基于新型蒙脱石纳米复合仿酶的乙酰胆碱传感器构建及催化机理研究

Acetylcholine is one of essential neurotransmitter in human central cholinergic system, and its abnormal change of concentration would cause the metabolic disorders of neurotransmitters and diseases. The detection of its content is of significance to human health. Initiatively, this project will utilize the special lamellar structure of montmorillonite, the peroxidase activity of magnetic Fe3O4 nanoparticles, the oxidase activity of flower-typed Co3V2O8 nanoparticles and acetylcholin esterase to construct the “quaternary” new-style nanocomposites. Based on its catalytic activity, a visual colorimetric method for detecting acetylcholine will be proposed. This project will realize the controlled synthesis by controlling the synthesis conditions, explore its structure-activity relationship, and finally establish the self-assembly model of montmorillonite composites and kinetics model of catalytic reaction. In this project, the traditional mineral montmorillonite is combined with chemical synthesis and biological detection, which will provide novel ideas and methods for developing much more efficient colorimetric biosensor. It has important significance and application value.

作为人体中枢胆碱能系统中重要的神经递质之一，乙酰胆碱含量的异常变化会引起神经递质的代谢紊乱并引发神经系统疾病，其含量的检测对于人体健康具有重要的意义。本课题创新性的利用蒙脱石的特殊层状结构、四氧化三铁磁性纳米粒子的过氧化物酶性质、花型钒酸钴纳米粒子的氧化酶性质，与乙酰胆碱酯酶构筑“四位一体”的新型纳米复合体，并利用其三种酶于一体的催化活性建立乙酰胆碱的可视化比色传感分析方法。通过合成条件的控制实现对纳米复合体的控制合成，探索其构效关系，建立蒙脱石纳米复合体的自组装模型及催化反应动力学模型。本课题将传统矿物蒙脱石与化学合成、生物学检测相结合，为研制更高效的比色生物传感器提供新的思路和方法，具有重要理论意义及应用价值。

人体中生物活性物质微小含量的检测已经成为检测某种疾病最直接有效的方法，比如，乙酰胆碱含量的异常变化与中枢神经系统损伤有密切的联系，谷胱甘肽可参与体内三羧酸循环及糖代谢，具有解毒、延缓衰老、预防糖尿病和癌症以及消除疲劳等作用。因此，探寻快速敏感特异的生物小分子分析检测方法对人类的生命健康具有十分重要和现实的意义。过氧化物模拟酶+H2O2+TMB体系构建的比色传感平台，肉眼可视，避开了繁杂的仪器，大大简化了检测过程，是最常研究的反应体系。因此，制备高效专一的过氧化物酶模拟酶用于比色检测过氧化氢显得尤其重要。该研究以天然矿物蒙脱石（MMT）为载体，将具有模拟酶催化性能的纳米粒子在其表面以及层间域进行纳米化修饰，制备了一系列具有过氧化物模拟酶或氧化模拟酶性能的纳米复合材料：V2O5/MMT复合材料、ZnMn2O4/MMT复合材料、Co0.5Ni0.5Fe2O4/MMT复合材料、卟啉功能化的TiO2/MMT复合材料等，采用同步辐射测试（XAFS）、X-射线衍射 (XRD)、透射电子显微镜 (TEM)、扫描电子显微镜 (SEM)、红外光谱 (FT-IR)、紫外-可见分光光度计、荧光光谱仪、电子自旋共振光谱(ESR)等技术手段对这些复合材料进行了表征及性质机理等的研究；研究了这些纳米复合材料的模拟酶活性、动力学及其影响活性的因素(pH、温度、催化剂用量、过氧化氢浓度)；研究了其催化机理；并通过生物学实验对其生物相容性及细胞毒性进行了测试。研究结果表明，蒙脱石的引入大大增加了模拟酶催化活性位点，增强了其催化性能，而且，蒙脱石的引入增加了其生物相容性。以此为基础，本研究构筑了比色生物传感器用于检测生物小分子，如乙酰胆碱、谷胱甘肽等。总之，该研究中制备了高性能的蒙脱石基纳米酶，探讨了其催化机理，建立了低成本，快速、裸眼检测生物小分子的新方法。本研究将传统矿物蒙脱石与化学合成、生物学检测相结合，为研制更高效的比色生物传感器提供新的思路和方法，具有重要理论意义及应用价值。