一种二氧化锰纳米酶的制备方法及其应用与流程

1.本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种二氧化锰纳米酶的制备方法及其应用。


背景技术：

2.生物成像是了解生物组织结构，阐明生物体的各种生理功能的一个重要研究手段。通常，利用电子或光学显微镜可以直接获得生物细胞和组织微观结构的图像，并通过对所得的图像进行分析可以了解生物细胞内的各种生理过程。近年来，随着光学成像技术的发展，尤其是数字化的成像技术和计算机图像分析技术的引进，光学生物成像技术现在已经成为了细胞生物学研究中不可或缺的一种研究手段。另外，生物成像技术在临床医学诊断中的应用也越来越受到重视，发展一种无损的体内成像技术是这一技术在疾病的临床诊断中广泛应用的重要前提。近年来，凭借生物成像技术观察生物体生命现象和其内在过程并揭示差异变化的功能，越来越受到研究人员的重视。
3.纳米技术是20世纪80年代发展起来的一门多学科交叉、覆盖面极广的高新技术。当物质到达纳米尺寸后，其材料性能就会发生一些突变，出现一些特殊性能，如表面效应、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、小尺寸效应等等。近年来，与生物相关的纳米材料技术发展极为迅速，成为国际生物技术领域的前沿和热点，并在医药卫生的领域有着广泛的应用和明确产业化前景。
4.纳米酶，也称为纳米模拟酶，是一种具有某种或某些酶催化特性的纳米材料。最近几十年来，具有催化活性的纳米材料被广泛开发并用来模拟天然酶。纳米模拟酶是一种最新型的酶模拟物，其不仅具有纳米材料的独特的性能，而且还具有一定的天然酶的催化活性。纳米酶与天然酶和常规人工酶相比，纳米酶在功能上可依赖于生物偶联的大比表面积和尺寸修饰，实现催化和对外部刺激的智能响应等其他功能，纳米酶还具有稳定性高、制备简单、易于保存运输、成本低廉、环境耐受性高等优点。目前，纳米酶已经在生物传感器、环境修复和医疗卫生等领域的发展中产生了许多实际应用。截至目前，大多数报道中的纳米酶都具有着类似过氧化物酶活性，这意味着它们往往需要h2o2来氧化其底物。另一方面，很少有纳米酶材料具有类似氧化酶的活性，由于类氧化酶具有更简单的反应条件(比如，不需要h2o2)，在实际应用中类氧化酶往往会更可取。此外，纳米氧化酶的另一个限制是底物的类型。已报道的ceo2和其他纳米氧化酶主要用于显色底物，而荧光底物很少被发现，这限制了他们在生物分析领域的应用，比如生物成像。在已有的文献报道中纳米二氧化锰颗粒或者二氧化锰纳米棒可以催化很多氧化反应，常常被作为纳米氧化剂来使用。但是，目前很少有文献报道采用二氧化锰纳米材料的类氧化酶活性实现细胞外氧化amplex red(ar)产生荧光以及细胞内氧化ar生物成像。
5.因此，本专利提出一种新型无毒二氧化锰纳米酶的制备方法及利用其类氧化酶活性，实现细胞内氧化amplex red(ar)产生荧光以及细胞内氧化ar产生荧光图像，最终达到生物成像的目的。


技术实现要素：

6.本发明为了解决通过传统方法制备出的二氧化锰纳米酶分散性和均一性较差的问题以及二氧化锰纳米酶本身的类氧化酶活性无法得到更好的应用的问题，进而提供一种二氧化锰纳米酶的制备方法及其应用；
7.一种二氧化锰纳米酶的制备方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
8.步骤一：取13.5单位的吗啉乙磺酸和1单位的高锰酸钾在去离子水中溶解；
9.步骤二：将步骤一中的得到的溶液进行超声处理，处理时间为30min；
10.步骤三：将步骤二中经过超声处理后的溶液进行离心处理，在10000rpm的条件下离心处理5min后，取沉淀物；
11.步骤四：将步骤三中的沉淀物放入到去离子水清洗中进行清洗，并在10000rpm的条件下离心去除上层清液5次；
12.步骤五：将步骤四经过离心去除上层清液后的沉淀物，分散在5ml的去离子水中，并在4℃的条件下保存备用；
13.进一步地，一种二氧化锰纳米酶的应用，将二氧化锰纳米酶作为显像剂应用在细胞体内进行生物成像，具体成像方法是通过以下步骤实现的：
