四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及材料和检测领域，提供了一种四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶，结构包括中空的四氧化三铁纳米管以及其表面附着的碳。制备方法包括：将铁盐与模板纳米棒混合，使FeOOH沉积在模板纳米管表面，再将含碳有机物前体沉积于FeOOH表面并去除模板纳米棒，碳化得到四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶。这种模拟酶具有优异的电磁性能、催化活性、生物相容性和水分散性，同时还具有类过氧化物酶以及类氧化酶双重活性，可作为类过氧化物酶催化剂，并用于检测过氧化氢以及可产生过氧化氢的物质，尤其是葡萄糖和胆固醇。与现有检测手段相比，本发明专利技术的方法简单快捷、经济环保、检测限宽、灵敏度高、选择性好、可视化。

Fe3O4 based composite carbon nanotubes mimetic enzyme and its preparation method and Application

The invention relates to the material and detection field, and provides a ferrous oxide-based composite carbon nanotube mimetic enzyme with a structure including a hollow ferrous oxide nanotube and carbon attached to its surface. The preparation method includes mixing ferric salts with template nanorods, depositing FeOOH on the surface of template nanotubes, depositing carbon-containing organic precursors on the surface of FeOOH and removing template nanorods, and carbonizing to obtain ferric oxide-based carbon nanotube mimetic enzyme. This mimetic enzyme has excellent electromagnetism, catalytic activity, biocompatibility and water dispersibility. It also has peroxidase-like and oxidase-like activities. It can be used as a peroxidase-like catalyst for the detection of hydrogen peroxide and hydrogen peroxide-producing substances, especially glucose and cholesterol. Compared with the existing detection methods, the method of the invention is simple, fast, economical and environmental protection, wide detection limit, high sensitivity, good selectivity and visualization.

【技术实现步骤摘要】
四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶及其制备方法和应用
本专利技术属于材料和检测
，具体涉及一种多功能四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶(Fe3O4@C-NTs)的制备方法，涉及基于Fe3O4@C-NTs优异的类过氧化物酶活性作为催化剂直接检测过氧化氢或者通过检测中间产物过氧化氢从而间接检测血糖的方法。
技术介绍
