CN112337466A - 一种纳米碳负载团簇态铜纳米酶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米碳负载团簇态铜纳米酶及其制备方法和应用。以纳米碳负载团簇状态铜作为纳米酶，在室温下可以催化空气中的氧气分解产生活性氧物质，作用于细菌可以达到灭菌目的。本发明所述的纳米酶中，铜以原子级分散的团簇形式存在，显著的提高了铜的酶催化活性，使其抗菌率可以达到100％。本发明合成过程简便，反应过程易控，且所制备的纳米碳负载团簇态铜纳米酶表现出优异的催化抗菌性能，在生物医学领域有潜在的应用。
Description
技术领域
本发明涉及纳米酶催化抗菌技术领域，具体涉及一种纳米碳负载原子级分散团簇态铜纳米复合材料作为纳米酶催化抗菌的应用。
背景技术
纳米酶是一种具有酶催化活性的纳米复合材料，其既具有纳米材料的独特性质，又具有模拟天然酶的催化活性。由于其强大和多样的酶催化活性而引起了人们的广泛关注，在生物传感器，癌症治疗和抗菌等领域有潜在的应用。目前，关于纳米酶的研究还处于发展阶段，尚未建立完整的理论体系，关于纳米酶领域的研究一直备受关注。
随着现代科技的进步与发展，越来越多的病菌也随之出现，这严重的威胁着人类的健康。大量抗生素和药物的使用使一些病菌产生了耐药性，所以，寻找新型抗菌材料刻不容缓。氧化应激作用是灭杀细菌的一种有效方法，通过活性氧物质作用于细菌，破坏细菌细胞内部的新陈代谢，导致细菌失活。纳米酶具有高效且多样的酶催化活性，研究发现一些纳米酶具有模拟氧化物酶、过氧化物酶等酶催化活性，将其应用于抗菌领域，可以有效的灭活细菌，保护人们的健康。
发明内容
本发明的目的是，致力于开发具有高效催化抗菌性能的纳米碳负载团簇态铜纳米酶，利用纳米碳作为载体，负载原子级分散团簇状态的铜。该纳米酶应用于催化抗菌领域，可以催化空气中的氧气分解产生活性氧物质，达到完全灭活细菌。具有绿色高效，简单易行等特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种纳米碳负载团簇态铜纳米酶，是以纳米碳为载体，以原子级分散团簇态的铜为活性中心形成的纳米碳负载团簇态铜纳米酶。
进一步的，上述的一种纳米碳负载团簇态铜纳米酶，按重量百分比，铜的负载量为0.5％。
一种纳米碳负载团簇态铜纳米酶的制备方法，包括如下步骤：采用沉积沉淀法直接将铜纳米粒子负载到纳米碳上，在600℃、H2条件下还原1小时，得到纳米碳负载团簇态铜纳米酶。
进一步的，上述的制备方法，所述采用沉积沉淀法直接将铜纳米粒子负载到纳米碳上，方法如下：将纳米金刚石/石墨烯分散于水中得悬浮液，调节体系的pH为11，在100℃搅拌下，将硝酸铜水溶液逐滴加入到悬浮液中，保持搅拌1小时，过滤，洗涤，干燥。
本发明提供的纳米碳负载团簇态铜纳米酶在抗菌中的应用。
进一步的，方法如下：于菌悬液中，加入上述的纳米碳负载团簇态铜纳米酶。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明，采用纳米碳作为载体负载原子级分散团簇状态的铜作为纳米酶，其具有优异的氧化酶催化活性。将其应用于抗菌领域，该纳米酶表现出强力的灭菌作用，其抗菌率可以达到100％。
2.本发明，采用纳米碳作为载体负载原子级分散团簇状态的铜作为纳米酶，高分散的铜作为活性中心，这提高了原子利用率，同时增强了材料的催化活性。
3.本发明，采用纳米碳作为载体负载原子级分散团簇状态的铜作为纳米酶，该纳米酶通过沉积沉淀法合成，制备方法简单，可规模化生产。
4.本发明，采用纳米碳作为载体负载原子级分散团簇状态的铜作为纳米酶，通过催化空气中的氧气分解产生活性氧物质达到抗菌目的，高效环保。
5.本发明，采用纳米碳作为载体负载原子级分散团簇状态的铜作为纳米酶，在化学工程、催化以及生物医药等领域有着非常广阔的应用前景。
总之，本发明所述的纳米酶中，铜以原子级分散的团簇形式存在，显著的提高了铜的酶催化活性，使其可以催化氧气分解达到完全灭菌。本发明合成过程简便，反应过程易控，且所制备的纳米碳负载团簇态铜纳米酶表现出优异的催化抗菌性能，在生物医学领域有潜在的应用。
