金纳米粒子插层介孔二氧化硅纳米酶选择性比色法检测多巴胺外文翻译资料

 2023-01-02 18:35:07

金纳米粒子插层介孔二氧化硅纳米酶选择性比色法检测多巴胺

原文作者 Shounak Ray, Rima Biswas, Rumeli Banerjee and Papu Biswas

摘要：以硫醚功能化二氧化硅为纳米酶，制备了高度分散的无团聚金纳米粒子，并将其插层到介孔二氧化硅（AuMS）的孔壁中。通过XRD、N2吸附-脱附、FESEM、SEM-EDS粒子图谱、TEM和XPS对AuMS材料进行了表征。深入研究了AuMS材料的类过氧化物酶活性，并对pH和温度的影响进行了评价。研究了模拟过氧化物酶活性的重现性和AuMS催化剂的长期稳定性。此外，AuMS催化剂被成功地用于检测和定量多巴胺，一种重要的神经递质，比色法的线性范围为10-80mu;m，检测限（LOD）值为1.28nm。在尿酸、抗坏血酸、葡萄糖、色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸存在下，市售盐酸多巴胺注射液中多巴胺浓度的测定具有较高的准确度、重现性和选择性。

概述

在人体内，生物物质之间存在着完美的平衡。它们之间的不平衡可能导致生命的丧失。因此，对生物物种的特异性和选择性检测已成为维持可持续生命的最高优先事项。近年来，利用HRP的过氧化物酶活性机制，仿生化学中一个受自然启发、以替代材料模拟天然酶的新领域开始兴起，并被Ronald Breslow恰当地称为人工酶。在这些人工酶中，大多数纳米酶被证明具有通过模拟其活性来取代天然酶的潜力。此外，这些纳米酶相对于天然酶的各种优点是它们廉价且易于合成，对恶劣环境具有鲁棒性，长期稳定，并且具有大的表面积可供进一步修饰。目前的研究趋势主要集中在纳米酶上，这不仅是因为纳米酶具有模拟酶的活性，而且还因为纳米酶的活性可以被调节以检测与生物相关的物质，如过氧化氢、葡萄糖、氨基酸等。半胱氨酸、核苷酸、抗坏血酸、三聚氰胺、多巴胺等在医药等行业有着广泛的应用。

多巴胺（DA）是存在于人类大脑和身体中最重要的神经递质，其缺乏可导致帕金森病、注意缺陷多动、老年痴呆等近年来，电化学、荧光、液晶质谱等技术被广泛应用于多巴胺的检测。然而，这些过程需要大量的实验技术。另外，由于尿酸和抗坏血酸具有很强的伏安响应，电化学检测DA存在一个缺点，即尿酸和抗坏血酸的干扰很强。考虑到紫外-可见分光光度法仍然是大多数研究实验室中用于检测各种物种的常用分析工具，使用简单的紫外-可见分光光度计在不受UA和AA任何显著干扰的情况下测定DA的简单操作比色法显得非常有用相关的。

一些研究小组已经报道，尽管纳米酶具有很高的稳定性和调节能力，但其生物相容性差、毒性大、活性或选择性低、合成过程复杂。此外，基于金属纳米颗粒的纳米酶几乎没有固有的缺点，例如团聚、存储困难和不均匀分布。因此，通过将金属纳米粒子固定在具有较大表面积的表面来修饰金属纳米粒子以进行催化反应是可能的方法之一。固定化也将在一定程度上消除集聚问题。然而，金属纳米粒子的改性使催化剂的活性表面积降低，从而降低了催化剂的活性。在这方面，以介孔二氧化硅为基础的材料因其具有比表面积大、孔径可调、易于表面改性等优点而受到广泛关注。到目前为止，很少有金属纳米粒子修饰的介孔二氧化硅基纳米酶用于检测生物相关底物的报道。据报道，Cu-SBA-15具有过氧化物酶样活性，可用于H2O2的测定。本文还报道了Fe-SBA-15微粒子和Fe-gra介孔二氧化硅对H2O2和葡萄糖的固有类过氧化物酶活性。这引起了人们对贵金属和稀土金属纳米粒子的关注，它们表现出一些意想不到的酶样活性。

