论文总字数：20352字

摘 要

天然酶具有较高的催化活性和底物特异性，在各个领域得到了广泛的应用。但是天然酶目前存在成本高、稳定性差、回收困难和难以储存等内在缺陷。为了克服这些缺点，人们致力于人工模拟酶的研究。随着纳米技术的迅速发展，人们对纳米技术认识的不断加深，具备天然酶活性的新型纳米材料（纳米酶）有望成为新型天然酶替代物。近年来，含碳纳米复合材料作为新型天然酶替代物被广泛研究。复合材料的最大优点是将不同性能的纳米材料相结合，在同种材料上体现出更优异的性能。

因此，本文通过简单的煅烧法制备了一种具有过氧化物酶活性的新型纳米材料Bi@C纳米复合物。同时，鉴于荧光方法具有灵敏度高、选择性强和仪器操作简便等优势，本实验采用荧光方法，通过监测荧光底物的信号变化实现Bi@C过氧化物酶活性的研究，并优化筛选出过氧化物酶活性较高的反应条件。最后，拟基于Bi@C的纳米酶活性构建新型生物荧光传感器。

关键词：Bi@C 纳米材料 过氧化物酶 荧光法

The synthesis of Bi@C nanomaterials and the study of their peroxidase-like activity

Abstract

Natural enzymes have been widely used in various fields due to their high catalytic activity and substrate specificity. However, natural enzymes have some inherent defects such as high cost, poor stability, difficult recovery and storage. In order to overcome these shortcomings, people have been working on developing artificial enzyme mimics. With the development of nanotechnology, nano materials with natural enzyme activity (nanozymes) are expected to become the substitutes of natural enzymes. In recent years, carbon-based nanocomposites have been widely studied as nanozymes. The composite materials have the merit of different properties, showing more excellent performance in the biosensing.

In this paper, Bi@C nanocomposites were prepared by calcination method. The peroxidase-like activity of as-prepared Bi@C nanocomposites was investigated by fluorescence method. The optimal conditions of Bi@C nanozymes were studied to design the novel biosensors based on the peroxidase-like activity of Bi@C nanocomposites.

Key Words：Bi@C；Nanomaterials；Peroxidase；Fluorescence

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 简介 1

1.1 绪论 1

1.1.1 纳米酶及发展历程 1

1.1.2 纳米酶的种类 1

1.1.3 纳米粒子模拟酶活性的分析方法 3

1.2 本论文的主要工作 5

第二章 实验部分 7

2.1 实验 7

2.1.1 实验试剂 7

2.1.2 实验仪器 7

2.2.3 Bi@C纳米复合材料的合成 7

2.2.4 Bi@C纳米复合材料的表征方法 7

第三章 Bi@C纳米复合材料过氧化物酶活性探究 9

3.1 Bi@C纳米复合材料的表征 9

3.1.1 Bi@C纳米复合材料的XRD表征 9

3.1.2 Bi@C纳米复合材料的SEM表征 9

3.2 Bi@C纳米复合材料过氧化物模拟酶的反应条件优化 10

3.2.1 Bi@C纳米复合材料的过氧化物模拟酶活性探究 10

3.2.2 催化剂浓度对催化活性的影响 11

3.2.3 pH对催化活性的影响 12

3.2.4 孵育温度对催化活性的影响 12

3.2.5 孵育时间对催化活性的影响 13

3.2.6 H₂O₂浓度对催化活性的影响 14

第四章 结论与展望 16

参考文献 17

致谢 21

第一章 简介

1.1 绪论

1.1.1 纳米酶及发展历程

纳米酶是一类具有天然酶活性的纳米材料，由于其能够克服天然酶的低稳定性、高成本和储存困难等缺陷而蓬勃发展。早在2004年，Pasquato和Scrimin等^[1]第一次提出了“纳米酶”的概念。自从2007年Yan等^[2]发现Fe₃O₄ MNPs与过氧化物酶（HRP）等天然酶的催化活性类似以来，纳米酶特指具有内在类酶特性的纳米材料。2013年Wang课题组^[3]指出纳米酶是具备催化活性的纳米材料，拓宽纳米酶的使用范围。目前，世界上已经有越来越多的研究小组致力于纳米酶的研究，开发出了几十种纳米酶，覆盖了数百种纳米材料。如图1-1所示，纳米酶和天然酶的发展迅速，纳米酶已经从一个概念发展到一个连接纳米技术和生物学的新的研究领域。

图1-1 纳米酶发展简要时间表^[4]

1.1.2 纳米酶的种类

生命系统中发现了一系列的酶。它们都参与了复杂的生物催化过程，并且在生命体内发挥重要作用。在研究人员的持续努力下，许多纳米材料已经成为实际应用的潜在酶候选材料。其中，纳米酶的种类主要分为以下几类：过氧化物酶、氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等。

1.过氧化物酶

过氧化物酶是一种存在于动植物体内的氧化还原酶。当体系中存在H₂O₂时，过氧化物酶能够催化H₂O₂发生相应的氧化反应。研究者已经将他开发用来检测H₂O₂、葡萄糖、胆碱等物质的浓度。如上所述，2007年，Yan等^[2]发现Fe₃O₄ MPs首先与第一底物H₂O₂作用形成中间体羟基自由基（·OH）。生成的·OH将与第二底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB）反应。随后，通过电子自旋共振（ESR）测量和自由基抑制实验，Tang等^[5]提出了Fe₃O₄纳米颗粒（NPs）具有与过氧化物酶类似的活性。在他们的研究中，ESR被用来监测催化反应过程中中间体·OH的生成。实验结果表明，Fe₃O₄ NPs也能产生中间产物·OH，与天然过氧化物酶类似。

许多金属纳米材料，如Au、Pt、Ag及它们的复合金属纳米粒子，已经有研究证明具有类过氧化物酶活性，并在化学分析和生物医学中实现了广泛的应用。铁硫族化合物（FeS纳米片、FeSe NPs）、铁磷酸盐、掺杂铁氧体（如CoFe₂O₄和BiFeO₃）、金属基纳米颗粒（Au和Au@Pt纳米材料）和许多金属氧化物/硫族纳米材料（CuO、Co₃O₄、CdS等）被发现是过氧化物酶模拟物。几乎所有这些纳米颗粒都具有大的比表面积和体积比，与蛋白质酶的结合能力强，与H₂O₂的亲和力高，有利于底物的结合和电子的转移^[4]。

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