)过程中,伴随着金属化合价态的变化及活性氧的产生,其中起主要作用的活性氧为单线态氧(Singlet oxygen,1O2)而不是羟基自由基(Hydroxyl radical,·OH)。(2)为探究金属纳米颗粒对具有催化活性位点的MOFs的活性调控机理。在有机相中室温下合成了具有Co金属原子活性位点的ZIF-67。利用与上述(1)相同的方法制备并证明了粒径为2.3 nm的双金属Pt4Pd1合金纳米颗粒均匀密集的分布在ZIF-67的孔道中,并且制备的具有优异的类过氧化物酶和类氧化酶活性,其类过氧化物酶的催化活性为天然酶HRP的2028倍,类氧化酶活性与HRP和其他纳米酶相比也表现出更为优异的底物亲和力。对其催化机理探究发现Pt4Pd1@ZIF-67不仅存在Pt4Pd1合金纳米颗粒之间双金属协同的电子协同,还存在与载体ZIF-67中Co金属之间的相互作用,使得Pt4Pd1合金纳米颗粒处于缺电子状态,可促进Co3+/Co2+的转移速率,提升类过氧化物酶和类氧化酶催化活性。(3)基于(1)和(2)所述的超高活性的纳米酶,分别构建了新型比色免疫传感器,并建立了用于检测ZEN的酶联免疫吸附法(Enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)分析方法。通过分别对所建立的ELISA分析方法进行优化后,Pt4Pd1@ZIF-8-ELISA和Pt4Pd1@ZIF-67-ELISA对ZEN的最低检测限分别达到了0.763 ng/L and 0.534 ng/L,相对于使用同一组抗原、抗体和相同程序的常规HRP-ELISA分别低了157倍和224倍,且具有更宽的检测范围。通过交叉反应实验和在小麦、玉米及水环境样本中添加回收实验,验证了上述ELISA方法的特异性和准确性。本研究建立的2种超灵敏的新型免疫传感器对谷物与水环境中的痕量ZEN的快速定量分析检测具有潜在的应用价值。
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