一種納米黑硒過氧化物模擬酶及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有過氧化物酶模擬活性的納米黑硒及其制備方法，屬于納米材料制備及應(yīng)用領(lǐng)域，其制備方法是，以二氧化硒為原料，以濃硫酸為還原劑，在溶劑熱條件下制備納米級(jí)的黑色單質(zhì)硒。該物質(zhì)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(lián)苯胺與過氧化氫的顯色反應(yīng)。制備方法簡(jiǎn)單，反應(yīng)產(chǎn)物容易分離提純，所用反應(yīng)儀器和試劑價(jià)格低廉，克服了天然酶難提純、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，可用于易導(dǎo)致酶變性的工作環(huán)境，并在水溶性導(dǎo)電聚合物的綠色合成領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種納米黑砸過氧化物模擬酶及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米黑硒過氧化物模擬酶及其制備方法，屬納米材料制備及其應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類環(huán)保意識(shí)及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展理念的增強(qiáng)，酶催化工藝作為一種綠色的合成技術(shù)已成為目前化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域中研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。作為工業(yè)生物技術(shù)的核心，酶催化技術(shù)被譽(yù)為工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)。生物催化和生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，將是我國(guó)生物化工行業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式變更，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整與清潔高效制造的有力保證。近年來，隨著綠色化學(xué)的興起，酶催化作為綠色化學(xué)的一個(gè)重要組成部分，成為現(xiàn)代生物學(xué)和化學(xué)交叉領(lǐng)域里最活躍的研究領(lǐng)域之一，許多酶催化工藝已經(jīng)用于手性藥物、農(nóng)藥等精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)中，并且有穩(wěn)步上升，快速發(fā)展的趨勢(shì)。
[0003]以1973年通過聚乙炔摻雜而發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)電性有機(jī)材料為起點(diǎn)，導(dǎo)電高分子作為新型功能材料日益受到了各方面的關(guān)注，尤其是本征型共扼導(dǎo)電聚合物，在化學(xué)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(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在諸多的導(dǎo)電聚合物中，聚苯胺(簡(jiǎn)稱PANI)、聚吡咯(簡(jiǎn)稱PPy)和聚(3，4-乙撐二氧噻吩)(簡(jiǎn)稱PED0T)因其原料廉價(jià)易得、優(yōu)異的電化學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是最有希望在實(shí)際中得到應(yīng)用的導(dǎo)電聚合物，因而成為導(dǎo)電聚合物的研究熱點(diǎn)。
[0004]目前，商業(yè)化的導(dǎo)電聚合物一般是通過傳統(tǒng)化學(xué)法或電化學(xué)的方法得到的，反應(yīng)的第一步都是單體被氧化生成陽(yáng)離子自由基。傳統(tǒng)化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)率較高，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，但必須使用有害環(huán)境的有機(jī)溶劑或使用強(qiáng)氧化劑才能完成第一步反應(yīng)，同時(shí)這些強(qiáng)氧化劑會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，例如用過硫酸鉀做氧化劑，每獲得1公斤的聚合物，就會(huì)產(chǎn)生1公斤的硫酸銨鹽副產(chǎn)物，且反應(yīng)后需繁瑣的凈化和分離過程。電化學(xué)法相對(duì)環(huán)保，但產(chǎn)率太低，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。此外，目前商業(yè)化的導(dǎo)電高分子幾乎不溶不熔，很難成型加工。這些不足都是擴(kuò)大導(dǎo)電聚合物應(yīng)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(dú)特之處。首先，酶催化具有高效性和很高的區(qū)域選擇性及立體選擇性，并且反應(yīng)大多數(shù)可在水中進(jìn)行，避免了污染環(huán)境的有機(jī)溶劑的使用；其次，酶催化劑反應(yīng)條件溫和，大量研究已經(jīng)證實(shí)，酶可以在環(huán)境友好型氧化劑(例如分子氧或者h(yuǎn)2o2)的協(xié)助下，催化苯胺、吡咯、噻吩等單體的聚合，制備導(dǎo)電聚合物，從而克服了傳統(tǒng)化學(xué)法采用強(qiáng)氧化劑所存在的副產(chǎn)物多、分離提純步驟繁瑣的不足；第三，酶催化生成的導(dǎo)電高分子大都具有水溶性，這對(duì)于改善導(dǎo)電聚合物的可加工性能，拓展其應(yīng)用范圍是很有意義的。
