论文部分内容阅读
糖尿病作为一种常见的慢性代谢性疾病，其病症是高血糖，并伴有心脏、血管、眼睛、肾脏和神经系统相关并发症。世界卫生组织（WHO）报道全球糖尿病患者的数量在2015年已增加到4.22亿，到2045可能增加至6.93亿。因此，早期精准检测患者血清葡萄糖浓度对糖尿病现场分析和诊断具有重要意义。目前，比色法，荧光法，化学发光法和电化学法等已用于高效检测血清葡萄糖。其中，基于葡萄糖氧化酶-过氧化物酶（GOD-POD）的比色法由于其检测时间短，检出限低和灵敏度高而被广泛用。但是，该方法需要使用天然过氧化物酶，使其成本高，分离困难，环境敏感及需要特定存储。
纳米技术的快速发展，使其在化学、生物等领域中的应用愈发重要。由于纳米材料的尺寸效应，使其具有生物酶催化性能。这些具有类酶催化活性的纳米材料，统称为纳米酶。纳米酶具有许多超越天然酶的优势，有着重要的研究价值和广阔的应用前景，成为近年来催化领域备受关注的研究对象。目前普遍认为，纳米酶活性主要基于材料通过Fenton/Fenton-like反应产生自由基的能力和纳米材料对底物的吸附能力。因此，我们尝试通过合成高具有Fenton/Fenton-like反应和高吸附能力的材料开发一些催化活性更高的纳米酶，并研究其在检测中的应用。本论文拟开展以下研究：
第一部分：通过调节溶剂热法中乙二醇与水的比例，合成含不同浓度硫空位（SV）的磁性Fe3S4纳米片。电子顺磁共振波谱(EPR)和X射线光电子能谱(XPS)结果表明，以乙二醇和水为溶剂时，可分别获得SV-rich Fe3S4纳米片和SV-poor Fe3S4纳米片。研究硫空位Fe3S4的类过氧化物酶活性，实验结果显示，SV-rich Fe3S4催化H2O2分解并氧化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)的最大反应速率是SV-poor Fe3S4的2.3倍。密度泛函理论(DFT)计算和活性氧(ROS)检测结果证实，SV-rich Fe3S4拥有较高的类过氧化物酶活性的原因是在Fe3S4表面的SVs可以高效吸附H2O2，并将其分解为羟基自由基(?OH)。由此，我们开发基于SV-rich Fe3S4类过氧化物酶活性的比色生物检测平台，用于葡萄糖的快速测定。该比色平台的检测线性范围为0.5到150μmol/L，检出限为0.1μmol/L(S/N=3)。最后，我们设计了一款智能手机应用程序(APP)应用于SV-rich Fe3S4的比色生物检测平台可视化检测血清葡萄糖。上述研究结果证明，Fe3S4纳米片表面硫空位在增强纳米材料的类过氧化物酶活性方面具有重要作用，可用于医疗诊断中的葡萄糖检测。
第二部分：我们以NH2-MIL-88为前驱体，通过逐步煅烧并硫化得到碳氮修饰的多孔FeS2（FeS2@CN）。通过NH2-MIL-88,Fe@CN和FeS2@CN的类过氧化物酶活性实验表明，相较于NH2-MIL-88和Fe@CN材料，FeS2@CN具有更加优异的类过氧化物酶的性能。通过实验条件优化，最终实验条件为温度=40℃，pH=4和FeS2@CN浓度为25mg/L。在对实验条件优化的基础上进行动力学研究，结果表明，FeS2@CN的Km(TMB)(0.018)和Km(H2O2)(0.011)明显低于HRP的Km(TMB)(0.434)和Km(H2O2)(3.7)。合成的FeS2@CN，对3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)和H2O2的亲和力远高于过氧化氢氧化酶（HRP）。构建基于FeS2@CN类过氧化物酶活性的葡萄糖生物比色法，其线性范围和检出限分别为0.5–100μmol/L和0.1μmol/L。因其具有储存方便，灵敏度高，稳定性好等优势，FeS2@CN有望取代贵金属过氧化物酶。
纳米技术的快速发展，使其在化学、生物等领域中的应用愈发重要。由于纳米材料的尺寸效应，使其具有生物酶催化性能。这些具有类酶催化活性的纳米材料，统称为纳米酶。纳米酶具有许多超越天然酶的优势，有着重要的研究价值和广阔的应用前景，成为近年来催化领域备受关注的研究对象。目前普遍认为，纳米酶活性主要基于材料通过Fenton/Fenton-like反应产生自由基的能力和纳米材料对底物的吸附能力。因此，我们尝试通过合成高具有Fenton/Fenton-like反应和高吸附能力的材料开发一些催化活性更高的纳米酶，并研究其在检测中的应用。本论文拟开展以下研究：
第一部分：通过调节溶剂热法中乙二醇与水的比例，合成含不同浓度硫空位（SV）的磁性Fe3S4纳米片。电子顺磁共振波谱(EPR)和X射线光电子能谱(XPS)结果表明，以乙二醇和水为溶剂时，可分别获得SV-rich Fe3S4纳米片和SV-poor Fe3S4纳米片。研究硫空位Fe3S4的类过氧化物酶活性，实验结果显示，SV-rich Fe3S4催化H2O2分解并氧化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)的最大反应速率是SV-poor Fe3S4的2.3倍。密度泛函理论(DFT)计算和活性氧(ROS)检测结果证实，SV-rich Fe3S4拥有较高的类过氧化物酶活性的原因是在Fe3S4表面的SVs可以高效吸附H2O2，并将其分解为羟基自由基(?OH)。由此，我们开发基于SV-rich Fe3S4类过氧化物酶活性的比色生物检测平台，用于葡萄糖的快速测定。该比色平台的检测线性范围为0.5到150μmol/L，检出限为0.1μmol/L(S/N=3)。最后，我们设计了一款智能手机应用程序(APP)应用于SV-rich Fe3S4的比色生物检测平台可视化检测血清葡萄糖。上述研究结果证明，Fe3S4纳米片表面硫空位在增强纳米材料的类过氧化物酶活性方面具有重要作用，可用于医疗诊断中的葡萄糖检测。
第二部分：我们以NH2-MIL-88为前驱体，通过逐步煅烧并硫化得到碳氮修饰的多孔FeS2（FeS2@CN）。通过NH2-MIL-88,Fe@CN和FeS2@CN的类过氧化物酶活性实验表明，相较于NH2-MIL-88和Fe@CN材料，FeS2@CN具有更加优异的类过氧化物酶的性能。通过实验条件优化，最终实验条件为温度=40℃，pH=4和FeS2@CN浓度为25mg/L。在对实验条件优化的基础上进行动力学研究，结果表明，FeS2@CN的Km(TMB)(0.018)和Km(H2O2)(0.011)明显低于HRP的Km(TMB)(0.434)和Km(H2O2)(3.7)。合成的FeS2@CN，对3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)和H2O2的亲和力远高于过氧化氢氧化酶（HRP）。构建基于FeS2@CN类过氧化物酶活性的葡萄糖生物比色法，其线性范围和检出限分别为0.5–100μmol/L和0.1μmol/L。因其具有储存方便，灵敏度高，稳定性好等优势，FeS2@CN有望取代贵金属过氧化物酶。