一种用于尿酸比色检测的植酸-镁协同调控碳限域缺陷型五氧化二钒纳米酶及其制备方法与流程

本发明属于纳米材料、纳米结构及其特殊用途，具体涉及一种用于尿酸比色检测的植酸-镁协同调控碳限域缺陷型v2o5纳米酶及其制备方法。

背景技术：

1、尿酸是人体嘌呤代谢的终产物，其含量异常与高尿酸血症、痛风、慢性肾病、代谢综合征及心血管疾病等密切相关。因此，建立快速、灵敏、低成本的尿酸检测方法，对于疾病筛查、治疗监测和健康管理具有重要意义。现有尿酸检测方法主要包括酶法、电化学法、色谱法和比色法等。其中，比色检测因操作简便、成本低、结果直观，适合基层检测和即时检测场景，具有较好的应用前景。

2、目前常用的尿酸比色检测体系通常依赖尿酸氧化酶催化尿酸生成h2o2，再利用天然过氧化物酶（pod）或具有类过氧化物酶活性的纳米材料催化h2o2氧化显色底物，实现尿酸的间接检测。然而，天然酶存在成本较高、稳定性不足、储存条件要求严格以及复杂样本中容易失活等问题，限制了检测体系的稳定性和实际应用。相比之下，纳米酶具有制备简单、稳定性好、易于结构调控等优点，在h2o2检测和氧化酶级联比色检测中受到广泛关注。

3、v2o5具有多价态钒中心和一定氧化还原活性，在催化和传感等领域具有应用潜力。但普通v2o5通常存在孔道结构开放程度较低、比表面积有限、电子传递能力不足、缺陷活性位点较少等问题，导致其类过氧化物酶活性仍不理想。已有研究表明，通过缺陷构筑、形貌调控和多孔结构设计可改善v2o5材料的电子结构和界面反应能力，但现有v2o5基纳米酶结构设计仍难以同时兼顾开放孔结构、低价v位点和氧空位相关缺陷、界面电子传递以及反应底物扩散接触等因素，针对尿酸比色检测中h2o2活化和tmb显色过程的专门结构设计仍有进一步优化空间。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于尿酸比色检测的植酸-镁协同调控碳限域缺陷型v2o5纳米酶及其制备方法，以解决普通v2o5纳米材料在类过氧化物酶催化中存在的孔道结构开放程度较低、比表面积有限、电子传递能力不足、缺陷活性位点较少以及尿酸比色检测灵敏度有限的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于尿酸比色检测的植酸-镁协同调控碳限域缺陷型v2o5纳米酶，所述纳米酶包含v2o5晶相、碳限域结构以及植酸衍生p组分和mg组分；所述纳米酶具有开放多孔的疏松片层结构，且具有以下理化特征：

4、（a）表面v4+比例不低于43.9%；

5、（b）氧空位相关电子顺磁共振（epr）信号强度高于单独植酸调控或单独镁调控的对照样品；

6、（c）电荷转移阻抗rct不高于3.0ω；

7、（d）bet比表面积不低于130m2/g，孔体积不低于0.40cm3/g。

8、进一步地，所述碳限域结构在x射线衍射图谱中于2θ≈24°~26°范围内呈现碳（002）晶面的弱衍射信号。

9、本发明还提供一种用于尿酸比色检测的植酸-镁协同调控碳限域缺陷型v2o5纳米酶的制备方法，包括以下步骤：

10、（1）将偏钒酸铵溶于去离子水中，于70~85℃搅拌溶解，冷却后加入植酸溶液，室温搅拌，得到钒-植酸混合溶液；将六水合氯化镁加入去离子水中，超声溶解后，在搅拌下滴加至所述钒-植酸混合溶液中，并用盐酸调节ph至3.5~4.5，得到前驱体溶液；

11、（2）将壳聚糖溶于含冰醋酸的去离子水中，室温搅拌形成壳聚糖溶液，将所述壳聚糖溶液滴加至步骤（1）的前驱体溶液中，滴加完成后继续搅拌，使体系形成复合水凝胶，经洗涤、冷冻干燥，得到复合气凝胶前驱体；

12、（3）将所述复合气凝胶前驱体置于管式炉中，在氮气气氛下于470~520℃进行第一段煅烧，保温1.5~2.5h，自然冷却后，再在空气气氛下于250~300℃进行第二段煅烧，保温15~25min，得到所述用于尿酸比色检测的植酸-镁协同调控碳限域缺陷型v2o5纳米酶。

13、进一步地，步骤（1）中所述偏钒酸铵与植酸的用量比例为5.0mmol偏钒酸铵对应85~120μl植酸溶液，所述植酸溶液的质量百分比浓度为70%；所述六水合氯化镁的用量为0.4~0.65mmol。

14、进一步地，步骤（1）中植酸所含p与六水合氯化镁所含mg的投料摩尔比（p /mg投料摩尔比）为1.1:1~2.8:1，更优选为1.68:1~1.94:1。

15、进一步地，步骤（2）中所述壳聚糖的用量为0.15~0.30g，所述壳聚糖的脱乙酰度≥90%；冰醋酸用量为0.17~0.22ml，去离子水用量为15~25ml；所述冷冻干燥温度为-50至-40℃，时间为22~26h。

16、进一步地，步骤（3）中所述第一段煅烧的升温速率为5℃/min，保温温度为490~510℃，保温时间为1.8~2.2h；所述第二段煅烧的升温速率为5℃/min，保温温度为270~290℃，保温时间为18~22min。

