阅读说明：本技术 铜基三维金属有机框架材料在仿酶上的应用 (Application of copper-based three-dimensional metal organic framework material in enzyme simulation ) 是由 单丹 刘子萱 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铜基三维金属有机框架材料在仿酶上的应用,所述有机框架材料为Cu-MOF,其可作为生物模拟酶传感器对H<Sub>2</Sub>O<Sub>2</Sub>检测。对Cu-MOF进行电催化试验,发现该材料可以在模拟人体的中性酸碱pH条件下,催化过氧化氢,并具有较强的催化效果。(The invention discloses application of a copper-based three-dimensional metal organic framework material in enzyme simulation, wherein the organic framework material is Cu-MOF and can be used as a biological mimic enzyme sensor to H 2 O 2 And (6) detecting. An electrocatalysis test is carried out on Cu-MOF, and the material is found to be capable of catalyzing hydrogen peroxide under the condition of neutral acid-base pH of a simulated human body and has a strong catalysis effect.)

铜基三维金属有机框架材料在仿酶上的应用

技术领域

本发明属于生物模拟酶传感器的制备技术领域，涉及一种铜基三维金属有机框架的应用。

背景技术

在生物技术领域，快速准确的测定过氧化氢（H₂O₂）的需求在不断增加，为开发出具有高灵敏度，优异选择性和良好准确性的过氧化氢传感器，已经使用了多种方法。在过去的几十年中，基于天然酶的电化学生物传感器由于其高灵敏度和出色的选择性而得到越来越多的研究。然而，基于天然酶的电化学生物传感器通常复杂，昂贵并且十分依赖外界pH和温度。因此，构建模拟酶生物传感器是目前研究的热门及重点。最近，过渡金属，过渡金属氧化物或氢氧化物和碳基材料作为过氧化物模拟酶传感器的活性材料被广泛研究。但是它们的应用受到低抗毒性，操作稳定性差或电子传导性有限的限制，为了解决这些问题，开发具有高性能的H₂O₂检测的新型材料是必不可少的。

由于天然过氧化物酶存在着一些固有缺点，例如来源有限，提纯困难，稳定性差，分子量大，体内半寿期短的缺点，人们选择开发一些过氧化物模拟酶以期代替天然酶。目前，过氧化物模拟酶研究有几类，第一类是含铁卟啉的过氧化物模拟酶，这种模拟酶克服了过氧化氢容易被分解和在水中容易聚集的缺点，但价格昂贵，合成困难，在实际生产中性价比不高。第二类是含硒过氧化物模拟酶，这种模拟酶虽然具有过氧化氢催化性能，但缺少有效的连接官能团，活力较低，电子传输能力不强，催化性能一般。第三类是MOF类，即有机金属框架类模拟酶，这类模拟酶一般合成简单，具有优异催化性能，根据金属位点的不同，其催化性能和活性中心也有一定的差异。

发明内容

针对现有过氧化物模拟酶材料价格昂贵，电子传输性能不佳，催化性能一般的缺点，本发明提供了一种基于铜基三维金属有机框架的过氧化物模拟酶材料，该材料具有一价铜与二价铜双价态活性位点，可高效的催化过氧化氢，具有很强的电子传输能力。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的铜基三维金属有机框架材料可作为生物模拟酶传感器对H₂O₂检测，所述的铜基三维金属有机框架材料为Cu-MOF。

进一步的，所述的Cu-MOF通过如下步骤制备：将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于DMF（N,N-二甲基甲酰胺）与乙醇混合溶液中，超声处理30±5min，得到溶液A，将Cu(NO₃)₂·3(H₂O)（硝酸铜三水合物）和NH₂-BTC(2-氨基对苯二甲酸)加入DMF中，得到溶液B，将溶液A与溶液B混合，超声处理30±5min，在120±5℃下反应8±1h，过滤，离心，真空干燥后得到所述的Cu-MOF。

