一种负载钌团簇的金属有机框架人造酶及其制备和应用

技术领域

本发明属于生物催化领域，具体涉及一种负载钌团簇的金属有机框架人造酶及其制备和应用。

背景技术

众所周知，天然酶具有一些固有缺陷如对温度敏感，苛刻pH条件下易变性失活、成本高昂、制备不易等，极大程度限制其应用，因此寻找天然酶的替代品一直是研究的热点，近年来，对类酶催化生物合成和生物治疗的需求不断增长，推动了人工酶令人振奋的创新。与天然酶不同，人工酶的高稳定性保证其在苛刻条件下仍能提供生物催化活性，并且人工酶表面丰富的催化活性位点能有效提高其催化活性。目前，人工酶已经成为天然酶理想而新颖的代替品，广泛应用于生物传感器，生物成像，抗菌和抗肿瘤等领域。

天然抗氧化物酶具有高特异性与高催化活性，能够高效清除ROS。其中，CAT（过氧化氢酶）作为一种典型的天然抗氧化酶，可以催化过氧化氢转化产生氧气，在人类生命系统以及工业生产中有着重要作用。现有CAT酶纳米仿酶的研究主要集中在金属基类酶、金属氧化物基类酶、MOF材料基类酶及碳基类酶。在这些研究中，基于碳和金属氧化物等传统载体的纳米团簇表面环境调节效果远不能令人满意且难以实现，具有有限的催化性能。而MOF材料及其衍生物由于其精确的配位网络、介孔结构和可调孔隙率，有望直接替代常规酶进行酶促反应。同时，基于MOF材料的纳米材料也因其孔隙率、高比表面积和化学/热稳定性而被用于研发CAT模拟物。但该类材料的开发具有挑战性，由于MOF材料的稳定性不同，报道的在MOF材料纳米片上制备纳米颗粒的方法并不普遍适用于其他MOF材料。因此，在不影响MOF材料结构的情况下合成贵金属纳米团簇/MOF材料复合物作为高效生物催化剂仍然是一个巨大的挑战。

另一方面，贵金属由于其小尺寸和独特的生理化学特性，通常对物质表现出突出的亲和力和催化能力。迄今为止，基于贵金属的纳米材料已经被证明具有CAT性能，已有研究在MOF材料上引入金属单原子或金属团簇得到类CAT活性类的纳米酶，如在PCN222-Mn上负载Pt纳米粒子、Au 纳米团簇负载金属MOF等。然而这些仿CAT人造酶多用于生物治疗领域如癌症放疗、抗炎治疗、光动力疗法，而未见有实际产氧应用，如用于制备便携式产氧设备或制氧机。

发明内容

针对上述缺陷，本发明首次将钌团簇均匀锚定在金属Ni-MOF上得到一种具有优异CAT仿酶性能的负载钌团簇的金属有机框架人造酶材料，Ni-MOF材料不仅可以作为Ru纳米团簇（Ru NCs）的支撑，最大限度的暴露活性位点，还可以通过界面相互作用调节Ru纳米团簇的电子构型；最终所合成的人造酶具有优异仿CAT性能，可以实现过氧化氢清除和产氧（

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种负载钌团簇的金属有机框架人造酶，所述人造酶是将钌（Ru）纳米团簇均匀稳定地锚定在Ni-MOF（Ni金属有机框架）上制得。

进一步，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶具有过氧化氢酶活性。

进一步，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的过氧化氢酶样H

进一步，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的过氧化氢酶样H

进一步，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的过氧化氢酶样H

本发明要解决的第二个技术问题是提供上述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的制备方法，所述制备方法为：将钌盐和Ni-MOF通过离子交换法合成了所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶。

进一步，所述制备方法为：将钌盐溶液和Ni-MOF分散液混匀，于25～40℃（优选为30 ℃）反应10～14（优选为12）小时；然后收集沉淀并经洗涤干燥制得所述人造酶。