目前，对血糖的检测技术已经日趋成熟，主要有高效液相色谱法、分光光度法、临床血糖生化仪等，这些检测技术普遍存在分析速度较慢、成本较高、现场即时检测较难等局限。市面上的便携式血糖仪，如：罗氏血糖仪、三诺血糖仪、强生血糖仪等，用到的试纸条价格相对高昂，对于每天都需要检测血糖的人而言，依然是一笔较大的花费，因此，建立快速高效、简单准确、经济实惠的血糖检测方法一直是近年来的热点。最初，中国科学院生物物理研究所阎锡蕴研究小组发现四氧化三铁纳米颗粒具有类过氧化物酶催化活性，并利用这一特性，设计了两种免疫检测方法，实现了对乙肝病毒表面抗原和肌钙蛋白的检测(L.Z.Gao,J.Zhuang,L.Nie,J.B.Zhang,Y.Zhang,N.Gu,T.Wang,J.Feng,D.L.Yang,S.Perrett,X.Y.Yan,NatureNanotechnology.2007,2,577-583)。随后，汪尔康等人利用四氧化三铁纳米颗粒类过氧化物酶特性，实现了对过氧化氢和葡萄糖的检测(H.Wei,E.K.Wang,Anal.Chem.2008,802250-2254)。另外，各种无机纳米系统也展示出了意想不到的类过氧化物酶活性或者氧化酶活性，例如：CeO2纳米粒子、V2O5纳米线、Co3O4NPS、AuNPS、氧化石墨烯(GO)等纳米粒子在不同pH和不同温度下表现出了比辣根过氧化物酶更加稳定的催化特性，是一种新型的模拟酶。然而，基于纳米材料的人工酶在生物催化的应用中仍然存在许多缺陷，比如合成量小、合成过程复杂、不确切的物理和化学性质等，因此，需要对纳米酶的结构进行优化调整，使其性能更加稳定。本专利技术制备的具有类过氧化物酶以及类氧化物酶双重催化活性的Fe3O4@C-NTs，合成的过程操作简单，经济环保，对现有方法进行优化，最后在氮气氛围下高温还原FeOOH，与在H2氛围下相比，安全系数高，与其它具有单一的类过氧化物酶活性的纳米模拟酶相比，具有优异的催化活性、电磁性能、生物相容性，在水中的分散性好。对于类过氧化物酶活性的研究，过氧化氢可作为一种底物，因此Fe3O4@C-NTs可以用来直接检测过氧化氢。另外，很多生物化学反应的中间产物都涉及到过氧化氢的生成，在本专利中，我们利用血糖作为检测目标，葡萄糖在葡萄糖氧化酶，以及氧气的共同作用下产生过氧化氢，过氧化氢进而通过Fe3O4@C-NTs的分解产生羟基自由基，生成的羟基自由基迅速将TMB氧化生成蓝色产物，然后利用TMB的蓝色氧化产物在特定波长下的吸光度可以求出样品中血糖的含量。该比色检测血糖的方法无需标记，操作简单，快速高效，可视化，具有高的灵敏度和选择性，即使当干扰物质的浓度为葡萄糖浓度的20倍时，该方法仍然可以高效的检测出葡萄糖，对血糖的检测具有较宽的线性范围。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供具有类过氧化物酶和类氧化物酶双重活性的四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶及制备方法。本专利技术的另一个目的在于提供基于上述四氧化三铁基复合碳纳米管的模拟酶所具有的类过氧化物酶活性，将其用于检测过氧化氢；或者检测生物活性物质例如葡萄糖，尤其是血糖的含量。本专利技术的技术方案为：一种四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶(Fe3O4@C-NTs)，结构包括中空管状的四氧化三铁纳米管以及表面附着的碳纳米管；四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶的外径160～450nm，长度1～10μm，四氧化三铁层厚度45～75nm，碳纳米管厚度3～6nm。优选的，长度1～5μm；优选的，平均外径200～300nm，平均内径90～120nm。上述四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶的制备方法包括如下步骤：(1)金属氧化物纳米棒@FeOOH(负载FeOOH的金属氧化物纳米棒)的制备：金属氧化物纳米棒分散于醇水混合液中，加入铁盐溶液混合，在60～90℃下反应2～8h，取沉淀干燥；优选的，反应条件为：70～90℃下反应2～6h；(2)FeOOH@有机物(负载有机物的FeOOH纳米管)的制备：方法a.负载FeOOH的金属纳米棒分散于水或者醇水混合液中，与碱混合搅拌反应1～3h，加入含碳有机物前体搅拌反应10～24h，去除金属氧化物纳米棒，并且使含碳有机物前体沉积在FeOOH管的表面，得到负载有机物的FeOOH纳米管；或者，方法b.负载FeOOH的金属纳米棒分散于水或者醇水混合液中，在碱性条件下加入含碳有机物前体搅拌反应10～24h，使含碳有机物前体沉积在FeOOH表面，洗涤干燥再用酸反应去除金属氧化物纳米棒，得到负载有机物的FeOOH纳米管(FeOOH@有机物)；(3)负载有机物的FeOOH纳米管在氮气气氛或惰性气体气氛下碳化。步骤(1)所述的金属氧化物纳米棒为MoO3纳米棒或MnO2纳米棒，其直径为50～300nm，长度1～10μm；优选的，其直径为50～300nm，长度1～5μm；铁元素与金属氧化物纳米棒的摩尔比为1～4：1，优选为1.5～3：1，更优选为2：1。