更进一步的，DMF与乙醇混合溶液中，DMF与乙醇体积比为1:1。

更进一步的，Cu(NO₃)₂·3(H₂O)和NH₂-BTC的摩尔比为10:3。

更进一步的，聚乙烯吡咯烷酮与Cu(NO₃)₂·3(H₂O)的质量比为13:1。

与现有技术相比，本发明具有以下显著效果：

（1）本发明通过加入不同比例的聚乙烯吡咯烷酮，从而控制MOFs的合成状态及形貌，将MOFs的尺寸控制在纳米范围以内，从而使该材料具有最佳的催化性能。

（2）对其进行XRD和红外试验，发现PVP不参与Cu-MOF Ns的形成，但可以作为模板调控其形貌尺寸。

（3）对其进行电催化试验，发现该材料可以在模拟人体的中性酸碱pH条件下，催化过氧化氢，并具有较强的催化效果。

附图说明

图1为不同比例PVP条件下形成的Cu-MOF扫描电镜图。

图2为Cu-MOF和Cu-MOF Ns的红外和X射线衍射光谱图。

图3为不同比例PVP条件下形成的Cu-MOF循环伏安图。

图4为Cu-MOF Ns催化过氧化氢循环伏安图。

图5为Cu-MOF Ns不同扫描速度循环伏安图。

图6为Cu-MOF Ns催化过氧化氢线性扫描伏安图。

图7为Cu-MOF Ns不同pH条件下循环伏安图。

具体实施方式

为了便于理解本发明所述的内容，下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明拟合成一种利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）进行尺寸形貌调控的Cu-MOF，通过金属与羧基的配位以及聚乙烯吡咯烷酮特有的表面活性剂作用，使纳米尺寸的MOF具有新的三维结构和更好的电子传输能力。而发明人基于现有的Cu-MOF在光电领域的应用，利用聚乙烯吡咯烷酮进行尺寸调控从而使该材料具有最佳的催化性能。

因而下述实施例通过配位作用合成三维材料，同时添加不同比例PVP以期寻找一种结构稳定，电子传输能力强且过氧化氢具有强催化能力的三维金属有机框架材料，这种新的三维有机金属框架可对过氧化氢具有较强的催化效果，从而可作为过氧化物模拟酶材料构建生物传感器。

将得到的产物置于25±5℃环境下密封保存后，进行SEM(扫描电子显微镜)，TEM(投射电子显微镜)，XRD（X射线衍射光谱）和XPS(X射线光电子能谱)表征。

本发明还将得到的产物按1：200的比例配成水溶液进行电化学测试。

本发明中，材料的催化性能按以下方法测定：

采用电化学测试方法，根据一般的电化学测试方法，3 mm 直径的玻碳电极依次在滴涂有0.3和0.05 μm γ-Al₂O₃饱和水溶液的麂皮上进行抛光，然后依次用超纯水和乙醇进行超声清洗，最后用氮气吹干。

具体步骤是：得到的产物按5：200的比例配成水溶液，得到浓度为5mg/mL的催化剂溶液。取10μL混合均匀的催化剂溶液小心滴涂在打磨好的玻碳电极表面，室温下晾干。自然干燥后，在进行电化学测试前，在电极表面滴涂10μL质量浓度5%的萘酚117乙醇溶液进行封闭，在室温下晾干。测试前电解质溶液均通半小时N₂气体至饱和浓度。最后在电化学测量之前，将电极在电解液中浸泡30min。电化学测试使用CHI660D型电化学工作站，辅助电极和参比电极分别为2mm铂丝和饱和甘汞电极。

实施例1

制备本发明铜基三维金属有机框架材料（Cu-MOF Ns）的方法，包括如下步骤：

步骤1、将0.3g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于4mLDMF（N,N-二甲基甲酰胺）与4mL乙醇混合溶液中，超声处理30±5min，将24.2mgCu(NO₃)₂·3(H₂O)（硝酸铜三水合物）和5.4mgNH₂-BTC(2-氨基对苯二甲酸)加入4mLDMF中，而后将此溶液与之前溶好放入PVP溶液混合，共同超声处理30±5min。将混合物置于20mL水热釜中，在120±5℃情况下反应8±1h。

