醇/水混合溶劑對CeO2/CDP-Star體系化學(xué)發(fā)光的影響

姜春雪，付文升，胡連哲，李 榮

(重慶師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，重慶 401331)

天然酶是一類具有高效選擇性和催化活性的生物大分子，在生物體內(nèi)發(fā)揮著重要的作用，但天然酶在使用中存在許多的局限性，如成本高、穩(wěn)定性差等。2007年，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)無機(jī)納米材料Fe3O4在納米尺度呈現(xiàn)出類似天然酶的生物活性, 其催化效率亦與天然酶相似。據(jù)此，我國科學(xué)家首次提出了“納米酶”的概念[1]。納米酶是一類既有納米材料理化特性, 又蘊(yùn)含酶學(xué)催化功能的新一代人工模擬酶。與天然酶相比，其具有結(jié)構(gòu)多樣化、活性可調(diào)、比表面積大、制備簡單、成本低和穩(wěn)定性高(耐酸堿和高溫)等特點(diǎn)，因此使得納米酶在化學(xué)傳感、生物傳感、醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。

近年來，納米二氧化鈰由于具有優(yōu)異的催化活性而在納米酶領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[3]。最近，已有文獻(xiàn)證明納米二氧化鈰具有對化學(xué)發(fā)光底物CDP-Star的類磷酸酶活性[4]。CDP-Star是一種商業(yè)上使用的化學(xué)發(fā)光堿性磷酸酶底物，其本身沒有化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，但是通過納米二氧化鈰對其去磷酸化后，反應(yīng)產(chǎn)物表現(xiàn)出很強(qiáng)的化學(xué)發(fā)光?；瘜W(xué)發(fā)光是由于化學(xué)反應(yīng)引起的一種發(fā)光現(xiàn)象，其作為一種強(qiáng)大的分析技術(shù)，具有靈敏度高、選擇型好、線性范圍寬、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于酶聯(lián)免疫分析、生物成像、DNA探針等領(lǐng)域[5]。本文選取幾種常見的醇，探究每種醇和水的混合溶劑對CeO2/CDP-Star體系的化學(xué)發(fā)光影響，結(jié)果表明，使用醇/水的混合溶劑可以明顯的增強(qiáng)該體系的化學(xué)發(fā)光。其對化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響，和所用醇的極性具有一定的關(guān)系。隨著醇類極性的減小，其對該體系化學(xué)發(fā)光增強(qiáng)的倍數(shù)降低，當(dāng)使用40%乙醇/水混合溶劑時(shí)，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度增大的倍數(shù)最大，約為純水溶劑的10倍。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度分析儀：MPA-A/B型多功能化學(xué)發(fā)光檢測器。分析天平：XJ220A SCS。超純水機(jī)：BLH2-30L-AD。磁力攪拌器：CJJ-931六聯(lián)磁力攪拌器。離心機(jī)：H3-20K臺(tái)式高速離心機(jī)。X-射線粉末衍射：Lab XRD-6100多功能X射線衍射儀。透射電子顯微鏡：FEI talos F200X。

硝酸鈰，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氨水，成都科隆化學(xué)品有限公司；甲醇，成都科隆化學(xué)品有限公司；乙醇，成都科隆化學(xué)品有限公司；正丙醇，上海麥克林生化科技有限公司；異丙醇，成都科隆化學(xué)品有限公司；正丁醇，成都科隆化學(xué)品有限公司；異丁醇，上海麥克林生化科技有限公司；仲丁醇，上海麥克林生化科技有限公司；叔丁醇，成都科隆化學(xué)品有限公司；CDP-Star，羅氏試劑公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 納米二氧化鈰的制備

準(zhǔn)確稱取0.54 g硝酸鈰，溶于1.25 mL H2O中，然后邊攪拌邊將7.5 mL的氨水一滴一滴的滴加進(jìn)去；混合后，在室溫下連續(xù)攪拌24 h，離心后用水洗3次，再分散至蒸餾水中。