近年来，在纳米酶领域，以金纳米粒子为基础的材料由于其固有的光学和氧化还原性质而成为研究者关注的焦点。Ren和Qu等人合作报道了介孔二氧化硅包裹的金纳米粒子作为葡萄糖氧化酶的模拟物。他们的研究小组还证明了AuNP生长在介孔二氧化硅壁上，该壁具有过氧化物酶和氧化酶活性，可用作有效的抗菌剂。近年来，树枝状纳米二氧化硅负载金纳米粒子（DFNS/Au）和负载金纳米粒子的硫化树枝状介孔二氧化硅纳米粒子得到了广泛的应用(T-DMSN@Au)也有报道称纳米酶能够模拟过氧化物酶样活性。虽然目前报道的材料具有良好的酶活性，但对催化剂的重现性和长期稳定性的研究还不够深入。我们设想，利用一种方法将活性纳米颗粒固定到二氧化硅基质的壁中，将是获得均匀分布的纳米颗粒的有效途径，而不会产生任何团聚和孔阻塞，从而提高催化活性。在本文中，我们已经证明了嵌入介孔二氧化硅（AuMS）壁中的金纳米粒子的复合物模拟过氧化物酶活性，并且在H2O2存在下催化过氧化物酶底物3,3rsquo;,5,5rsquo;-四甲基联苯胺（TMB）氧化以产生蓝色。利用AuMS的类过氧化物酶活性，建立了一种选择性、灵敏的多巴胺比色测定方法，并成功地用于市售盐酸多巴胺注射液中多巴胺的含量测定。

实验部分

材料和试剂

用于检测过氧化氢和多巴胺的试剂。3,3rsquo;,5,5rsquo;-四甲基联苯胺（TMB）和氯化氢多巴胺由Sigma-Aldrich合成。对苯二甲酸、30% H2O2和NaOH购自印度Spectrochem。用于DA检测选择性研究的其他试剂，即。葡萄糖（Glu）、色氨酸（Try）、苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）、抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）购自TCI。所有化学品均为分析级，使用时无需进一步纯化。一种盐酸多巴胺注射液被用作从医院医疗店购买的真实样品。用Milli-Q双蒸馏水制备水溶液。

仪器

所有的紫外-可见比色实验均在安捷伦8453二极管阵列分光光度计上进行。用1.0 cm石英池在Horiba荧光分光光度计上进行荧光测量 (PerkinElmer, USA)。

相特征通过在Bruker D8高级衍射仪上记录的粉末X射线衍射（XRD）图案确定，该衍射仪具有Bragg–Brentano聚焦几何结构和单色CuKa辐射（lambda;=1.540598Aring;）。

在JEOL-jsm7610feld发射扫描电子显微镜（FESEM）上进行了形貌观察。SEM-EDS光谱记录使用牛津仪器X-MaxN50 X射线探测器连接到JEOL JSM 7610F扫描电子显微镜（SEM）。透射电子显微镜（TEM）图像和选区电子衍射（SAED）模式是使用JEOL-JEM-2100显微镜在200kv下记录的。

使用PHI 5000 Versa ProbII，FEI Inc.仪器通过XPS测量确定催化剂的元素组成。

介孔二氧化硅壁面包覆金纳米粒子的制备

将Pluronic P123（5 g）溶解于375 mL 2 M HCl中，置于500 mL圆底ask中，温度为45℃。在搅拌下逐滴添加正硅酸乙酯（正硅酸乙酯，10.4 g，100 mmol）至所得混合物中，随后添加双[3-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物（0.54 g，1 mmol）。随后向溶液中逐滴添加三水合氯化金（III）水溶液（0.39 g，1 mmol）。在45℃温度下继续搅拌24小时，并在100℃温度下老化72小时（无搅拌）。将在圆底ask中沉淀的固体过滤并用水洗涤三次，然后使用乙醇（230 mL）洗涤。所得固体在100℃下干燥24小时并在500℃下煅烧5小时。

过氧化氢比色检测

为了研究AuMS对过氧化物酶样活性的反应，最初，在0.1 M醋酸盐缓冲液（pH 4.0）和2.4 mL TMB（0.125 M在DMSO中）中进行典型的比色实验，TMB在15 mL AuMS（2 mg催化剂分散在1 mL水中）存在下被4 mL 30% H2O2溶液氧化。将溶液的总体积保持在2ml，在规定的时间间隔内记录5min的紫外-可见光谱，并绘制相应的吸光度与时间的关系图。

用荧光光谱法测量羟自由基

通过对苯二甲酸光致发光探针实验检测OH. 的产生。通过将TA溶解到NaOH（pH 12）水溶液中制备1 mM对苯二甲酸钠盐（TA）。10mg AuMS和10mM H2O2在20mL醋酸盐缓冲液（pH 4.0）中培养。在连续间隔内，将溶液离心并用于计量测量（lambda;ex=315 nm）。随着OH.自由基的逐渐产生，在422nm处的荧光强度mu;稳步增加。