附图说明
图1是纳米复合材料Cu-NPs/ND@G的相关HAADF-STEM图；
其中，A：100nm；B：10nm。
图2是纳米碳负载团簇态铜纳米酶Cu3/ND@G的相关HAADF-STEM图；
其中，A：2nm；B：1nm。
图3是Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的相关X射线衍射图(XRD图)。
图4是Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的TMB实验图。
其中，A：Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的典型Michaelis-Menten曲线；B：Cu3/ND@G在O2饱和，空气饱和和N2饱和下的紫外吸收光谱图。
图5是Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的相关抗菌效果图。
其中，A：空白；B：ND@G抗菌效果图；C：Cu-NPs/ND@G抗菌效果图；D：Cu3/ND@G抗菌效果图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，特以具体的实施例作进一步详细说明，但方案不限于此。
实施例1
纳米碳负载团簇态铜纳米酶(Cu3/ND@G)
(一)制备方法包括如下步骤：
1、取200mg纳米金刚石/石墨烯(ND@G)于圆底烧瓶中，加入30mL去离子水，超声使其分散，调节体系的pH值至约11，得ND@G悬浮液。然后，在油浴中于100℃磁力搅拌下，将4mL硝酸铜水溶液(含0.25mg·mL-1Cu)滴加到ND@G悬浮液中，保持搅拌1小时。最后，将所得物自然冷却至室温并收集固体物、洗涤、干燥，得纳米复合材料，记为Cu-NPs/ND@G。
2、将步骤1得到的纳米复合材料Cu-NPs/ND@G于瓷舟中铺展，放于管式炉中，逐渐升温至600℃、在H2条件下还原1小时，得纳米碳负载团簇态铜纳米酶，记为Cu3/ND@G)。按重量百分比，铜的负载量为0.5％。
(二)检测
图1为纳米复合材料Cu-NPs/ND@G的相关HAADF-STEM图。由图1可见，可以看出铜纳米粒子粒径较小、分散良好，没有出现团聚现象。
图2为纳米碳负载团簇态铜纳米酶Cu3/ND@G的相关HAADF-STEM图。由图2可见，可以看出铜以原子级分散团簇状态存在，且没有出现团聚现象。
图3为Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的相关X射线衍射图。由图3可见，铜的负载并没有破坏碳载体的结构，且在XRD图中没有出现铜的特征峰，表明铜的粒径极小。
实施例2
纳米碳负载团簇态铜纳米酶Cu3/ND@G的氧化酶活性研究
(一)Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的TMB实验
通过TMB实验测定Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G模拟氧化酶活性。
方法：将10μL浓度为0.5mg·mL-1的Cu-NPs/ND@G(或Cu3/ND@G)和20μL浓度为20mM的TMB(3,3',5,5'-四甲基联苯胺)加入到含有970μL乙酸钠-乙酸缓冲液[100mM(pH＝4.0)]的离心管中。通过测量氧化形式的TMB在波长652nm的紫外吸收变化来研究Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G对TMB的催化氧化，进而计算Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的氧化酶活性。
