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內附文章 | 磁性微球納米酶:磁性、高催化活性、葡萄糖特異性的完美結合 — 磁性微球+AuPt納米酶+分子印跡技術三合一

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內附文章 | 磁性微球納米酶:磁性、高催化活性、葡萄糖特異性的完美結合 — 磁性微球+AuPt納米酶+分子印跡技術三合一Catalytic gold–platinum alloy nanoparticles and a novel glucose oxidase mimic with enhanced activity and selectivity constructed by molecular imprinting.pdf


萄糖(Glu)在各種生理活動中起著至關重要的作用,因此Glu的催化氧化及檢測具有很高的研究和應用價值。而金納米顆粒(AuNPs)可用作葡萄糖氧化酶(GOD)模擬物,AuNPs催化Glu氧化在工業生產、科學研究和生物醫學檢測中有著廣泛應用。盡管AuNPs具有競爭優勢,但缺乏選擇性和有限的催化能力一直制約著AuNPs的進一步應用。


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近日,東南大學生物科學與醫學工程學院的研究團隊構建了具有選擇性與更高催化活性的金基模擬酶。他們通過表面涂層和摻雜其他金屬來提高AuNPs的類GOD活性。研究者為研究摻雜不同元素對類GOD活性的影響,制備了四種不同檸檬酸鹽修飾的Au-Pt和Au-Ag摩爾比為1:1的金基納米顆粒,并以檸檬酸鈉-鞣酸法制備的10nmAuNPs作為對照。用ABTS法檢測了金基納米酶催化Glu的氧化反應。對Glu濃度依賴性研究表明,所有金基納米酶催化的Glu氧化反應在實驗濃度范圍內呈現逐漸增加的趨勢。與平均粒徑為10nm的AuNPs相比,粒徑在10nm左右的金基摻雜納米顆粒均能顯著提高催化活性。其中Au-Pt合金納米顆粒最大提高了類GOD活性。Au core-Ag shell納米顆粒在金核外形成了致密的Ag殼層,緊密的包覆在金核表面。在Au core-Pt shell納米顆粒中,金核主要與周圍鉑簇吸附。鉑殼層的疏松結構和鉑殼層與金核的不緊密結合,可能增加與基底的接觸,也可能導致鉑殼層的尺寸增大,分散性和均勻性降低。結果表明,在相同的10nm金核條件下,[email protected]的性能優于[email protected]。催化活性的不同不僅是由于元素組成的不同,還可能是由于結構的不同。

接下來研究者制備了Au-Pt摩爾比為3:1-1:3的金鉑合金顆粒(AuPtNPs),以進一步探索增強類GOD活性的金基納米顆粒。與10nm AuNPs相比,不同摻雜比例的AuPtNPs表現出明顯的類GOD活性改善。納米材料催化性能受多種內在因素的影響,如元素組成、粒徑、形態和表面改性陽離子等。從粒徑來看,納米材料的催化活性明顯隨粒徑的增大而減小。形狀相似、尺寸較小的AuPtNPs具有更大的比表面積,因而具有更高的催化活性。鉑摻雜比例的增加將導致類GOD活性的增強,并導致尺寸的增大。結果表明,Au-Pt摩爾比適中、粒徑較小的AuPtNPs(1:1)具有最高的催化活性。AuPtNPs(1:3)由于尺寸過大而表現最差,并且平均直徑最小的AuPtNPs(3:1)的催化活性受低活性元素限制。忽略尺寸的影響,AuPtNPs單位面積的類GOD活性隨Pt摻雜比的增加而增加。


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圖1 不同Au-Pt摩爾比AuPtNPs的TEM圖像和EDX結果。(A)AuPtNPs(3:1),(B)AuPtNPs(2:1),(C)AuPtNPs(1:1),(D)AuPtNPs(1:2)和(E)AuPtNPs(1:3)


由于金基納米酶缺乏選擇性,研究者引入了分子印跡技術,構建了具有增強活性和Glu特異性選擇性的納米酶MIP(AuPt)。以類GOD活性最高的AuPtNPs(1:1)為催化中心,MMs(磁性微球)作為支持物,將AuPtNPs(1:1)修飾在磁性微球表面已形成大量的納米酶催化中心(AuPt-MM)。根據計算,單個磁性微球上AuPtNPs(1:1)的平均數量約為5804個。氨基苯硼酸(APBA)作為識別分子和聚合單體,通過靜電吸附以及Au原子與APBA胺基之間的N–Au鍵吸附在AuPtNPs上。因為APBA可以在堿性或中性條件下與糖的相鄰羥基結合,Glu作為模板分子在無氧條件下與APBA修飾的AuPt-MM結合。此外,反應性氨基可以引發APBA的聚合。在交聯劑存在下,形成APBA的聚合網絡結構(pAPBA),并以薄殼層的形式沉積在AuPt-MM表面。


