本發(fā)明涉及一種銀復(fù)合氧化鐵纖維及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

酶是生物體內(nèi)產(chǎn)生的具有專一性和高度催化活性的蛋白質(zhì)，生物體的生長、發(fā)育、繁殖等各種生命活動都離不開酶的催化作用，為了區(qū)別于本申請中之后提到的模擬酶，在此將其稱為天然酶。過氧化物酶是一類從植物、動物、微生物中提取出來的氧化還原酶，其以血紅素為輔基，參與生物體內(nèi)的生理代謝，它通過內(nèi)部的變價鐵元素和外部結(jié)構(gòu)能催化h2o2氧化氫供體底物。在生命活動過程中，過氧化物酶主要是催化生物體內(nèi)的氧化物或過氧化物氧化分解其他毒素。目前廣泛應(yīng)用的過氧化物酶是從天然植物中提取的辣根過氧化物酶(horseradishperoxidase，hrp)。天然酶在應(yīng)用中存在明顯的缺陷：(1)生產(chǎn)成本高。天然酶的獲取主要包括動物組織提取和微生物發(fā)酵兩種方法。這兩種方法都存在提純困難、容易失活的缺點，而且動物組織中酶含量較低，從而增加了天然酶獲取的成本；(2)保存運輸成本高。大多數(shù)酶對高溫異常敏感，因此需要使用冷鏈進(jìn)行保存運輸。此外，有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子、生物堿試劑等常會導(dǎo)致天然酶失去催化活性；(3)使用條件苛刻、范圍窄。天然酶只有在最適溫度和最適酸堿度以及沒有抑制劑的情況下發(fā)揮最佳催化效率，因此極大地限制了其在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用。

2007年，有研究人員制備了氧化鐵納米顆粒，其具有類似過氧化物酶的催化活性，即在過氧化氫存在下，氧化鐵納米顆粒能夠與3,3′-二氨基聯(lián)苯胺(dab)、3,3′,5,5′-四甲基對二聯(lián)苯胺(tmb)等辣根過氧化物酶的底物反應(yīng)，生成與過氧化物酶相同的反應(yīng)產(chǎn)物，從而產(chǎn)生與過氧化物酶相似的催化作用。氧化鐵價格低廉、易于制備，但是納米顆粒狀的氧化鐵用作模擬酶時，首次使用能夠表現(xiàn)出較高的活性，多次使用后損失比較嚴(yán)重，不利于回收和重復(fù)使用。

納米銀(agnps)作為一種高效、易得的貴金屬催化劑，對很多有機(jī)反應(yīng)有顯著催化效果。比如，agnps已被應(yīng)用在抗菌材料，低溫超導(dǎo)材料和生物傳感器中。agnps作為復(fù)合納米纖維的添加劑，被添加到各種纖維基質(zhì)材料中，擴(kuò)大了纖維的應(yīng)用范圍。agnps的性質(zhì)極大的依賴于它的尺寸分布、結(jié)構(gòu)、形狀和載體種類，對很多有機(jī)反應(yīng)有顯著的催化效果。agnps也具有類過氧化物酶活性，但在使用過程中容易發(fā)生團(tuán)聚，致其催化活性降低。

綜上，現(xiàn)有技術(shù)制備的模擬酶無法同時具備高活性和高穩(wěn)定性，因此制備具有高活性和高穩(wěn)定性的模擬酶具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一是提供一種銀復(fù)合氧化鐵纖維的制備方法，該制備方法制備的銀復(fù)合氧化鐵纖維，具有類過氧化物酶活性，且其酶活性較高、穩(wěn)定性較好。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種銀復(fù)合氧化鐵纖維的制備方法，將聚乙烯吡咯烷酮溶解于有機(jī)溶劑中制成聚合物溶液，將硝酸鐵、硝酸銀和檸檬酸溶解于水中制成鹽溶液，將所述聚合物溶液與鹽溶液混合后攪拌均勻制得具有設(shè)定粘度的前驅(qū)溶膠溶液，采用靜電紡絲技術(shù)將所述前驅(qū)溶膠溶液制成凝膠纖維，將所述凝膠纖維干燥后進(jìn)行煅燒，煅燒后即得銀復(fù)合氧化鐵纖維；

