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氧化铈纳米酶的结构调控及 POD 酶活性研究论文

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  关键词:氧化铈,纳米酶,过氧化物酶,结构调控

  2010年,Talib Pirmohame[1]等发现并证明了氧化铈纳米颗粒具有过氧化氢酶模拟活性。本研究拟通过调控纳米酶结构,实现对其过氧化物酶活性的调节。实验中,通过简易的水热法制备CeO2纳米粒子,并采用不同的气氛对CeO2纳米粒子进行处理,以期得到表面化学状态迥异的氧化铈纳米粒。同时,以3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)作为底物,发现了不同处理方式下的CeO2纳米粒子在酸性环境下具有类POD酶的催化活性,证实了表面化学状态与POD拟酶反应之间的关系。本研究为纳米氧化铈的合成及制备提供了新方法,为其作为纳米酶在生物制药、生物传感、环境监测及污染物降解等领域的应用提供了实验基础。

氧化铈纳米酶的结构调控及 POD 酶活性研究论文

  1实验部分

  1.1实验试剂与仪器

  1.1.1实验药品与试剂

  硝酸铈铵购于上海麦克林生化科技股份有限公司;乙酸钠、过氧化氢、盐酸、氢氧化钠及冰乙酸购于中国国药集团有限公司;3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

  1.1.2实验仪器

  电热鼓风干燥箱来自上海一恒仪器有限公司;冷冻干燥仪来自上海力辰仪器科技有限公司;恒温磁力搅拌器来自上海凌科实业发展有限公司;分析天平;离心机。

  1.2实验过程

  1.2.1纳米氧化铈的合成及结构调控

  CeO2纳米粒子的合成方法:在250 mL锥形瓶内加入10 g醋酸钠、2.7 g硝酸铈铵、10 mL冰醋酸和70 mL超纯水,搅拌至完全溶解,并将溶液装入聚四氟乙烯内衬的反应釜中,在220℃的条件下反应20 h。反应结束后,用水和乙醇交替离心洗涤三次,最后在真空条件下进行36 h的冷冻干燥处理,得到的样品记为Cb-U。

  CeO2表面化学状态的调控通过在不同气氛下处理。在本实验中,将Cb-U纳米粒子分别在空气和氩-氢混合气(H2-Ar)两种气氛下进行处理,处理后的样品分别记为Cb-C和Cb-H。具体如下,称取0.2 g Cb-U纳米粒子倒入坩埚内,在马弗炉内加热至300℃并保持4 h,待其降至室温后,可得到样品Cb-C;将0.1 g CeO2纳米粒子装入石英管内,在H2-Ar气体的流通下,于管式炉内加热至300℃并保持4 h,所得记为样品Cb-H。

  1.2.2过氧化物酶活性研究

  采用TMB作为反应底物,研究CeO2纳米粒子的过氧化物酶活性。反应体系总体积为3 mL,依次添加0.8 mM的TMB、4 mM的H2O2和10 mg/L的CeO2到pH为4.0的盐酸溶液中,并在37℃的恒温摇床上反应10 min后,使用Uv-vis测定样品在652 nm处吸光度。

  溶剂初始pH对拟酶活性的影响实验如下,经超纯水稀释,得到了pH为2.0~6.0的盐酸溶液。为获取最佳反应条件,将上述反应体系添加到不同pH(2.0~6.0)的溶剂体系中。反应结束后,使用Uv-vis测定652 nm处的吸光度,以研究pH对CeO2纳米粒子类过氧化物酶活性的影响。

  2结果与讨论

  2.1纳米氧化铈过氧化物酶(POD)活性研究

  过氧化物酶可以将无色TMB氧化为蓝色的ox-TMB,在652 nm处有最大特征吸收,可用于指示纳米氧化铈的过氧化物酶活性。如图1a所示,CeO2纳米粒子(Cb-H)在仅存有底物TMB的情况下,652 nm处吸光度无明显变化,即使在加入H2O2的情况下,吸光度也只有轻微上升。这是因为H2O2虽具有氧化性,但相对较弱。然而,在TMB、CeO2和H2O2共存的情况下,652 nm处的吸光度会随时间延长而显著增加,加快氧化反应的发生,表明氧化铈纳米粒子具有过氧化物酶活性。

  基于CeO2纳米粒子的过氧化物酶活性,实验进一步研究了反应溶剂初始pH对拟酶反应活性的影响,如图1b所示。结果显示,在pH从2增加到4的过程中,其POD酶活性逐渐增加,而在pH达到4以后再进一步增加反应溶剂pH,会降低POD酶活性。这一结果与天然辣根过氧化酶(HRP)对反应溶剂pH的响应一致。值得注意的是,即使是在酸性较强的溶剂中(如pH=2.0),氧化铈纳米粒子类过氧化物酶活性依然保持在45%左右,说明氧化铈纳米酶较天然酶具有更强的环境适应性[2-4]。实验进一步研究了不同处理方式所得到的氧化铈纳米酶的活性,如图2所示。结果显示,Cb-U、Cb-C和Cb-H均具有过氧化物酶活性。以过氧化酶活性最高的Cb-H样品的拟酶活性为100%,Cb-C的相对酶活性较低,仅保持在20%左右,Cb-U的酶活性约为60%。可见,不同处理方式对氧化铈纳米粒子过氧化物酶活性影响较大。

  2.2氧化铈纳米的定量分析

  通过XPS技术,对三种材料表面的Ce和氧缺陷进行了定量分析。研究发现,Cb-H、Cb-U和Cb-C三个样品中Ce(Ⅲ)的比例分别为0.47、0.41和0.30,对应的氧缺陷比例分别为0.46、0.33和0.28,结果见表1。由此可见,样品的Ce(Ⅲ)比例变化与氧缺陷的比例变化一致。通过还原气氛处理制得的Cb-H样品的氧缺陷最大,且具有较高比例的Ce(III)[5]。

    3结论

  本研究采用简单的溶液热法合出分散性良好的氧化铈纳米粒子。通过对合成的氧化铈纳粒子在不同气氛中进行热处理即可实现其表面Ce(III)含量的调变。基于此,实验发现,氧化铈纳米粒子过氧化物酶活性与表面的Ce(III)含量高度相关。本研究为纳米酶活性调控提供了实践依据,为高活性纳米酶的制备提供了理论基础。

 参考文献

  [1]TALIB P,M J D,SANJAY S,et al.Nanoceria exhibit redox state-dependent catalase mimetic activity[J].Chemical communications(Cambridge,England),2010,46(16):2736-2738.

  [2]KAROLINE H,PATRICK H,STEFAN P,et al.Haloperoxidase Mimicry by CeO2-x Nanorods Combats Biofouling[J].Advanced materials(Deerfield Beach,Fla.),2017,29(4):n/a-n/a.

  [3]JING Q,YOUYOU F,DONG C,et al.Construction of a Mesoporous Ceria Hollow Sphere/Enzyme Nanoreactor for Enhanced Cascade Catalytic Antibacterial Therapy[J].ACS Applied Materials Interfaces,2021,13(34):40302-40314.

  [4]YUSHI Y,ZHOU M,WENJIE H,et al.Redox enzyme-mimicking activities of CeO2-x nanostructures:Intrinsic influence of exposed facets[J].Scientific Reports,2016,6(1):35344.

  [5]ATUL A,SANTIMUKUL S,CHARALAMBOS K,et al.Oxidase-like activity of polymer-coated cerium oxide nanoparticles[J].Angewandte Chemie(International ed.in English),2009,48(13):2308-2312.


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