14.步骤a：利用tmb检测法对通过权利要求一中制得的二氧化锰纳米酶进行活性检测；
15.步骤b：利用步骤a中具有活性的二氧化锰纳米酶作为显像剂应用在细胞体外进行生物成像实验；
16.步骤c：利用mtt比色法检测步骤b中用于细胞体外进行生物成像实验的二氧化锰纳米酶的毒性；
17.步骤d：利用步骤c中毒性检测后的二氧化锰纳米酶作为显像剂应用在细胞体内进行生物成像实验；
18.进一步地，所述步骤a具体包括如下步骤：
19.步骤a1：取0.1m的ph＝4的醋酸缓冲液、100μm mno2纳米酶和10μm tmb，并将10μm tmb放入到0.1m的ph＝4的醋酸缓冲液中进行充分搅拌后得到tmb混合液；
20.步骤a2：将100μm mno2纳米酶放入到步骤a1中得到的tmb混合液中，并充分混合后，在避光条件下静置15min，观察溶液颜色；
21.步骤a3：对步骤a2中静置后的溶液进行紫外吸收光谱测试，观察溶液对于不同波长紫外线的吸收峰值；
22.进一步地，所述步骤b具体包括如下步骤：
23.步骤b1：取0.1m的ph＝7.4的4
‑
羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液(hepes缓冲液)、10μm ar、100μm mno2纳米酶，并将10μm ar加入到0.1m的ph＝7.4的4
‑
羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液中搅拌均匀得到ar标记混合液；
24.步骤b2：将100μm mno2纳米酶加入到步骤b1中得到的ar标记混合液中进行荧光显像反应；
25.步骤b3：利用荧光分光光度计对反应后的ar标记混合液进行检测，设定激发光的波长为l1，检测到对应出很强的发射峰的波长为l2，进行反向验证，以l2作为发射峰回测氧化产物激发峰的波长为l3，若l1＝l3，则说明mno2纳米酶可以催化ar氧化产生荧光信号；
26.进一步地，所述步骤b3中设定激发光的波长长度l1的取值范围为400nm
‑
550nm。；
27.进一步地，所述步骤c具体包括如下步骤：
28.步骤c1：取多份等量复苏冻存的hela细胞和多份等量不同浓度的mno2纳米酶，并在每份复苏冻存的hela细胞中注入一份mno2纳米酶得到活体细胞实验样本；
29.步骤c2：在步骤c1中得到的每份活体细胞实验样本中注入外源性mtt试剂，静置10min，得到活体细胞检测样本；
30.步骤c3：在步骤c2中每份活体细胞检测样本中注入二甲基亚砜(dmso)试剂，并利用酶联免疫检测仪在490nm波长处测定已经注入二甲基亚砜(dmso)试剂的活体细胞检测样本的光吸收值，根据所检测到的光吸收值判断活体细胞检测样本中活体细胞的数量；
31.进一步地，所述步骤c1中的hela细胞为传至第三代的hela细胞；
32.进一步地，所述步骤d具体包括如下步骤：
33.步骤d1：将hela细胞设置在细胞培养皿中，并在细胞培养皿中倒入hela细胞培养液，取10μm ar和100μm mno2纳米酶在细胞培养皿中的hela细胞培养液中混合；
34.步骤d2：在超净工作台上弃去细胞培养皿中经过步骤d1得到的hela细胞培养液，并用磷酸缓冲盐溶液(pbs)对细胞培养皿中的hela细胞冲洗三次；
35.步骤d3：取步骤d2中冲洗后的hela细胞倒入倒入含ar与mno2纳米酶的培养基中，并在二氧化碳培养箱中孵育30min，使ar与mno2纳米酶进入到hela细胞内得到hela细胞荧光检测样本；
36.步骤d4：将步骤d3中得到的hela细胞荧光检测样本从含ar与mno2纳米酶的培养基中取出，并再次用磷酸缓冲盐溶液(pbs)冲洗三次后备用；
37.步骤d5：将步骤d4中经过冲洗后hela细胞荧光检测样本放到荧光显微镜的观察台上，并在激发光波长为470nm激发的条件下，观察hela细胞内是否产生荧光；
38.进一步地，所述步骤d3中二氧化碳培养箱内的温度为37℃；
39.进一步地，所述步骤d5中在将冲洗后hela细胞荧光检测样本放到荧光显微镜的观察台上时，在hela细胞荧光检测样本上加入少量的磷酸缓冲盐溶液(pbs)。