进一步，所述钌盐和Ni-MOF中Ni的摩尔比为：1：5～40。

进一步，所述钌盐选自：RuCl

本发明中，所述Ni-MOF采用现有技术中常用的制备方法制得即可。

本发明要解决的第三个技术问题是指出上述负载钌团簇的金属有机框架人造酶在制备能够实现过氧化氢清除和/或产氧材料、过氧化氢清除和/或产氧设备中的用途。如用于制备便携式产氧设备或制氧机。

本发明的有益效果

本发明将Ru团簇均匀稳定地锚定在Ni-MOF上制得了一种新型的负载钌团簇的金属有机框架人造酶（Ru@Ni-MOF），所得人造酶具有优异的仿CAT性能，能够高效清除过氧化氢并将其转化氧气，其

附图说明

图1（a）Ru@Ni-MOF材料的TEM图；（b）Ni-MOF材料及Ru@Ni-MOF材料的XRD图；（c）Ru@Ni-MOF材料的高分辨率TEM图；（d）Ru@Ni-MOF材料的EDS元素分布图。

图2（a）Ru@Ni-MOF的TEM 图；（b）Ru@Ni-MOF的HRTEM图；（c） 在Ni-MOF上生长的Ru团簇尺寸分布图。

图3为Ru@Ni-MOF和Ni-MOF的红外光谱谱图（a）以及拉曼光谱谱图（b）。

图4为对比例1所得Ni-MOF（图4a）和不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF的SEM图：图4b为1：5、图4c为1：10、图4d为1：20、图4e为1：40、图4f为1：80。

图5为Ni-MOF和Ru@Ni-MOF的XPS光谱图。

图6 Ru@Ni-MOF材料的XPS光谱图：（a）Ru 3p，（b) Ni

图7为不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF的XRD图。

图8a为空白对照组、不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF的30分钟过氧化氢清除曲线结果图；图8b为不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF 30分钟时过氧化氢清除率统计结果图。

图9 为空白对照组、Ni-MOF及Ru@Ni-MOF催化下的（a）过氧化氢含量变化图；（b）氧气含量变化图。

图10为Ni-MOF、Ru@Ni-MOF的过氧化氢转化速率(左)及氧气生成速率图（右）。

图11（a）为空白对照组和不同浓度Ru@Ni-MOF清除过氧化氢测试得到的405 nm波长附近的吸光度曲线图；（b）不同Ru@Ni-MOF浓度下过氧化氢清除率结果图；（c）不同温度下，Ru@Ni-MOF材料的过氧化氢清除率结果图。

图12为过氧化氢作为底物时，Ni-MOF和Ru@Ni-MOF的米氏常数

图13为不同ROS清除催化剂的TON值与

图14a为本发明空白对照组、对比例1、实施例3和对比例3所得催化剂的过氧化氢清除性能结果图；图14b为空白对照组、对比例1和实施例3所得催化剂的产氧性能测试结果图；图14c为对比例3所得催化剂的产氧性能测试结果图。

图15 （a）不同pH条件过氧化氢清除性能图；（b）不同pH条件残余过氧化氢量与清除率图；（c）不同pH条件产氧性能测试图；（d）不同pH条件过氧化氢转化率及产氧速率比较图；（e）pH=7时催化稳定性测试图；（f）pH=9时催化稳定性测试图。

图16 产氧性能测试：（a）产氧性能测试示意图；（b）不同催化剂浓度下氧气生成体积随时间的变化图；（c）不同催化剂浓度下产氧速率图；（d）不同H

图17 催化前（a）和催化后（b）Ru@Ni-MOF的SEM图。

图18简单装置中的催化剂产氧性能：（a）简单装置中粉末样品产氧性能测试示意图；（b）O

具体实施方式

本发明优化贵金属纳米团簇的固有电子和几何结构，改善中间体的吸附/解吸，设计并制备了一种具有特异仿CAT性能的负载钌团簇的金属有机框架人造酶。本发明首次将钌团簇均匀锚定在金属Ni-MOF上得到一种人造酶材料，Ni-MOF材料不仅可以作为Ru纳米团簇（Ru NCs）的支撑，最大限度的暴露活性位点，还可以通过界面相互作用调节Ru纳米团簇的电子构型；最终所合成的人造酶具有优异仿CAT性能，可以实现过氧化氢清除和产氧（