其中，銀元素、鐵元素與檸檬酸的質(zhì)量比為1:5～8:45～50，所述煅燒過程為先加熱至300±10℃保溫一段時間，再加熱至450±10℃保溫一段時間。

本發(fā)明首先采用靜電紡絲技術(shù)制備了凝膠纖維，使硝酸銀和硝酸鐵形成纖維狀結(jié)構(gòu)，再通過上述過程的煅燒使得硝酸銀分解成銀單質(zhì)，硝酸鐵分解成氧化鐵，形成了具有纖維狀結(jié)構(gòu)的銀復(fù)合氧化鐵化合物，同時限定銀元素、鐵元素與檸檬酸的質(zhì)量比，從而制備了具有特殊結(jié)構(gòu)的銀復(fù)合氧化鐵纖維，采用該銀復(fù)合氧化鐵纖維作為模擬酶，具有較高的活性，不僅克服了氧化鐵不利于回收和重復(fù)使用的缺陷，而且克服了納米銀顆粒容易團(tuán)聚的問題，從而使其具有較高的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的目的之二是提供一種上述制備方法制備的銀復(fù)合氧化鐵纖維。

本發(fā)明的目的之三是提供一種上述銀復(fù)合氧化鐵纖維作為模擬酶的應(yīng)用。

本發(fā)明的目的之四是提供一種催化氧化3,3′,5,5′-四甲基對二聯(lián)苯胺的方法，以h2o2為氧化劑，以上述銀復(fù)合氧化鐵纖維作為模擬酶，反應(yīng)條件為：ph為4，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間為5分鐘。

本發(fā)明的有益效果為：

1.本發(fā)明制備了具有纖維結(jié)構(gòu)的銀復(fù)合氧化鐵纖維，該結(jié)構(gòu)纖維帶彎曲收縮，表面比較粗糙。

2.本發(fā)明制備的銀復(fù)合氧化鐵纖維具有高活性和高穩(wěn)定性，銀復(fù)合氧化鐵纖維的催化活性是氧化鐵纖維的1.17倍以上，且連續(xù)使用10次，其催化活性仍為首次使用的催化活性的40％以上。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1為實施例制備的凝膠纖維的熱重曲線；

圖2為實施例制備的凝膠纖維的紅外光譜圖，其中，a為煅燒之后，b為煅燒之前；

圖3為實施例與對比例制備的最終產(chǎn)物的x射線衍射(xrd)圖譜；

圖4為實施例與對比例制備的掃描電鏡(sem)圖像，其中，a為對比例制備的凝膠纖維煅燒前，b為對比例制備的凝膠纖維煅燒后，c為實施例制備的凝膠纖維煅燒前，d為實施例制備的凝膠纖維煅燒后；

圖5為實施例與對比例制備的最終產(chǎn)物透射電鏡(tem)圖像；

圖6為催化活性的分析曲線，其中，a為隨溶液ph值變化的曲線，b為隨反應(yīng)溫度變化的曲線；

圖7為隨反應(yīng)時間變化的催化活性的分析曲線；

圖8為不同模擬酶催化后反應(yīng)液的吸光度曲線；

圖9為不同模擬酶催化不同底物的米氏動力學(xué)關(guān)系圖，其中，a為對比例制備的最終產(chǎn)物催化h2o2，b為對比例制備的最終產(chǎn)物催化tmb，c為實施例制備的最終產(chǎn)物催化h2o2，d為實施例制備的最終產(chǎn)物催化tmb；

圖10為酶活性的重復(fù)性測試曲線。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

本發(fā)明中所述的有機(jī)溶劑為能夠溶解聚乙烯吡咯烷酮且能與水互溶的有機(jī)物，如甲醇、乙醇、丙醇等。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在現(xiàn)有技術(shù)制備的模擬酶無法同時具備高活性和高穩(wěn)定性的不足，為了解決如上的技術(shù)問題，本申請?zhí)岢隽艘环N銀復(fù)合氧化鐵纖維的制備方法。

本申請的一種典型實施方式，提供了一種銀復(fù)合氧化鐵纖維的制備方法，將聚乙烯吡咯烷酮溶解于有機(jī)溶劑中制成聚合物溶液，將硝酸鐵、硝酸銀和檸檬酸溶解于水中制成鹽溶液，將所述聚合物溶液與鹽溶液混合后攪拌均勻制得具有設(shè)定粘度的前驅(qū)溶膠溶液，采用靜電紡絲技術(shù)將所述前驅(qū)溶膠溶液制成凝膠纖維，將所述凝膠纖維干燥后進(jìn)行煅燒，煅燒后即得銀復(fù)合氧化鐵纖維；

