基于过氧化物模拟酶的H-2O-2和葡萄糖传感及其机制研究

基于过氧化物模拟酶的H_2O_2和葡萄糖传感及其机制研究研究目的:人体健康效应相关因子的检测与传感研究一直是预防医学中重要的研究领域。过氧化氢（H₂O₂）是一种广泛用于漂白、消毒、杀菌、氧化的工业品。同时,过氧化氢在炎症、氧化应激、肿瘤与衰老等多方面具有一定作用。葡萄糖是人体重要的构成成分,也是支持生命活动的主要能量来源。人体中血清葡萄糖含量是临床上诊断糖尿病和治疗效果的指标。因此,对H₂O₂和葡萄糖的检测分析在环境分析,生化分析和临床诊断中具有重要意义。纳米模拟酶是一类既有纳米材料的独特性能,又有催化功能的人工模拟酶,可用于卫生检测中。本课题利用纳米模拟酶,通过吸收光谱,荧光光谱建立过氧化氢和葡萄糖灵敏与快速的检测方法。该研究可为卫生检测技术的应用研究服务,还会为纳米模拟酶的理论研究领域奠定一定基础。研究方法:1.通过水热法合成VO₂纳米纤维,VO₂纳米片和VO₂纳米棒,并且通过透射电子显微镜和X-射线粉末衍射对其进行表征。利用米氏方程研究过氧化物模拟酶催化活性,通过过氧化氢与显色底物3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）的比色反应,建立一种测定H₂O₂和葡萄糖的比色传感方法。2.室温制备Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物,并通过红外光谱对Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物进行表征,利用米氏方程研究Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物过氧化物模拟酶催化活性,通过过氧化氢与不同荧光底物发生反应,建立一种测定H₂O₂荧光化学传感方法。3.通过加热回流法合成CdTe量子点,室温制备Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物,通过红外光谱对Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物进行表征,通过过氧化氢与CdTe量子点发生反应,建立一种测定H₂O₂荧光化学传感方法。以对苯二甲酸（TA）为荧光探针捕获产生的羟基自由基（·OH）,确定荧光猝灭的机制。研究结果:1.发现VO₂纳米纤维,VO₂纳米片和VO₂纳米棒具有过氧化物模拟酶催化活性,能够催化显色底物3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）发生颜色变化。实验得出VO₂纳米纤维,VO₂纳米片和VO₂纳米棒均在柠檬酸盐缓冲溶液（pH=4.0,0.2M）中表现出最佳的催化活性,稳态动力学实验测得VO₂纳米纤维,VO₂纳米片和VO₂纳米棒相对于底物TMB的K_M值分别为0.518,0.111和0.801mM,Vmax分别为7.95×10^-9,1.44×10^-8和4.26×10^-77M·s^-1。相对于H₂O₂的K_M值分别为1.043,2.924和6.469mM,Vmax值分别为7.64×10^-8,8.31×10^-8和1.24×10^-77M·s^-1。测定H₂O₂的线性范围分别为0.025-10mM,0.49-60mM和0.49-16mM,H₂O₂的检测限分别为0.018,0.266和0.41mM。测定葡萄糖的线性范围分别为0.01-10mM,0.625-15mM和0.625-10mM,葡萄糖的检测限分别为0.009,0.348和0.437mM。2.证明Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物具有过氧化物模拟酶催化活性,能与苯甲酸（BA）,硫胺素（TH）和3-（4-羟基苯基）丙酸（HPPA）荧光底物发生反应。实验得出Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物在碱性条件（pH=11.0）下具有最佳的催化活性,稳态动力学实验测得Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物相对于底物BA,TH和HPPA的K_M值分别为6.03×10^-4,7.95×10^-3和2.12×10^-22M,Vmax值分别为4.06×10^-7,3.68×10^-8和5.75×10^-88M·s^-1。BA,TH和HPPA相对于H₂O₂的K_M值分别为3.75×10^-7,8.31×10^-5和2.51×10^-22M,Vmax值分别为5.82×10^-7,3.02×10^-8和3.85×10^-88M·s^-1。测定H₂O₂的线性范围分别为1×10^-8-1.6×10^-66M,1.6×10^-6-1×10^-4M和1×10^-5-2.5×10^-44M,H₂O₂的检测限分别为6.7×10^-9,2.2×10^-7和9.6×10^-66M。3.Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物与CdTe量子点发生反应,使其荧光猝灭。实验得出Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多酸化合物在碱性条件（pH=8.0）下具有最佳的催化活性,测定H₂O₂的线性范围为7.8×10^-9-2.5×10^-7M。H₂O₂的检测限为3.8×10^-9M。在最优的条件下测定了模拟水样中H₂O₂的含量,回收率在93.99%和110.02%之间,检测的相对标准偏差范围为0.88%至2.78%。研究结论:1.建立了基于不同形貌VO₂纳米粒子的比色检测H₂O₂和葡萄糖的方法,该方法快速,灵敏且成本较低。与VO₂纳米棒和VO₂纳米片相比,VO₂纳米纤维在H₂O₂和葡萄糖的检测过程中表现出最强的过氧化物酶催化活性,检测H₂O₂和葡萄糖的线性范围最宽,检测限最低。2.基于Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]多金属氧酸盐,构建了一种新型、灵敏、简单且选择性较好的荧光增强法检测H₂O₂,该方法使非荧光底物BA,TH和HPPA发生反应转变为强荧光产物。其中,以BA为底物时,Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]催化检测H₂O₂的线性范围更宽,检测限更低。3.建立了一种基于多金属氧酸盐和量子点技术的过氧化氢检测方法,该方法简单、快速、检测限低,检测范围宽,并具有较好的稳定性和准确性。4.CdTeQDs-Na₁₀[α-SiW₉O₃₄]-H₂O₂体系在三种过氧化氢传感方法中,具有最低的检测限。5.与VO₂纳米纤维和纳米棒相比,VO₂纳米片对TMB具有更高的亲和力。与VO₂纳米片和纳米棒相比,VO₂纳米纤维对H₂O₂具有更高的亲和