一種納米黑硒過氧化物模擬酶及其製備方法

2023-12-08 08:27:01

一種納米黑硒過氧化物模擬酶及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有過氧化物酶模擬活性的納米黑硒及其製備方法，屬於納米材料製備及應用領域，其製備方法是，以二氧化硒為原料，以濃硫酸為還原劑，在溶劑熱條件下製備納米級的黑色單質硒。該物質具有類似過氧化物酶的催化活性，可以催化過氧化物酶底物3,3',5,5'-四甲基聯苯胺與過氧化氫的顯色反應。製備方法簡單，反應產物容易分離提純，所用反應儀器和試劑價格低廉，克服了天然酶難提純、價格昂貴的缺點，可用於易導致酶變性的工作環境，並在水溶性導電聚合物的綠色合成領域中有很好的應用前景。
【專利說明】
一種納米黑砸過氧化物模擬酶及其製備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種納米黑硒過氧化物模擬酶及其製備方法，屬納米材料製備及其應用【技術領域】。

【背景技術】
[0002]隨著人類環保意識及社會可持續發展理念的增強，酶催化工藝作為一種綠色的合成技術已成為目前化學工業領域中研究和應用的熱點。作為工業生物技術的核心，酶催化技術被譽為工業可持續發展最有希望的技術。生物催化和生物轉化技術，將是我國生物化工行業實現生產方式變更，產品結構調整與清潔高效製造的有力保證。近年來，隨著綠色化學的興起，酶催化作為綠色化學的一個重要組成部分，成為現代生物學和化學交叉領域裡最活躍的研究領域之一，許多酶催化工藝已經用於手性藥物、農藥等精細化學品的生產中，並且有穩步上升，快速發展的趨勢。
[0003]以1973年通過聚乙炔摻雜而發現高導電性有機材料為起點，導電高分子作為新型功能材料日益受到了各方面的關注，尤其是本徵型共扼導電聚合物，在化學電源、電磁屏蔽、抗靜電、信息貯存及處理、電致變色材料、傳感器、隱身材料等領域有著廣闊的應用前景。在諸多的導電聚合物中，聚苯胺(簡稱PANI)、聚吡咯(簡稱PPy)和聚(3，4-乙撐二氧噻吩)(簡稱PED0T)因其原料廉價易得、優異的電化學性能及化學穩定性，被認為是最有希望在實際中得到應用的導電聚合物，因而成為導電聚合物的研究熱點。
[0004]目前，商業化的導電聚合物一般是通過傳統化學法或電化學的方法得到的，反應的第一步都是單體被氧化生成陽離子自由基。傳統化學法的優點是產率較高，可以實現規模化生產，但必須使用有害環境的有機溶劑或使用強氧化劑才能完成第一步反應，同時這些強氧化劑會產生大量的副產物，例如用過硫酸鉀做氧化劑，每獲得1公斤的聚合物，就會產生1公斤的硫酸銨鹽副產物，且反應後需繁瑣的淨化和分離過程。電化學法相對環保，但產率太低，難以實現規模化生產。此外，目前商業化的導電高分子幾乎不溶不熔，很難成型加工。這些不足都是擴大導電聚合物應用的巨大障礙，而酶促聚合恰恰可以克服這些不足。
[0005]酶是生物體中存在的一種高效催化劑，酶催化具有自己的獨特之處。首先，酶催化具有高效性和很高的區域選擇性及立體選擇性，並且反應大多數可在水中進行，避免了汙染環境的有機溶劑的使用；其次，酶催化劑反應條件溫和，大量研究已經證實，酶可以在環境友好型氧化劑(例如分子氧或者h2o2)的協助下，催化苯胺、吡咯、噻吩等單體的聚合，製備導電聚合物，從而克服了傳統化學法採用強氧化劑所存在的副產物多、分離提純步驟繁瑣的不足；第三，酶催化生成的導電高分子大都具有水溶性，這對於改善導電聚合物的可加工性能，拓展其應用範圍是很有意義的。
[0006]最早有關天然酶催化合成導電聚合物的報導見於1990年的Journal ofB1technology雜誌，作者採用膽紅素氧化酶(bilirubin oxidase)催化了苯胺的聚合，製備了聚苯胺薄膜(J.B1technol.1990，14, 3-4:301-309) 0自此，酶促苯胺聚合的報導大量湧現出來，其中研究最廣泛的酶是辣根過氧化物酶(HRP) (Macromolecules, 2004，37，4130-4138)。之後，人們又陸續發現，從皇家棕櫚樹中提取出來的棕櫚樹過氧化物酶(Enzyme Microb.Technol.2003，33 (5):661-667)、從白腐菌菌株中提取出的漆酶(J.Appl.Polym.Sc1.2009, 114:928-934)、從大豆中提取出的大豆過氧化物酶(Eur.Polym.J.2005,41:1129-1135)以及葡萄糖氧化酶(Polymer2009, 50:1846-1851)也可以催化苯胺的聚合。