其中，銀元素、鐵元素與檸檬酸的質(zhì)量比為1:5～8:45～50，所述煅燒過程為先加熱至300±10℃保溫一段時間，再加熱至450±10℃保溫一段時間。

本發(fā)明不限定聚合物溶液配制與鹽溶液配制的先后順序。

本發(fā)明首先采用靜電紡絲技術(shù)制備了凝膠纖維，使硝酸銀和硝酸鐵形成纖維狀結(jié)構(gòu)，再通過上述過程的煅燒使得硝酸銀分解成銀單質(zhì)，硝酸鐵分解成氧化鐵，形成了具有纖維狀結(jié)構(gòu)的銀復(fù)合氧化鐵化合物，同時限定銀元素、鐵元素與檸檬酸的質(zhì)量比，從而制備了具有特殊結(jié)構(gòu)的銀復(fù)合氧化鐵纖維，采用該銀復(fù)合氧化鐵纖維作為模擬酶，具有較高的活性，不僅克服了氧化鐵不利于回收和重復(fù)使用的缺陷，而且克服了納米銀顆粒容易團(tuán)聚的問題，從而使其具有較高的穩(wěn)定性。

優(yōu)選的，所述聚合物溶液中聚乙烯吡咯烷酮的濃度為0.1g/ml。

優(yōu)選的，所述鹽溶液中硝酸銀的濃度為3～4g/l。

優(yōu)選的，所述聚合物溶液與鹽溶液的體積比為10:3。

優(yōu)選的，所述設(shè)定粘度為10～50pa·s。

優(yōu)選的，所述靜電紡絲的條件為電壓為20kv，接受距離為20cm，推進(jìn)速度為0.002mm/s。

優(yōu)選的，所述干燥的條件為80～90℃干燥12～24h。

優(yōu)選的，加熱至300±10℃的升溫速率為1℃/min。

優(yōu)選的，加熱至300±10℃保溫的時間為1h。

優(yōu)選的，加熱至450±10℃的升溫速率為0.5℃/min。

優(yōu)選的，加熱至450±10℃保溫的時間為2h。

本申請還提供了一種上述制備方法制備的銀復(fù)合氧化鐵纖維。

本申請還提供了一種上述銀復(fù)合氧化鐵纖維作為模擬酶的應(yīng)用。

本申請還提供了一種催化氧化3,3′,5,5′-四甲基對二聯(lián)苯胺的方法，以h2o2為氧化劑，以上述銀復(fù)合氧化鐵纖維作為模擬酶，反應(yīng)條件為：ph為4，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間為5分鐘。

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更加清楚地了解本申請的技術(shù)方案，以下將結(jié)合具體的實施例與對比例詳細(xì)說明本申請的技術(shù)方案。

實施例

1.5g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)在磁力攪拌下溶解于15ml乙醇中，待pvp溶解完全后獲得聚合物溶液，稱取0.45gfe(no3)3·9h2o，0.015gagno3，0.46g檸檬酸置于水中制備成4.5ml鹽溶液，將鹽溶液加入至聚合物溶液中，在恒溫磁力攪拌器上攪拌，直至溶液中無小氣泡存在，得到均勻、黃棕色且粘度為30pa·s的前驅(qū)溶膠溶液。將前驅(qū)溶膠溶液注入針管，設(shè)置靜電紡絲機(jī)的的電壓為20kv，接受距離為20cm，推進(jìn)速度為0.002mm/s；待紡絲結(jié)束后收集所制備的凝膠纖維并將其置于80℃烘箱中干燥至少12h。對纖維煅燒以去除其中的雜質(zhì)和有機(jī)物，獲得的最終產(chǎn)品為ag-fe2o3復(fù)合纖維，其中，煅燒條件如下：室溫以1℃/min升至300℃，保溫1h；然后以0.5℃/min升至450℃，保溫2h)。

對比例

1.5g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)在磁力攪拌下溶解于15ml乙醇中，待pvp溶解完全后獲得聚合物溶液，稱取0.45gfe(no3)3·9h2o，0.46g檸檬酸置于水中制備成4.5ml鹽溶液，將鹽溶液加入至聚合物溶液中，在恒溫磁力攪拌器上攪拌，直至溶液中無小氣泡存在，得到均勻、黃棕色且粘度為30pa·s的前驅(qū)溶膠溶液。將前驅(qū)溶膠溶液注入針管，設(shè)置靜電紡絲機(jī)的的電壓為20kv，接受距離為20cm，推進(jìn)速度為0.002mm/s；待紡絲結(jié)束后收集所制備的凝膠纖維并將其置于80℃烘箱中干燥至少12h。對纖維煅燒以去除其中的雜質(zhì)和有機(jī)物，獲得的最終產(chǎn)品為fe2o3纖維，其中，煅燒條件如下：室溫以1℃/min升至300℃，保溫1h；然后以0.5℃/min升至450℃，保溫2h)。

