一种具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及模拟酶技术领域，具体涉及一种具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

过氧化物酶是一类以H

硫化铜纳米粒子是一种优秀的类过氧化物酶物质，具有制备成本低、催化性能可调、电子运载能力强的优点。但是其在水中的分散性不好，导致其用途受限，所以许多研究者通过在硫化铜表面修饰一些亲水性基团来增加其在水中的分散性，并没有现有技术合成一种无任何分子修饰但水分散性好的硫化铜过氧化物酶。

Cr

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料及其制备方法和应用，本发明制备的硫化铜纳米材料在水中具有分散性好的特点，首次采用不经任何基团修饰的硫化铜纳米材料可视化检测Cr

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

将硝酸铜、硫脲和反应溶剂混合，得到混合液；所述反应溶剂为乙二醇和二甲基亚砜；

将所述混合液置于反应釜中进行溶剂热反应，得到具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料。

优选地，所述乙二醇和二甲基亚砜的体积比为1～5:1。

优选地，所述硝酸铜和硫脲的摩尔比为1:1～4；所述硝酸铜与反应溶剂的用量比为1～5mmol：30～65mL。

优选地，所述溶剂热反应的温度为120～160℃，时间为6～24小时。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的硫化铜纳米材料，为片层堆积的3D花瓣状。

本发明还提供了上述技术方案所述硫化铜纳米材料作为类过氧化物酶的应用。

本发明还提供了上述技术方案所述硫化铜纳米材料在可视化检测过氧化氢中的应用。

优选地，所述应用包括以下步骤：

将待测溶液、硫化铜分散液、3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液和醋酸-醋酸钠缓冲液混合，进行氧化反应，得到反应液；所述硫化铜分散液中的硫化铜为上述技术方案所述的硫化铜纳米材料；

采用紫外-可见分光光度计测定所述反应液在λ＝652nm处的吸光度；

根据所述吸光度与标准曲线，得到待测溶液中过氧化氢的含量；所述标准曲线为过氧化氢的浓度与吸光度的线性曲线。

本发明还提供了上述技术方案所述硫化铜纳米材料在可视化检测六价铬离子中的应用。

优选地，所述应用包括以下步骤：

将待测溶液、过氧化氢溶液、硫化铜分散液、3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液和醋酸-醋酸钠缓冲液混合，进行氧化反应，得到反应液；所述硫化铜分散液中的硫化铜为上述技术方案所述的硫化铜纳米材料；

采用紫外-可见分光光度计测定所述反应液在λ＝652nm处的吸光度；

根据所述吸光度与标准曲线，得到待测溶液中六价铬离子的含量；所述标准曲线为六价铬离子的浓度与吸光度的线性曲线。

本发明提供了一种具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料的制备方法，包括以下步骤：将硝酸铜、硫脲和反应溶剂混合，得到混合液；所述反应溶剂为乙二醇和二甲基亚砜；将所述混合液置于反应釜中进行溶剂热反应，得到具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料。本发明以硝酸铜为铜源，硫脲为硫源，相比于其他的铜源和硫源，更有助于三维结构的形成；本发明以乙二醇和二甲基亚砜为反应溶剂，能够制备得到花瓣状的硫化铜纳米材料；在本发明中，通过二甲基亚砜的强极性对硫化铜表面进行刻蚀，能够达到改善硫化铜在水中分散性的目的。本发明制备的硫化铜纳米材料呈蓬松状，具有更大的比表面积，有更多的活性位点，有利于电子和自由基的转移，具有类过氧化物酶特性。

本发明制备的硫化铜纳米材料不经任何亲水性基团或官能团修饰，在水中具有良好的分散性，能很好地作为过氧化物酶适用于定量分析；在过氧化氢存在下，本发明制备的硫化铜纳米材料能催化底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)氧化产生可视化的颜色变化，并在652nm处有特征紫外吸收；当捕获到Cr