[0007]遺憾的是，由於天然酶對熱和pH極為敏感，因此具有穩定性差、易變性失活、貯存困難、價格昂貴等缺點，從而限制了酶催化工藝的規模開發和利用。有文獻報導，辣根過氧化物酶HRP僅能在4.0?4.65的很窄的pH範圍內催化水溶性導電聚苯胺的合成，pH高於4.65,只能製得不導電的聚苯胺，而pH低於4.0, HRP便失去催化活性(J.Am.Chem.Soc.，1999，121，71)。在這一研究背景下，一類可以模擬天然酶的催化活性的物質——模擬酶，逐漸被人們開發。模擬酶是人工合成的仿酶催化劑，它具有類似酶的催化功能，但結構比天然酶簡單，化學性質穩定，還有高效、高選擇性和價廉易得等優點。模擬酶的研究不僅對生物化學有重要意義，而且對綠色化學的開發和社會可持續發展都有著重要的研究價值。
[0008]目前，國內外多個課題組都在積極地致力於模擬酶的研究，並開展了大量具有催化活性的酶模擬物的研究和開發。
[0009]2007年之前，過氧化物模擬酶的研究主要聚焦於金屬-有機配合物模擬酶，雖然這些人工模擬物的成本比天然酶有所下降，但是仍存在有機合成工藝複雜、提純分離困難的局限性，特別是作為有機物，其熱穩定性差、易失活的不足，與天然酶相比，並沒有得到明顯改善。
[0010]納米顆粒模擬酶是近幾年內湧現出的一類新型模擬酶。2007年，中科院生物物理研究所閻錫蘊研究員首次發現氧化鐵納米顆粒具有類似過氧化物酶的催化活性，並提出了納米顆粒模擬酶的概念(Nat.Nanotechnol.2007，2，577-583)。自此，納米材料因其高的催化活性、獨特的小尺寸效應與表面效應、不易失活、易保存等特點而逐漸成為模擬酶研究的熱點。隨後該領域的研究結果顯示:處於納米尺度的氧化石墨烯(Adv.Mater.2010, 22, 2206-2210)、硫化鎘納米粒子(Angew.Chem.1nt.Edit.2008，47:5335-5339)、CoFe204 磁性納米顆粒(Chem.Commun.2011，47:10785-10787)、單壁碳納米管(Chem.-Eur.J.2010，16:3617_3621)、FeS 納米片(Chem.-Eur.J.2009，15:4321-4326)、氧化鈰納米粒子(Chem.Commun.2010，46，2736-2738)、V205 納米線(Adv.Funct.Mater.2011，21:501-509)、鉬納米晶(Colloid.Surface, A 2011，373:6-10)、憐酸鋪納米粒子(Chem.Commun.2012, 48:6839-6841)、憐酸鐵微米顆粒(Chem.Commun.2012，48:7289-7291)等也都表現出了類似的酶活性。但是採用納米材料模擬酶為催化劑，催化導電聚合物的合成，目前尚未見報導。


【發明內容】

[0011]本發明針對天然酶易失活、難提純、價格高等問題，提供了一種不易失活、易提純、價格低廉的納米黑硒過氧化物模擬酶及其製備方法。
[0012]為實現上述目的，本發明通過如下技術方案實現:
[0013]本發明所述納米黑硒過氧化物模擬酶具有類似過氧化物酶的模擬活性，能夠催化過氧化物酶底物3，3』，5，5』 -四甲基聯苯胺與過氧化氫的顯色反應，能夠催化水溶性導電聚合物的綠色合成；其製備方法是，將二氧化硒溶解於濃硫酸中，加入溶劑，轉移至高壓釜中採用溶劑熱法製備納米黑硒過氧化物模擬酶。
[0014]其中，所述的溶劑為水和丙三醇的混合溶劑，水和丙三醇的體積比為1:6?6:1，優選為1:3。
[0015]所述的溶劑熱法反應溫度為120?200°C，優選為180°C。
[0016]所述的溶劑熱法反應時間為6?18小時，優選為12小時。
[0017]所述納米黑硒過氧化物模擬酶的具體製備過程:
[0018]稱量(λ 022?(λ 44g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解於(λ 5?10mL去離子水中，力口入0.08?1.6mL質量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘後，加入10?30mL丙三醇，繼續攪拌30分鐘，將混合物轉移至高壓釜中，120?180°C反應6?18小時；產物離心，離心後的沉澱用去離子水和乙醇各洗滌3次後，60°C真空乾燥，製得納米黑硒粉末。
[0019]由上述技術方案可知，本發明以二氧化硒為主要原料，水和丙三醇為溶劑，採用溶劑熱法製備了具有過氧化物酶模擬活性的納米黑硒。
[0020]與天然酶相比，本發明的優點在於:
[0021](1)納米黑硒過氧化物模擬酶的製備方法簡單，反應產物容易分離提純，所用反應儀器和試劑價格低廉，克服了天然酶難提純、價格昂貴的缺點。
[0022](2)納米黑硒過氧化物模擬酶性質穩定，能在3.0?6.0的較寬pH範圍內，保持模擬酶活性，催化TMB與H202的顯色反應，克服了天然酶在pH低於4.0時即失活的缺點。
