1 磁性氧化鐵奈米材料
1.1 磁性氧化鐵奈米材料模擬酶的性質
氧化鐵奈米顆粒是磁性材料的重要組成部分,以其獨特的物理化學性質和表面可控性受到廣泛關注, 並應用於磁共振成像、組織修復、生物感測、生化分離等各個領域。而在氧化鐵磁性奈米材料中研究較多的是Fe3O4 和°-Fe2O3。
近年來, 在利用Fe3O4MNPs 進行腫瘤靶向檢測的實驗過程中首次發現Fe3O4 有類似於天然過氧化物模擬酶的特性, 能夠催化H2O2 氧化鄰苯二銨(OPD) 等底物發生顯色反應。這一發現成為磁性奈米材料在應用上的重大突破, 從而開闢了利用磁性奈米材料同時進行免疫檢測和磁分離的新思路。Fe3O4 磁性奈米顆粒具有許多優點使其可以作為過氧化物模擬酶：① 穩定性好; ② 具有尺寸效應, 催化活性隨著顆粒粒徑的減小而增強; ③ 催化活性對於環境溫度、pH 值和底物濃度有依賴性;④ 製備方法簡單, 材料製備成本低廉、可大規模製備, 同時還兼具磁性等其他多功能特性。
另外, 進一步的研究表明, Fe3O4 MNPs 的形貌和表面修飾劑也會影響其催化活性。研究了Fe3O4 MNPs 的形貌對H2O2-TMB 體系催化活性的影響, 結果表明, 球形Fe3O4 奈米顆粒的相對活性> 三角形Fe3O4 奈米顆粒的相對活性> 八面體Fe3O4 奈米顆粒的相對活性。研究了6 種表面修飾劑對Fe3O4 MNPs 模擬酶催化活性的影響, 發現帶正電荷的Fe3O4 MNPs 對帶負電荷的底物的親和性更強, 其催化活性也更強。研究進一步表明可以通過對Fe3O4 MNPs的修飾調節其催化活性。當通過共價作用將巰基和氨基修飾到Fe3O4 MNPs 的表面後, 該奈米顆粒對H2O2-ABTs 體系的催化能力大大增強, 可能的原因是表面修飾的Fe3O4 MNPs 對H2O2 的親和能力增大, 導致其催化能力增強, 並且巰基具有一定的還原性, 能促進低濃度H2O2 的分解, 產生能氧化ABTs變色的OH。
1.2 磁性氧化鐵奈米材料模擬酶的應用
目前, 作為過氧化物模擬酶, Fe3O4 MNPs 已經應用於發光感測、電化學生物感測和有機汙染物降解等多個領域。
1.2.1 比色和光化學發光感測
比色法是一種基於Fe3O4 MNPs 催化H2O2 氧化一系列有機底物顯色的簡單、快速、視覺化的檢測方法。利用抗體修飾的Fe3O4 MNPs 建立了新型的免疫檢測方法, 該方法中Fe3O4 MNPs起到了三重作用：捕獲、磁分離和檢測。使用CS-MNPs 建立了基於磁性奈米顆粒的免疫陣列。使用二巰基丁二酸修飾的超小Fe3O4 MNPs 檢測表皮生長因子受體。此外, 藉助顏色和吸光度的變化, Fe3O4 MNPs還可以用於檢測過氧化氫和葡萄糖, 檢測線分別為3 _mol/L 和30 _mol/L。三聚氰胺與過氧化氫混合後可以形成一種在100± 以下穩定的加合物。基於此, 利用Fe3O4 MNPs 可以催化氧化ABTs 顯色的性質建立了一種簡單、快速的比色法,用於檢測奶製品中的三聚氰胺。
1.2.2 電化學生物感測器
小分子的電化學檢測通常需要天然酶HRP 或GOx 的參與。然而, 天然酶價格昂貴、易失活, 利用過氧化物模擬酶奈米材料代替天然酶是克服其缺點的有效途徑。通過層層自組裝的方法將Fe3O4 MNPs 修飾到ITO 玻璃上, 並以該玻璃為工作電極, 構建了廉價、穩定、高效的電化學感測器檢測H2O2。與裸露的ITO 電極相比, Fe3O4 MNPs 修飾的ITO 電極對加入溶液的H2O2 有較大的電響應訊號。實驗結果表明, 構建的電化學感測器檢測線低至1.6 _mol/L, 在室溫下儲存50 天后, 其電化學檢測活性仍可達到最初活性的92.3%, 並具有較好的抗干擾性。把Fe3O4 MNPs 和GOx 包覆在介孔碳的孔道中構建了高效的電化學感測平臺。該感測器的線性範圍為0.510 mmol/L, 檢出限大約為0.2 mmol/L, 人體血糖可以不經稀釋直接測定, 且可於室溫下在人體記憶體留2 個月之久。僅通過靜電相互作用將酶修飾到電極表面, 會造成較差的電極穩定性和重現性。通過共價作用將殼聚糖修飾的Fe3O4 MNPs 固定在電極表面, 改善了電極的穩定性和重現性。他們先用溶劑熱法制備殼聚糖修飾的Fe3O4 MNPs, 再將Fe3O4MNPs 與APTES 功能化的ITO 電極通過戊二醛交聯反應結合。該電極對H2O2 有較高的靈敏度、較好的穩定性和選擇性, 檢出限達10 _mol/L, 線性範圍為0.22 mmol/L。隨後, 他們通過戊二醛將氨基化的'Fe3O4MNPs 和巰基乙酸修飾的金電極組裝在一起測定膽鹼。該感測器靈敏度高(0.1 nmol/L),線性範圍廣(109 102 mol/L), 還具有較高的穩定性和選擇性。
1.2.3 有機汙染物降解