[0006]最早有關(guān)天然酶催化合成導(dǎo)電聚合物的報(bào)道見于1990年的Journal ofB1technology雜志，作者采用膽紅素氧化酶(bilirubin oxidase)催化了苯胺的聚合，制備了聚苯胺薄膜(J.B1technol.1990，14, 3-4:301-309) 0自此，酶促苯胺聚合的報(bào)道大量涌現(xiàn)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)。之后，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，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，由于天然酶對(duì)熱和pH極為敏感，因此具有穩(wěn)定性差、易變性失活、貯存困難、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，從而限制了酶催化工藝的規(guī)模開發(fā)和利用。有文獻(xiàn)報(bào)道，辣根過氧化物酶HRP僅能在4.0?4.65的很窄的pH范圍內(nèi)催化水溶性導(dǎo)電聚苯胺的合成，pH高于4.65,只能制得不導(dǎo)電的聚苯胺，而pH低于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(zhì)——模擬酶，逐漸被人們開發(fā)。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(jié)構(gòu)比天然酶簡(jiǎn)單，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，還有高效、高選擇性和價(jià)廉易得等優(yōu)點(diǎn)。模擬酶的研究不僅對(duì)生物化學(xué)有重要意義，而且對(duì)綠色化學(xué)的開發(fā)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展都有著重要的研究?jī)r(jià)值。
[0008]目前，國(guó)內(nèi)外多個(gè)課題組都在積極地致力于模擬酶的研究，并開展了大量具有催化活性的酶模擬物的研究和開發(fā)。
[0009]2007年之前，過氧化物模擬酶的研究主要聚焦于金屬-有機(jī)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(jī)合成工藝復(fù)雜、提純分離困難的局限性，特別是作為有機(jī)物，其熱穩(wěn)定性差、易失活的不足，與天然酶相比，并沒有得到明顯改善。
[0010]納米顆粒模擬酶是近幾年內(nèi)涌現(xiàn)出的一類新型模擬酶。2007年，中科院生物物理研究所閻錫蘊(yùn)研究員首次發(fā)現(xiàn)氧化鐵納米顆粒具有類似過氧化物酶的催化活性，并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(dú)特的小尺寸效應(yīng)與表面效應(yīng)、不易失活、易保存等特點(diǎn)而逐漸成為模擬酶研究的熱點(diǎn)。隨后該領(lǐng)域的研究結(jié)果顯示:處于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(xiàn)出了類似的酶活性。但是采用納米材料模擬酶為催化劑，催化導(dǎo)電聚合物的合成，目前尚未見報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明針對(duì)天然酶易失活、難提純、價(jià)格高等問題，提供了一種不易失活、易提純、價(jià)格低廉的納米黑硒過氧化物模擬酶及其制備方法。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0013]本發(fā)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(lián)苯胺與過氧化氫的顯色反應(yīng)，能夠催化水溶性導(dǎo)電聚合物的綠色合成；其制備方法是，將二氧化硒溶解于濃硫酸中，加入溶劑，轉(zhuǎn)移至高壓釜中采用溶劑熱法制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(yōu)選為1:3。
[0015]所述的溶劑熱法反應(yīng)溫度為120?200°C，優(yōu)選為180°C。
[0016]所述的溶劑熱法反應(yīng)時(shí)間為6?18小時(shí)，優(yōu)選為12小時(shí)。
[0017]所述納米黑硒過氧化物模擬酶的具體制備過程:
[0018]稱量(λ 022?(λ 44g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解于(λ 5?10mL去離子水中，力口入0.08?1.6mL質(zhì)量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘后，加入10?30mL丙三醇，繼續(xù)攪拌30分鐘，將混合物轉(zhuǎn)移至高壓釜中，120?180°C反應(yīng)6?18小時(shí)；產(chǎn)物離心，離心后的沉淀用去離子水和乙醇各洗滌3次后，60°C真空干燥，制得納米黑硒粉末。