附图说明

图1为实施例1制备的硫化铜纳米材料用于确定H

图2为实施例1制备的硫化铜纳米材料用于H

图3为实施例1制备的硫化铜纳米材料用于检测Cr

图4为实施例1制备的硫化铜纳米材料用于Cr

图5为实施例1～3和对比例1～2制备的硫化铜纳米材料在水中的分散程度图；

图6为实施例1制备的硫化铜纳米材料的X射线衍射图；

图7为实施例1制备的硫化铜纳米材料的场发射扫描电镜图；

图8为对比例3、对比例4和对比例5制备的硫化铜纳米材料的场发射扫描电镜图；

图9为对比例2制备的硫化铜纳米材料的场发射扫描电镜图。

具体实施方式

本发明提供了一种具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

将硝酸铜、硫脲和反应溶剂混合，得到混合液；所述反应溶剂为乙二醇和二甲基亚砜；

将所述混合液置于反应釜中进行溶剂热反应，得到具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料。

在本发明中，若没有特殊说明，所用原料均为本领域技术人员所熟知的市售商品。

本发明将硝酸铜、硫脲和反应溶剂混合，得到混合液。在本发明中，所述反应溶剂为乙二醇和二甲基亚砜，所述乙二醇和二甲基亚砜的体积比优选为1～5:1，更优选为1～3：1。本发明控制反应溶剂中乙二醇和二甲基亚砜的体积比在上述范围，有利于提高硫化铜纳米材料的酶活性及在水中的分散性。

在本发明中，所述硝酸铜优选为三水合硝酸铜。在本发明中，所述硝酸铜和硫脲的摩尔比优选为1:1～4，更优选为1:3；所述硝酸铜与反应溶剂的用量比优选为1～5mmol：30～65mL，更优选为1～3mmol：50～56mL。在本发明中，所述硝酸铜、硫脲和反应溶剂的混合方法优选为：先将硝酸铜和反应溶剂进行第一混合，然后再加入硫脲进行第二混合，得到混合液。在本发明中，所述第一混合和第二混合优选在搅拌条件下进行；所述第一混合的搅拌速度优选为400～900r/min，更优选为500～700r/min；所述第一混合的时间优选为10～40min，更优选为20～30min；所述第二混合的搅拌速度优选为400～900r/min，更优选为500～700r/min；所述第二混合的时间优选为30～80min，更优选为50～60min。

得到混合液后，本发明将所述混合液置于反应釜中进行溶剂热反应，得到具有类过氧化物酶特性的硫化铜纳米材料。在本发明中，所述溶剂热反应的温度优选为120～160℃，更优选为130～150℃；所述溶剂热反应的时间优选为6～24小时，更优选为10～12小时。

本发明优选将溶剂热反应后的体系依次进行冷却、固液分离、洗涤和干燥。在本发明中，所述冷却优选为自然冷却至室温；所述固液分离的方式优选为离心。本发明优选将离心所得固体物质进行洗涤和干燥。在本发明中，所述洗涤优选包括交替进行的乙醇洗和水洗；所述水洗优选为蒸馏水洗。在本发明中，所述交替洗涤的次数优选为3次，具体优选为用无水乙醇和蒸馏水交替洗涤3次。在本发明中，所述干燥优选为真空干燥；所述干燥的温度优选为60～90℃，更优选为70～80℃；所述干燥的时间优选为12～24h，更优选为15～20h。本发明优选在干燥后，将所得产物进行研磨，得到硫化铜纳米材料。

本发明使用无水混合有机溶剂，采用一步溶剂热法制备了硫化铜纳米材料，其在水中具有分散性好的特点。本发明首次采用不经任何基团修饰的硫化铜纳米材料可视化检测Cr

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的硫化铜纳米材料，为片层堆积的3D花瓣状。在本发明中，所述硫化铜纳米材料在水中分散性好。在本发明中，所述硫化铜纳米材料的粒度优选为1～3μm，比表面积优选为42～61m

本发明还提供了上述技术方案所述硫化铜纳米材料作为类过氧化物酶的应用，本发明制备的硫化铜纳米材料呈3D花瓣蓬松状，具有更大的比表面积，有更多的活性位点，有利于电子和自由基的转移，具有类过氧化物酶特性。

本发明还提供了上述技术方案所述硫化铜纳米材料在可视化检测过氧化氢中的应用。本发明制备的硫化铜纳米材料在水中具有良好的分散性，能高效催化底物TMB和过氧化氢溶液的氧化还原反应，产生可视化颜色变化。

在本发明中，所述应用优选包括以下步骤：

将待测溶液、硫化铜分散液、3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液和醋酸-醋酸钠缓冲液混合，进行氧化反应，得到反应液；所述硫化铜分散液中的硫化铜为上述技术方案所述的硫化铜纳米材料；

