具有活性氧催化能力的銅摻雜偏鎢酸鹽的制備與性能研究★

滑繼愛，王 曼，王文杰，段文杰

（太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，山西 太原 030008）

引言

在生物化學(xué)反應(yīng)中，活性氧物種（ROS）作為最重要的中間體，幾乎存在于所有的生命過程中[1]。ROS催化劑的研究已逐漸成為醫(yī)學(xué)、環(huán)境乃至工業(yè)催化的研究熱點(diǎn)[2]。過渡金屬離子例如Cu2+/Cu+、Fe3+/Fe2+和Mn4+/Mn2+等，可以是用于構(gòu)建金屬蛋白酶的活性催化中心[3-4]。近年來，一系列用于抗微生物和污染物降解的過渡金屬構(gòu)筑的人工擬氧化酶被合成出來，其中以銅離子取代多氧金屬酸鹽（POMs）的ROS 催化能力較為優(yōu)秀[5]。因此，本文將采用銅離子作為中心離子制備具有ROS 催化活性的材料。

POMs 作為一類結(jié)構(gòu)迷人的金屬氧團(tuán)簇，在許多領(lǐng)域都具有優(yōu)良的性質(zhì)[6]。親核的富氧表面、納米尺寸以及多配位點(diǎn)等特征，使POMs 可以作為多齒配體與過渡金屬離子形成多聚物[7]。近年來，有研究表明，POMs 具有出色的催化氧化能力，例如環(huán)己酮與乙二醇的縮酮化和苯乙烯的氧化[8]。這些性質(zhì)將有利于POM 與過渡金屬離子在催化中產(chǎn)生協(xié)同作用。因此，在POMs 中摻雜銅離子，不僅可能保留所有前體組分原有的特性，而且還可以通過協(xié)同作用增強(qiáng)其功能。迄今為止，大多數(shù)的研究主要集中在雜多氧金屬氧酸鹽（HTPs）方面；相比之下，盡管同多氧金屬氧酸鹽（HMPs）也是一個(gè)重要的亞家族，然而關(guān)于它們的報(bào)道非常有限[9]。

在此，本文研究使用乙二胺合銅配合物對(duì)偏鎢酸鈉進(jìn)行摻雜，利用水熱反應(yīng)合成出純相多晶（CuMT）。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，摻雜銅離子后的偏鎢酸鹽，其催化產(chǎn)生ROS 的能力較其前體有大幅提升。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

氯化銅（CuCl2·2H2O）；氯化鈉（NaCl）；鎢酸鈉（Na2WO4·2H2O）；磷酸（H3PO4）；鹽酸（HCl）；偏鎢酸鈉（Na6[H2W12O40]·nH2O）；抗壞血酸（VC）和乙二胺（en），購自麥克林試劑有限公司（中國）；2'，7'-二氯熒光素二乙酸酯（DCFH-DA）、三羥甲基氨基甲烷（Tris）、辣根或氧化氫酶（HRP），購自Sigma-AldrichInc（.美國）。所有溶液均用Milli-Q 水制備，并通過0.22μm 過濾器（微孔隙）過濾。本實(shí)驗(yàn)中所有試劑均為分析級(jí)，從商業(yè)供應(yīng)商處購買，在使用前未經(jīng)任何處理，除非另有說明。

1.2 CuMT 的制備

將Na6[H2W12O40]·nH2O（8.0 g，20.4 mmol），CuCl2·2H2O（4.12 g，20.4 mmol）、en（0.25 mL）在攪拌下溶解于H2O（100 mL），用鹽酸（4 moL/L）調(diào)節(jié)溶液pH 至7.0。將上述溶液分裝至25 mL 聚四氟乙烯-不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，于170 ℃下反應(yīng)3 d。而后，降溫至室溫，CuMT 析出溶液形成深藍(lán)色粉狀晶體。

1.3 表征方法

紅外光譜（IR spectrum）在Nicolet170SXFT-IR 紅外光譜儀上使用KBr 壓片在4 000 cm-1～400 cm-1掃描范圍內(nèi)測定。

