基于螺旋碳纳米纤维的类酶活性研究及对三聚氰胺的检测
基于螺旋碳纳米纤维的类酶活性研究及对三聚氰胺的检测[20200411171437]
摘 要
天然酶是一种在温和的条件下能高效、高选择性催化生化反应的蛋白质。但是它们的实际应用却受到极大的限制，因为它们在极端化学环境下（如非生理pH，高温，抑制剂的加入）缺乏稳定性，且容易失活，因此模拟酶受到了广泛的关注。最近的研究表明，有一些纳米材料具有天然酶的催化活性，而且这些纳米材料成本低廉、易于合成并且性质稳定，由此可见纳米材料将很有可能成为天然酶的替代品。因此，合成具有高催化性能及类酶活性的纳米材料将具有很大的应用空间和长远的应用前景。
我们合成了一种具有螺旋结构的碳纳米纤维（HCNFs），并发现这种碳纳米纤维具有高效的类酶活性，以3,3’,5,5’-四甲联苯胺（TMB）和过氧化氢为底物对其类酶活性进行了比较研究。结果表明HCNFs具有良好的的稳定性且对TMB以及H2O2都有着很强的亲和力，该催化反应符合Michaelis–Menten动力学理论。基于此，我们利用螺旋碳纳米纤维的类酶活性，对三聚氰胺进行检测，其线性范围从1 mg/L到5.5 mg/L。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:三聚氰胺螺旋碳纳米纤维类酶性质
目 录
1. 绪论 1
1.1 碳纳米材料概述 1
1.2 碳纳米纤维的介绍 1
1.2.1 碳纳米纤维的介绍 1
1.2.2 碳纳米纤维的结构性质及其应用 1
1.3 螺旋碳纳米纤维的简介 2
1.4 类酶活性的研究 2
1.4.1 生物酶的简介 2
1.4.2 生物酶的应用 3
1.4.3 类酶活性的简介 4
1.5 三聚氰胺的介绍 5
1.6 本论文的研究内容 5
2. 螺旋碳纳米纤维类酶性质的研究 7
2.1 实验内容 7
2.1.1 实验试剂 7
2.1.2 实验仪器 7
2.1.3螺旋碳纳米纤维的制备 7
2.1.4 PDDA功能化处理 7
2.1.5 测定方法 8
2.2 结果与讨论 9
2.2.1 对螺旋碳纳米纤维材料的表征 9
2.2.2 pH对HCNFs催化活性的影响 10
2.2.3 HCNFs浓度对催化活性的影响 12
2.2.4 温度对HCNFs催化活性的影响 14
2.2.5 以H2O2为底物时HCNFs的表观Km值 15
2.2.6 以TMB为底物时HCNFs的表观Km值 18
2.2.7 米氏常数对比 19
2.2.8 HCNFs检测三聚氰胺 20
2.3 本部分小结 21
结语 23
参考文献 24
致谢 25
1. 绪论
1.1 碳纳米材料概述
分散相的尺度至少有一维小于100 nm的碳材料被称为纳米碳材料。分散相不仅可以是由碳原子组成，也可以是异种原子（非碳原子）组成，还可以是纳米孔。碳纳米材料可分为三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维和碳纳米球。近年来，碳纳米技术的研究一直备受关注，各种各样的纳米碳结晶、棒状、针状、桶状等比比皆是。由于纳米材料的表面原子增多，表面原子配位数不足或是具有高表面能，使得这些原子容易与其他的原子结合而稳定下来，因此具有很高的化学活性，从而使得以纳米单元组成的碳纳米材料表现出许多与石墨和金刚石结构不同的特殊性能[1]。碳纤维和碳纳米管等具有优良的物理和化学性能的碳纳米材料，广泛应用于许多领域。
1.2 碳纳米纤维的介绍
1.2.1 碳纳米纤维的介绍
碳纳米纤维（Carbon Nanofibers 简称CNFs）是由多层石墨片卷曲而成的纤维状纳米炭材料，由于其具有优异的力学性质、良好的导热性和导电性、卓越的热稳定性和化学稳定性以及特殊的表面性能，可以与金属、树脂、陶瓷或碳形成具有质量轻、高强度、高模量、耐腐蚀、导电性好的新型复合材料，广泛应用于航空航天、国防科技、新能源、医疗器械、运动器材、环境保护等领域[2]。
1.2.2 碳纳米纤维的结构性质及其应用