采用紫外-可见分光光度计测定所述反应液在λ＝652nm处的吸光度；

根据所述吸光度与标准曲线，得到待测溶液中过氧化氢的含量；所述标准曲线为过氧化氢的浓度与吸光度的线性曲线。

在本发明中，所述待测溶液中过氧化氢的含量优选为0～350μM，更优选为6～120μM；所述硫化铜分散液的浓度优选为2～5mg/mL，更优选为4mg/mL；所述硫化铜分散液的制备方法优选包括：将上述技术方案所述的硫化铜纳米材料分散在水中，得到硫化铜分散液；所述水优选为去离子水。在本发明中，所述3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液的浓度优选为3～8mg/mL，更优选为6mg/mL；所述3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液的溶剂优选为二甲基亚砜；所述醋酸-醋酸钠缓冲液的pH值优选为2～7，更优选为4；所述醋酸-醋酸钠缓冲液的浓度优选为0.1～1mol/L，更优选为0.2～0.6mol/L。在本发明中，所述待测溶液、硫化铜分散液、3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液和醋酸-醋酸钠缓冲液的体积比优选为0.03～1.5:1:2:66，更优选为0.5～0.7:1:2:66。在本发明中，所述待测溶液、硫化铜分散液、3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液和醋酸-醋酸钠缓冲液混合的方式优选为：在醋酸-醋酸钠缓冲液中依次加入硫化铜分散液、3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液和待测溶液。在本发明中，所述氧化反应优选在水浴锅中进行；所述氧化反应优选在室温中性环境下进行；所述氧化反应的温度优选为20～50℃，更优选为30～40℃，具体优选为37℃；所述氧化反应的时间优选为10～35min，更优选为25～30min。在本发明中，所述标准曲线的线性范围优选为6～120μM。

本发明还提供了上述技术方案所述硫化铜纳米材料在可视化检测六价铬离子中的应用。在本发明中，当含有过氧化氢的体系捕获了Cr

在本发明中，所述应用优选包括以下步骤：

将待测溶液、过氧化氢溶液、硫化铜分散液、3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液和醋酸-醋酸钠缓冲液混合，进行氧化反应，得到反应液；所述硫化铜分散液中的硫化铜为上述技术方案所述的硫化铜纳米材料；

采用紫外-可见分光光度计测定所述反应液在λ＝652nm处的吸光度；

根据所述吸光度与标准曲线，得到待测溶液中六价铬离子的含量；所述标准曲线为六价铬离子的浓度与吸光度的线性曲线。

在本发明中，所述待测溶液中Cr

本发明所述硫化铜纳米材料对过氧化氢和Cr

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将0.242g Cu(NO

所得硫化铜纳米材料为片层堆积的3D花瓣状，粒度为1～3μm，比表面积为61m

实施例2

与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于所述乙二醇和二甲基亚砜的体积比由“3：1”更改为“1：1”。所得硫化铜纳米材料为片层堆积的3D花瓣状，粒度为1～3μm，比表面积为42m

实施例3

与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于所述乙二醇和二甲基亚砜的体积比由“3：1”更改为“5：1”。所得硫化铜纳米材料为片层堆积的3D花球状，粒度为1～3μm，比表面积为48m

实施例4

与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于所述溶剂热反应的时间由“12小时”替换为“6小时”。所得硫化铜纳米材料为片层堆积的3D花瓣状，粒度为1～3μm，比表面积为51m

实施例5

与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于所述溶剂热反应的时间由“12小时”替换为“24小时”。所得硫化铜纳米材料为片层堆积的3D花瓣状，粒度为1～3μm，比表面积为58m

对比例1

与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于所述反应溶剂由“乙二醇和二甲基亚砜”更改为“二甲基亚砜”。所得硫化铜纳米材料的形貌类似于方孔铜钱，粒度为3～5μm，比表面积为26m

对比例2

与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于所述反应溶剂由“乙二醇和二甲基亚砜”更改为“乙二醇”。所得硫化铜纳米材料的形貌类似于含苞待放的花，粒度为2～4μm，比表面积为18m

对比例3

与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于所述反应溶剂由“乙二醇和二甲基亚砜”更改为“二甲基亚砜和水”，其中，二甲基亚砜和水的体积比为1：1。

对比例4

与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于所述反应溶剂由“乙二醇和二甲基亚砜”更改为“乙二醇和水”，其中，乙二醇和水的体积比为1：1。

对比例5

与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于所述反应溶剂由“乙二醇和二甲基亚砜”更改为“乙醇和水”，其中，乙醇和水的体积比为1：1。

测试例1

实施例1制备的硫化铜纳米材料用于确定H

将实施例1制备的硫化铜纳米材料分散在去离子水中，得到浓度为4mg/mL的硫化铜分散液；

将TMB溶解在二甲基亚砜中，得到浓度为6mg/mL的TMB溶液；

在1.891mL醋酸-醋酸钠缓冲液(pH＝4，0.2M)中依次加入30μL所述硫化铜分散液、64μL所述TMB溶液以及不同浓度的H

由图1和图2可以看出，当不加入H

测试例2

实施例1制备的硫化铜纳米材料用于检测Cr

将实施例1制备的硫化铜纳米材料分散在去离子水中，得到浓度为4mg/mL的硫化铜分散液；

将TMB溶解在二甲基亚砜中，得到浓度为6mg/mL的TMB溶液；

在1.891mL醋酸-醋酸钠缓冲液(pH＝4，0.2M)中依次加入50μL所述硫化铜分散液、64μL所述TMB溶液、5μL质量浓度为30％的过氧化氢溶液和不同浓度的Cr

