基于硅酸盐溶解动力学制备硅酸锰纳米酶的方法及应用与流程

1.本发明涉及材料化学与纳米酶催化技术领域，具体是涉及基于硅酸盐溶解动力学制备硅酸锰纳米酶的方法及应用。


背景技术：

2.生物体中的天然氧化酶是过氧化物酶体中的主要酶类，约占过氧化物酶体酶总量的一半，包括葡萄糖氧化酶、尿酸氧化酶、漆酶、络氨酸酶等。本质上，各种氧化酶通过以分子氧作为电子受体生成水，实现对不同底物(如苯酚、tmb或abts)的催化氧化。然而，天然氧化酶不可重复使用、对环境敏感、稳定性差且合成成本高，极大地限制了它们在生物技术及工业化中应用。
3.纳米酶作为一种具备酶学活性和独特纳米结构的纳米材料，被认为是天然酶的优秀替代品。因其具有高稳定性、高催化效率、低成本和易合成而得到广泛的研究，在生物和环境催化领域表现出巨大的应用潜力。目前已经发现和设计了大量具有类酶活性的纳米材料，包括金属、金属氧化物、金属有机框架、碳基材料以及过渡金属硅酸盐材料等，并成功应用于环境检测和免疫分析。其中，具有高特异性的氧化酶纳米酶可以利用分子氧作为氧化剂直接催化底物(如苯酚、tmb或abts)，而不必依赖稳定性不高的过氧化氢等过氧化物。因此，开发高特异性的氧化酶纳米酶更具有发展潜力和吸引力。
4.苯酚类化合物是一类毒性较大的有机物，水中微量的苯酚类化合物将对环境和人体健康产生极大的危害。基于天然氧化酶催化氧化的4
‑
氨基安替比林比色法是苯酚类化合物的常用测定方法，本质上是通过催化苯酚与4
‑
氨基安替比林发生氧化偶联反应，形成强烈的着色产物，进而实现对其浓度的可视化检测。然而，该方法中天然氧化酶在实际应用存在诸多缺点，如ph和温度敏感、稳定性差、成本较高以及反应条件苛刻等。无机纳米酶的出现虽然弥补了上述不足，然而依赖过氧化氢的使用。因此，发展不依赖与过氧化氢的类氧化酶纳米酶还存在巨大挑战。
5.锰基氧化物及其硅酸盐纳米材料因其具有丰富的氧化态，而表现出多种酶活性，如过氧化酶、氧化酶、超氧化物歧化酶、葡萄糖氧化酶等活性。特别地，硅酸锰纳米材料兼具了金属氧化物的多价态和硅酸盐的结构稳定性的双重特点。此外，硅酸锰还具有较高的比表面积、丰富的活性位点以及多级结构特征，已被广泛应用于吸附、催化、储能和药物传递等领域。特别地，硅酸锰作为模拟氧化酶催化氧化底物具有ph相应迅速、氧化效果显著的特点，在生物催化氧化和医学免疫检测方面表现出巨大的应用前景。
6.然而，目前报道的硅酸锰的制备方法多需要借助二氧化硅作为模板，通过碱刻蚀的方法形成硅酸根基团。例如，2012年中科院化学所宋卫国团队(j.mater.chem.,2012,22,17222
‑
17226.)利用碳纳米管作为模板合成二氧化硅纳米管模板，进一步通过水热法合成得到硅酸锰纳米管。中国专利文献(cn201711134136.1)公开了一种基于摇铃形模板双层中空纳米硅酸锰的合成方法，利用摇铃形核壳结构介孔二氧化硅包覆的zif
‑
8纳米复合物颗粒作为模板，制备得到了双层中空纳米硅酸锰颗粒。这类方法多以stober法为基础，以teos
基团溶液；
17.s4：老化反应
18.向步骤s3得到的含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液，催化金属锰盐中mn
2
在硅酸盐纳米结构表面原位形成硅酸锰并进行老化反应，产物经离心、去离子水洗涤后，真空干燥即得硅酸锰纳米酶。
19.进一步地，步骤s1中所述的天然硅酸盐矿物为埃洛石、凹凸棒石、蛭石或火山石中的任意一种或两种以上的任意组合，原料选用范围广泛。
20.进一步地，步骤s1中所述研磨的速度为80
‑
120r/min，研磨时长为1
‑
2h，所述的过筛除杂选用的筛网目数为100
‑
300目，这样的粉末在去离子水中分散效果好。
21.进一步地，步骤s2中所述的超声波预处理具体步骤为：将筛选好的硅酸盐矿物粉末0.2
‑
10g分散于100
‑
1000ml去离子水中，在100
‑
1000r/min的机械搅拌下，使用20
‑
40khz的超声波清洗机进行超声波分散处理0.5
‑
1h，上述超声处理参数下，超声处理效果好且效率高。
22.进一步地，步骤s3所述的有机配体为柠檬酸、柠檬酸钠、单宁酸、草酸、草酸钠、酒石酸、酒石酸钠、乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二钠和腐殖质中的任意一种或两种以上的任意组合，有机配体的原料选用广泛。