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

本发明实施例中用到的材料与试剂：

乙酸镍（II）四水合物（Ni（OAc）

实施例1～4 Ru@Ni-MOF的制备

步骤1：Ni-MOF纳米片的合成

基于溶剂热法，首先，将Ni（OAc)

步骤2：不同钌掺杂比的Ru@Ni-MOF的制备

将44 mg Ni-MOF在含有40 mL去离子水的玻璃瓶中连续超声处理1小时，并转为油浴，然后将不同摩尔量的RuCl

对比例1 Ni-MOF纳米片的制备

Ni-MOF纳米片的合成

基于溶剂热法，首先，将Ni（OAc）

对比例2 Ru@Ni-MOF的制备

制备方法同实施例，区别仅在于RuCl

对比例3 钛酸钡负载钌团簇Ru

步骤1：BTO纳米颗粒的合成：

基于溶剂热法，使用Ba(OH)

然后将氢氧化钡水溶液加入到共混液中混匀，将最终悬浮液转移到100 mL聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，并在200℃下热处理48小时得相应得产物。反应后，用乙酸和高纯度乙醇反复洗涤（洗涤至少3次）所得产物，然后在烘箱中60℃下干燥24小时得BTO纳米颗粒。

步骤2：Ru

将摩尔比为1：15的RuCl

步骤3：基于钛酸钡负载钌团簇的人造酶材料（Ru

将上述所得Ru

试验例1 微观结构测试

1）检测方法：

扫描电子显微镜（SEM）型号为ThermoFisherScientific Apreo S HiVoc。透射电子显微镜（TEM）由在200 kV下运行的Talos F200i TEM显微镜（美国FEI有限公司）获得。热重分析（TGA）使用德国耐驰TG209 F3热重分析仪在30至700°C的温度范围内，在氮气气氛下进行，加热速率为10°C min

2）检测结果：

图1a和图2a中的透射电子显微镜（TEM）图像显示，实施例3（1：20）所得Ru@Ni-MOF中Ru以团簇（图2c）的形式均匀地锚定在Ni-MOF纳米片的表面上。X射线衍射图中Ru@Ni-MOF显示出与原始Ni-MOF相似的峰（图1b），表明添加Ru对Ni-MOF材料的结构几乎没有影响，这与红外光谱和拉曼光谱的结果一致（图3a和b）。此外，应该注意的是，由于负载量低，Ru簇没有峰值。高分辨率TEM（HRTEM）图像进一步显示了0.214 nm的晶格间距，这可归因于Ru簇的（002）晶面（图1c、图2b）。同时，EDS显示了清晰的聚集体，进一步证实了Ru团簇的形成（图1d）。

图4为不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF（图4b为1：5、图4c为1：10、图4d为1：20、图4e为1：40、图4f为1：80）和对比例1所得Ni-MOF（图4a）的SEM图像；由图4a～f可知：低掺杂量时催化剂呈小碎片状，而当Ru掺杂比高于1：20时，催化剂具有较好的形貌，呈较为完整的片状结构。

在确认Ru团簇的存在后，利用X射线光电子能谱（XPS）对Ru@Ni-MOF人造酶催化剂的化学组成和价态进行了研究。XPS光谱显示，Ni、O、C和Ru元素在Ru@Ni-MOF材料中存在（图5）。此外，在引入Ru团簇后，可清晰地检测出Ru 3p 光谱（图6a），进一步证明了Ru的成功掺杂。再者，Ru@Ni-MOF在461.3和483.7 eV处的峰（图6a）可归因于金属Ru，而464.4和485.3eV处的峰则归因于Ru-O键。Ni-MOF材料的Ni 2p光谱在854.9和872.5 eV处显示的两个特征峰（图6b）分别归因于Ni 2p

