含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于无机纳米酶催化技术领域，特别是一种具有高效过氧化物模拟酶催化活性的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶及其制备方法和用途。

背景技术

作为高效的生物催化剂，酶参与了几乎所有的生物反应。除了在体内的重要作用外，酶还广泛用于生物医学、化学、食品、环境和农业科学。尽管它们具有高底物特异性和催化效率，但大多数天然酶可以被蛋白酶消化，因为它们是球状蛋白质。它们的催化活性在极端条件下很容易被抑制，因为蛋白质结构会被环境变化破坏，例如加热或添加化学变性剂。因此，寻找具有良好稳定性和低成本的天然酶模拟物是非常有吸引力的。自从2007年以来人们发现Fe

众所周知，辣根过氧化物酶(HRP)是一种天然存在的酶，已广泛应用于有机合成和生物转化。例如，它已成功地用作漂白洗涤剂。它可以激活过氧化氢并将不发光的底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)转化为发光产物氧化TMB(oxTMB)。HRP的这种特性应用已用于疾病诊断，有机合成，食品农药分析等领域。这是因为，与目前的其他检测方法(如电化学检测、高效液相色谱等)相比，基于比色法检测的光学传感具有操作简单快捷、灵敏度高、实时性好等独特优势。直接视觉监控的传感分析很有吸引力，是一种操作简单、灵敏度高、检测小分子或生物分子的新型比色传感平台。然而，高温、苛刻的pH条件很容易使HRP变性，这严重限制了其广泛应用。由于反应条件的限制，人们已经做出了许多努力来寻找或设计一种新的人工酶来模拟HRP。然而，目前报道的无机模拟酶材料中的大多数仅具有较差的过氧化物酶活性。

发明内容

本发明的目的之一是针对现有的纳米材料模拟酶在实际应用中催化效率较低、易变性的不足之处，提供一种具有高过氧化物酶活性、抗环境污染能力强的一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备含铁的碳前驱体：

取一份去离子水，加入水溶性的Zn

另取一份去离子水，加入三聚氰胺和葡萄糖，完全溶解后标记为溶液B；

将溶液A和溶液B缓慢混合，加热至70-90℃下磁力搅拌1-2小时，然后加入十六烷基三甲基溴化铵即CTAB，在70-90℃继续搅拌10-20min后冷却静置，离心分离得到固体前驱体；

反应体系中所含Zn

S2、高温煅烧法制备含单分散铁原子的过氧化物模拟酶：

将固体前驱体置于高温管式炉中，在惰性气氛中，以5-10℃/min的升温速率升至910℃-1000℃下保温2-4小时，然后自然冷却至室温，得到黑色粉末，洗涤去除杂质后干燥，即制得含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。

作为含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法进一步的改进：

优选的，所述固体前驱体的制备方法中，向体积为20mL的去离子水中添加0.2克Zn(NO)

优选的，步骤S2中将固体前驱体转移至刚玉磁舟内，然后一起置于高温管式炉里。

优选的，所述水溶性的Zn

优选的，所述水溶性的Fe

优选的，所述离心分离的转速不低于10000rpm，时间不低于3分钟。

优选的，所述惰性气氛为氩气、氮气中的一种或者是两者以任意比例的混合气。

优选的，步骤S2中洗涤去除杂质的方法为：使用1mol/L-2mol/L的稀硫酸洗涤去除黑色粉末中的杂质。

本发明的目的之二是提供一种上述制备方法制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。

本发明的目的之三是提供一种上述含单分散铁原子的过氧化物模拟酶在生物催化剂或生物化学传感器上的用途。

本发明相比现有技术的有益效果在于：

1)本发明提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，本发明基于作为过氧化物酶模拟物的血红素肽高度稳定的特点，构造具有类似铁-卟啉结构的无机纳米材料。血红素肽是通过将肽与铁卟啉共价连接产生的，在医学检测、生物催化剂、敏感传感器和其他应用中显示出巨大的潜力。本发明模仿自然酶结构的活性中心，设计出高效的无机过氧化物模拟酶新材料。

步骤S1中以葡萄糖为碳源，三聚氰胺为氮源，CTAB作为诱导自组装的表面活性剂，制备多孔碳前驱体,用于塑造形成Zn

步骤S2中通过高温煅烧让无定形碳前驱体转化为石墨碳，前驱体材料中的Zn元素，其沸点为905℃，在910℃-1000℃煅烧条件下，Zn会挥发，留下的位点产生介孔结构，有利于反应底物的传质和电子的传导，Zn在此处起造孔剂的功效；在煅烧后，前驱体中三聚氰胺中的N元素掺杂进入石墨碳中，起到锚定Fe单原子的功效。

2)合成使用的原料都是廉价易得的，合成步骤简单，产量高，适合工业级别扩大再生产，提高材料的合成效率。

3)相比于传统纳米人工酶，本发明含单分散铁原子的过氧化物模拟酶中的金属原子利用率高，催化效果好，能够在广泛的浓度范围内实现对H

附图说明

图1为实施例1所制备的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品SEM照片。

图2为实施例1所制备的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品球差电镜照片。

图3为实施例1所制备的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品扩展X射线吸收精细结构谱，通过傅里叶变换得到的径向结构函数图。