23.进一步地，步骤s4中所述的催化金属锰盐为氯化锰、乙酸锰和硫酸锰中的任意一种或两种以上的任意组合，采用上述锰盐催化效果好。
24.进一步地，所述步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:0.1
‑
150:100:10:10。
25.进一步地，所述老化反应温度10
‑
40℃，反应时间6
‑
24小时，磁力搅拌速度为300
‑
700r/min，以上老化反应参数下，老化反应的效率高。
26.本发明还挺了将上述方法所制备的硅酸锰纳米酶应用于4
‑
氨基氨替吡啉比色法检测苯酚类化合物以及催化氧化辣根过氧化物酶底物。
27.进一步地，所述催化氧化辣根过氧化物酶底物包括tmb：3,3',5,5'
‑
四甲基联苯胺和abts：2,2
’‑
联氨
‑
双
‑
[3
‑
乙基苯并噻唑啉
‑6‑
磺酸]
‑
二氨盐。
[0028]
本发明的有益效果是：
[0029]
与现有技术相比，本发明具有以下显著优势：
[0030]
(1)充分利用天然硅酸盐矿物的纳米结构特征，取代合成工艺复杂的二氧化硅模板的使用；
[0031]
(2)合成过程中不需要使用有机溶剂和表面活性剂，工艺绿色环保；
[0032]
(3)天然硅酸盐的成本较低，原位共沉淀的合成方法易于批量化生产；
[0033]
(4)制备得到的硅酸锰纳米材料具有独特的纳米结构和可变价态的金属活性位丰富的反应活性位点赋予了纳米酶优异的类氧化酶活性，在催化苯酚类化合物产生酚氧自由基中间体过程中具有较高的性能和较宽的适用性。
附图说明
[0034]
图1是实施例1制得的硅酸锰纳米材料的xrd图；
[0035]
图2是实施例5制得的埃洛石衍生的硅酸锰纳米管的tem图；
[0036]
图3是实施例5制得的硅酸锰纳米材料用于酚类污染物比色的吸收光谱及照片；
[0037]
图4是实施例5制得的硅酸锰纳米材料催化tmb底物氧化的吸收光谱及照片；
[0038]
图5是实施例8制得的硅酸锰纳米材料催化abts底物氧化的吸收光谱及照片。
具体实施方式
[0039]
实施例1
[0040]
基于硅酸盐溶解动力学制备硅酸锰纳米酶的方法，包括如下步骤：
[0041]
s1：物理预处理
[0042]
天然硅酸盐矿物研磨、过筛除杂，获得高纯度的矿物粉末；
[0043]
s2：超声预处理
[0044]
将步骤s1得到的高纯度的矿物粉末分散于水中，在机械搅拌的条件下进行超声波处理，获得单分散的硅酸盐悬浮液；
[0045]
s3：硅酸盐溶解
[0046]
向步骤s2得到的单分散的硅酸盐悬浮液中添加有机配体，有机配体络合硅酸盐矿物纳米结构表面金属阳离子，使天然硅酸盐的溶解并原位形成sio4
‑
4基团，得到含sio4
‑
4基团溶液；
[0047]
s4：老化反应
[0048]
向步骤s3得到的含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液，催化金属锰盐中mn
2
在硅酸盐纳米结构表面原位形成硅酸锰并进行老化反应，产物经离心、去离子水洗涤后，真空干燥即得硅酸锰纳米酶。
[0049]
步骤s1中的天然硅酸盐矿物为埃洛石。
[0050]
步骤s1中研磨的速度为80r/min，研磨时长为1h，的过筛除杂选用的筛网目数为100目，这样的粉末在去离子水中分散效果好。
[0051]
步骤s2中的超声波预处理具体步骤为：将筛选好的硅酸盐矿物粉末0.2g分散于100ml去离子水中，在100r/min的机械搅拌下，使用20khz的超声波清洗机进行超声波分散处理0.5h，上述超声处理参数下，超声处理效果好且效率高。
[0052]
步骤s3的有机配体为草酸。
[0053]
步骤s4中的催化金属锰盐为氯化锰，采用上述锰盐催化效果好。
[0054]
步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:0.1。
[0055]
老化反应温度10℃，反应时间6小时，磁力搅拌速度为300r/min，以上老化反应参数下，老化反应的效率高。
[0056]
将步骤s4得到的硅酸锰纳米酶可以应用于4
