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武漢紡織大學(xué)任學(xué)宏教授團(tuán)隊(duì) CEJ:具有pH響應(yīng)轉(zhuǎn)換雙重酶活性的納米纖維用于抗菌及過(guò)氧化氫檢測(cè)
2025-02-18  來(lái)源:高分子科技

  納米酶以其類酶活性可調(diào)控性、穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)易得等優(yōu)點(diǎn)在生物傳感及抗菌領(lǐng)域展現(xiàn)良好的應(yīng)用前景。H2O2作為生命體內(nèi)必不可少的活性氧分子廣泛參與細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)以及細(xì)胞正常代謝活動(dòng),對(duì)生命活動(dòng)起到至關(guān)重要的作用。并且細(xì)胞內(nèi)過(guò)度表達(dá)的H2O2會(huì)引發(fā)炎癥、癌癥以及神經(jīng)疾病等免疫失衡導(dǎo)致的一系列問(wèn)題,從而影響人體健康。因此開(kāi)發(fā)具有H2O2檢測(cè)活性的納米傳感器對(duì)疾病診斷及治療具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)眾多過(guò)氧化物模擬酶不但可以催化H2O2分解產(chǎn)生·OH用于抗菌,同時(shí)能夠用于H2O2可視化比色檢測(cè)。但是,由于過(guò)氧化物模擬酶普遍在酸性pH下發(fā)揮較好的催化活性,其類酶催化活性的pH值依賴性極大限制其應(yīng)用范圍和效果。


  基于此,武漢紡織大學(xué)任學(xué)宏教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種以碳化細(xì)菌纖維素(BC)納米纖維作為雙酶模擬物的pH響應(yīng)轉(zhuǎn)換催化策略。所制備的納米纖維具有pH響應(yīng)轉(zhuǎn)換的過(guò)氧化物酶(POD)和鹵代過(guò)氧化物酶(HPO)活性,可在不同pH值下催化H2O2產(chǎn)生羥基自由基(?OH)和氧化性Br(Br+),同時(shí)展現(xiàn)pH響應(yīng)轉(zhuǎn)換的H2O2比色檢測(cè)性能,所設(shè)計(jì)的催化策略為納米酶在細(xì)菌感染疾病的檢測(cè)和治療提供了新思路。



  該工作以“Nanofibers-based dual enzyme mimics with pH-switchable catalytic function for H2O2 sensing and antibacterial application”為題發(fā)表于《Chemica Engineering Journal》,武漢紡織大學(xué)任學(xué)宏教授為本文唯一通訊作者,常州大學(xué)醫(yī)學(xué)與健康工程學(xué)院教師張淑敏為第一作者。本研究得到了湖北省中央引領(lǐng)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金(2022BGE253)、江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(24KJD430001)的資助。


Fig.1 BC納米纖維雙酶模擬物的結(jié)構(gòu)表征


  通過(guò)酚醛聚合反應(yīng)以及高溫碳化在BC納米纖維表面負(fù)載銅摻雜的碳化聚合物,結(jié)果顯示纖維表面有均勻的納米顆粒分布。通過(guò)TEM及元素掃描能譜圖觀察可知納米纖維表面分布著大量的C、Cu 元素,表明其Cu摻雜的碳納米纖維結(jié)構(gòu),XPS結(jié)果顯示納米纖維上負(fù)載的銅以0價(jià)以及2+價(jià)為主。


Fig.2 納米纖維雙酶模擬物的POD及HPO催化性能驗(yàn)證及pH響應(yīng)催化活性


  對(duì)納米纖維的催化性能進(jìn)行驗(yàn)證,研究結(jié)果表明所得納米纖維雙酶模擬物具有pH響應(yīng)轉(zhuǎn)換類酶催化性能,在酸性條件下具有POD酶活性,能夠催化H2O2產(chǎn)生?OH;在中性和堿性條件下具有HPO酶活性,能夠催化H2O2產(chǎn)生Br+。對(duì)比催化性能發(fā)現(xiàn)其類酶活性源自結(jié)構(gòu)中摻雜的Cu納米顆粒。催化活性結(jié)果顯示,pH<7時(shí),納米纖維在pH 3.5時(shí)顯示最佳POD酶催化活性;pH≥7時(shí),納米纖維在pH 9.0時(shí)顯示最佳催化活性。


Fig.3 基于pH響應(yīng)轉(zhuǎn)換雙酶活性的H2O2比色檢測(cè)性能


  不同pH值下對(duì)H2O2的檢測(cè)靈敏度檢測(cè)結(jié)果顯示,在特定H2O2濃度范圍內(nèi),H2O2濃度與比色檢測(cè)指示劑吸光度值呈線性相關(guān);基于其雙酶催化性能,不同pH值下對(duì)H2O2的最低檢測(cè)極限呈現(xiàn)差異性,檢測(cè)靈敏性規(guī)律與其pH響應(yīng)催化活性一致,分別在pH 3.5和pH 9.0時(shí)顯示最低的檢測(cè)極限值。


Fig.4 基于pH響應(yīng)轉(zhuǎn)換雙酶活性的催化抗菌性能


  抗菌結(jié)果表明所得納米纖維雙酶模擬物自身無(wú)抗菌性能,基于其POD以及HPO催化作用,能夠催化H2O2產(chǎn)生優(yōu)于單獨(dú)H2O2的抗菌性能,抗菌效果可歸結(jié)于羥基自由基以及Br+對(duì)細(xì)菌的強(qiáng)氧化作用。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160602

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