劉夢(mèng)婷,楊樹(shù)芬,薛雨,臧嘉妍,蘇權(quán)燕,鄭興燁,曹秋娥,周川華
云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,化學(xué)化工國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(云南大學(xué)),昆明 650091
生物酶廣泛存在于生物體活細(xì)胞中,并在生化反應(yīng)中起重要作用[1]。由于酶催化反應(yīng)具有靈敏度高和選擇性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。但是由于生物酶價(jià)格高、易失活、存儲(chǔ)困難,很難應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。納米酶是一種具有酶催化性能的納米材料。與生物酶相比,納米酶由于其成本低廉、對(duì)反應(yīng)環(huán)境的耐受度高以及易于制備、催化性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),引起了科研工作者的廣泛關(guān)注[2]。目前,研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多具有模擬酶活性的納米材料,如金屬納米材料、金屬氧化物納米材料、碳納米材料、金屬有機(jī)框架材料等等。
普魯士藍(lán)(PB,F(xiàn)e4[Fe(CN)6]3),又稱中國(guó)藍(lán),早在18世紀(jì)初作為染料被發(fā)現(xiàn),隨后在生物醫(yī)學(xué)中多有應(yīng)用,它是一種典型的六氰合鐵配位化合物。隨著對(duì)普魯士藍(lán)的不斷深入研究,研究人員發(fā)現(xiàn)普魯士藍(lán)中的FeIII或者[FeII(CN)6]可以用其他過(guò)渡金屬代替,從而得到一類(lèi)它的衍生物——普魯士藍(lán)類(lèi)配合物或者類(lèi)普魯士藍(lán)(PBA)。它們具有和普魯士藍(lán)類(lèi)似的結(jié)構(gòu)[3],具有低成本、易于合成等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電解水、儲(chǔ)能材料、傳感器、磁性材料等領(lǐng)域。
由于普魯士藍(lán)易于制備、成本低廉,而且有特殊的顏色,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通??梢詰?yīng)用于設(shè)計(jì)科普實(shí)驗(yàn)[4]或趣味實(shí)驗(yàn)[5]。如呂喜風(fēng)等將普魯士藍(lán)用于設(shè)計(jì)物理化學(xué)趣味實(shí)驗(yàn),探究棉稈對(duì)廢水中普魯士藍(lán)的吸附性能和吸附效果[5]。也可以將普魯士藍(lán)的合成與性質(zhì)引入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中,如李娟等基于納米普魯士藍(lán)設(shè)計(jì)了一個(gè)膠體化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)[6];張彥卓等結(jié)合普魯士藍(lán)納米材料設(shè)計(jì)了一個(gè)用于制備復(fù)合凝膠的藥物制劑實(shí)驗(yàn)[7],這些教學(xué)設(shè)計(jì)有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。由于酶催化反應(yīng)是一類(lèi)非常重要的生物化學(xué)反應(yīng),在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入納米酶材料及酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)具有非常重要的意義[8]。盡管類(lèi)普魯士藍(lán)納米材料具有非常好的模擬酶催化性質(zhì),但是到目前為止,本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中還沒(méi)有利用類(lèi)普魯士藍(lán)納米材料作為模擬酶,探究其酶催化性能的綜合實(shí)驗(yàn)。
基于此,本文將普魯士藍(lán)及其類(lèi)似物引入本科教學(xué)實(shí)驗(yàn),通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)制備和表征三種類(lèi)普魯士藍(lán)納米酶材料,并比較其模擬酶性質(zhì),討論合成過(guò)程中配體及組成對(duì)其過(guò)氧化物模擬酶性質(zhì)的影響,并將這些納米酶材料應(yīng)用于過(guò)氧化氫(H2O2)的分析檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)試劑廉價(jià)易得,實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀,可以激發(fā)學(xué)生對(duì)于科學(xué)研究的熱情與興趣,培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。