‑
氨基氨替吡啉比色法检测苯酚类化合物以及催化氧化辣根过氧化物酶底物。
[0057]
催化氧化辣根过氧化物酶底物包括tmb：3,3',5,5'
‑
四甲基联苯胺和abts：2,2
’‑
联氨
‑
双
‑
[3
‑
乙基苯并噻唑啉
‑6‑
磺酸]
‑
二氨盐。
[0058]
实施例2
[0059]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0060]
步骤s1中的天然硅酸盐矿物为凹凸棒石。
[0061]
步骤s1中研磨的速度为100r/min，研磨时长为1.5h，的过筛除杂选用的筛网目数为200目，这样的粉末在去离子水中分散效果好。
[0062]
步骤s2中的超声波预处理具体步骤为：将筛选好的硅酸盐矿物粉末0.2g分散于100ml去离子水中，在150r/min的机械搅拌下，使用30khz的超声波清洗机进行超声波分散处理0.5h，上述超声处理参数下，超声处理效果好且效率高。
[0063]
步骤s3的有机配体为草酸钠。
[0064]
步骤s4中的催化金属锰盐为乙酸锰，采用上述锰盐催化效果好。
[0065]
步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:0.1。
[0066]
老化反应温度20℃，反应时间8小时，磁力搅拌速度为300r/min，以上老化反应参数下，老化反应的效率高。
[0067]
实施例3
[0068]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0069]
步骤s1中的天然硅酸盐矿物为蛭石。
[0070]
步骤s1中研磨的速度为110r/min，研磨时长为1.5h，的过筛除杂选用的筛网目数为300目，这样的粉末在去离子水中分散效果好。
[0071]
步骤s2中的超声波预处理具体步骤为：将筛选好的硅酸盐矿物粉末1g分散于100ml去离子水中，在200r/min的机械搅拌下，使用30khz的超声波清洗机进行超声波分散处理1h，上述超声处理参数下，超声处理效果好且效率高。
[0072]
步骤s3的有机配体为酒石酸。
[0073]
步骤s4中的催化金属锰盐为硫酸锰，采用上述锰盐催化效果好。
[0074]
步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:1。
[0075]
老化反应温度30℃，反应时间10小时，磁力搅拌速度为400r/min，以上老化反应参数下，老化反应的效率高。
[0076]
实施例4
[0077]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0078]
步骤s1中的天然硅酸盐矿物为火山石。
[0079]
步骤s1中研磨的速度为120r/min，研磨时长为2h，的过筛除杂选用的筛网目数为300目，这样的粉末在去离子水中分散效果好。
[0080]
步骤s2中的超声波预处理具体步骤为：将筛选好的硅酸盐矿物粉末1g分散于100ml去离子水中，在150r/min的机械搅拌下，使用40khz的超声波清洗机进行超声波分散处理1h，上述超声处理参数下，超声处理效果好且效率高。
[0081]
步骤s3的有机配体为单宁酸。
[0082]
步骤s4中的催化金属锰盐为氯化锰，采用上述锰盐催化效果好。
[0083]
步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:1。
[0084]
老化反应温度40℃，反应时间12小时，磁力搅拌速度为500r/min，以上老化反应参数下，老化反应的效率高。
[0085]
实施例5
[0086]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0087]
步骤s1中的天然硅酸盐矿物为埃洛石与凹凸棒石的混合物。
[0088]
步骤s1中研磨的速度为120r/min，研磨时长为2h，的过筛除杂选用的筛网目数为300目，这样的粉末在去离子水中分散效果好。
[0089]
步骤s2中的超声波预处理具体步骤为：将筛选好的硅酸盐矿物粉末5g分散于500ml去离子水中，在500r/min的机械搅拌下，使用40khz的超声波清洗机进行超声波分散处理1h，上述超声处理参数下，超声处理效果好且效率高。