碳纳米纤维是直径为50～200 nm，长度为0.5～100μm，长径比为100～500的碳材料。纳米纤维和碳纤维有很多相似的地方，比如含碳量，但是两者的不同尺寸使他们在制备和应用方面有很大的区别。常规的碳纤维和单壁纳米碳管在尺寸上有缺口，而碳纳米纤维可以很好的弥补，它具有很高的强度及模量、化学活性、热稳定性等特点，而且成本还很低廉。碳纳米纤维作为一种新型纳米材料，以其独特的结构和性能，逐渐成为纳米材料领域的研究热点，它的制备方法有气相生长法、等离子体增强化学气相沉积法、电场纺丝法等[3]。由于碳纳米纤维结构致密，其强度比通用级碳纤维高，可作为复合材料的增强体制和高性能的复合材料，在聚合物中添加少量碳纳米纤维便能显著提高聚合物复合材料的力学性能、导电性能及热稳定性[4-5]。随着我国经济的快速发展，国内对碳纳米纤维的需求与日俱增，碳纳米纤维已成为当代纤维研究领域的一个热门话题，我们应抓住机遇，加强碳纳米纤维技术的理论和应用研究。
1.3 螺旋碳纳米纤维的简介
螺旋碳纳米纤维（HCNFs）是一种新型碳纳米纤维材料，不仅具备普通碳纳米纤维的特性，如低密度、耐腐蚀、高导电性和导热性等，还具有长径比大、比表面积大、具有手性等特点[6-7]。因此，螺旋碳纳米纤维可作为电极材料、储氢材料、电磁屏蔽材料、电磁波吸收材料和高级复合材料的增强体等，应用于航空、航天、日常生活及高科技等领域。
1.4 类酶活性的研究
1.4.1 生物酶的简介
酶是动植物或微生物产生的、具有催化能力的蛋白质，它是氨基酸按一定顺序聚合起来的大分子，分子量约为15000或更大[8]。 由于酶分子大小约3-100 nm，因而酶催化反应就催化剂大小而言，已属于均相催化与多相催化的过渡范围[9]。在酶催化反应体系的反应物分子，称为底物，底物转化为另一个分子。几乎所有的细胞活动过程需要的酶，以提高效率。与其他非生物催化剂差不多，化学反应通过酶的活化能减少（EA或G表示）以加快反应速率，大多数的酶催化反应的速率可以提高百万倍；事实上，酶是提供低需求另外的活化能，使更多的反应的颗粒小于激活活化能的动能，从而加快反应速度。酶作为催化剂，在反应过程中本身不消耗，不影响化学平衡反应。该酶具有正催化作用，也有消极的催化作用，不仅加快了反应速度，而且降低了反应速率。不像其他的非生物催化剂，酶具有高度的专一性，只催化特定的反应或产生特定的构型。
最简单的酶催化反应机理在1913年由Michaelis和Menten提出，主要步骤是反应物也称底物S和酶E的活性中心结合，首先生成[ES]络合物，然后[ES]分解为产物P，并释放出E[10]，其机理表示为：
E+S [ES]，[ES] P+E (1)
其中E，S，[ES]和P分别表示酶、底物、酶底物复合物(enzyme-substrate complex)和产物。根据这一模型，当底物浓度足够高时，将所有的酶都转变成[ES]形式时，反应第二步就成为限速反应，总反应速率对底物浓度的进一步升高变得不再敏感了。
构成上述酶反应的各个基本反应由速率常数进行表征，kl和k-l是形成[ES]复合物的正方向和逆方向反应速率常数，k2为[ES]分解成P的反应速率常数。1913年Leonor Michaelis和Maud Menten在总结前人工作的基础上采用平衡假设和稳态假设的条件，进一步得出计算反应速率常数的Michaelis-Menten动力学方程：
V0=(Vmax[S])/(Km+[S]) (2)
其中，V0为反应速率，Vmax为反应的最大速率(maximal velocity)，此时在高浓度下，酶被饱和，Vmax =k2[E]T；Km定义为米氏常数(Michaelis constant)，Km=(k-1+k2)／kl。该方程是酶动力学的基本方程式。米氏常数有一个简单、实用的定义，当底物浓度[S]=Km时，由方程（3）可得到V0=Vmax/2,因此，Km是反应速率达到最大速率一半时的底物浓度。因而，如果一种酶的Km值小，则它在低底物浓度下即可以达到最大催化效率。