步骤(1)所述的铁盐优选为铁铵盐，更优选为硫酸铁铵；所述的金属纳米棒为MoO3纳米棒；铁元素与MoO3摩尔比为1～4：1，优选为1.5～3：1，更优选为2：1。步骤(1)的反应体系中，MoO3纳米棒的含量为0.05～0.2mol/L。步骤(1)的反应体系中，醇与水的体积比为1：10～20，优选为1：15～18。步骤(1)所述的金属氧化物纳米棒为MoO3纳米棒、MnO2纳米棒、Al2O3纳米棒、ZnO纳米棒、CuO纳米棒、TiO2纳米棒或SnO2纳米棒，其直径为50～300nm，长度1～10μm；步骤(2)中用碱去除MoO3纳米棒、Al2O3纳米棒和TiO2纳米棒，用酸去除MnO2纳米棒、ZnO纳米棒和SnO2纳米棒。步骤(2)中，负载FeOOH的金属纳米棒(金属氧化物纳米棒@FeOOH)在反应体系中的含量为0.5～5mg/mL，优选为0.7～2mg/mL。优选的，所述负载FeOOH的金属氧化物纳米棒为负载FeOOH的MoO3纳米棒。步骤(2)中，所述的碱为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾，浓度为0.1～1mol/L，优选为0.4～0.8mol/L；优选的碱为氨水，浓度为0.4～0.8mol/L；优选的，用氨水去除MoO3纳米棒；反应体系中氨的浓度为0.4～0.6mol/L。所述的酸为盐酸、硝酸、氢氟酸或硫酸，用酸去除金属氧化物纳米棒时，反应时间为1～6小时。步骤(2)中，加入碳化前体有机物后，以碳元素计，在混合体系中的含量为0.1～1mg/mL，优选为0.25～0.5mg/mL。碳元素与金属氧化物纳米棒@FeOOH质量比为0.2～0.5：1。步骤(2)中，加入含碳有机物前体后的混合体系中，醇与水的体积比为1：0.5～2，优选为0.75～1.25。步骤(2)所述的碳化前体有机物为多巴胺、苯胺或酚醛树脂。步骤(3)所述碳化条件为：碳化温度400～700℃，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶，其特征在于，结构包括中空的四氧化三铁纳米管以及其表面附着的碳纳米管；四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶的外径160～450nm，四氧化三铁纳米管厚度45～75nm，碳纳米管厚度3～6nm，长度1～10μm。

【技术特征摘要】
1.一种四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶，其特征在于，结构包括中空的四氧化三铁纳米管以及其表面附着的碳纳米管；四氧化三铁基复合碳纳米管模拟酶的外径160～450nm，四氧化三铁纳米管厚度45～75nm，碳纳米管厚度3～6nm，长度1～10μm。2.权利要求1所述铁基复合碳纳米管模拟酶的制备方法，其特征在于，步骤包括：(1)制备负载FeOOH的金属氧化物纳米棒：金属氧化物纳米棒的醇水混悬液与铁盐溶液混合，在60～90℃下反应2～8h，取沉淀干燥，得到负载FeOOH的金属氧化物纳米棒；(2)制备负载有机物的FeOOH纳米管：方法a.负载FeOOH的金属纳米棒分散于含碱的水溶液或者醇水混合液中，加入含碳有机物前体搅拌反应，去除金属氧化物纳米棒，并且使含碳有机物前体沉积在FeOOH管的表面，得到负载有机物的FeOOH纳米管；或者，方法b.负载FeOOH的金属纳米棒分散于含碱的水溶液或者醇水混合液中，在碱性条件下加入含碳有机物前体搅拌反应，使含碳有机物前体沉积在FeOOH表面，洗涤干燥再用酸去除金属氧化物纳米棒，得到负载有机物的FeOOH纳米管；(3)在氮气气氛或惰性气体气氛下碳化。3.权利要求2所述铁基复合碳纳米管模拟酶的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的金属氧化物纳米棒为MoO3纳米棒、MnO2纳米棒、Al2O3纳米棒、ZnO纳米棒、CuO纳米棒、TiO2纳米棒或SnO2纳米棒，其直径为50～300nm，长度1～10μm；步骤(2)中，含碳有机物前体中碳元素与金属氧化物纳米棒@FeOOH质量比为0.2～0.5：1。4.权利要求2所述铁基复合碳纳米管模拟酶的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的铁盐为铁铵...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，鲁娜，王建平，曾彩霞，苗腾，张锐，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31