多巴胺比色检测

对于比色法多巴胺测定，将不同量的新制备的盐酸多巴胺（DA）溶液（2–100 M）引入一个类似的反应系统中，该反应系统的总体积为2 mL，如上所述，含有10mu;L TMB（0.125 M，DMSO），20 mL H2O2，0.1 M醋酸盐缓冲液（pH 4.0），存在15 mu;L AuMS（2 mg催化剂，分散在1 mL水中）。在添加DA溶液之前，将溶液在40℃下培养10分钟以产生蓝色溶液。在室温下，在紫外-可见分光光度计上记录了在溶液中添加DA后氧化TMB的蓝色逐渐褪色。

方案1将分散良好的金纳米粒子并入二氧化硅（AuMS）壁中形成介孔二氧化硅。

盐酸多巴胺注射液中多巴胺的含量测定

为了测定盐酸多巴胺注射液中多巴胺的含量，我们在一家综合医院的药店购买了多巴胺注射液，并将其稀释10倍。然后，用5组实际样品溶液通过上述程序进行DA检测。

结果与讨论

AuMS催化剂的合成与表征

采用一锅溶胶-凝胶法合成了AuMS。在SBA-15的形成过程中，通过添加1,4-二（三乙氧基硅基）丙烷四硫化物（TESPTS）和HAuCl4促进Au（0）纳米粒子并入SBA-15的壁骨架中（方案1）。在相同的条件下，使用TEOS和TESPTS作为硅源也制备了50个纯SBA-15。

N2吸附-解吸测量用于研究SBA-15的结构参数，包括BET表面积、孔体积和孔径分布（图1和表1）。如图1a所示，SBA-15的氮吸附等温线的性质是具有H1型滞后回线的IV型，在0.40–0.8的压力范围内表现出急剧增加。SBA-15型介孔氧化硅的等温线性质是常见的，并且通过将Au（0）纳米粒子（AuNPs）引入孔壁来证实六方介孔结构的保留。制备的样品的BET比表面积和孔体积分别为517 m2g-1和0.68 cm3g-1。用TEOS和TESPTS在相同条件下制备的SBA-15比表面积为557 m2g-1，孔体积为0.74 cm3g-1。样品的比表面积和孔体积几乎相同。这表明非常小的纳米粒子（AuNPs）主要结合在孔壁中，而不是在孔内生长。通过非局部密度泛函理论（NLDFT）确定的SBA-15的孔径分布51如图1b所示。发现SBA-15和AuMS的平均孔径分别为5.4和4.8 nm。两种样品的孔径分布都很窄。

图1（a）SBA-15和AUM的物理吸附等温线和（b）相应的NLDFT孔径分布

表1 SBA-15和AUM的结构参数

结晶度和相纯度通过广角粉末X射线衍射分析，如图2所示。图2a显示了38.50、44.72、64.92、77.85、81.91、98.37、111.00、115.48和135.54处的特征衍射峰，对应于立方Au（0）相（Fm3m空间群225）的（111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）、（331）、（420）和（422）晶面（JCPDS编号04-0784）。结果表明，在没有任何杂质的情况下，可以形成纯的单相金纳米粒子。AuNPs的宽峰和弱峰表明非常小的Au（0）纳米粒子高度分散。可以得出结论，AuNPs在介孔二氧化硅壁中的生长倾向于小晶粒尺寸。SBA-15显示在20–80。范围内没有峰值（图2b）。

通过SEM和TEM研究了材料的形貌。如图3a所示，可以观察到长度约为1mm的短弯曲杆状结构。SBA-15的TEM图像如图3b-d所示。AuMS中存在的六角形孔清晰可见，如图3c所示。样品的TEM图像（图3d和e）显示SBA-15内分辨率良好的小纳米粒子。图1f和g分别示出了位于二氧化硅框架内的AuNP的HRTEM图像和相应的实时FFT图像。AuNPs的SAED模式（图3h）显示了指向具有fcc结构的金的（200）和（222）平面的斑点和环，这与X射线衍射研究一致。进入管壁的颗粒直径为3.8 plusmn; 0.5 nm（图3e），平均粒径为4 nm（图4）。

元素组成由EDS确认（图S1，见ESIdagger;），其分布由SEM EDS绘图结果进一步验证。如图S2所示，（见ESIdagger;）元素Si、O和Au存在并均匀分布。SBA-15上Au的含量约为2.02 wt %。

通过XPS分析研究了AuMS的表面组成和电子结构。样品的宽XPS扫描（图5a）显示了Au、Si和O的存在。约102.1、154.0和531.7 eV处的

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