步骤2、产物使用高速离心机13000rpm条件下离心5min。

步骤3、 使用去离子水清洗三次，低温冷冻真空干燥8±2h，得到产物Cu-MOF Ns。

其它试验过程同步骤1，将PVP添加量分别改为0，0.1，0.2，0.4，0.5，按照步骤1的流程合成不同的材料，并离心，真空冷冻干燥。

（一）形貌表征：

对不同PVP添加量的Cu-MOF材料进行SEM测试的结果如图1所示。图1中A为未添加PVP的Cu-MOF(Cu-MOF)；B为添加质量为0.1g的PVP形成的Cu-MOF(Cu-MOF-0.1PVP)；C为添加质量为0.2g的PVP形成的Cu-MOF(Cu-MOF-0.2PVP)；D为添加质量为0.3g的PVP形成的Cu-MOF Ns；E为添加质量为0.4g的PVP形成的Cu-MOF(Cu-MOF-0.4PVP)；F为添加质量为0.5g的PVP形成的Cu-MOF(Cu-MOF-0.5PVP)。

从图1可以看出，在没有PVP辅助的合成Cu-MOF颗粒，表现出“块状”结构的形态，并且尺寸随机地为2-10μm。 随着PVP的加入，Cu-MOF的形态更规则并开始形成均匀的球形纳米颗粒。 我们可以用SEM图像找到尺寸形貌最好的MOF，Cu-MOF的形态是均匀且光滑的纳米球，平均直径为400-500nm，此时显示为PVP的添加量为0.3g。通过SEM图展示出了PVP对Cu-MOF颗粒的生长表现出限制作用，PVP在水溶液中先形成球状胶束结构，将硝酸铜和2-氨基对苯二甲酸限制在球状胶束内配位，从而形成均一的纳米尺寸的Cu-MOF，因此，本发明将此命名为Cu-MOF Ns。

（二）结构表征：

对未添加PVP的Cu-MOF和添加0.3gPVP形成的Cu-MOF Ns做红外光谱测试和X射线衍射光谱测试。

图2中A为未添加PVP的Cu-MOF(a)和添加0.3gPVP形成的Cu-MOF Ns(b)的红外谱图；B为添加0.3gPVP形成的Cu-MOF Ns(a)和未添加PVP的Cu-MOF(b)的X射线衍射光谱图。

如图2A所示，在Cu-MOF Ns(a)曲线中，在1587cm^-1处的峰对应于去质子化的2-氨基对苯二甲酸（NH2-BTC）的C = O伸展，在1365cm^-1处的峰归于1500-1200 cm-1范围的C-O拉伸。在900-600 cm-1区域出现的755 cm^-1主要是由于芳香结构的C-H弯曲振动。在Cu-MOF纳米粒子中观察到归属于-NH2的不对称和对称伸展振动的3246cm^-1处的峰，证实了Cu-MOF纳米颗粒中存在氨基。可以证明Cu（NO₃）₂•3H₂O与 NH₂-BTC中羧基进行配位，水热反应的高温高压促使NH₂-BTC去质子化，从而使其与铜离子更加容易络合，NH₂-BTC中的-NH₂并未参与反应，而PVP的作用是在溶液中预先形成球状胶束结构，当Cu（NO₃）₂•3H₂O与 NH₂-BTC进入溶液中，将其限制在球状胶束中配位，从而形成球形纳米颗粒。

如图2B所示，Cu-MOF Ns(b)材料中含有一价铜的比例更高，而未添加PVP的Cu-MOF(a)中二价铜的比例含量更高，这证明PVP的加入不仅影响了尺寸形貌的改变，也使Cu（NO₃）₂•3H₂O与 NH₂-BTC的配位结构和配位比发生改变，形成不同的配位结构。

（三）电化学测试：

（1）对添加不同质量比PVP而形成的Cu-MOF做电化学测试。

图3中曲线a为添加质量为0.1g的PVP形成的Cu-MOF(Cu-MOF-0.1PVP)；曲线b为添加质量为0.2g的PVP形成的Cu-MOF(Cu-MOF-0.2PVP)；曲线c为添加质量为0.3g的PVP形成的Cu-MOF Ns；曲线d为添加质量为0.4g的PVP形成的Cu-MOF(Cu-MOF-0.4PVP)；曲线e为添加质量为0.5g的PVP形成的Cu-MOF(Cu-MOF-0.5PVP)。电解液：0.1 M PBS(pH=7.0)溶液；扫描范围：-0.8 V-0.6V扫速：10 mV/s。

从图3可以看出，含有0.3g PVP的Cu-MOF Ns显示出最佳的电化学行为，结合实施例1和2，该结果与SEM图像和红外的结论一致。 因此，我们选择Cu-MOF Ns来研究进一步的电化学行为和电催化还原性能。