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圖2 MIP(AuPt)的構建。(A)基于AuPtNPs的GOD模擬原理,通過分子印跡構建了具有增強催化活性和選擇性的GOD模擬物。(B)裸MMs,(C)AuPtNP(1:1)修飾MMs和(D)MIP(AuPt)的掃描電鏡圖像(其中1um磁性微球來自南京東納生物科技有限公司)


由于APBA的硼酸基團與Glu相鄰羥基之間的共價鍵在酸性條件下可以打開,模板分子用酸性磷酸鹽緩沖液洗脫,從而形成具有特異性Glu結合口袋的分子印跡聚合物殼。結果表明,分子印跡的引入對催化活性有顯著的改善。多孔分子印跡的APBA聚合物殼增強了對底物的親和力,并提供了更多的結合位點和特異性結合口袋來捕獲和富集Glu在活性中心周圍。與10nm AuNPs相比,AuPtNPs(1:1)和MIP(AuPt)的催化效率分別提高了約3倍和200倍,且MIP具有較高的葡萄糖選擇性。

MIP(AuPt)由于MMs的引入可以進行磁分離,重復使用3次,其回收率為95.55%。磁性微球載體賦予了納米酶可分離、可操作、可重復使用的功能,在未來的分離純化、富集檢測中將發揮重要的作用。

由于AuPtNPs(1:1)和MIP(AuPt)具有良好的催化性能,在實際食品分析中得到了成功的應用。以GOD、AuPtNPs(1:1)和MIP(AuPt)為催化劑,對華生礦泉水、可口可樂、七喜和瓶裝雀巢進行了測試。根據已知濃度Glu溶液的標準曲線,用UV-vis吸收值計算不同飲料中Glu的濃度,金基納米酶的結果相似,與GOD無顯著統計學差異,表面基于磁性微球和AuPtNPs的分子印跡結構納米酶可以有效實現葡萄糖的特異性檢測。


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圖3 AuPtNPs(1:1)和MIP(AuPt)的催化性能。(a)Glu濃度依賴性,(b)酶動力學和(c)AuPtNP(1∶1)和MIP(AuPt)催化的Glu氧化的時間依賴性。(d)Km,(e)Vmax,(f)催化效率(KCAT/Km)(g)催化效率提高:10nm AuNP,AuPtNP(1∶1)和MIP(AuPt)催化的Glu氧化。(H)以556.56mM Glu、Mal、Fru和Gal為底物的MIP(AuPt)特異性研究。(I) MIP(AuPt)的磁回收再利用研究


研究總結

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研究者合成了各種金納米結構以改善AuNPs氧化酶活性,AuPt合金納米顆粒中Au-Pt摩爾比為1∶1的樣品,由于尺寸和元素組成的共同作用,發現其具有最高的催化活性。以APBA為識別分子和聚合物單體,以AuPtNPs 為催化中心,采用分子印跡技術構建了一種具有底物選擇性、催化活性比10nm AuNPs高200倍的磁性分子印跡結構的納米酶。綜合考慮成本和穩定性,摻雜其它元素是充分利用AuNPs的優點,提高納米酶催化活性的有效方法。這種納米酶活性的顯著提高不僅與底物選擇性、親和性的改善有關,而且與磁性微球表面多孔結構的分子印跡層有關,其多孔結構可能通過空間限域催化效應進一步提升催化效率。此外,具有催化活性和底物選擇性的磁性微球納米酶在理論研究和實際應用中將具有巨大的潛力,如可回收生物催化、分子靶標富集與檢測、納米酶磁操縱等。


這一成果近期以“Catalytic gold–platinum alloy nanoparticles and a novel glucose oxidase mimic with enhanced activity and selectivity constructed by molecular imprinting”為名發表于《Analytical Methods》(2019, 11, 4586–4592)上。文章的第一作者為東南大學范霖博士,通訊作者為東南大學張宇教授顧寧教授。


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