过渡金属有机骨架材料的类过氧化物酶性质及应用

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天然酶是一种重要的生物催化剂,具有高催化活性和高选择性等特点,被广泛应用于各种生化检测。但是,其存在易失活和价格昂贵等缺点,研发具有类似天然酶催化活性的人工模拟酶是解决此问题的办法之一。金属有机骨架(MOFs)是一类由金属或金属簇与有机配体通过配位作用自组装形成的多孔晶态材料,其具有超大比表面积、可调节的孔道尺寸、可修饰的孔道环境、良好的热稳定性等特点,同时过渡金属可以作为催化反应的活性中心,因此过渡金属MOFs材料是理想的新一代模拟酶材料。本文通过优化金属离子与配体间的物料比例和反应温度等条件,成功制备了系列具有模拟酶特性的过渡金属有机骨架材料,研究了其模拟酶催化性质,通过深入解释构效关系,为实现高活性、高选择性的检测生物分子提供新的思路和理论依据。主要研究内容及结论如下:1.以刚性芳香类羧酸配体1,3,5-苯三甲酸(H3BTC)、3,3’,5,5’-联苯四羧酸(H4BPTC)和二价金属铜(Cu)分别合成了两个化合物,[Cu3(BTC)2(H2O)3](1),[Cu2(BPTC)4(H2O)2](2),采用单晶衍射、粉末衍射、红外光谱、差热热重等手段对化合物的结构进行了表征。化合物[Cu3(BTC)2(H2O)3](1)属于立方晶系,Fm-3m空间群,中心铜离子分别与一个水分子和四个来自不同1,3,5-均苯三酸中的氧原子进行配位,形成5配位金字塔式配位构型,配位单元通过配体的空间连接,形成一个三维网络结构;化合物[Cu2(BPTC)4(H2O)2](2)属于三方晶系,R-3空间群,中心铜离子也为5配位金字塔式配位构型,化合物2中每个BPTC含有4个羧基,配体连接4个次级结构基元最终形成三维网状结构。化合物1和2均显示出较好的过氧化物酶活性,可以催化H2O2产生·OH自由基,将无色底物(TMB)氧化生成蓝色氧化态产物(ox TMB);同时,对比研究了两个化合物的过氧化物酶活性与Langmuir比表面积及孔结构之间的关系。2.以刚性配体1,10-邻二氮杂菲-2,9-二羧酸(H4BPTC)和二价金属铜(Cu),三价金属铁(Fe)分别合成了两个化合物,[Cu(PDA)(DMF)](3),[Fe(PDA)2](4)。[Cu(PDA)(DMF)](3)属于三斜晶系,P-1空间群。中心Cu离子以螯合的形式与配体中N、O原子进行配位,两个不对称的结构单元通过羧基相互连接形成中心对称的双核结构,再通过π-π相互作用形成三维超分子结构;[Fe(PDA)2](4)四方晶系,I41/a空间群。中心Fe离子以螯合的形式与两个1,10-邻二氮杂菲-2,9-二羧酸配体进行配位,形成扭曲的十二面体的配位构型,相邻的配位单元之间通过π-π相互作用形成三维超分子结构。化合物3显示出理想的过氧化物酶活性,并通过多巴胺(DA)对过氧化物酶活性的抑制作用,开发了灵敏且选择性较高的DA检测方法。化合物4也具有较好的过氧化物酶活性,在[Fe(PDA)2]和Fe(NO33·9H2O的摩尔浓度均为0.2 mg mol-1时,[Fe(PDA)2]相较于游离的Fe3+展现出更加优异的模拟酶催化性质。3.通过液相扩散法,合成了一种具有壳核结构的ZIF-8@ZIF-67纳米十二面体复合前驱体(咪唑型)。经高温处理,将咪唑类含氮有机配体原位碳化为碳纳米十二面体骨架结构;同时,有机配体转化为碳纳米片并在Co纳米颗粒的催化作用下卷曲形成碳纳米管,形成碳纳米管@纳米十二面体包覆Co纳米颗粒的中间体。然后,通过化学气相沉积法,引入Se源,将其转化为碳纳米管@纳米十二面体包覆CoxSey纳米颗粒复合材料。合成了两个不同化学计量比的硒化物,即Co Se2、Co0.85Se。两种复合材料均显示出较好的过氧化物酶活性,通过对两种复合材料的稳态动力学进行对比研究,发现Co0.85Se相较于Co Se2具有更高的模拟酶活性。
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