(1) 了解類(lèi)普魯士藍(lán)納米酶的性質(zhì),掌握其制備及表征方法;
(2) 掌握紫外-可見(jiàn)光譜儀的基本操作和原理;
(3) 了解Linewaerver-Burk雙倒數(shù)方程,掌握米氏常數(shù)的計(jì)算方法;
(4) 掌握利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜法檢測(cè)H2O2,以及繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線的方法。
本實(shí)驗(yàn)采用共沉淀法制備普魯士藍(lán)及類(lèi)普魯士藍(lán)納米材料。普魯士藍(lán)由亞鐵氰化鉀與FeCl3通過(guò)共沉淀反應(yīng)所得,產(chǎn)物為藍(lán)色膠體溶液。其反應(yīng)方程式如下:
銅鐵類(lèi)普魯士藍(lán)(CuFe PBA)由鐵氰化鉀與Cu(NO3)2·3H2O通過(guò)共沉淀反應(yīng)所得,產(chǎn)物為淺黃色膠體溶液。
普魯士藍(lán)及類(lèi)普魯士藍(lán)具有過(guò)氧化物模擬酶性質(zhì),它們可以催化H2O2分解產(chǎn)生羥基自由基,而羥基自由基可以將無(wú)色的3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)氧化為藍(lán)色的TMB+,后者在652 nm附近有最大吸收,因此可以利用TMB+的紫外-可見(jiàn)吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)H2O2的含量測(cè)定。
酶的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解酶催化反應(yīng)的基礎(chǔ)理論知識(shí),酶催化反應(yīng)遵循Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)模型。其反應(yīng)方程如下式所示:
其中,v是反應(yīng)速度,vmax是最大反應(yīng)速度,[S]是底物的濃度,Km是米氏常數(shù),Km越小,說(shuō)明對(duì)底物的親和能力越強(qiáng)。利用Linewaerver-Burk雙倒數(shù)方程可求出Km和vmax。
Linewaerver-Burk雙倒數(shù)方程如下式所示:
本實(shí)驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)試劑如表1所示。
表1 本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)試劑
本實(shí)驗(yàn)所用儀器如表2所示。
表2 本實(shí)驗(yàn)所用儀器
本實(shí)驗(yàn)6人為一個(gè)大組,2人為一小組,每小組制備一種普魯士藍(lán)或者類(lèi)普魯士藍(lán)納米材料,制備方法如下。
2.5.1 溶液配制
(1) 檸檬酸母液的配制:準(zhǔn)確稱取檸檬酸0.2630 g,于250 mL容量瓶中加蒸餾水定容、搖勻,得到5 mmol·L-1檸檬酸溶液。
(2) A組溶液配制:準(zhǔn)確稱取K3[Fe(CN)6] 0.0660 g,于100 mL容量瓶中用檸檬酸溶液定容、搖勻,得到含2 mmol·L-1K3[Fe(CN)6]的檸檬酸溶液。準(zhǔn)確稱取Cu(NO3)2·3H2O 0.0380 g,于100 mL容量瓶中用檸檬酸溶液定容、搖勻,得到2 mmol·L-1Cu(NO3)2的檸檬酸溶液。
(3) B組溶液配制:以檸檬酸溶液為溶解介質(zhì),準(zhǔn)確稱取K4[Fe(CN)6] 0.0850 g,于100 mL容量瓶中用檸檬酸溶液定容、搖勻,得到2 mmol·L-1K4[Fe(CN)6]的檸檬酸溶液。準(zhǔn)確稱取FeCl3·6H2O 0.0110 g,于100 mL容量瓶中用檸檬酸溶液定容、搖勻,得到2 mmol·L-1FeCl3的檸檬酸溶液。
(4) C組溶液配制:以水為溶解介質(zhì),準(zhǔn)確稱取K4[Fe(CN)6] 0.0850 g,于100 mL容量瓶中加蒸餾水定容、搖勻,得到2 mmol·L-1K4[Fe(CN)6]的水溶液。準(zhǔn)確稱取FeCl3·6H2O 0.0110 g,于100 mL容量瓶中加蒸餾水定容、搖勻,得到2 mmol·L-1FeCl3的水溶液。
(5) 其他溶液:配制0.20 mol·L-1HAc-NaAc緩沖溶液(pH 4.6)、5.00 mmol·L-1TMB儲(chǔ)備液、1.25 mol·L-1的NaCl溶液備用。
2.5.2 類(lèi)普魯士藍(lán)納米酶材料的制備
