碳点及复合物纳米酶的制备与生物传感应用研究.pdf

摘要

纳米酶是一类具有生物催化功能的纳米材料，其特殊的纳米结构不仅赋予纳米

酶高效催化性能，而且使纳米酶比天然酶稳定，易于规模化生产。目前，纳米酶已经

广泛应用于催化医学、传感检测、绿色合成、新能源、环境治理等多个领域。其中，

碳点（CDs）作为一种新型碳基纳米材料，由于其小尺寸效应和丰富的活性位点而表

现出高的催化活性，而明确的电子和几何结构有利于其催化活性位点调整与优化。目

前，碳点的类过氧化物酶催化性质是研究热点问题，但对其本身催化特性改变以及拓

展发现新的催化活性的报道较少。基于此，我们拟通过金属离子掺杂、表面功能化以

及构建碳点纳米复合物等方法来进一步提升与拓展碳点纳米酶催化性质。具体研究

内容如下：

（1）采用简单的一步水热法合成了铁掺杂碳点（Fe-CDs），铁离子的掺杂显著

提升了其类辣根过氧化物酶（HRP）活性，在HO存在下可催化TMB氧化生成蓝

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色产物ox-TMB。进一步将该纳米酶应用于环丙沙星药物（CIP）的传感检测，检出

限为0.274μM。研究表明，CIP可以通过抑制Fe-CDs催化产生羟基自由基（•OH）

和超氧阴离子（•O2-）来抑制TMB分子氧化。通过构建比色检测的智能手机传感平

台，最终实现了实际水体环境中CIP高灵敏检测。该研究为碳点纳米酶在抗生素检

测领域提供新的技术平台。

（2）传统的类HRP纳米酶催化活性局限于酸性体系，这很大程度上限制了生

物体系的应用。在第一个工作的研究基础上，我们设计合成了Au-CDs纳米复合材料

并选择Mn3+作为催化介质来改善该纳米酶的催化性质。我们首先以β-环糊精为模板

合成金纳米粒子（AuNPs），并通过水热法原位生长碳点，最终构建Au-CDs纳米复

合材料。该纳米酶借助光照（365nm）以及Mn3+可以实现中性环境中TMB高效氧

化。同时，探针表面的环糊精空腔有利于主-客体相互识别而增强了对显色底物的吸

附能力。基于HO对Au-CDs纳米复合材料光催化氧化能力的抑制作用，我们最终

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实现了细胞释放HO的原位评估。该研究打破了传统类HRP纳米酶催化pH限制，

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为在生理条件下构建纳米酶生物传感平台提供了新途径。

（3）在第二个研究工作基础上，我们进一步探索了Au-CDs纳米复合物的级联

催化特性。目前大部分的级联催化平台是将纳米酶与生物酶偶联来引发级联催化反

应，这使其仍然受限于催化环境与经济成本问题。通过构建Au-CDs级联纳米酶，利

I

用AuNPs类葡萄糖氧化酶（GOX）以及CDs类HRP的催化性质，Au-CDs纳米酶

可以首先催化葡萄糖氧化为葡萄糖酸和HO，生成的HO继续作为CDs的催化底

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物，最终实现TMB高效催化氧化。最终通过HO自供体系成功实现了血液中葡萄

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糖的比色检测，检出限为15μM。该研究在糖尿病相关疾病诊断和保健监测方面具有

应用潜力。

关键词：纳米酶；铁掺杂碳点（Fe-CDs）；Au-CDs纳米复合物；生物传感；比色检

测

II

ABSTRACT

Nanozymesareakindofnanomaterialsthatshowhighcatalyticproperties,morestable

propertiesandloweconomiccostcomparedwithnaturalenzymes.Nanozymeshavebeen

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