40.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
41.本专利提出一种二氧化锰纳米酶的制备方法及利用其类氧化酶活性，实现细胞外氧化amplex red(ar)产生荧光以及细胞内氧化ar产生荧光图像，最终达到生物成像的目的。本发明通过采用超声诱导吗啉乙磺酸(mes)还原kmno4方法合成的二氧化锰纳米酶，分散后未见明显颗粒状固体，材料分散性较好，符合纳米酶应用的基本要求。此外，通过透射电镜表征显示mes法制备的mno2纳米片层样品形貌一致，呈现纳米片层的形状，尺寸均一，直径约200nm左右。通过对所得的二氧化锰纳米片层与四甲基联苯胺(tmb)反应显示该材料具有类氧化酶活性，并将其作为类氧化酶在细胞外氧化ar发出红色荧光，最后在hela细胞内氧化ar发出红色荧光来达到生物成像的目的。最终的实验证实本专利提出的新型二氧化锰纳米酶具有生物氧化酶的活性，并成功实现在细胞内氧化ar产生红色荧光，达到生物成像的目的，未来该新型纳米材料可在生物成像的技术开发与相关修饰等领域发挥重要作用。
附图说明
42.图1为利用本发明中所述方法制得的纳米酶和传统方法所制得的纳米酶的形态对比图；
43.图2为利用本发明中所述方法制得的纳米酶的透射电镜图；
44.图3为利用mtt法检测新型二氧化锰纳米酶生物毒性时表示活体细胞存活率的柱状图；
45.图4为利用本发明中所述方法制得的二氧化锰纳米酶细胞外氧化ar溶液体系荧光光谱图(激发光波长470nm)；
46.图5为在荧光显微镜下利用本发明中所述方法制得的二氧化锰纳米酶氧化细胞内ar产生荧光图像(生物成像)。
具体实施方式
47.具体实施方式一：参照图1和图2说明本实施方式，本实施方式提供了一种二氧化锰纳米酶的制备方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
48.步骤一：取13.5单位的吗啉乙磺酸和1单位的高锰酸钾在去离子水中溶解；
49.步骤二：将步骤一中的得到的溶液进行超声处理，处理时间为30min；
50.步骤三：将步骤二中经过超声处理后的溶液进行离心处理，在10000rpm的条件下离心处理5min后，取沉淀物；
51.步骤四：将步骤三中的沉淀物放入到去离子水清洗中进行清洗，并在10000rpm的条件下离心去除上层清液5次；
52.步骤五：将步骤四经过离心去除上层清液后的沉淀物(二氧化锰纳米酶)，分散在5ml的去离子水中，并在4℃的条件下保存备用。
53.本实施方式中，提供一种通过采用超声诱导吗啉乙磺酸(mes)还原kmno4方法合成的二氧化锰纳米酶的制备方法，采用透射电镜对本发明所合成的mno2纳米酶进行微观形貌表征，透射电镜表征结果如图2所示，根据图2
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1，可以观察到通过本发明所合成的mno2纳米材料具有良好的分散性与均一性；根据图2
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2，可以观察到通过本发明所合成的mno2纳米材料样品微观形貌一致，呈现纳米片的形状，尺寸均一，直径约200nm左右，而现有多是采用超声诱导3
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吗啉丙磺酸还原法(mops法)制备mno2纳米酶，根据图1中的对比可知，传统方式合成得到的样品(左侧)，在放置一段时间后会发生聚集，产生聚沉并形成颗粒状固体悬浮于去离子水中；通过本发明所述方法合成得到的样品(右侧)，放置一段时间后未发生聚集，分散后样品颜色均一，未见颗粒状固体，分散性较好，符合纳米酶应用的基本要求，并且通过本发明所制得的mno2纳米酶是无毒性的mno2纳米材料，注入细胞体内后可以保证细胞具有较高的存活率，可以很好的应用于细胞体内的生物成像领域。