摘 要
天然酶是一种在温和的条件下能高效、高选择性催化生化反应的蛋白质。但是它们的实际应用却受到极大的限制，因为它们在极端化学环境下（如非生理pH，高温，抑制剂的加入）缺乏稳定性，且容易失活，因此模拟酶受到了广泛的关注。最近的研究表明，有一些纳米材料具有天然酶的催化活性，而且这些纳米材料成本低廉、易于合成并且性质稳定，由此可见纳米材料将很有可能成为天然酶的替代品。因此，合成具有高催化性能及类酶活性的纳米材料将具有很大的应用空间和长远的应用前景。
我们合成了一种具有螺旋结构的碳纳米纤维（HCNFs），并发现这种碳纳米纤维具有高效的类酶活性，以3,3’,5,5’-四甲联苯胺（TMB）和过氧化氢为底物对其类酶活性进行了比较研究。结果表明HCNFs具有良好的的稳定性且对TMB以及H2O2都有着很强的亲和力，该催化反应符合Michaelis–Menten动力学理论。基于此，我们利用螺旋碳纳米纤维的类酶活性，对三聚氰胺进行检测，其线性范围从1 mg/L到5.5 mg/L。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:三聚氰胺螺旋碳纳米纤维类酶性质
目 录
1. 绪论 1
1.1 碳纳米材料概述 1
1.2 碳纳米纤维的介绍 1
1.2.1 碳纳米纤维的介绍 1
1.2.2 碳纳米纤维的结构性质及其应用 1
1.3 螺旋碳纳米纤维的简介 2
1.4 类酶活性的研究 2
1.4.1 生物酶的简介 2
1.4.2 生物酶的应用 3
1.4.3 类酶活性的简介 4
1.5 三聚氰胺的介绍 5
1.6 本论文的研究内容 5
2. 螺旋碳纳米纤维类酶性质的研究 7
2.1 实验内容 7
2.1.1 实验试剂 7
2.1.2 实验仪器 7
2.1.3螺旋碳纳米纤维的制备 7
2.1.4 PDDA功能化处理 7
2.1.5 测定方法 8
2.2 结果与讨论 9
2.2.1 对螺旋碳纳米纤维材料的表征 9
2.2.2 pH对HCNFs催化活性的影响 10
2.2.3 HCNFs浓度对催化活性的影响 12
2.2.4 温度对HCNFs催化活性的影响 14
2.2.5 以H2O2为底物时HCNFs的表观Km值 15
2.2.6 以TMB为底物时HCNFs的表观Km值 18
2.2.7 米氏常数对比 19
2.2.8 HCNFs检测三聚氰胺 20
2.3 本部分小结 21
结语 23
参考文献 24
致谢 25
1. 绪论
1.1 碳纳米材料概述
分散相的尺度至少有一维小于100 nm的碳材料被称为纳米碳材料。分散相不仅可以是由碳原子组成，也可以是异种原子（非碳原子）组成，还可以是纳米孔。碳纳米材料可分为三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维和碳纳米球。近年来，碳纳米技术的研究一直备受关注，各种各样的纳米碳结晶、棒状、针状、桶状等比比皆是。由于纳米材料的表面原子增多，表面原子配位数不足或是具有高表面能，使得这些原子容易与其他的原子结合而稳定下来，因此具有很高的化学活性，从而使得以纳米单元组成的碳纳米材料表现出许多与石墨和金刚石结构不同的特殊性能[1]。碳纤维和碳纳米管等具有优良的物理和化学性能的碳纳米材料，广泛应用于许多领域。
1.2 碳纳米纤维的介绍
1.2.1 碳纳米纤维的介绍
碳纳米纤维（Carbon Nanofibers 简称CNFs）是由多层石墨片卷曲而成的纤维状纳米炭材料，由于其具有优异的力学性质、良好的导热性和导电性、卓越的热稳定性和化学稳定性以及特殊的表面性能，可以与金属、树脂、陶瓷或碳形成具有质量轻、高强度、高模量、耐腐蚀、导电性好的新型复合材料，广泛应用于航空航天、国防科技、新能源、医疗器械、运动器材、环境保护等领域[2]。
1.2.2 碳纳米纤维的结构性质及其应用