综合考虑SEM，XRD，原料成本以及性能数据，所以本发明选定掺杂比为1：20 的Ru@Ni-MOF作为最佳合成比例；本发明中，没有特别说明所得催化剂的性能结果均为该比例下所得人造酶的性能结果。

试验例2 过氧化氢酶样催化活性测试

1）检测方法：

通过评估H

类似地，按上述测试方法测试材料在不同温度和不同pH条件下的H

类似地，按上述测定方法测定不同pH条件下材料的O

2）检测结果：

图8a为空白对照组（本发明中的空白对照组指：除不加催化剂其他条件完全相同的对比组）、不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF的30分钟过氧化氢清除曲线结果，由图可知：随Ru掺杂量提高，当Ru-Ni掺杂比达到1：40时，材料表现出较为优异的过氧化氢清除活性，掺杂比达1：20时，过氧化氢清除性能已非常优异，此后再提高Ru掺杂量对催化剂过氧化氢清除性能的影响不大。图8b为不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF 30分钟时过氧化氢清除率统计结果；图8b也表明当Ru掺杂比达1：20时，催化剂具有极佳的性能。

实施例3所得Ru@Ni-MOF显示出对H

图14a为本发明空白对照组、对比例1、实施例3和对比例3所得催化剂的过氧化氢清除性能结果图，由图可知实施例3所得Ru@Ni-MOF的过氧化氢酶活性远超对比例1中的Ni-MOF和对比例3所得Ru

对实施例3所得Ru@Ni-MOF催化剂施加了不同pH条件并监测产氧性能以说明催化剂的适用条件。测试表明，催化剂的性能随着pH值的增加而提高，但当pH值过高时会降低，这表明催化剂可能在强碱性溶液中被破坏，这与产氧实验一致（图15a～c）。此外，H

试验例3 产氧性能测试

1）检测方法：

采用排水法测定了不同材料浓度和不同H

氧气生产能力：建立氧气收集装置，向瓶中加入40 mg样品和20 mL H

稳定性测试：对于粉末材料，向反应瓶中加入50 mg样品和2 mL H

2）检测结果：

受过氧化氢优异清除性能的激励，利用典型的排水法研究实际应用中在H

为了评估Ru@Ni-MOF实际应用潜力，利用1 L气体取样袋，研究了60 mg样品的实际产氧能力。首先通过反应筒产生氧气，氧气由清洗筒净化并由气体取样袋收集（图18a）。在本发明简单反应系统中，Ru@Ni-MOF可以在103 s内收集1 L氧气（图18b，c）。此外，使用气体流量计研究了Ru@Ni-MOF的气体流量，将反应烧瓶连接到气体流量计，并用气体取样袋收集生成的氧气（图18d），发现Ru@Ni-MOF可保持高水平恒定流速（图18e）。此外，为实现催化剂回收，本发明将Ru@Ni-MOF负载在碳布上(记作Ru@Ni-MOF/CC）（将70 mg样品滴在碳布上）（图18f，g）。如图18h和i所示，Ru@Ni-MOF/CC可以在120 s内产生1 L氧气，这与粉末样品的产氧性能相对应。在此基础上，本发明研究了Ru@Ni-MOF/CC的稳定性，图18j显示Ru@Ni-MOF/CC在11个循环后保持其初始催化活性。

综上可知，本发明提供了一种稳定性好、制备简便、高催化活性的Ru金属掺杂金属共价有机框架——Ru@Ni-MOF人造酶催化材料的合成方法；所得人造酶具有优异CAT酶仿酶性能，能够高效清除过氧化氢并将其转化氧气，其