54.具体实施方式二：参照图3至图5说明本实施方式，本实施方式提供一种通过具体实施方式一中制得的二氧化锰纳米酶的应用，将二氧化锰纳米酶作为显像剂应用在细胞体内进行生物成像，具体成像方法是通过以下步骤实现的：
55.步骤a：利用tmb检测法对通过权利要求一中制得的二氧化锰纳米酶进行活性检测；
56.步骤b：利用步骤a中具有活性的二氧化锰纳米酶作为显像剂应用在细胞体外进行
生物成像实验；
57.步骤c：利用mtt比色法检测步骤b中用于细胞体外进行生物成像实验的二氧化锰纳米酶的毒性；
58.步骤d：利用步骤c中毒性检测后的二氧化锰纳米酶作为显像剂应用在细胞体内进行生物成像实验。
59.本实施方式中，首先利用tmb检测法来判断二氧化锰纳米酶是否具有类氧化酶活性，在确定二氧化锰纳米酶具有类氧化酶活性后，利用二氧化锰纳米酶具有的类氧化酶活性这一特点，先在细胞体外进行生物成像实验，在确定二氧化锰纳米酶可以催化催化ar进行氧化荧光显像后，继续利用mtt比色法判断二氧化锰纳米酶是否具有毒性，此步骤非常关键，因为在进行细胞体内荧光成像时，二氧化锰纳米酶也会随显像底物进入到细胞内，如果二氧化锰纳米酶具有毒性，在进入细胞体内后造成细胞体死亡，则失去了活体生物显像的意义，在确定二氧化锰纳米酶不含毒性，在进入到细胞体后，细胞仍可以正常存活的状态下，再进一步进行活体细胞内的生物成像实验。
60.具体实施方式三：参照图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的步骤a作进一步限定，本实施方式中，所述步骤a具体包括如下步骤：
61.步骤a1：取0.1m的ph＝4的醋酸缓冲液、100μm mno2纳米酶和10μm tmb，并将10μm tmb放入到0.1m的ph＝4的醋酸缓冲液中进行充分搅拌后得到tmb混合液；
62.步骤a2：将100μm mno2纳米酶放入到步骤a1中得到的tmb混合液中，并充分混合后，在避光条件下静置15min，观察溶液颜色；
63.步骤a3：对步骤a2中静置后的溶液进行紫外吸收光谱测试，观察溶液对于不同波长紫外线的吸收峰值。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
64.本实施方式中，通常情况下，使用tmb(四甲基联苯胺)可检测材料的氧化酶活性，tmb被氧化后会产生蓝绿色，故可根据实验中蓝绿色的深浅大致判断该材料类氧化酶活性。本方法中的反应体系为：0.1m的ph＝4的醋酸缓冲液、100μm mno2纳米材料、10μm tmb，即为1号，为了增加实验的对比性，在上述的技术上还需要设置一个对比样品，对比样本的体系包括0.1m的ph＝4的醋酸缓冲液和10μm tmb，即为0号，实验中0号为tmb不加mno2纳米材料；1号为tmb加mno2纳米材料。将以上溶液体系充分混合后，避光反应15分钟，观察溶液颜色，0号溶液为透明色，1号溶液呈现明显的深蓝绿色，并对1号溶液溶液进行紫外吸收光谱测试，在370nm和652nm波长处有特征吸收峰，说明合成的mno2纳米材料成功将tmb氧化为蓝色产物，实验结果表明该纳米材料具有类氧化酶活性，且类氧化酶活性较高。
65.具体实施方式四：参照图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的步骤b作进一步限定，本实施方式中，所述步骤b具体包括如下步骤：
66.步骤b1：取0.1m的ph＝7.4的4
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羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液(hepes缓冲液)、10μm ar、100μm mno2纳米酶，并将10μm ar加入到0.1m的ph＝7.4的4
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羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液中搅拌均匀得到ar标记混合液；