碳纳米纤维是直径为50～200 nm，长度为0.5～100μm，长径比为100～500的碳材料。纳米纤维和碳纤维有很多相似的地方，比如含碳量，但是两者的不同尺寸使他们在制备和应用方面有很大的区别。常规的碳纤维和单壁纳米碳管在尺寸上有缺口，而碳纳米纤维可以很好的弥补，它具有很高的强度及模量、化学活性、热稳定性等特点，而且成本还很低廉。碳纳米纤维作为一种新型纳米材料，以其独特的结构和性能，逐渐成为纳米材料领域的研究热点，它的制备方法有气相生长法、等离子体增强化学气相沉积法、电场纺丝法等[3]。由于碳纳米纤维结构致密，其强度比通用级碳纤维高，可作为复合材料的增强体制和高性能的复合材料，在聚合物中添加少量碳纳米纤维便能显著提高聚合物复合材料的力学性能、导电性能及热稳定性[4-5]。随着我国经济的快速发展，国内对碳纳米纤维的需求与日俱增，碳纳米纤维已成为当代纤维研究领域的一个热门话题，我们应抓住机遇，加强碳纳米纤维技术的理论和应用研究。
1.3 螺旋碳纳米纤维的简介
螺旋碳纳米纤维（HCNFs）是一种新型碳纳米纤维材料，不仅具备普通碳纳米纤维的特性，如低密度、耐腐蚀、高导电性和导热性等，还具有长径比大、比表面积大、具有手性等特点[6-7]。因此，螺旋碳纳米纤维可作为电极材料、储氢材料、电磁屏蔽材料、电磁波吸收材料和高级复合材料的增强体等，应用于航空、航天、日常生活及高科技等领域。
1.4 类酶活性的研究
1.4.1 生物酶的简介
酶是动植物或微生物产生的、具有催化能力的蛋白质，它是氨基酸按一定顺序聚合起来的大分子，分子量约为15000或更大[8]。 由于酶分子大小约3-100 nm，因而酶催化反应就催化剂大小而言，已属于均相催化与多相催化的过渡范围[9]。在酶催化反应体系的反应物分子，称为底物，底物转化为另一个分子。几乎所有的细胞活动过程需要的酶，以提高效率。与其他非生物催化剂差不多，化学反应通过酶的活化能减少（EA或G表示）以加快反应速率，大多数的酶催化反应的速率可以提高百万倍；事实上，酶是提供低需求另外的活化能，使更多的反应的颗粒小于激活活化能的动能，从而加快反应速度。酶作为催化剂，在反应过程中本身不消耗，不影响化学平衡反应。该酶具有正催化作用，也有消极的催化作用，不仅加快了反应速度，而且降低了反应速率。不像其他的非生物催化剂，酶具有高度的专一性，只催化特定的反应或产生特定的构型。
最简单的酶催化反应机理在1913年由Michaelis和Menten提出，主要步骤是反应物也称底物S和酶E的活性中心结合，首先生成[ES]络合物，然后[ES]分解为产物P，并释放出E[10]，其机理表示为：
E+S [ES]，[ES] P+E (1)
其中E，S，[ES]和P分别表示酶、底物、酶底物复合物(enzyme-substrate complex)和产物。根据这一模型，当底物浓度足够高时，将所有的酶都转变成[ES]形式时，反应第二步就成为限速反应，总反应速率对底物浓度的进一步升高变得不再敏感了。
构成上述酶反应的各个基本反应由速率常数进行表征，kl和k-l是形成[ES]复合物的正方向和逆方向反应速率常数，k2为[ES]分解成P的反应速率常数。1913年Leonor Michaelis和Maud Menten在总结前人工作的基础上采用平衡假设和稳态假设的条件，进一步得出计算反应速率常数的Michaelis-Menten动力学方程：
V0=(Vmax[S])/(Km+[S]) (2)
其中，V0为反应速率，Vmax为反应的最大速率(maximal velocity)，此时在高浓度下，酶被饱和，Vmax =k2[E]T；Km定义为米氏常数(Michaelis constant)，Km=(k-1+k2)／kl。该方程是酶动力学的基本方程式。米氏常数有一个简单、实用的定义，当底物浓度[S]=Km时，由方程（3）可得到V0=Vmax/2,因此，Km是反应速率达到最大速率一半时的底物浓度。因而，如果一种酶的Km值小，则它在低底物浓度下即可以达到最大催化效率。
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