CN115920890A - 铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法，以壳聚糖、谷氨酸和七水合硫酸亚铁作为反应前驱体，经过水热法一步合成具有荧光特性的铁单原子掺杂的碳点纳米酶基础溶液，再经过透析、冷淡干燥得到最终的铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶固体。本方法合成铁单原子碳点纳米酶操作简单，无需超高温热解等严格的设备和复杂的反应步骤也能实现铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶，可以有效地避免超高温条件下的金属负载减少问题。所合成的铁单原子荧光碳点纳米酶具有良好的水溶性、光致发光性能和优异的过氧化物酶特性，与天然的酶相比具有更高的稳定性、可调节的催化活性和大规模制备的可行性。

Description

铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法

技术领域

本发明属于单原子纳米酶的合成技术领域，涉及一种铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法。

背景技术

单原子纳米酶是一类具有超高催化活性的纳米酶，一般情况下，金属掺杂的碳点纳米酶需要昂贵的反应设备和特殊的条件，且由于超高的合成温度可能会使金属负载量降低，最终得到的产物催化活性降低。目前所报道的单原子纳米酶主要都是选择高温裂解的方式分解铁配位的前提，制备单原子铁纳米酶(Boosting Fenton-Like Reactions viaSingle Atom Fe Catalysis,Environmental Science&Technology,2019,53(19)–11391～11400)。因此，探索一种方便、绿色、低成本合成单原子纳米酶的方法是有具有重要意义的。

金属、金属化合物、金属有机框架等具有酶活性的复合材料与传统酶相比在亲和力和特异性方面仍是一个挑战，而碳基纳米酶具有良好的生物相容性，但是单纯的碳基纳米酶的催化活性不高且不一定具有较强的发光性能，金属掺杂碳基纳米酶可以有时提高纳米酶的催化活性(Bioadhesive injectable hydrogel with phenolic carbon quantumdot supported Pd single atom nanozymes as a localized immunomodulation nichefor cancer catalytic immunotherapy,DOI:10.1016/j.biomaterials.2021.121272)。因此，开发一种具有超高过氧化物酶活性、良好的生物相容性以及优异的荧光特性的单原子荧光碳点纳米酶具有创新意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法。该方法以壳聚糖、谷氨酸和七水合硫酸亚铁作为原料，经过一步水热反应得到基础反应液，再经过离心除去沉淀物，透析、冷冻干燥得到铁单原子荧光碳点纳米酶，该产物具有优异的过氧化物酶活性。

本发明为解决上述技术问题采用如下的技术方案，铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将壳聚糖溶于1％(v/v)醋酸水溶液并经过超声形成均匀的溶液，再将谷氨酸与七水合硫酸亚铁粉末加入到分散的壳聚糖溶液中，搅拌均匀，最后滴加乙二胺溶液，将溶液转移至反应釜中在高温烘箱中进行反应。

步骤S2：将步骤S1得到的反应液进行离心除去沉淀，再经过透析后收集液体，将液体进行冷冻干燥，得到棕黑色粉末固体产品。

优选的，步骤S1中所述谷氨酸与七水合硫酸亚铁的投料质量比为1:1。

优选的，步骤S2中所述离心时间为8-14min，透析时间为10-14h。

本发明所述的以壳聚糖、谷氨酸和七水合硫酸亚铁作为原料，经过一步水热反应制备铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶，是一种方便、绿色、低成本的全新的单原子纳米酶制备方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的成本低，包括材料成本和反应设备成本，且制备方法和反应后处理简单；

2、本发明所制备的铁单原子荧光碳点纳米酶的温度相比于其他的合成方法温度低、反应条件温和；

3、本发明所制得的铁单原子荧光碳点纳米酶具有良好的水溶性，在铁单原子的负载下使得铁单原子荧光碳点纳米酶具有优异的过氧化物酶活性，除此之外，还保留碳点的优异的荧光性能，具有较高的荧光量子产率，所得到的铁单原子荧光碳点纳米酶在酶催化的各领域中具有潜在的应用价值。

本发明所制备的铁单原子荧光碳点纳米酶具有过氧化物模拟酶的性能，可以催化氧化氢(H₂O₂)产生羟基自由基(·OH)，使得显色底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)和邻苯二胺(OPD)分别被氧化成氧化的3,3',5,5'-四甲基联苯胺(oxTMB)和2,3-二氨基吩嗪(DAP)，并有紫外-可见响应。根据酶稳态动力学实验得到该铁单原子荧光碳点纳米酶具有较低的米氏常数(K_m)，表明酶催化活力强。