紫外光譜（UV spectrum）在UV-3600 紫外可見光譜儀上，使用CuMT 稀溶液，以二次水為參照，從190 nm 到700 nm 掃描測定。

X-射線粉末衍射（PXRD）于293 K 使用Cu-Kα射線（λ=0.154 056 nm）在Philips X’Pert-MPD 衍射儀上從5°～45°范圍內(nèi)收集。

能譜掃描電鏡（EDX-SEM）在D8 Advance X-ray diffraction analyzer Bruker AXS Microanalysis GmbH 儀器上使用粉晶在真空狀態(tài)下完成測試。

晶體照片由江南倒置數(shù)碼光學(xué)顯微鏡在白色背光下拍攝（10×20 放大倍數(shù)）。

1.4 ROS 催化實(shí)驗(yàn)

DCFH-DA 儲(chǔ)備液（1mmol/L）使用緩沖液（20 mmol/L Tris-HCl/15 mmol/L NaCl pH=7.4）配制。辣根過氧化物酶（HRP）儲(chǔ)備液（4 μmol/L）用相同的緩沖液制備。在每個(gè)樣品中加入的抗壞血酸使其濃度達(dá)到10 μmol/L，并在室溫下孵化。將上述孵化液分為4 組，其中，分別添加CuMT（10 mg），Na6[H2W12O40]·nH2O（10 mg），Cu-Cl（210 mg）及NaC（l10 mg），分別命名為CuMT 組、C1組、Cu2+組以及對(duì)照組。將上述各對(duì)比組（200 μL）轉(zhuǎn)移到96 孔平底黑色板的孔中。每個(gè)溶液中加入HRP（0.04 μmol/L）和DCFH-DA（100 μmol/L），置于暗室中常溫孵育12 h。而后使用Thermo Scientific Varioskan Flash microplate reader 酶標(biāo)儀測試其在可見光（λex=485 nm）激發(fā)下從505 nm～650 nm 的熒光光譜。

2 結(jié)果與討論

如圖1 所示，反應(yīng)所制備的CuMT 經(jīng)反復(fù)微波震蕩洗滌后，顆粒尺寸色澤比較均一。使用PXRD 對(duì)其進(jìn)行表征及模擬分析，可知CuMT 為Orthorhombic 晶型，Pbca 空間群，其a、b 和c 的值分別為21.952 5（17），20.662 7（17）和26.521 0（20）；α，β 與γ 的角度均為90°。這說明制備出的CuMT 和原料Na6[H2W12O40]·nH2O 的晶型不同。通過對(duì)不同晶體及晶體不同部位的掃描電鏡電子能譜分析，可知CuMT 中Cu 元素與W 元素的摩爾比例約為2.65∶12.33，這說明銅離子已經(jīng)被均勻地?fù)诫s入偏鎢酸銨中，且其純度較高，這也與PXRD 的結(jié)論一致。

圖1 CuMT 的PXRD 譜圖（內(nèi)置CuMT 的光學(xué)10×20 顯微圖）

如圖2 所示，CuMT 的紅外光譜顯示出類似于偏鎢酸鈉的吸收振動(dòng)峰。其中，4 個(gè)峰分別位于929 cm-1、862 cm-1～817 cm-1和701 cm-1可歸屬于鎢上端氧ν（W-Ot）、鎢上二重橋氧ν（W-Oμ2）和鎢上三重橋氧ν（W-Oμ3）的伸縮振動(dòng)[10]。位于3 412 cm-1處的吸收峰可歸屬于水中—OH 的伸縮振動(dòng)[10]。值得注意的是，CuMT 在位于3 140 cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)較強(qiáng)的新吸收峰，它被歸屬于乙二胺中N—H 的伸縮振動(dòng)峰[10]。這也與銅乙二胺配合物摻雜的事實(shí)相符。綜上不難發(fā)現(xiàn)，CuMT 的主體結(jié)構(gòu)仍為偏鎢酸根離子。