[0019]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明以二氧化硒為主要原料，水和丙三醇為溶劑，采用溶劑熱法制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(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0021](1)納米黑硒過氧化物模擬酶的制備方法簡(jiǎn)單，反應(yīng)產(chǎn)物容易分離提純，所用反應(yīng)儀器和試劑價(jià)格低廉，克服了天然酶難提純、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。
[0022](2)納米黑硒過氧化物模擬酶性質(zhì)穩(wěn)定，能在3.0?6.0的較寬pH范圍內(nèi)，保持模擬酶活性，催化TMB與H202的顯色反應(yīng)，克服了天然酶在pH低于4.0時(shí)即失活的缺點(diǎn)。
[0023](3)納米黑硒過氧化物模擬酶能在2.2?4.2的較寬pH范圍內(nèi)催化水溶性導(dǎo)電聚合物的合成，且在pH = 2.2時(shí)催化活性最強(qiáng)，克服了天然酶催化合成水溶性導(dǎo)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范圍內(nèi)催化水溶性導(dǎo)電高分子聚合的缺點(diǎn)。
[0024](4)本發(fā)明所述的納米黑硒過氧化物模擬酶可用于易導(dǎo)致酶變性的工作環(huán)境，并在水溶性導(dǎo)電聚合物的綠色合成領(lǐng)域中有很好的應(yīng)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?qǐng)D譜。
[0028]圖4:納米黑硒過氧化物酶催化合成的水溶性導(dǎo)電聚合物的照片和紫外-可見吸收光譜。

【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施例1
[0030]1、納米黑硒過氧化物模擬酶的制備:
[0031]步驟:
[0032]稱量0.222g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解于5mL去離子水中，加入0.8mL質(zhì)量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘后，加入30mL丙三醇，繼續(xù)攪拌30分鐘，將混合物轉(zhuǎn)移至高壓釜中，180°C反應(yīng)6小時(shí)，產(chǎn)物離心，離心沉淀用去離子水和乙醇各洗滌3次后，60°C真空干燥，制得納米黑硒粉末。
[0033]結(jié)果:
[0034]由附圖1可見，制備得到的產(chǎn)物為純度很高的硒單質(zhì)。
[0035]由附圖2可見，制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(cè)試:
[0037]步驟:
[0038]①取10mg納米黑硒,分散于10mL超純水中，獲得質(zhì)量濃度為lmg/mL的納米黑硒的水分散液。
[0039]②準(zhǔn)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-磷酸氫二鈉緩沖溶液(pH由1.0變化至9.0)，在200?800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)記錄ΤΜΒ_Η202混合溶液的紫外-可見吸收光譜。
[0040]③準(zhǔn)確量取100 μ L上述質(zhì)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(dāng)發(fā)現(xiàn)顏色幾乎不變時(shí)，記錄混合溶液的紫外-可見吸收光譜。
[0041]結(jié)果:
[0042]由附圖3可見，在pH = 3.0?6.0之間，添加納米黑硒后，ΤΜΒ_Η202混合溶液在653nm處均出現(xiàn)了明顯的吸收峰，說明納米黑硒在3.0?6.0的pH范圍內(nèi)，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(dǎo)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-磷酸氫二鈉緩沖溶液中，冰浴下攪拌4小時(shí)。
[0046]②加入5毫克實(shí)施例1所制備的納米黑硒過氧化物模擬酶，40°C水浴反應(yīng)，令苯胺單體在納米黑硒的催化下發(fā)生聚合。
[0047]③聚合反應(yīng)12小時(shí)后結(jié)束反應(yīng)，將反應(yīng)體系在3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入截留分子量為3500KDa的透析袋中，于pH = 5的鹽酸溶液中透析24小時(shí)，去除未反應(yīng)的單體和分子量較小的低聚物，得到最終產(chǎn)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(dǎo)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-磷酸氫二鈉緩沖溶液中，冰浴下攪拌4小時(shí)。
[0052]②加入10毫克實(shí)施例1所制備的納米黑硒過氧化物模擬酶，60°C水浴反應(yīng)，令吡咯單體在納米黑硒的催化下發(fā)生聚合。