[0090]
步骤s3的有机配体为柠檬酸。
[0091]
步骤s4中的催化金属锰盐为氯化锰，采用上述锰盐催化效果好。
[0092]
步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:1。
[0093]
老化反应温度40℃，反应时间18小时，磁力搅拌速度为700r/min，以上老化反应参数下，老化反应的效率高。
[0094]
实施例6
[0095]
本实施例与实施例1的区别在于：
[0096]
步骤s1中的天然硅酸盐矿物为蛭石和火山石混合物。
[0097]
步骤s1中研磨的速度为120r/min，研磨时长为2h，的过筛除杂选用的筛网目数为300目，这样的粉末在去离子水中分散效果好。
[0098]
步骤s2中的超声波预处理具体步骤为：将筛选好的硅酸盐矿物粉末10g分散于1000ml去离子水中，在1000r/min的机械搅拌下，使用40khz的超声波清洗机进行超声波分散处理1h，上述超声处理参数下，超声处理效果好且效率高。
[0099]
步骤s3的有机配体为乙二胺四乙酸二钠。
[0100]
步骤s4中的催化金属锰盐为氯化锰，采用上述锰盐催化效果好。
[0101]
步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:5。
[0102]
老化反应温度40℃，反应时间24小时，磁力搅拌速度为700r/min，以上老化反应参数下，老化反应的效率高。
[0103]
实施例7
[0104]
本实施例与实施例6的区别在于：
[0105]
步骤s3的有机配体为柠檬酸。
[0106]
步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:10。
[0107]
实施例8
[0108]
本实施例与实施例6的区别在于：
[0109]
步骤s1中的天然硅酸盐矿物为埃洛石。
[0110]
步骤s3的有机配体为酒石酸钠。
[0111]
步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:8。
[0112]
实施例9
[0113]
本实施例与实施例8的区别在于：
[0114]
步骤s3的有机配体为乙二胺四乙酸。
[0115]
步骤s4中向含sio4
‑
4基团溶液中添加氨水/氯化铵缓冲液后，氨水、氯化铵、mn
2
及有机配体的物质的量比为15:10:1:10。
[0116]
实施例10
[0117]
本实施例与实施例9的区别在于：
[0118]
步骤s3的有机配体为腐殖质。
[0119]
应用例：
[0120]
(1)制备得到天然硅酸盐衍生的硅酸锰纳米酶用于酚类污染物比色传感，具体步骤包括：首先，分别配制200μg/ml的硅酸锰纳米酶悬浮液，0.9
‑
72ppm的酚溶液(苯酚类化合物为苯酚、邻氯苯酚、对氯苯酚、对溴苯酚、对氯邻苯二酚、对溴邻苯二酚中一种或多种)，1mg/ml的4
‑
氨基安替比林，以及30mm的mes缓冲溶液即2
‑
(n
‑
吗啡啉)乙磺酸(ph＝6.8)。分别取上述溶液100、200、600、100μl进行混合，室温下避光、震荡使其分散均匀，静止30min后，利用紫外分光光度计(扫描510nm处)测试溶液体系的吸光度变化。
[0121]
(2)制备得到天然硅酸盐衍生的硅酸锰纳米酶用于催化tmb底物氧化，具体步骤包括：首先，分别配制200μg/ml的硅酸锰纳米酶悬浮液，1.5mm的tmb
‑
二甲亚砜溶液，以及56mm的醋酸
‑
醋酸钠缓冲溶液(ph＝4.5)。分别取上述溶液100、200、700μl进行混合，室温下避光、震荡使其分散均匀，静止30min后，利用紫外分光光度计(扫描652nm处)测试溶液体系的吸光度变化。
[0122]
(3)制备得到天然硅酸盐衍生的硅酸锰纳米酶用于催化abts底物氧化，具体步骤包括：首先，分别配制200μg/ml的硅酸锰纳米酶悬浮液，1.5mm的abts水溶液，以及56mm的醋酸
‑
醋酸钠缓冲溶液(ph＝4.5)。分别取上述溶液100、200、700μl进行混合，室温下避光、震荡使其分散均匀，静止60min后，利用紫外分光光度计(扫描655nm处)测试溶液体系的吸光度变化。