67.步骤b2：将100μm mno2纳米酶加入到步骤b1中得到的ar标记混合液中进行荧光显像反应；
68.步骤b3：利用荧光分光光度计对反应后的ar标记混合液进行检测，设定激发光的波长为l1，检测到对应出很强的发射峰的波长为l2，进行反向验证，以l2作为发射峰回测氧
化产物激发峰的波长为l3，若l1＝l3，则说明mno2纳米酶可以催化ar氧化产生荧光信号。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
69.本实施方式中，amplex red(ar)是一种常用荧光底物，在初始的状态下ar呈非荧光状态，非荧光的ar在氧化后会产生红色荧光，常常被作为荧光标记物，因此可通过ar荧光反应证实材料的氧化酶活性，进一步拓展其在生物成像领域的应用。本实验中的反应体系为：0.1m的ph＝7.4的4
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羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲液(hepes缓冲液)、10μm ar、100μm mno2纳米材料。采用荧光分光光度计进行检测，荧光光谱结果如图4所示，实验中设定波长470nm(l1)为激发光，可以检测到580nm(l2)处有很强的发射峰；以580nm(l2)作为发射峰回测氧化产物在470nm(l3，l1＝l3)处有激发峰，实验所得的激发峰波长和发射峰波长符合已有文献报道。说明该二氧化锰纳米材料可以催化ar氧化产生荧光信号，可进一步应用于生物成像领域。
70.具体实施方式五：参照图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤b3作进一步限定，本实施方式中，所述步骤b3中设定激发光的波长长度l1的取值范围为400nm
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550nm。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
71.具体实施方式六：参照图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述步骤c作进一步限定，本实施方式中，所述步骤c具体包括如下步骤：
72.步骤c1：取多份等量复苏冻存的hela细胞和多份等量不同浓度的mno2纳米酶，并在每份复苏冻存的hela细胞中注入一份mno2纳米酶得到活体细胞实验样本；
73.步骤c2：在步骤c1中得到的每份活体细胞实验样本中注入外源性mtt试剂，静置10min，得到活体细胞检测样本；
74.步骤c3：在步骤c2中每份活体细胞检测样本中注入二甲基亚砜(dmso)试剂，并利用酶联免疫检测仪在490nm波长处测定已经注入二甲基亚砜(dmso)试剂的活体细胞检测样本的光吸收值，根据所检测到的光吸收值判断活体细胞检测样本中活体细胞的数量。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
75.本实施方式中，mtt比色法是一种用于检测细胞存活和生长的方法。其检测原理是活细胞的线粒体中的琥珀酸脱氢酶可以使外源性mtt还原为水不溶性的蓝紫色结晶甲臜(formazan)，并沉积在细胞中，而死细胞则无此功能。之后，二甲基亚砜(dmso)能溶解细胞中的甲臜，再用酶联免疫检测仪在490nm波长处测定其光吸收值，便可间接反映活细胞数量，复苏冻存的hela细胞，从传至第三代开始进行生物毒性实验。实验中以不同浓度新型二氧化锰纳米酶进行mtt实验。如图3所示合成的新型二氧化锰纳米酶无明显生物毒性，有潜力用于后续的细胞生物实验，本实施方式中，选择的多份等量不同浓度的mno2纳米酶，其中mno2纳米酶的浓度是呈等比函数增长，最高浓度为100μm，最低浓度为0.01nm。