[0053]③聚合反應(yīng)12小時(shí)后結(jié)束反應(yīng)，將反應(yīng)體系在3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入截留分子量為3500KDa的透析袋中，于pH = 5的鹽酸溶液中透析24小時(shí)，去除未反應(yīng)的單體和分子量較小的低聚物，得到最終產(chǎn)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(dǎo)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-磷酸氫二鈉緩沖溶液中，冰浴下攪拌4小時(shí)。
[0058]②加入20毫克實(shí)施例1所制備的納米黑硒過氧化物模擬酶，60°C水浴反應(yīng)，令噻吩單體在納米黑硒的催化下發(fā)生聚合。
[0059]③聚合反應(yīng)12小時(shí)后結(jié)束反應(yīng)，將反應(yīng)體系在3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入截留分子量為3500KDa的透析袋中，于pH = 5的鹽酸溶液中透析24小時(shí)，去除未反應(yīng)的單體和分子量較小的低聚物，得到最終產(chǎn)物水溶性聚3，4-乙撐二氧噻吩。結(jié)果:
[0061]由附圖4A可見，納米黑硒催化合成的3種導(dǎo)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(diǎn)。
[0062]實(shí)施例2
[0063]稱量0.lllg 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解于5mL去離子水中，加入0.4mL質(zhì)量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘后，加入30mL丙三醇，繼續(xù)攪拌30分鐘，將混合物轉(zhuǎn)移至高壓釜中，120°C反應(yīng)10小時(shí)，產(chǎn)物離心，離心沉淀用去離子水和乙醇各洗滌3次后，60°C真空干燥，制得納米黑硒粉末。
[0064]實(shí)施例3
[0065]稱量0.022g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解于7.5mL去離子水中，加入0.08mL質(zhì)量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘后，加入30mL丙三醇，繼續(xù)攪拌30分鐘，將混合物轉(zhuǎn)移至高壓釜中，150°C反應(yīng)8小時(shí)，產(chǎn)物離心，離心沉淀用去離子水和乙醇各洗滌3次后，60°C真空干燥，制得納米黑硒粉末。
[0066]實(shí)施例4
[0067]稱量0.35g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解于8mL去離子水中，加入1.3mL質(zhì)量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘后，加入32mL丙三醇，繼續(xù)攪拌30分鐘，將混合物轉(zhuǎn)移至高壓釜中，160°C反應(yīng)15小時(shí)，產(chǎn)物離心，離心沉淀用去離子水和乙醇各洗滌3次后，60°C真空干燥，制得納米黑硒粉末。
[0068]實(shí)施例5
[0069]稱量0.44g 二氧化硒(Se02)，室溫下溶解于20mL去離子水中，加入1.6mL質(zhì)量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘后，加入20mL丙三醇，繼續(xù)攪拌30分鐘，將混合物轉(zhuǎn)移至高壓釜中，140°C反應(yīng)18小時(shí)，產(chǎn)物離心，離心沉淀用去離子水和乙醇各洗滌3次后，60°C真空干燥，制得納米黑硒粉末。
【權(quán)利要求】
1.一種納米黑硒過氧化物模擬酶，其特征在于，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(lián)苯胺與過氧化氫的顯色反應(yīng)，能夠催化水溶性導(dǎo)電聚合物的綠色合成； 其制備方法是，將二氧化硒溶解于濃硫酸中，加入溶劑，轉(zhuǎn)移至高壓釜中采用溶劑熱法制備納米黑硒過氧化物模擬酶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米黑硒過氧化物模擬酶，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述的納米黑硒過氧化物模擬酶，其特征在于，所述的溶劑熱法反應(yīng)溫度為120?200°C ;所述的溶劑熱法反應(yīng)時(shí)間為6?18小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米黑硒過氧化物模擬酶，其特征在于，所述納米黑硒過氧化物模擬酶的制備過程: 稱量0.022?0.44g 二氧化硒(SeO2),室溫下溶解于0.5?1mL去離子水中，加入.0.08?1.6mL質(zhì)量濃度為98%的濃硫酸，攪拌5分鐘后，加入10?30mL丙三醇，繼續(xù)攪拌30分鐘，將混合物轉(zhuǎn)移至高壓釜中，120?180°C反應(yīng)6?18小時(shí)；產(chǎn)物離心，離心后的沉淀用去離子水和乙醇各洗滌3次后，60°C真空干燥，制得納米黑硒粉末。
【文檔編號(hào)】C01B19/02GK104437560SQ201410559673
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】王瑋, 李雷雷, 陳克正 申請(qǐng)人:青島科技大學(xué)