从图3和图4可以看出，当不加入Cr

测试例3

分别称量4mg实施例1～3和对比例1～2制备的硫化铜纳米材料，在1mL去离子水中，超声10min，形成4mg/mL的硫化铜分散液，观察制备的硫化铜纳米材料在水中的分散程度，如图5所示。

如图5所示，图中从左至右分别是实施例1、对比例1、实施例2、实施例3和对比例2得到的硫化铜纳米材料所形成的CuS分散液。从图5可以看出，由不同反应溶剂制备的CuS在水中的分散性也不一样；由纯乙二醇制备的CuS纳米材料在水中分散性很差，由纯DMSO溶剂制备的CuS纳米材料在水中分散性很好，调控反应溶剂中DMSO和乙二醇的比例有利于改变产物的形貌，从而改变性能。

测试例4

在1.891mL醋酸-醋酸钠缓冲液(pH＝4，0.2M)中依次加入30μL CuS分散液(4mg/mL)、64μLTMB溶液(6mg/mL)以及15μL 16mM的H

表1不同反应条件产物的酶活性结果

由表1可以看出，实施例1所制备的硫化铜纳米材料相比于其它溶剂合成的材料具有更优越的酶活性。

测试例5

实施例1制备的硫化铜纳米材料的X射线衍射(XRD)图，如图6所示；所述的CuS纳米材料的衍射峰出现位置正对应于CuS的(100)、(101)、(102)、(103)、(105)、(107)、(108)和(203)面(JCPDS卡片06-0464)，说明在溶剂热反应过程中形成了CuS；除了CuS的特征峰之外，没有发现其它的杂峰，说明合成的CuS纳米材料纯度高。

测试例6

实施例1制备的硫化铜纳米材料的场发射扫描电镜(SEM)图，如图7所示；所述的硫化铜纳米材料是由一个个纳米粒子堆积成的花瓣样，尺寸均匀，呈蓬松状。这种蓬松状结构具有更大的比表面积，有更多的活性位点，有利于电子和自由基的转移。

测试例7

对比例3、对比例4和对比例5制备的硫化铜纳米材料的场发射扫描电镜(SEM)图，如图8所示；其中图8中的(a)和(b)为对比例3合成的CuS的形貌图，从图8中的(a)可以看出，其为球状外貌且大小均一，大约分布在4～5μm左右；从图8中的(b)可以看出，其表面为包裹封闭的实心结构。图8中的(c)和(d)为对比例4合成的CuS的形貌图，从图8中的(c)可以看出，其为球状外貌，粒子大小不均匀，多数分布在1μm左右；从图8中的(d)可以看出，其表面为无孔的实心结构，类似于花椰菜的表面。图8中的(e)和(f)为对比例5合成的CuS的形貌图，从图8中的(e)可以看出，其为球状花状外貌，粒子大小均匀，多数分布在3～4μm左右；从图8中的(f)可以看出，其表面为有孔的空心结构，且表面的纳米片分布比较疏松。在本发明中，用二甲基亚砜和乙二醇作为混合溶剂合成的3D花瓣状CuS材料相比于以上溶剂合成的CuS材料，具有更蓬松的结构以及更大的比表面积，因此更有利于反应过程中的电子和自由基转移。

测试例8

对比例2制备的硫化铜纳米材料的场发射扫描电镜(SEM)图，如图9所示；从图9可以看出，其形貌也是由无数薄片状结构堆积成的花瓣样，尺寸均匀，结构类似于含苞待放的花。

比较测试例6、7、8所检测得到的硫化铜形貌，它们的共同点是：形状都类似于球体。特别的，由纯乙二醇合成的硫化铜纳米材料结构与“花瓣结构”更相似。二甲基亚砜的极性很强，当在乙二醇中加入二甲基亚砜辅助时，在反应过程中其能与乙二醇形成强极性键，形成一股“拉扯”力，继而使得“花状”形貌更饱满。当反应溶剂中乙二醇与二甲基亚砜的体积比为3:1，花瓣盛开的最饱满，如图7中的(a)和(b)所示。

本发明利用乙二醇和二甲基亚砜作为反应溶剂，合成一种3D花瓣状硫化铜纳米材料，此材料在水中不仅具有良好的分散性，而且能高效快捷测定H

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。