76.具体实施方式七：参照图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述步骤c1及侧部光照单元6作进一步限定，本实施方式中，所述步骤c1中的hela细胞为传至第三代的hela细胞。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
77.具体实施方式八：参照图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述步骤d作进一步限定，本实施方式中，所述步骤d具体包括如下步骤：
78.步骤d1：将hela细胞设置在细胞培养皿中，并在细胞培养皿中倒入hela细胞培养液，取10μm ar和100μm mno2纳米酶在细胞培养皿中的hela细胞培养液中混合；
79.步骤d2：在超净工作台上弃去细胞培养皿中经过步骤d1得到的hela细胞培养液，并用磷酸缓冲盐溶液(pbs)对细胞培养皿中的hela细胞冲洗三次；
80.步骤d3：取步骤d2中冲洗后的hela细胞倒入倒入含ar与mno2纳米酶的培养基中，并在二氧化碳培养箱中孵育30min，使ar与mno2纳米酶进入到hela细胞内得到hela细胞荧光检测样本；
81.步骤d4：将步骤d3中得到的hela细胞荧光检测样本从含ar与mno2纳米酶的培养基中取出，并再次用磷酸缓冲盐溶液(pbs)冲洗三次后备用；
82.步骤d5：将步骤d4中经过冲洗后hela细胞荧光检测样本放到荧光显微镜的观察台上，并在激发光波长为470nm激发的条件下，观察hela细胞内是否产生荧光。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。
83.本实施方式中，海拉(hela)细胞，是一种人工培养、具有无限增殖能力的细胞，自诞生以来其应用已经超过70年历史。在医学界，海拉细胞被广泛应用于肿瘤研究、生物实验或者细胞培养，已经成为医学研究中非常重要的工具。本发明在hela细胞内使用所得的二氧化锰纳米酶进行氧化ar体系荧光实验，实验中将10μm ar和100μm mno2纳米材料在培养液中混合；在超净工作台中弃细胞培养皿中的培养液，磷酸缓冲盐溶液(pbs)冲洗三次，倒入含ar与mno2纳米材料的培养基，在37℃二氧化碳培养箱中孵育30分钟；弃去培养基，pbs冲洗三次，防止背景荧光过强；荧光显微镜设置激发光波长为470nm激发，观察细胞是否产生荧光。hela细胞内荧光实验结果如图5所示，荧光物质成功进入到细胞内，并在细胞内产生了红色荧光。最终的实验证实本专利提出的新型二氧化锰纳米酶具有生物氧化酶的活性，并成功实现在细胞内氧化ar产生红色荧光，达到生物成像的目的，未来该新型纳米材料可在生物成像的技术开发与相关修饰等领域发挥重要作用。
84.具体实施方式九：参照图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述d3作进一步限定，本实施方式中，所述步骤d3中二氧化碳培养箱内的温度为37℃。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。
85.如此设置，保证了二氧化碳培养箱内的温度为室温，有利于ar与mno2纳米材料通过细胞膜进入到细胞体内，如果温度过高，容易导致细胞内水分流失过快，导致活体样品出现干瘪，导致后期荧光显像观察的背景较深，影响观察效果，如果温度过低，影响ar与mno2纳米材料进入到细胞内的速度，导致后期荧光显像区域色差较浅，不易观察。
86.具体实施方式十：参照图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述步骤d5作进一步限定，本实施方式中，所述步骤d5中在将冲洗后hela细胞荧光检测样本放到荧光显微镜的观察台上时，在hela细胞荧光检测样本上加入少量的磷酸缓冲盐溶液(pbs)。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。
87.如此设置，在hela细胞荧光检测样本上加入少量pbs防止观察过程中水分完全蒸发。
88.本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。