图4为Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的TMB实验图。图4中A为Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的典型Michaelis-Menten曲线，由图4中A可见，可以看出Cu-NPs/ND@G的氧化酶活性极低，与Cu-NPs/ND@G相比，Cu3/ND@G作为纳米酶展现出优异的氧化酶活性。图4中B为Cu3/ND@G在O2饱和，空气饱和和N2饱和下的紫外吸收光谱图，由图4中B可见，在不同气体条件下，Cu3/ND@G催化TMB氧化的能力不同，在氧气条件下催化活性最高，在空气中次之，这表明Cu3/ND@G催化氧气分解使TMB氧化。验证了Cu3/ND@G纳米酶具有优异的氧化酶活性，可以催化空气中氧气分解产生活性氧物质达到抗菌目的，从而使其具有抗菌领域应用。
实施例3
纳米碳负载团簇态铜纳米酶Cu3/ND@G在抗菌中的应用
抗菌实验，包括如下步骤：
1)LB培养基的配制：称取氯化钠2.5g，蛋白胨2.5g，酵母浸粉1.25g，加水至250mL，用NaOH溶液调节其pH＝7.2～7.4，得到LB液体培养基；向LB液体培养基中加入2％琼脂，即可得到固体培养基，将培养基置于121℃高压蒸汽灭菌锅中灭菌30min，冷藏备用。
2)用接种环挑取大肠杆菌菌种(E.coli ATCC 15597)，在固体培养基上划线，在37℃培养箱中培养24h，挑取单菌落于液体培养基中，37℃恒温振荡器中培养11h，得到OD值为2.162的菌悬液。
3)取5mL菌悬液于离心机上离心20min，用pH＝7.0的磷酸缓冲溶液(以下简称“PBS”)洗涤后，再加入PBS，得到PBS菌悬液；用磷酸缓冲溶液对菌悬液进行逐级稀释，使其最终稀释浓度为104cfu·mL-1。
4)分别称取1mg实施例1制备的Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G放于离心管中，分别加入4.5mL PBS超声分散，然后分别加入0.5mL浓度为104cfu·mL-1的菌悬液，充分摇匀，取100μL涂布平板，将平板放于37℃恒温培养箱中培养24h，观察菌落生长情况，同时计数并计算抗菌率。
图5是采用本发明方法制备的Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的相关抗菌效果图。图中A为空白；B为ND@G抗菌效果图；C为Cu-NPs/ND@G抗菌效果图；D为Cu3/ND@G抗菌效果图。通过抗菌实验发现Cu3/ND@G纳米酶具有更优异的抗菌性能，其抗菌率可以达到100％。这充分的说明本发明合成的Cu3/ND@G纳米酶具有优异的抗菌性能，在催化抗菌领域有潜在的应用。
Claims (6)
1.一种纳米碳负载团簇态铜纳米酶，其特征在于：是以纳米碳为载体，以原子级分散团簇态的铜为活性中心形成的纳米碳负载团簇态铜纳米酶。
2.根据权利要求1所述的一种纳米碳负载团簇态铜纳米酶，其特征在于：按重量百分比，铜的负载量为0.5％。
3.一种纳米碳负载团簇态铜纳米酶的制备方法，其特征在于，制备方法包括如下步骤：采用沉积沉淀法直接将铜纳米粒子负载到纳米碳上，在600℃、H2条件下还原1小时，得到纳米碳负载团簇态铜纳米酶。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述采用沉积沉淀法直接将铜纳米粒子负载到纳米碳上，方法如下：将纳米金刚石/石墨烯分散于水中得悬浮液，调节体系的pH为11，在100℃搅拌下，将硝酸铜水溶液逐滴加入到悬浮液中，保持搅拌1小时，过滤，洗涤，干燥。
5.权利要求1所述的纳米碳负载团簇态铜纳米酶在抗菌中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：方法如下：于菌悬液中，加入权利要求1所述的纳米碳负载团簇态铜纳米酶。
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