圖2 CuMT（實(shí)線）與偏鎢酸鈉（虛線）的紅外圖譜

如圖3 所示，在水溶液中，CuMT 在190 nm～700 nm范圍內(nèi)存在2 個(gè)吸收峰。其中，位于194.8 nm 處的吸收峰可以歸屬于端氧至鎢原子的躍遷Ot→W；而位于258.0 nm 處的吸收峰可以歸屬于橋氧至鎢原子的躍遷Oμ→W[11]。利用紫外可見光譜，還研究了pH 值對(duì)CuMT 穩(wěn)定性的影響。CuMT 的紫外可見吸收峰在pH 5.2～8.6 沒有明顯變化。在上述pH 范圍外，194.8 nm和258.0 nm 處的吸收峰強(qiáng)度逐漸發(fā)生變化，這可能表明CuMT 的骨架開始坍塌。因此，CuMT 的pH 穩(wěn)定范圍估計(jì)在5.2～8.6。

圖3 CuMT 的紫外-可見吸光圖譜（內(nèi)置偏鎢酸根的結(jié)構(gòu)示意圖）

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以Cu 取代的POM 具有催化氧化產(chǎn)生ROS 的能力[5]。因此，這里采用DCF 熒光法研究CuMT對(duì)介導(dǎo)ROS 生成的影響。DCF 是一種由非熒光2'，7'-二氯熒光素二乙酸酯在辣根過氧化物酶（HRP）存在下與ROS 反應(yīng)而產(chǎn)生的熒光標(biāo)記物，它的熒光強(qiáng)度可以表明系統(tǒng)中ROS 的生成總量。如圖4 所示，CuMT 組位于λem=528 nm 的熒光強(qiáng)度明顯高于空白組（Ctrl 組），說明孵化液中有CuMT 時(shí)其ROS 產(chǎn)量大于無CuMT 時(shí)的ROS 產(chǎn)量。此外，實(shí)驗(yàn)顯示偏鎢酸鈉（C1 組）也有催化產(chǎn)生ROS 的作用。然而，C1 組的熒光強(qiáng)度大約是CuMT 組的1/4。這說明，摻雜了銅離子的偏鎢酸鈉（CuMT）較單純的偏鎢酸鈉具有更強(qiáng)的催化產(chǎn)生ROS 的能力。有趣地是，銅離子組（Cu2+組）的熒光強(qiáng)度竟然低于Ctrl 組，這表明Cu2+組產(chǎn)生的ROS顯著減少。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能源于Cu2+和HRP 酶之間的相互作用[12]。其中HRP 可以與Cu2+配位，而因此使它們失去了催化能力[12]。因此，將Cu2+與偏鎢酸鈉摻雜合成均一的復(fù)合材料可能不僅有助于協(xié)同催化高效地產(chǎn)生ROS，而且還可以保護(hù)催化中心Cu2+不受其他外界因素的干擾。

圖4 各孵化組的DCF 熒光圖譜（λex=485 nm）

3 結(jié)論

本文提出了一種使用水熱合成法制備均一、穩(wěn)定且純凈的銅離子摻雜偏鎢酸鹽的方法。實(shí)驗(yàn)表明所制備出的CuMT 材料晶體具有Orthorhombic 晶型，Pbca空間群，其a，b 和c 的值分別為21.9525（17），20.6627（17）和26.5210（20）；α，β 與γ 的角度均為90 °。CuMT 中Cu 與W 的摩爾比接近1∶4，且分布均勻。紅外與紫外光譜顯示CuMT 仍保留了前體偏鎢酸根的基本結(jié)構(gòu)，并且證實(shí)了銅乙二胺配合物的引入。此外，在水溶液中，CuMT 的基本結(jié)構(gòu)在pH 5.2～8.6 之間可以穩(wěn)定存在。摻雜后的材料CuMT，其催化產(chǎn)生ROS 的能力較其各前體均有很大的提升，并且還能保證其催化核心不易受到外界因素的干擾。