(1) CuFe PBA的制備(以檸檬酸為溶解介質(zhì))。
取A組2 mmol·L-1Cu(NO3)2的檸檬酸溶液20 mL,在60 °C水浴磁力攪拌下緩慢滴加20 mL 2 mmol·L-1K3[Fe(CN)6]的檸檬酸溶液(約30 min滴加完成),所得溶液繼續(xù)在60 °C水浴攪拌5 min,待冷卻至室溫后,得到A組CuFe PBA備用。
(2) PB的制備(以檸檬酸為溶解介質(zhì))。
取B組2 mmol·L-1FeCl3的檸檬酸溶液20 mL,在60 °C水浴磁力攪拌下緩慢滴加20 mL 2 mmol·L-1K4[Fe(CN)6]的檸檬酸溶液(約30 min滴加完成),所得溶液繼續(xù)在60 °C水浴攪拌5 min,待冷卻至室溫后,得到B組以檸檬酸為溶解介質(zhì)PB (PB-檸檬酸)備用。
(3) PB的制備(以水為溶解介質(zhì))。
取C組2 mmol·L-1FeCl3的水溶液20 mL,在60 °C水浴磁力攪拌下緩慢滴加2 mmol·L-1K4[Fe(CN)6]的水溶液20 mL (約30 min滴加完成),所得溶液繼續(xù)在60 °C水浴攪拌5 min,待冷卻至室溫后,得到C組以水為溶解介質(zhì)的PB (PB-水)備用。
2.5.3 納米酶材料的表征
(1) 丁達(dá)爾效應(yīng):將三種納米酶材料稀釋10倍后,用激光筆照射,從與光束相垂直的方向觀察丁達(dá)爾效應(yīng)。
(2) 透射電子顯微鏡(TEM)表征:將制備好的納米酶材料離心分離后重懸在蒸餾水中,取5 μL稀釋液滴于銅網(wǎng)上,利用TEM觀察三種納米酶的形貌。
(3) X射線粉末衍射(XRD)及X射線光電子能譜(XPS)表征:將離心純化后的納米酶真空干燥后進(jìn)行XRD、XPS表征。
2.5.4 穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)測(cè)定
取適量A組CuFe PBA用水稀釋20倍,取適量B組PB-檸檬酸和C組PB-水,分別用水稀釋10倍。每組準(zhǔn)備6個(gè)50 mL比色管,按照表3分別加入TMB、PB(A)、HAc-NaAc緩沖溶液、蒸餾水,最后加入H2O2后迅速搖勻,快速利用紫外-可見(jiàn)光譜儀測(cè)定混合溶液652 nm處的吸光度(A652nm)隨時(shí)間的變化。A組測(cè)定CuFe PBA的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)時(shí)先在6個(gè)比色管中依次加入2 mL 1.25 mol·L-1的NaCl溶液,再按照上述步驟進(jìn)行操作。
表3 穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)測(cè)定各溶液加入量
注意事項(xiàng):
(1) 取模擬酶前,可以先將其進(jìn)行超聲處理,以提高材料的分散性。
(2) 注意加入試劑的先后順序,最后加入H2O2后應(yīng)迅速混勻,并快速加入比色皿中測(cè)定動(dòng)力學(xué)曲線。
2.5.5 過(guò)氧化氫的檢測(cè)
取幾個(gè)50 mL比色管,依次加入5 mL HAc-NaAc緩沖溶液、5 mL模擬酶稀釋液、10 mL TMB,不同體積的蒸餾水,樣品組加入1 mL稀釋200倍后的消毒水溶液,加標(biāo)組額外加入不同體積的0.01 mol·L-1H2O2標(biāo)準(zhǔn)溶液。每組溶液最后加入H2O2后迅速計(jì)時(shí),5 min后立即測(cè)定溶液652 nm處的吸光度。
如圖1a-c所示,所制備CuFe PBA為黃色溶液,PB-檸檬酸和PB-水為深藍(lán)色溶液。當(dāng)一束激光通過(guò)稀釋后的PB及PBA溶液時(shí),在垂直于入射光的方向可以觀察到明顯的光路,表明制備好的這三種材料均為膠體溶液,具有丁達(dá)爾效應(yīng)。通過(guò)TEM圖(圖1d-f)發(fā)現(xiàn)這三種材料直徑均在100 nm左右,都具有PB典型的方形塊狀結(jié)構(gòu)。PB-水(圖1f)比PB-檸檬酸(圖1e)及CuFe PBA (圖1d)尺寸稍小且棱角更加分明,證明配體對(duì)于納米材料的合成具有一定的影響。我們也以CuFe PBA為例對(duì)所合成的納米酶進(jìn)行XRD表征,如圖1g所示,其衍射峰與Cu3[Fe(CN)6]2的標(biāo)準(zhǔn)圖譜一致,證明制備出的材料為銅鐵類(lèi)普魯士藍(lán)。進(jìn)一步通過(guò)XPS表征(圖1h),證明材料中存在Cu、Fe、O、C、N等元素,以上結(jié)果表明成功制備了CuFe PBA。
圖1 CuFe PBA及PB的表征圖
