摘 要

作为普遍存在于自然界的高效生物催化剂，自然酶已有超过百年的研究历史。但是由于自然酶存在诸如低稳定性、高成本、高储备要求、制备纯化耗时且昂贵等不可避免的缺点，导致其工业化应用长期以来受到极大制约。而已经发现的人工模拟酶虽然在应用方面已经获得了世人瞩目的成就，但其相对天然酶较低的模拟酶活性和有限的选择性一直阻碍着其进一步的应用。因此，开发出具有模拟酶活性的新型纳米材料以及研发简便快捷的提高模拟酶活性与稳定性的方法，是十分有必要的。

本文通过简便的水热法合成了一种自身具有过氧化物模拟酶活性的金属有机骨架材料(MOFs)—MIL-88A，并对其进行了材料表征与催化条件考察，初步探究了其催化性能。基于MIL-88A自身的过氧化物模拟酶活性，在开发出一种简便的检测过氧化氢的荧光法的同时，我们还拟构建了一种MIL-88A既作为上游酶负载，又起下游酶作用的集成式纳米酶，并通过整合的前期研究开发出一种简便的检测葡萄糖的荧光法，实验结果表明该方法具有较低的灵敏度和优良的选择性，存在较高的实际应用价值。

关键词：金属有机骨架材料 集成式纳米酶 过氧化氢检测 葡萄糖检测 荧光法

Construction and Application of Integrated Nanozymes Based on Metal-Organic Frameworks

Abstract

As an efficient biocatalyst that is ubiquitous in nature, natural enzymes have a history of more than a century. However, due to the inevitable shortcomings of natural enzymes such as low stability, high cost, high reserve requirements, time-consuming and expensive preparation and purification, industrial application has long been greatly restricted. Although the synthetic nano-enzyme has achieved remarkable achievements in application, its lower analog enzyme activity and limited selectivity relative to the natural enzyme have hindered its further application. Therefore, it is very necessary to develop a novel material with simulated enzyme activity and a simple and rapid method for improving the activity and stability of the simulated enzyme.
In this paper, a metal-organic framework material (MOFs)-MIL-88A with its peroxide mimic enzyme activity was synthesized by simple hydrothermal method. The material characterization and catalytic conditions were investigated and its catalytic properties were preliminarily investigated. . Based on MIL-88A's own peroxide mimetic enzyme activity, while developing a simple fluorescent method for detecting hydrogen peroxide, we also proposed to construct a MIL-88A as both an upstream enzyme load and a downstream enzyme. The integrated nano-enzymes have been developed, and a simple fluorescence method for detecting glucose has been developed through the integration of preliminary studies. The results show that the fluorescence method of glucose detection has lower sensitivity and excellent selectivity, and has higher practical application value. 

Key Words: Metal organic framework material; integrated nanozyme; hydrogen peroxide detection; glucose detection; fluorescence method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 纳米酶 1

1.2 MOFs材料 2

1.2.1 MOFs材料简介 2

1.2.2 基于MOFs材料的纳米酶 2

1.3 集成式纳米酶 3

1.3.1 集成式纳米酶 3

1.3.2 基于MOFs材料的集成式纳米酶 3

第二章 实验部分 5

2.1 试剂与仪器 5

2.1.1 实验试剂 5

2.1.2 实验仪器 5

2.2 MIL-88A的合成与表征方法 6

2.2.1 MIL-88A的合成 6

2.2.2 材料的表征方法 6

2.3 催化条件的优化 7

2.3.1 MIL-88A的过氧化物模拟酶活性探究 7

2.3.2 pH对催化活性的影响 7

2.3.3 孵育温度对催化活性的影响 7

2.3.4 催化剂浓度对催化活性的影响 8

2.3.5 孵育时间对催化活性的影响 8

2.3.6 H2O2检测工作曲线 8

2.3.7 机理验证实验 9

2.4 MIL-88A用于葡萄糖的检测 9

2.4.1 葡萄糖检测可行性分析 9

2.4.2 Glu检测工作曲线 9

2.4.3 选择性实验 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 MIL-88A的表征 11

3.2 MIL-88A的催化活性和影响因素 13

3.2.1 MIL-88A的过氧化物模拟酶活性 13

3.2.2 MIL-88A催化活性的影响因素 13

3.3 H₂O₂和Glu的检测 16

3.3.1 H₂O₂的检测 16

3.3.2 Glu的检测 17

3.3.3 机理与讨论 20

总 结 22

参考文献 23

致 谢 24

第一章 绪论

1.1 纳米酶

在生命体内的众多生化反应过程中，自然酶作为天然存在的催化剂，起着高效的调节作用。由于其作用条件温和、催化活性高以及底物特异性强等优点，已被广泛应用于包括生物传感、生物制药、食品工程和农业化学品生产等众多领域^[1]。但同时，大多数自然酶也普遍存在一些无法弥补的内在缺陷，比如：合成及纯化成本高、强酸强碱高温条件下易失活、易被蛋白酶和微生物降解等^[2]。这些缺陷促使科研工作者需要去开发具有催化活性且成本低廉又性质稳定的酶替代物，因此模拟酶的研究应运而生。在模拟酶研究的早期阶段，已被开发出的有诸如环糊精、金属配合物、卟啉、高分子聚合物、超分子和生物分子等各种人工酶，此类人工酶虽然克服了自然酶的内在缺陷，但催化活性相比自然酶仍十分有限^[3]。

“纳米酶(Nanozyme)”是指具有类似自然酶的催化效率和酶促反应动力性质的一类纳米材料 ^[4]。迄今相继问世的新一代模拟纳米酶包括了贵金属、过渡金属氧化物，碳基材料等等，其应用研究已经拓展延伸到了化学、生物和医学等多个方向 ^[5]。自从Yan院士课题组^[6]首次提出了利用Fe₃O₄纳米粒子的过氧化物酶活性检测H₂O₂和葡萄糖(glucose, Glu)，检测 H₂O₂和Glu便成为过氧化物纳米模拟酶比较常见的应用。其后 Sun课题组^[7]通过向超薄石墨氮碳纳米片上掺杂铁纳米片的方法制备了高模拟酶活性的Fe-g-C₃N₄复合材料，并构建了一种快速且高效的检测葡萄糖含量的测定方法（检测限0.5 mmol/L）。Xia课题组^[8]用快速沉淀法制备了水溶性CuO NPs，基于CuO NPs的过氧化物酶活性，建立了一种比色检测H₂O₂和Glu的方法^[9]。类似的分析传感器在环境化学，生物技术和医学领域显示出其巨大的潜在应用价值。

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