對實施例及對比例制備過程中獲得的凝膠纖維及最終產(chǎn)品進(jìn)行表征如下(以下所述的ag-fe2o3或fe2o3-ag均表示實施例制備的最終產(chǎn)品)：

1.熱重(tg)分析

圖1為實施例制備的agno3/fe(no3)3/pvp凝膠纖維的熱重曲線圖，小于130℃的溫度區(qū)間內(nèi)的失重主要是表面吸附水的失去和乙醇的揮發(fā)，第二階段失重(130℃到240℃的溫度區(qū)間)是由于硝酸銀和硝酸鐵的分解及pvp側(cè)鏈的分解；第三段失重在240℃到425℃的溫度區(qū)間內(nèi)，歸因為pvp主鏈的分解。從圖1可知，樣品的總失重量約為94％。從熱重曲線上可以看出當(dāng)溫度高于425℃時，纖維的重量不再發(fā)生變化，說明在該溫度下凝膠纖維中的雜質(zhì)和有機(jī)物已經(jīng)完全去除。

2.紅外光譜(ftir)分析

如圖2b所示，位于3446cm^-1的非對稱吸收歸屬為吸附水和乙醇中-oh的伸縮振動；3100-930cm^-1范圍內(nèi)的吸收為pvp的特征振動吸收。位于2957cm^-1和1430cm^-1的吸收是由于c-h鍵的振動引起的；處于1669cm^-1和1025cm^-1處的紅外吸收可以分別歸屬為pvp中c＝o和c-n鍵的伸縮振動吸收。而位于1378cm^-1處的振動為no3^–的特征振動。如圖2a所示，樣品在經(jīng)過450℃煅燒后，pvp的特征振動消失，說明該溫度下熱處理樣品能夠?qū)悠分械膒vp完全去除。煅燒后的樣品在588cm^-1處出現(xiàn)新的吸收峰，這是氧化鐵中fe-o鍵的特征振動。pvp和no3^–特征吸收的消失及新的吸收峰的出現(xiàn)，說明凝膠纖維經(jīng)過熱處理后硝酸鹽和pvp已經(jīng)分解完全。

3.x射線衍射(xrd)分析

如圖3所示，所有衍射峰與fe2o3(jcpdsno.39-1346)的相一致，位于30.2°，35.6°，57.3°及63.0°的衍射峰分別對應(yīng)(220)，(311)，(511)和(440)晶面。而在fe2o3-ag凝膠纖維的xrd圖像中，fe2o3(jcpdsno.39-1346)的衍射峰也是一致的，同時出現(xiàn)一組銀的特征峰(jcpdsno.65-2871)，位于38.1°和44.3°的衍射峰對應(yīng)于銀的(111)和(200)晶面。根據(jù)scherrer公式分析fe2o3纖維的(311)衍射峰的半峰寬，樣品中氧化鐵顆粒的平均尺寸約為9.9±1.3nm；根據(jù)ag-fe2o3中衍射峰的半峰寬，樣品中氧化鐵顆粒的平均尺寸為21.3±2.3nm。

4.掃描電鏡(sem)分析

如圖4所示，干燥后的凝膠纖維均呈現(xiàn)出帶狀結(jié)構(gòu)，圖4a所示帶寬在3μm左右，圖4c所述的帶寬在2μm左右，微米帶的表面比較光滑。纖維經(jīng)煅燒后，由于有機(jī)物的除去fe2o3纖維斷裂、帶寬變窄且表面比較粗糙，但仍能呈現(xiàn)出一維帶狀結(jié)構(gòu)，如圖4b所示。復(fù)合銀的纖維在煅燒后能夠保持帶狀結(jié)構(gòu)，但形貌不如煅燒前光滑、完整，且纖維帶彎曲收縮，表面比較粗糙，如圖4d所示。

5.透射電鏡(tem)分析

由圖5a所示，微米帶由納米顆粒構(gòu)成，顆粒與顆粒之間比較疏松，能夠觀察到孔的存在，顆粒間明顯的襯度差說明纖維由不同成分的顆粒組成，如圖5b所示；高分辨電鏡照片中可以看到清晰平行的晶格條紋線，說明纖維帶結(jié)晶良好；0.25nm和0.23nm分別是fe2o3(311)和ag(111)的晶面間距，如圖5c所示。由透射電鏡分析以及xrd分析結(jié)果可以說明，成功制備了ag復(fù)合的fe2o3的微米帶纖維。