為了探究三種材料催化H2O2氧化TMB的可行性,我們分別采用(A組) CuFe PBA、(B組) PB-檸檬酸、(C組) PB-水作為催化劑,在不同體系中孵育5 min后,測(cè)定混合溶液的吸收曲線,檢測(cè)結(jié)果如圖2所示,三種材料都能夠催化H2O2氧化TMB (圖2a-c紅色曲線),CuFe PBA本身催化H2O2氧化TMB的信號(hào)較小(圖2a紅色曲線),但是在溶液中加入0.1 mol·L-1NaCl后,可以使催化反應(yīng)大大加速(圖2a綠色曲線),這主要是源于Cl-可以加速銅基芬頓反應(yīng)[9](CuFe PBA中具有CuII)。而對(duì)于其他兩種PB,Cl-的存在并不能使催化反應(yīng)加速。此外,從圖2b、c中藍(lán)色曲線可以看出PB-水和PB-檸檬酸都具有一定的氧化酶活性(在沒(méi)有H2O2的存在下,PB也能氧化TMB產(chǎn)生A652nm信號(hào)),而CuFe PBA氧化TMB所產(chǎn)生的信號(hào)較小(圖2a藍(lán)色曲線)。以上數(shù)據(jù)證明三種材料都具有模擬酶性質(zhì),而由于合成材料時(shí)加入的配體及前體不同,所以三種酶的模擬酶性質(zhì)也有所不同。
圖2 三種材料催化H2O2氧化TMB的可行性分析
為了探究配體及組成對(duì)納米酶催化性質(zhì)的影響,我們測(cè)定了這三種材料催化H2O2的動(dòng)力學(xué)曲線。如圖3所示,向三種材料中加入TMB及不同濃度H2O2以后,混合液A652nm都會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。由于PB-檸檬酸及PB-水具有一定的氧化酶性質(zhì),所以沒(méi)有H2O2的空白組其A652nm也會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而加大,但是H2O2的存在可以加速TMB的氧化反應(yīng),而且H2O2的濃度越大,模擬酶催化反應(yīng)速度越快。因此可以利用檢測(cè)液A652nm來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)H2O2的檢測(cè)。比較三種材料的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線(圖3a、c、e),由于PB-檸檬酸及PB-水的氧化酶性質(zhì),導(dǎo)致背景信號(hào)較大,所以不利于低濃度H2O2的檢測(cè)。
圖3 三種材料催化H2O2氧化的動(dòng)力學(xué)曲線(a、c、e)與雙倒數(shù)曲線圖(b、d、f)
我們以速率的倒數(shù)作為縱坐標(biāo),H2O2濃度的倒數(shù)作為橫坐標(biāo),繪制了三種材料的雙倒數(shù)曲線(圖3b、d、f),利用Linewaerver-Burk雙倒數(shù)方程求出Km和vmax。計(jì)算結(jié)果如表4所示,與辣根過(guò)氧化物酶(HRP)相比,三種模擬酶對(duì)H2O2的Km更小,表明這三種材料對(duì)H2O2具有更高的親和力。其中PB-檸檬酸對(duì)H2O2的親和力最高;CuFe PBA次之;PB-水對(duì)H2O2的親和力最差,而CuFe PBA催化H2O2的vmax最大。由于采用檸檬酸作為介質(zhì)合成PB及CuFe PBA可能會(huì)使材料具有獨(dú)特的無(wú)限網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可以增加材料的比表面積,使其具有更多的催化活性位點(diǎn)和更多的電子通道[10],故PB-檸檬酸和CuFe PBA的Km小于PB-水,而vmax大于PB-水。
表4 HRP與PB-水、PB-檸檬酸、CuFe PBA動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)比
分別以三種納米材料作為模擬酶對(duì)H2O2進(jìn)行檢測(cè),以CuFe PBA為例,其對(duì)H2O2的檢測(cè)結(jié)果如圖4a所示,隨著H2O2濃度的增加,溶液的顏色逐漸加深,因此利用溶液的顏色可以實(shí)現(xiàn)對(duì)H2O2的半定量檢測(cè)。以A652nm作為縱坐標(biāo),H2O2濃度作為橫坐標(biāo)作圖,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果如圖4b所示,在0.01-0.1 mmol·L-1及0.1-0.5 mmol·L-1濃度范圍內(nèi),A652nm與H2O2的濃度呈線性相關(guān),其工作曲線方程和相關(guān)系數(shù)分別為y= 0.0178 + 5.536x(mmol·L-1)、R2= 0.9912和y= 0.2543 + 1.2561x(mmol·L-1)、R2= 0.9953,可能由于CuFe PBA對(duì)H2O2具有不同的催化位點(diǎn),當(dāng)H2O2濃度小于0.1 mmol·L-1時(shí),CuFe PBA對(duì)其催化速率更快。采用CuFe PBA作為催化劑測(cè)定三個(gè)平行消毒水樣品中H2O2含量,檢測(cè)結(jié)果如表5所示,其相對(duì)誤差為5.00%,測(cè)定結(jié)果較準(zhǔn)確,三次測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.45%,加標(biāo)回收率在97.50%-103.2%之間,滿足儀器分析實(shí)驗(yàn)基本要求。