[0023](3)納米黑硒過氧化物模擬酶能在2.2?4.2的較寬pH範圍內催化水溶性導電聚合物的合成，且在pH = 2.2時催化活性最強，克服了天然酶催化合成水溶性導電聚合物的工藝中，天然酶易失活、易變性、僅能在4.0?4.65的較窄pH範圍內催化水溶性導電高分子聚合的缺點。
[0024](4)本發明所述的納米黑硒過氧化物模擬酶可用於易導致酶變性的工作環境，並在水溶性導電聚合物的綠色合成領域中有很好的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1:納米黑硒的XRD圖譜。
[0026]圖2:納米黑硒的SEM照片。
[0027]圖3:pH = 1.0?9.0條件下ΤΜΒ_Η202混合溶液的紫外-可見光吸收圖譜。
[0028]圖4:納米黑硒過氧化物酶催化合成的水溶性導電聚合物的照片和紫外-可見吸收光譜。

【具體實施方式】
[0029]實施例1
[0030]1、納米黑硒過氧化物模擬酶的製備:
[0031]步驟:
[0032]稱量0.222g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解於5mL去離子水中，加入0.8mL質量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘後，加入30mL丙三醇，繼續攪拌30分鐘，將混合物轉移至高壓釜中，180°C反應6小時，產物離心，離心沉澱用去離子水和乙醇各洗滌3次後，60°C真空乾燥，製得納米黑硒粉末。
[0033]結果:
[0034]由附圖1可見，製備得到的產物為純度很高的硒單質。
[0035]由附圖2可見，製備得到的黑硒為球形顆粒，尺寸在500nm?ΙΟμπι之間。
[0036]2、納米黑硒過氧化物酶模擬活性的測試:
[0037]步驟:
[0038]①取10mg納米黑硒,分散於10mL超純水中，獲得質量濃度為lmg/mL的納米黑硒的水分散液。
[0039]②準確量取500 μ L摩爾濃度為ImM的TMB水溶液和100 μ L摩爾濃度為1Μ的Η202水溶液，再加入1.8mL檸檬酸鈉-磷酸氫二鈉緩衝溶液(pH由1.0變化至9.0)，在200?800nm波長範圍內記錄ΤΜΒ_Η202混合溶液的紫外-可見吸收光譜。
[0040]③準確量取100 μ L上述質量濃度為lmg/mL的納米黑硒的水分散液，加入ΤΜΒ-Η202混合溶液中，觀察混合溶液的顏色變化，當發現顏色幾乎不變時，記錄混合溶液的紫外-可見吸收光譜。
[0041]結果:
[0042]由附圖3可見，在pH = 3.0?6.0之間，添加納米黑硒後，ΤΜΒ_Η202混合溶液在653nm處均出現了明顯的吸收峰，說明納米黑硒在3.0?6.0的pH範圍內，均具有良好的過氧化物酶模擬活性。
[0043]3、納米黑硒過氧化物模擬酶催化水溶性導電聚苯胺PANI的合成:
[0044]步驟:
[0045]①稱取0.093克吡咯單體和0.067克聚苯乙烯磺酸鈉，加入到20毫升pH = 2.2的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩衝溶液中，冰浴下攪拌4小時。
[0046]②加入5毫克實施例1所製備的納米黑硒過氧化物模擬酶，40°C水浴反應，令苯胺單體在納米黑硒的催化下發生聚合。
[0047]③聚合反應12小時後結束反應，將反應體系在3000轉/分鐘的轉速下離心10分鐘，以去除納米黑硒催化劑。
[0048]④上層離心液轉入截留分子量為3500KDa的透析袋中，於pH = 5的鹽酸溶液中透析24小時，去除未反應的單體和分子量較小的低聚物，得到最終產物水溶性聚苯胺。
[0049]4、納米黑硒過氧化物模擬酶催化水溶性導電聚吡咯PPy的合成:
[0050]步驟:
[0051]①稱取0.029克吡咯單體和0.089克聚苯乙烯磺酸鈉，加入到20毫升pH = 2.2的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩衝溶液中，冰浴下攪拌4小時。
[0052]②加入10毫克實施例1所製備的納米黑硒過氧化物模擬酶，60°C水浴反應，令吡咯單體在納米黑硒的催化下發生聚合。
[0053]③聚合反應12小時後結束反應，將反應體系在3000轉/分鐘的轉速下離心10分鐘，以去除納米黑硒催化劑。
[0054]④上層離心液轉入截留分子量為3500KDa的透析袋中，於pH = 5的鹽酸溶液中透析24小時，去除未反應的單體和分子量較小的低聚物，得到最終產物水溶性聚吡咯。
[0055]5、納米黑硒過氧化物模擬酶催化水溶性導電聚3，4-乙撐二氧噻吩PED0T的合成:
[0056]步驟:
[0057]①稱取0.282克3，4_乙撐二氧噻吩單體和0.464克D-樟腦_10_磺酸，加入到20毫升pH = 3.2的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩衝溶液中，冰浴下攪拌4小時。
[0058]②加入20毫克實施例1所製備的納米黑硒過氧化物模擬酶，60°C水浴反應，令噻吩單體在納米黑硒的催化下發生聚合。
[0059]③聚合反應12小時後結束反應，將反應體系在3000轉/分鐘的轉速下離心10分鐘，以去除納米黑硒催化劑。
[0060]④上層離心液轉入截留分子量為3500KDa的透析袋中，於pH = 5的鹽酸溶液中透析24小時，去除未反應的單體和分子量較小的低聚物，得到最終產物水溶性聚3，4-乙撐二氧噻吩。結果:
[0061]由附圖4A可見，納米黑硒催化合成的3種導電聚合物均能夠溶解在水中，形成均勻的水溶液，由附圖4B可見，它們的紫外-可見吸收光譜分別符合聚苯胺、聚吡咯、聚3,4-乙撐二氧噻吩的特點。
[0062]實施例2
[0063]稱量0.lllg 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解於5mL去離子水中，加入0.4mL質量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘後，加入30mL丙三醇，繼續攪拌30分鐘，將混合物轉移至高壓釜中，120°C反應10小時，產物離心，離心沉澱用去離子水和乙醇各洗滌3次後，60°C真空乾燥，製得納米黑硒粉末。
[0064]實施例3
[0065]稱量0.022g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解於7.5mL去離子水中，加入0.08mL質量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘後，加入30mL丙三醇，繼續攪拌30分鐘，將混合物轉移至高壓釜中，150°C反應8小時，產物離心，離心沉澱用去離子水和乙醇各洗滌3次後，60°C真空乾燥，製得納米黑硒粉末。
[0066]實施例4
[0067]稱量0.35g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解於8mL去離子水中，加入1.3mL質量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘後，加入32mL丙三醇，繼續攪拌30分鐘，將混合物轉移至高壓釜中，160°C反應15小時，產物離心，離心沉澱用去離子水和乙醇各洗滌3次後，60°C真空乾燥，製得納米黑硒粉末。
[0068]實施例5
[0069]稱量0.44g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解於20mL去離子水中，加入1.6mL質量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘後，加入20mL丙三醇，繼續攪拌30分鐘，將混合物轉移至高壓釜中，140°C反應18小時，產物離心，離心沉澱用去離子水和乙醇各洗滌3次後，60°C真空乾燥，製得納米黑硒粉末。
【權利要求】
1.一種納米黑硒過氧化物模擬酶，其特徵在於，該納米黑硒過氧化物模擬酶具有類似過氧化物酶的模擬活性，能夠催化過氧化物酶底物3，3』，5，5』 -四甲基聯苯胺與過氧化氫的顯色反應，能夠催化水溶性導電聚合物的綠色合成； 其製備方法是，將二氧化硒溶解於濃硫酸中，加入溶劑，轉移至高壓釜中採用溶劑熱法製備納米黑硒過氧化物模擬酶。
2.根據權利要求1所述的納米黑硒過氧化物模擬酶，其特徵在於，所述的溶劑為水和丙三醇的混合溶劑，水和丙三醇的體積比為1:6?6:1。
3.根據權利要求1所述的納米黑硒過氧化物模擬酶，其特徵在於，所述的溶劑熱法反應溫度為120?200°C ;所述的溶劑熱法反應時間為6?18小時。
4.根據權利要求1所述的納米黑硒過氧化物模擬酶，其特徵在於，所述納米黑硒過氧化物模擬酶的製備過程: 稱量0.022?0.44g 二氧化硒(SeO2),室溫下溶解於0.5?1mL去離子水中，加入.0.08?1.6mL質量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘後，加入10?30mL丙三醇，繼續攪拌30分鐘，將混合物轉移至高壓釜中，120?180°C反應6?18小時；產物離心，離心後的沉澱用去離子水和乙醇各洗滌3次後，60°C真空乾燥，製得納米黑硒粉末。
【文檔編號】C01B19/02GK104437560SQ201410559673
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】王瑋, 李雷雷, 陳克正 申請人:青島科技大學