1.2.2 化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度測量

取不同體積pH=8.5的HEPES緩沖溶液于離心管中，分別加入不同比例的醇，然后加入 50μL 的CeO2納米粒子(2 mg/mL)、100 μL CDP-Star(250 μmol/L)，最終使得總體積為 1000 μL。用移液槍準(zhǔn)確移取 700 μL 于小燒杯中進(jìn)行化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的測定。例如，40 %乙醇/水混合溶劑指1000 μL體系中有400 μL乙醇，600 μL的水溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米二氧化鈰的表征

利用透射電子顯微鏡，對合成的材料進(jìn)行形貌表征，結(jié)果如圖1所示。單個(gè)的二氧化鈰納米顆粒直徑5～10 nm，但是在透射電鏡圖中，二氧化鈰納米粒子有所聚集，這可能是由于二氧化鈰納米粒子的溶解性較差導(dǎo)致的。

圖1 二氧化鈰的透射電鏡圖

此外，利用X-射線粉末衍射儀(XRD)，在10°～80°對合成的納米二氧化鈰的物相進(jìn)行測試，并將實(shí)驗(yàn)所得的衍射峰和二氧化鈰的標(biāo)準(zhǔn)卡片衍射峰進(jìn)行分析比對，如圖2所示。由圖2可知，其衍射峰基本吻合，說明晶格點(diǎn)陣參數(shù)一致，表明成功合成了二氧化鈰納米粒子。

圖2 二氧化鈰的XRD圖

2.2 不同種類醇對CeO2/CDP-Star體系化學(xué)發(fā)光的影響

通過選取幾種實(shí)驗(yàn)室常見的醇：甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、仲丁醇、異丁醇、叔丁醇等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。如表1所示，測定了不同比例醇/水混合溶劑中該體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相對于純水溶劑，每一種醇/水混合溶劑都可以增強(qiáng)其化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。乙醇對其增強(qiáng)效果最為明顯，約為10倍；其次為甲醇，也有較好的增強(qiáng)效果；而丁醇類，如正丁醇、異丁醇增強(qiáng)的效果都不夠明顯，只有約2～3倍。研究表明，隨著醇的極性逐漸減小(極性順序：甲醇、乙醇>異丙醇>正丙醇>叔丁醇>正丁醇>異丁醇>仲丁醇)，其增大的倍數(shù)逐漸降低[6-7]。這可能是由于隨著醇的極性降低，與水的互溶性降低，使得二氧化鈰對底物CDP-Star的發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)效果降低。

表1 不同醇對CeO2/CDP-Star體系化學(xué)發(fā)光的影響

如圖3所示，左圖為不同比例的乙醇/水混合溶劑條件下，CeO2/CDP-Star體系化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度隨掃描時(shí)間的變化；右圖為相對應(yīng)的點(diǎn)狀圖。右圖中的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度為左圖掃描時(shí)間為 600 s 時(shí)的強(qiáng)度。在40%的乙醇/水的混合溶劑中，CeO2/CDP-Star體系化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度增大的效果最為顯著，其數(shù)值約為不加乙醇時(shí)的10倍。

圖3 不同比例乙醇和水混合溶劑對CeO2/CDP-Star體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化(左圖)和相對應(yīng)的點(diǎn)狀圖(右圖)(化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度為600 s時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度)

3 結(jié)語

納米二氧化鈰具有類堿性磷酸酶的活性，可以通過催化底物CDP-Star的去磷酸化而進(jìn)行化學(xué)發(fā)光的檢測。通常該體系的化學(xué)發(fā)光是在純水溶劑中進(jìn)行，本文通過添加不同醇類溶劑，發(fā)現(xiàn)其化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度均有不同的增強(qiáng)，且隨著醇類溶劑極性的減小，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度增大的倍數(shù)也不斷地減小。乙醇/水的混合溶劑使得化學(xué)發(fā)光增強(qiáng)的效果最為明顯，與不加乙醇時(shí)相比，其化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度提高了約10倍。研究表明，水/醇混合溶劑中的CeO2/CDP-Star體系的化學(xué)發(fā)光具有更強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度，因此具有更好的應(yīng)用前景。