铈/铁金属—有机框架纳米酶的设计、调控及其应用研究

作     者：陈兰兰 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：温嘉

授予年度：2024年

学科分类：1007[医学-药学(可授医学、理学学位)] 100701[医学-药物化学] 10[医学] 

主      题：MOFs 纳米酶 比色传感 抗菌 

摘      要：天然酶可以高效地催化一系列生物反应,在生命过程中发挥重要作用。然而,天然酶具有制造成本高、生产复杂、催化条件苛刻等缺点。纳米酶是一类具有类酶催化特性的纳米材料,与天然酶不同,纳米酶易合成、高度稳定,在分析检测、环境保护、抗菌治疗以及癌症治疗等多个领域得到了应用。金属有机框架（metal-organic frameworks,MOFs）具有高比表面积、丰富的孔结构、易修饰等优点,基于MOFs的纳米酶得到了广泛研究。然而,大部分已报道的MOFs纳米酶催化活性较低,限制了其应用。因此,挖掘高活性的MOFs纳米酶具有重要意义。本论文基于双变价金属调控、降维、配体调节等策略合成了两种高活性MOFs纳米酶,阐明了其催化活性增强的机理并将其应用于分析、抗菌研究。具体内容如下: 1、铁-铈双变价金属调制的高效纳米酶及其应用研究。首先,采用调节子调节法制备了二维超薄纳米材料Ce-MOL,然后利用后修饰方法引入Fe2+,得到双变价金属纳米酶Fe-Ce-MOL。通过透射电子显微镜（transmission electron microscope,TEM）、粉末X射线衍射（powder X-ray diffraction,PXRD）、X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）、原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）等证明了Fe-Ce-MOL的成功制备。通过类酶活性研究、稳态动力学分析、活性氧种类探究等证实了Fe-Ce-MOL具有高类过氧化物酶（peroxidase,POD）活性。采用带隙理论、密度泛函理论计算等揭示了Fe-Ce-MOL催化活性增强的机理。基于Fe-Ce-MOL的高类POD活性,其可以实现对H2O2和抗坏血酸的灵敏检测,检测限分别为0.253μmol/L和1.512μmol/L。在评估新鲜水果蔬菜的总抗氧化能力实验中,Fe-Ce-MOL表现出优异的实际样品检测性能。抗菌实验结果表明Fe-Ce-MOL对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有优异的抗菌活性。 2、通过配体调节调控制备高活性MOFs类过氧化物酶及其应用研究。首先,利用溶剂热法合成具有Fe-N结构的MET（Fe）,接着,采用混合配体生长的方法引入硫（S）得到了不同配体比例的S-MET（Fe）。通过TEM、PXRD、XPS、热重分析等对不同配体比例S-MET（Fe）纳米酶的形貌结构进行表征。然后,以3,3 ,5,5 -四甲基联苯胺（tetramethylbenzidine,TMB）为底物研究了不同配体比例S-MET（Fe）的类酶活性,通过氧化态TMB（ox TMB）在652 nm处的吸光度值定量反映其活性,筛选出具有最佳类POD活性的1/3-S-MET（Fe）。利用穆斯堡尔谱和同步辐射精细吸收谱对1/3-S-MET（Fe）和MET（Fe）的精细结构进行分析,结果证明1/3-S-MET（Fe）中的Fe催化活性中心受到S的影响,所产生的FeⅢ中自旋物种和更多的配位缺陷提高了其类酶催化性能。基于1/3-S-MET（Fe）的高类POD活性,其可以实现对抗坏血酸的灵敏检测,检测限为1.072μmol/L。抗菌实验结果表明1/3-S-MET（Fe）对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌表现出优异的抗菌活性。 综上所述,本论文通过合适的策略设计,构建基于MOFs的高活性纳米酶,提高了纳米酶的催化活性,并阐明了其催化机理。进一步,利用高活性的纳米酶,实现了对小分子的检测以及抗菌性能研究。本论文可为基于MOFs纳米酶的设计、调控及其应用研究提供参考。