图4为实施例1所制备的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶材料的Raman图谱。

图5为实施例1所制备的含有单分散铁原子的过氧化物模拟酶测定过氧化氢浓度的应用示意图。

图6为实施例1所制备的含有单分散铁原子的过氧化物模拟酶测定过氧化氢浓度的应用示意图。

图7为实施例1所制备的含有单分散铁原子的过氧化物模拟酶与HRP酶在20℃-90℃温度区间内催化活性对比图。

图8为实施例1所制备的含有单分散铁原子的过氧化物模拟酶与HRP酶在pH2-pH12区间内催化活性对比图。

具体实施方式

下面结合具体示例进一步阐述本发明，应当强调在这些示例基础之上，可以作一些工艺改进，这对本领域的专业技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范畴。

实施例1

本实施例提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，具体包括如下步骤：

S1、制备含铁的碳前驱体：向体积为20mL的去离子水中添加0.2克Zn(NO)

S2、高温煅烧法制备单分散铁原子过氧化物模拟酶：将上述前驱体粉末转移至刚玉磁舟内并置于高温管式炉里，通入氮气将管内空气排尽，以10℃每分钟的升温速率升至950℃，在惰性气氛中保温2小时后自然冷却至室温，得到外观为黑色的粉末，使用浓度为2mol/L稀硫酸洗涤干燥后，得到含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。

图1为制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶SEM照片，由图1可知，铁单原子的碳载体是多孔碳。

图2制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品球差电镜照片，由图2可知，材料中铁原子是单分散的，没有单质团聚，或者其他铁氧化物晶相。

图3为制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品扩展X射线吸收精细结构谱，通过傅里叶变换得到的径向结构函数图。由图3可知，材料中金属Fe的配位结构为类似卟啉那样的单原子分散Fe-N

图4是制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的样品的Raman图谱。由图4可知，说明了碳载体中富含石墨相和无定形相。

实施例2

本实施例提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，具体包括如下步骤：

S1、制备含铁的碳前驱体：向体积为20mL的去离子水中添加0.27克Zn(NO)

S2、高温煅烧法制备单分散铁原子过氧化物模拟酶：将上述前驱体粉末转移至刚玉磁舟内并置于高温管式炉里，通入氮气将管内空气排尽，以8℃每分钟的升温速率升至925℃，在惰性气氛中保温2.5小时后自然冷却至室温，得到外观为黑色的粉末，使用浓度为1.5mol/L稀硫酸洗涤干燥后，得到目标产物。

取4支样品管分别标号1-4，1号样品管中为实施例2制得的含单分散铁原子的过氧化物模拟酶，在H

实施例3

本实施例提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，具体包括如下步骤：

S1、制备含铁的碳前驱体：向体积为25mL的去离子水中添加0.35克Zn(NO)

S2、高温煅烧法制备单分散铁原子过氧化物模拟酶：将上述前驱体粉末转移至刚玉磁舟内并置于高温管式炉里，通入氩气将管内空气排尽，以6℃每分钟的升温速率升至980℃，在惰性气氛中保温3小时后自然冷却至室温，得到外观为黑色的粉末，使用浓度为1mol/L稀硫酸洗涤干燥后，得到含单分散铁原子的过氧化物模拟酶。

图5为实施例3所制备的含有单分散铁原子材料作为过氧化物模拟酶测定过氧化氢浓度的应用示意图。其中显色反应后的溶液吸光度与H

实施例4

本实施例提供一种含单分散铁原子的过氧化物模拟酶的制备方法，具体包括如下步骤：

S1、制备含铁的碳前驱体：向体积为10mL的去离子水中添加0.1克Zn(NO)

S2、高温煅烧法制备单分散铁原子过氧化物模拟酶：将上述前驱体粉末转移至刚玉磁舟内并置于高温管式炉里，通入惰性将管内空气排尽，以9℃每分钟的升温速率升至1000℃，在惰性气氛中保温2.3小时后自然冷却至室温，得到外观为黑色的粉末，使用浓度为1.8mol/L稀硫酸洗涤干燥后，得到目标产物。

图6为实施例1所制备的含有单分散铁原子材料作为过氧化物模拟酶测定过氧化氢浓度的应用示意图，TMB产生显色反应后其UV-Vis吸光谱中峰值与H

图7为实施例1所制备的含有单分散铁原子材料作为过氧化物模拟酶与HRP酶在20℃-90℃温度区间内催化活性对比图。由图7可知，含单分散铁原子的过氧化物模拟酶在20℃-90℃范围内，均可以保持优秀的催化活性，而HRP酶仅在40℃-60℃范围内活性较高，在60℃以上随着温度升高，活性迅速下降。

图8为实施例1所制备的含有单分散铁原子材料作为过氧化物模拟酶与HRP酶在pH2-pH12区间内催化活性对比图。由图8可知，含单分散铁原子的过氧化物模拟酶在pH2-pH12范围内，均可以保持优秀的催化活性，而HRP酶仅在pH4时活性较高。

本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。