附图说明

图1为实施例2制得的铁单原子荧光碳点纳米酶的合成步骤示意图。

图2为实施例2制得的铁单原子荧光碳点纳米酶的TEM图。

图3为实施例2制得的铁单原子荧光碳点纳米酶的球差电镜图。

图4为实施例2制得的铁单原子荧光碳点纳米酶的HAADF-STEM图。

图5为用荧光光谱仪在不同的激发波长下进行激发得到的发射光谱图。

图6为用紫外分光光度计在200-800nm波长范围内测定铁单原子荧光碳点纳米酶的紫外吸收图。

图7为实施例2制得的铁单原子荧光碳点纳米酶的XPS图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

步骤S1：将0.1g壳聚糖溶于10mL的1％(v/v)的醋酸水溶液中，在超声波清洗机中超声30min、然后加入0.05g谷氨酸，充分搅拌使固体粉末溶解，再加入100μL乙二胺后转移至高温反应釜中，密闭于180℃保温6h。

步骤S2：将步骤S1反应后的反应釜冷却至室温后取出反应得到的黑色液体进行离心出去固体杂质，随后用透析袋(MW＝500-1000)透析12h,收集透析袋内液体冷冻干燥成棕黑色粉末即为荧光碳点粉末。

实施例2

步骤S1：将0.1g壳聚糖溶于10mL的1％(v/v)的醋酸水溶液中，在超声波清洗机中超声30min、然后加入0.05g七水合硫酸亚铁、0.05g谷氨酸，充分搅拌使固体粉末溶解，再加入100μL乙二胺后转移至高温反应釜中，密闭于180℃保温6h。

步骤S2：将步骤S1反应后的反应釜冷却至室温后取出反应得到的黑色液体进行离心出去固体杂质，随后用透析袋(MW＝500-1000)透析12h,收集透析袋内液体冷冻干燥成棕黑色粉末即为铁单原子荧光碳点纳米酶粉末。

过氧化物酶活性检测：铁单原子荧光碳点纳米酶可以催化过氧化氢(H₂O₂)产生·OH氧化显色底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)，形成蓝色的氧化的3,3',5,5'-四甲基联苯胺(oxTMB)，该显色底物再652nm处有最大吸收峰；相同的原理，该单原子纳米酶催化过氧化氢(H₂O₂)产生羟基自由基(·OH)氧化邻苯二胺(OPD)成为黄色的2,3-二氨基吩嗪(DAP)，并在420nm处有最大吸收峰；该材料可以通过过氧化氢使亚甲基蓝(MB)降解，亚甲基蓝颜色变淡，在665nm处有最大吸收。

与实施例2相比，实施例1中未经过金属铁掺杂的荧光碳点，不具有过氧化氢酶样活性。

与现有技术相比，现有方法(Bioadhesive injectable hydrogel with phenoliccarbon quantum dot supported Pd single atom nanozymes as a localizedimmunomodulation niche for cancer catalytic immunotherapy,DOI:10.1016/j.biomaterials.2021.121272)是通过先用原材料经过180℃，6h的水热合成后得到碳点，再经过透析、冷冻干燥成固体，将干燥固体重新溶解与Na₂PdCl₄溶液搅拌合成碳点支撑的钯单原子纳米酶，该合成方法需通过两步反应，所耗费的时间较长，且对TMB的米氏常数(K_m)为569.4mM高于本发明的铁单原子荧光碳点纳米酶(米氏常数(K_m)＝0.139mM)。

本发明实施例2中反应条件温和，而现有合成方法(Boosting Fenton-LikeReactions via Single Atom Fe Catalysis,Environmental Science&Technology,2019,53(19)–11391～11400)通过将材料于管式炉中500℃煅烧5h，再加入Fe(NO₃)₃·9H₂O研磨后继续在500℃下煅烧5h，该合成方法繁琐且温度很高，而高温会使金属负载明显减少。

以上实施例描述了本发明的合成方法、及该材料的催化活性优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的合成方法，在不脱离本发明合成方法的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (4)

1.铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤S1：将壳聚糖溶解在1％(v/v)的醋酸水溶液中通过超声充分溶解,再将七水合硫酸亚铁和谷氨酸加入到均匀的壳聚糖溶液中，充分搅拌使固体粉末溶解，最后将乙二胺溶液滴加到上述混合溶液中搅拌均匀转移至高温反应釜中180℃反应6h；

步骤S2：将步骤S1将所得的反应液体进行离心过滤除去固体杂质，再通过透析袋透析，进一步将除杂的液体冷冻干燥得到黑棕色固体粉末为铁单原子荧光碳点纳米酶。

2.根据权利要求1所述的铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述壳聚糖溶解在1％(v/v)醋酸水溶液中超声30min，七水合六酸亚铁和谷氨酸的投料质量比为1:1。

3.根据权利要求1所述的铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法，其特征在于：步骤S1中用于高温反应的仪器为普通的恒温干燥箱。

4.根据权利要求1所述的铁单原子掺杂的荧光碳点纳米酶的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述离心时间为8-14min，透析时间为10-14h。

Images