17、进一步地，步骤（1）中所述超声溶解的时间为20~40min，所述ph调节至4.0；步骤（2）中所述滴加完成后继续搅拌的时间为1~4h。

18、进一步地，所述步骤（1）中偏钒酸铵和去离子水的用量比例关系为5.0mmol:70~100ml；六水合氯化镁和去离子水的用量比例关系为0.4~0.65mmol:15-30ml；第一次搅拌时间25~40min；第二次搅拌时间20~30min；所述盐酸的浓度为0.1mol/l，所述ph调节至4.0。

19、进一步地，所述步骤（2）中室温搅拌时间为1.5~4h；洗涤为去离子水洗涤3次。

20、本发明还提供一种上述用于尿酸比色检测的植酸-镁协同调控碳限域缺陷型v2o5纳米酶在制备尿酸检测试剂或检测体系中的应用。

21、进一步地，所述尿酸检测为比色检测，其检测原理为：尿酸在尿酸氧化酶作用下生成过氧化氢，所述过氧化氢被所述用于尿酸比色检测的植酸-镁协同调控碳限域缺陷型v2o5纳米酶催化，氧化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（tmb）产生蓝色氧化产物，通过测量652nm波长处吸光度变化实现尿酸定量检测；所述检测的线性范围为5~300μm，检测限不高于4.5μm，且在人工血清样本中的加标回收率为98.8%~103.1%，批内相对标准偏差rsd小于5%。

22、本发明的有益效果在于：

23、（1）本发明通过壳聚糖辅助凝胶、冷冻干燥及不同气氛下两段式热处理相结合的方式，构筑了具有疏松片层结构和开放多孔结构的v2o5基纳米酶。所得材料有助于缓解普通v2o5孔结构开放程度有限、活性位点暴露不足的问题。制备的用于尿酸比色检测的植酸-镁协同调控碳限域缺陷型v2o5纳米酶的bet比表面积达到142.6m2/g，孔体积达到0.48cm3/g，明显高于普通v2o5样品。较大的比表面积和孔体积有利于h2o2、tmb等反应底物在材料表面的扩散、吸附和接触，为提高类过氧化物酶催化活性提供了有利的结构基础。

24、（2）本发明中植酸衍生p组分和mg组分（p/mg）对v2o5基纳米酶的表面价态、氧空位相关缺陷、孔结构及界面电荷转移能力具有协同调控作用。在本发明中，植酸所含p与六水合氯化镁所含mg的投料摩尔比控制在1.1:1~2.8:1范围内。在前驱体形成过程中，植酸分子含有多个磷酸基团，可与体系中的钒物种和mg2+发生配位、静电作用或其他相互作用，从而影响各组分在前驱体中的分布状态及钒氧结构的局部化学环境。经后续碳化和氧化处理后，植酸衍生含磷组分有利于调节材料表面钒元素的价态组成及氧空位相关缺陷，含镁组分则有利于调节热处理后材料的孔隙结构性质。由此，p组分主要提供缺陷诱导和表面价态调控作用，mg组分则主要提供结构辅助调节作用，二者在同一制备体系中相互配合，使单一p组分或单一mg组分难以同时实现的缺陷调控、孔结构优化和电荷转移改善得以协同实现。当p/mg投料摩尔比低于1.1:1，体系中mg组分相对过量，可能使部分磷酸基团优先与mg组分作用，削弱p对v-o配位环境的调控效果，导致缺陷诱导效率下降。同时过量mg组分也可能降低孔道的开放程度。当p/mg投料摩尔比例高于2.8:1，体系中p组分相对过量，植酸分子及其衍生物可能对v2o5表面过度覆盖降低活性位点的有效暴露，并影响h2o2和tmb等反应底物向活性界面的扩散和接触。因此，将p/mg投料摩尔比控制在1.1:1~2.8:1范围内，有利于实现p组分主导的缺陷诱导与mg组分辅助的孔结构优化的协同效应最大化，从而获得具有较优类过氧化物酶活性的v2o5基纳米酶。当p/mg投料摩尔比在1.68~1.94:1范围内时，植酸分子中磷酸基团与mg2+的配位数目达到动态平衡，既不过量占据v-o位点，也不足以导致mg2+诱导的团聚，从而获得最优的缺陷-孔结构耦合效应。

25、（3）本发明中适量碳限域结构的保留能够改善v2o5基纳米酶的界面电子传递能力，并有助于维持开放的孔道结构。其中实施例1样品表现出较低的电荷转移阻抗，rct为2.43ω，明显低于普通v2o5及各对比例样品，说明其界面电荷转移阻力显著降低。与碳限域结构减弱的对比例相比，本发明样品同时具有更低的电荷转移阻抗、更高的比表面积和孔体积以及更强的类过氧化物酶催化响应，表明适量碳组分并非无效杂质，而是与v2o5主体及p/mg协同调控体系共同作用，在促进电子传递和稳定多孔结构方面发挥积极作用。

26、（4）本发明所得植酸衍生p组分和mg组分协同调控的碳限域缺陷型v2o5纳米酶具有优异的类过氧化物酶催化性能，并可用于尿酸氧化酶级联比色检测。尿酸经尿酸氧化酶催化生成h2o2后，由本发明纳米酶催化h2o2氧化tmb产生蓝色氧化产物，使尿酸浓度变化转化为652nm处吸光度变化，在5~300μm尿酸浓度范围内呈良好线性关系，检测限为4.5μm。在人工血清样品中，尿酸加标回收率为98.8%~103.1%，批内相对标准偏差rsd小于5%，说明该体系具有较好的检测灵敏度、准确性和重复性，具备用于体外尿酸快速比色检测的应用潜力。