圖4 采用CuFe PBA作為催化劑檢測(cè)不同濃度H2O2的顏色變化圖(a)及工作曲線圖(b)
表5 采用CuFe PBA對(duì)消毒水中H2O2的檢測(cè)結(jié)果
本實(shí)驗(yàn)適用于已經(jīng)學(xué)習(xí)了生物化學(xué)和儀器分析理論知識(shí)的學(xué)生,實(shí)驗(yàn)采用小班教學(xué),每次面向6-12名同學(xué)進(jìn)行授課,將每6名學(xué)生分為一大組,每個(gè)大組分為3個(gè)小組,2名同學(xué)為一小組,每個(gè)小組同學(xué)合成一種普魯士藍(lán)或者類(lèi)普魯士藍(lán)納米材料,并分別開(kāi)展材料表征、動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)及H2O2的檢測(cè)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)束后三組同學(xué)分別處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,探究納米材料的配體及其組成對(duì)其模擬酶性質(zhì)的影響。
本實(shí)驗(yàn)采用共沉淀法制備普魯士藍(lán)及類(lèi)普魯士藍(lán)納米材料,材料易于合成,實(shí)驗(yàn)試劑安全無(wú)毒,操作簡(jiǎn)單,反應(yīng)條件溫和,可重復(fù)性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)用時(shí)為8學(xué)時(shí),分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段為4學(xué)時(shí),內(nèi)容包括:教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研,了解模擬酶、類(lèi)普魯士藍(lán)及H2O2檢測(cè)的相關(guān)知識(shí),教師講述實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)后學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn),包括:溶液的配制,普魯士藍(lán)及類(lèi)普魯士藍(lán)納米材料的制備,模擬酶催化性能探究。材料的表征為可選部分,根據(jù)實(shí)際情況選擇性開(kāi)展。第二階段為4學(xué)時(shí),內(nèi)容包括:利用紫外-可見(jiàn)光譜儀測(cè)定酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線,繪制檢測(cè)H2O2的標(biāo)準(zhǔn)曲線,并進(jìn)行實(shí)際樣品的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,三組同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、思考并查閱資料,三個(gè)小組的同學(xué)共同完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
本實(shí)驗(yàn)將科學(xué)研究中常用的納米酶——普魯士藍(lán)及類(lèi)普魯士藍(lán)引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過(guò)比較這三種材料的模擬酶性質(zhì),探究納米材料在合成中組成及配體的不同對(duì)其模擬酶催化性質(zhì)的影響。本實(shí)驗(yàn)可以開(kāi)拓學(xué)生視野,幫助學(xué)生了解模擬酶和酶催化反應(yīng),學(xué)習(xí)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的測(cè)定及米氏常數(shù)的計(jì)算,鞏固紫外-可見(jiàn)分光光度法的原理及其應(yīng)用,同時(shí)也感受到科研的魅力,培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。本實(shí)驗(yàn)材料合成簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和,所用試劑無(wú)毒、價(jià)廉,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀,時(shí)間分配合理,適合本科生分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。此外本實(shí)驗(yàn)還可以根據(jù)學(xué)生情況進(jìn)行拓展,進(jìn)一步應(yīng)用于電分析化學(xué)、電催化、污水處理、生物分析等領(lǐng)域。