6.酶活性分析

采用tmb和h2o2作為反應(yīng)模型檢測fe2o3纖維和ag-fe2o3復(fù)合材料的催化活性。為了得到的較好的催化效果，首先探索了反應(yīng)液的ph值和溫度對催化劑催化活性的影響。研究的溫度范圍是10℃到70℃，ph值的范圍是2～12，反應(yīng)時間是5分鐘。從圖6a中可以看出兩種材料在酸性條件下都有較好的催化活性，隨著反應(yīng)液ph值的增加，它們的催化活性都表現(xiàn)出先增強(qiáng)后降低的趨勢，同時在ph＝4時他們具有最高的催化活性。同時，從圖6b中可以看到，兩種樣品在35～60℃時具有較高的催化活性，并且從35℃到60℃之間能夠保持穩(wěn)定。值得注意的是，樣品在60℃時表現(xiàn)出最好的催化活性，據(jù)報道當(dāng)高于30℃時，hrp將失去活性，因此制備的樣品的類過氧化物酶活性具有高溫耐受性。

反應(yīng)時間對催化活性的影響，如圖7所示，在整個反應(yīng)過程中，ag-fe2o3表現(xiàn)出較fe2o3高的催化活性；當(dāng)ag-fe2o3復(fù)合纖維作為催化劑，反應(yīng)時間為5分鐘時，催化反應(yīng)完全，而fe2o3纖維作為催化劑反應(yīng)完全所需時間為15分鐘。通過以上兩個實驗，把實驗條件設(shè)定為緩沖溶液的ph＝4，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間為5分鐘。

從圖8中可以看到，把實施例及對比例制備的最終產(chǎn)品作為模擬酶進(jìn)行催化后反應(yīng)液在652nm處吸收最強(qiáng)。將最強(qiáng)的吸光度定義為100％，以此用于表征樣品的催化活性。由圖8可見，在不加模擬酶的情況下，h2o2對tmb的氧化程度很低，僅有5.2％的tmb被氧化，ag-fe2o3的催化活性最高，fe2o3的催化活性約為ag-fe2o3的85.6％。以上結(jié)果說明少量銀納米顆粒的復(fù)合能夠提高fe2o3纖維的類過氧化物酶活性。

為了進(jìn)一步研究ag-fe2o3復(fù)合材料的類酶活性，測定了它的表觀穩(wěn)態(tài)動力學(xué)參數(shù)km(通常稱之為米氏常數(shù))。測定的吸光度是由tmb的氧化產(chǎn)物引起的，氧化產(chǎn)物的濃度與吸光度成正比，所以吸光度的變化速率與產(chǎn)物的濃度變化速率相同。通過改變反應(yīng)體系中tmb和h2o2的濃度，在相同的反應(yīng)時間內(nèi)測定了它們的吸光度。采用雙倒數(shù)法對反應(yīng)速率和對應(yīng)底物的濃度作圖，如圖9所示，得到了fe2o3纖維和ag-fe2o3復(fù)合纖維對不同底物的km值。根據(jù)實驗數(shù)值，可以知道在以h2o2為反應(yīng)底物時，fe2o3和ag-fe2o3的km值為0.089mm和0.067mm；在以tmb為反應(yīng)底物時，fe2o3和ag-fe2o3的km值為0.172mm和0.127mm。同fe2o3纖維相比，ag-fe2o3復(fù)合纖維的km(tmb)和km(h2o2)都較低，說明復(fù)合材料表現(xiàn)出較fe2o3對tmb和h2o2更高的吸附力，這可能是其催化活性較高的原因之一。文獻(xiàn)中報道的辣根過氧化酶的km(tmb)和km(h2o2)值分別為3.7mm和0.434mm。與辣根過氧化酶相比，對比例合成的fe2o3纖維和實施例fe2o3-ag復(fù)合纖維的km(tmb)和km(h2o2)值均較低，說明該復(fù)合纖維對tmb和h2o2都有比較高的親和力，即反應(yīng)體系中不需要太高的濃度就能使反應(yīng)速率達(dá)到最大值。

為檢測實施例和對比例制備的產(chǎn)品的穩(wěn)定性，對其重復(fù)性進(jìn)行測試，fe2o3-ag復(fù)合纖維在重復(fù)使用過程中的催化活性高于fe2o3纖維的。復(fù)合纖維重復(fù)使用到第7次時，其催化活性仍能達(dá)到第一次的53％，后續(xù)10次后能夠維持在40％左右；而fe2o3在第4次使用時催化活性僅為第一次的48％，使用10次后降低到30％左右。催化活性的降低主要是由于回收過程中樣品的損失以及催化活性位的失活。

綜上，對fe2o3纖維進(jìn)行銀納米顆粒的復(fù)合能夠提高其類過氧化物酶活性和穩(wěn)定性。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。