（2）对添加0.3g PVP的Cu-MOF Ns做不同扫速的电化学测试。

图5为Cu-MOF Ns在扫速为10 mV s^-1-100 mV s^-1的循环伏安图，其中电解液：0.1M PBS(pH=7.0)溶液；扫描范围：-0.8 V-0.6V。

如图5A所示，在10mV s^-1的扫描速率下，Cu-MOF Ns的电化学响应表现出明确定义的还原峰，其位于约-0.3V，归因于CuII / CuI的氧化还原反应。对于CuII / CuI的氧化还原信号，Epa，Epc和Ep分别为-0.059，-0.281和0.222V。随着扫描速率从10 mV增加到100 mVs-1（图5B），还原峰值电流随扫描速率的平方根线性增强(I _pIa (μA)=0.6334 v (mV s^-1) +5.723，R ²=0.9952；I _pIc (μA)=-1.246v (mV s^-1) – 24.64，R ²=0.9921)，这表明动力学信息是表面控制的电化学过程的典型行为。

（3）对添加0.3g PVP的Cu-MOF Ns做不同pH条件下的电化学测试。

图7A为Cu-MOF Ns在pH=5的PBS缓冲液中的循环伏安图；B为Cu-MOF Ns在pH=6的PBS缓冲液中的循环伏安图；C为Cu-MOF Ns在pH=7的PBS缓冲液中的循环伏安图；D为Cu-MOFNs在pH=8的PBS缓冲液中的循环伏安图；E为Cu-MOF Ns在pH=9的PBS缓冲液中的循环伏安图。扫描范围：-0.8 V-0.6V扫速：10 mV/s。

由图可以看出在为Cu-MOF Ns在pH=7的PBS缓冲液中电催化性能最佳，在碱性条件中，催化效果呈现不稳定状态，在酸性条件下，具有催化效果，但是效果没有中性条件下好。这再一次证明本材料可作为过氧化物模拟酶，模拟人体pH中性条件下的过氧化氢催化。这对进一步构建基于过氧化物模拟酶形成的生物传感器具有指导意义。

（四）电催化测试：

（1）对添加0.3g PVP的Cu-MOF Ns做电催化效果测试。

图4中曲线a为未加入过氧化氢时Cu-MOF Ns的循环伏安曲线；曲线b为为加入1mM过氧化氢时Cu-MOF Ns的循环伏安曲线；曲线c为加入3mM过氧化氢时Cu-MOF Ns的循环伏安曲线；曲线d为加入5mM过氧化氢时Cu-MOF Ns的循环伏安曲线。电解液：0.1 M PBS(pH=7.0)溶液；扫描范围：-0.8 V-0.6V扫速：10 mV/s。

在不存在过氧化氢的情况下观察到-0.3V的明显还原峰（曲线a），可以将其指定为Cu^II至Cu^I的氧化还原过程。通过添加1mM 过氧化氢，修饰电极的还原峰电流明显增加（曲线a和b），并且在向溶液中添加过氧化氢时，Cu-MOF Ns的阴极峰值电流线性增加。阴极峰位置在-0.3V没有变化，表明Cu-MOF Ns对过氧化氢还原具有良好的催化活性。

在Cu-MOF-0.3PVP / GCE中过氧化氢的还原机理提出如下：

Cu^（II）-MOF-0.3PVP + e^-→Cu^（I）-MOF-0.3PVP

Cu^（I）-MOF-0.3PVP + 1/2 H₂O₂→Cu^（II）-MOF-0.3PVP + OH^-

（2）对添加0.3g PVP的Cu-MOF Ns做进一步的电催化效果测试。

图6A为Cu-MOF Ns在低浓度过氧化氢条件下的线性伏安扫描图，电解液：0.1 MPBS(pH=7.0)溶液；扫描范围：-0.8 V-0.6V扫速：10 mV/s。

在背景电流下降到稳定值之后，图6B显示了电流响应相对于过氧化氢浓度变化的校准曲线。 峰值电流随着过氧化氢浓度在0.03-1.6mM（R² = 0.9533）范围内线性增加。并且可以看出检测限极低，这证明这种物质可以作为在低浓度条件下检测过氧化氢，并且催化过氧化氢为水。本材料可作为过氧化物模拟酶对过氧化氢进行催化，并在此基础上建立过氧化氢生物传感器。