隨著現代合成化學工業的興起, 有機汙染物的積累開始造成水環境汙染甚至危害人類健康。自從奈米材料的擬酶性質被發現以來, 辣根過氧化物酶已開始逐漸用於環境汙染物的降解。Fe3O4MNPs 具有良好的穩定性以及易製備、易分離、高效的過氧化物模擬酶催化活性。基於此,利用Fe3O4 MNPs 催化去除汙水中的苯酚和苯胺。在溫度為308 K、H2O2 濃度為1.2 mol/L的條件下, 6 h 內20 mL、5 g/L Fe3O4 MNPs 能完全降解20 mL、1 mmol/L 苯酚和20 mL、1 mmol/L苯胺。苯酚和苯胺各自的總有機碳(TOC) 減少率分別為42.79% 和40.38%。他們還對不同pH 條件下Fe3O4 MNPs 的催化效果進行了比較, 結果表明Fe3O4 MNPs 的催化效果隨著pH 的升高逐漸降低。Fe3O4 MNPs 活化H2O2 的能力相對較弱, 要完全去除汙染物所需時間較長。在Fe3O4 MNPs 的製備過程和降解汙染物羅丹明B 的過程中引入超聲輔助手段, 來提高奈米顆粒催化H2O2 的能力; 利用超聲輔助下的反相共沉澱法製備了小粒徑、大比表面積的Fe3O4 MNPs, 該顆粒配製成2.0 mL、15.5 g/L 溶液, 在40±、pH 為5.4 的條件下, 60 min 內可去除90%、50 mL、0.02 mmol/L 的有機汙染物羅丹明B。
研究發現Fe2+ 在Fe3O4 MNPs 的過氧化物模擬酶催化中起著重要的作用, 即金屬離子的不同價態間可發生電子轉移。因此, Fe3O4MNPs 的化學組成和表面性質對其和H2O2 之間的親和力是至關重要的。利用腐殖酸修飾的Fe3O4 MNPs 清除水中的磺胺。腐殖酸修飾的Fe3O4MNPs 能在6 h 內將100 mL、50 mg/L 的磺胺礦化為無機離子或分子, 效率是未修飾的Fe3O4 MNPs 的3.4 倍, 並且Fe3O4 MNPs 的催化作用與其大小和形貌有關。
2 磁性複合奈米材料
未經修飾的鐵氧化物磁性奈米顆粒很容易團聚, 極不穩定, 它的應用也面臨著巨大的挑戰。為了防止鐵氧化物磁性奈米顆粒間的團聚, 提高其催化活性, 從實際應用的角度出發, 在合成磁性奈米顆粒的過程中常常需要加入穩定試劑。然而, 研究表明穩定試劑的加入可能會嚴重影響鐵氧化物磁性奈米顆粒的化學活性。磁性複合奈米材料是通過適當的方法將磁性顆粒與其他功能性材料結合形成的具有多重功能的複合微粒。磁性複合奈米材料可以發揮磁性奈米顆粒與其他材料的協同作用, 為光學和電化學感測器的發展及汙染物的降解等方面提供新的思路。
目前, 常見的磁性奈米複合材料有：磁性二氧化矽複合材料, 磁性氧化石墨烯複合材料,金屬或金屬氧化物包裹的磁性奈米材料, 雙功能和多功能磁性複合奈米材料等。
近來, 構建了一個奈米結構的多功能催化體系。該體系將Fe3O4 MNPs 和氧化酶包埋在介孔矽中用於比色生物感測。利用該感測器檢測了葡萄糖和膽固醇, 它們的檢測限和線性範圍分別為3 _mol/L、5 _mol/L,301 000 _mol/L、10250 _mol/L。另外, 該生物感測器還具有較好的選擇性和穩定性, 可迴圈使用30 次以上。利用帶負電荷羧基化的MWCNTs 和帶正電荷PDDA-Fe3O4 之間的電荷吸引作用,製備了複合奈米材料過氧化物模擬酶感測器, 用於測定過氧化氫和葡萄糖。實驗結果表明, 將Fe3O4 MNPs 和MWCNTs 形成複合材料後, 可加速電子傳遞, 從而增強催化活性。Wu 等[37] 製備了啞鈴狀的Pt-Fe3O4 奈米顆粒用於構建電化學免疫感測器, 並用該感測器檢測癌症標記物—— 鱗狀細胞癌抗體。另外,製備了多壁碳奈米管和Fe3O4 MNPs 的複合材料,該材料可以有效地催化氧化苯酚將它們從水中去除。0.12 mg/L 的奈米複合材料在30 min 內能有效去除80% 初始濃度為0.25 g/L 的苯酚; 將反應時間延長至10 h, 苯酚的去除率可達99%。
3 展望
鐵氧化物磁性奈米材料過氧化物模擬酶催化活性的發現, 開啟了奈米材料研究的新領域。與天然酶相比, 奈米材料模擬酶具有易製備、使用範圍廣、催化活性可調等優點, 已廣泛應用於生物感測、電化學感測、環境汙染物降解等方面。研究表明, 鐵氧化物磁性奈米材料模擬酶的催化活性受到顆粒組成、形貌、大小、表面修飾、表面電荷等因素的影響。如何調控鐵氧化物磁性奈米材料模擬酶的催化活性, 提高它們的穩定性、特異性、選擇性和靈敏度是需要進一步解決的問題。與體外環境相比, 生命體內環境極其複雜, 目前國內外還未出現對鐵氧化物磁性奈米材料過氧化物模擬酶活性的體內研究。因此, 目前對於鐵氧化物磁性奈米材料模擬酶性質的研究才剛剛起步, 其在生物技術和醫療領域的應用還有待進一步的探索。