醇/水混合溶剂对CeO2/CDP-Star体系化学发光的影响

姜春雪，付文升，胡连哲，李 荣

(重庆师范大学化学学院，重庆 401331)

天然酶是一类具有高效选择性和催化活性的生物大分子，在生物体内发挥着重要的作用，但天然酶在使用中存在许多的局限性，如成本高、稳定性差等。2007年，我国科学家发现无机纳米材料Fe3O4在纳米尺度呈现出类似天然酶的生物活性, 其催化效率亦与天然酶相似。据此，我国科学家首次提出了“纳米酶”的概念[1]。纳米酶是一类既有纳米材料理化特性, 又蕴含酶学催化功能的新一代人工模拟酶。与天然酶相比，其具有结构多样化、活性可调、比表面积大、制备简单、成本低和稳定性高(耐酸碱和高温)等特点，因此使得纳米酶在化学传感、生物传感、医学诊断和环境保护等领域有着广阔的应用前景[2]。

近年来，纳米二氧化铈由于具有优异的催化活性而在纳米酶领域引起了广泛关注[3]。最近，已有文献证明纳米二氧化铈具有对化学发光底物CDP-Star的类磷酸酶活性[4]。CDP-Star是一种商业上使用的化学发光碱性磷酸酶底物，其本身没有化学发光性质，但是通过纳米二氧化铈对其去磷酸化后，反应产物表现出很强的化学发光。化学发光是由于化学反应引起的一种发光现象，其作为一种强大的分析技术，具有灵敏度高、选择型好、线性范围宽、设备简单等优点，已广泛应用于酶联免疫分析、生物成像、DNA探针等领域[5]。本文选取几种常见的醇，探究每种醇和水的混合溶剂对CeO2/CDP-Star体系的化学发光影响，结果表明，使用醇/水的混合溶剂可以明显的增强该体系的化学发光。其对化学发光强度的影响，和所用醇的极性具有一定的关系。随着醇类极性的减小，其对该体系化学发光增强的倍数降低，当使用40%乙醇/水混合溶剂时，化学发光强度增大的倍数最大，约为纯水溶剂的10倍。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

化学发光强度分析仪：MPA-A/B型多功能化学发光检测器。分析天平：XJ220A SCS。超纯水机：BLH2-30L-AD。磁力搅拌器：CJJ-931六联磁力搅拌器。离心机：H3-20K台式高速离心机。X-射线粉末衍射：Lab XRD-6100多功能X射线衍射仪。透射电子显微镜：FEI talos F200X。

硝酸铈，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氨水，成都科隆化学品有限公司；甲醇，成都科隆化学品有限公司；乙醇，成都科隆化学品有限公司；正丙醇，上海麦克林生化科技有限公司；异丙醇，成都科隆化学品有限公司；正丁醇，成都科隆化学品有限公司；异丁醇，上海麦克林生化科技有限公司；仲丁醇，上海麦克林生化科技有限公司；叔丁醇，成都科隆化学品有限公司；CDP-Star，罗氏试剂公司。

1.2 实验方法

1.2.1 纳米二氧化铈的制备

准确称取0.54 g硝酸铈，溶于1.25 mL H2O中，然后边搅拌边将7.5 mL的氨水一滴一滴的滴加进去；混合后，在室温下连续搅拌24 h，离心后用水洗3次，再分散至蒸馏水中。

1.2.2 化学发光强度测量

取不同体积pH=8.5的HEPES缓冲溶液于离心管中，分别加入不同比例的醇，然后加入 50μL 的CeO2纳米粒子(2 mg/mL)、100 μL CDP-Star(250 μmol/L)，最终使得总体积为 1000 μL。用移液枪准确移取 700 μL 于小烧杯中进行化学发光强度的测定。例如，40 %乙醇/水混合溶剂指1000 μL体系中有400 μL乙醇，600 μL的水溶液。

2 结果与讨论

2.1 纳米二氧化铈的表征

利用透射电子显微镜，对合成的材料进行形貌表征，结果如图1所示。单个的二氧化铈纳米颗粒直径5～10 nm，但是在透射电镜图中，二氧化铈纳米粒子有所聚集，这可能是由于二氧化铈纳米粒子的溶解性较差导致的。

图1 二氧化铈的透射电镜图

此外，利用X-射线粉末衍射仪(XRD)，在10°～80°对合成的纳米二氧化铈的物相进行测试，并将实验所得的衍射峰和二氧化铈的标准卡片衍射峰进行分析比对，如图2所示。由图2可知，其衍射峰基本吻合，说明晶格点阵参数一致，表明成功合成了二氧化铈纳米粒子。

图2 二氧化铈的XRD图

2.2 不同种类醇对CeO2/CDP-Star体系化学发光的影响

通过选取几种实验室常见的醇：甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、异丁醇、叔丁醇等进行实验探究。如表1所示，测定了不同比例醇/水混合溶剂中该体系的化学发光强度。通过实验发现，相对于纯水溶剂，每一种醇/水混合溶剂都可以增强其化学发光强度。乙醇对其增强效果最为明显，约为10倍；其次为甲醇，也有较好的增强效果；而丁醇类，如正丁醇、异丁醇增强的效果都不够明显，只有约2～3倍。研究表明，随着醇的极性逐渐减小(极性顺序：甲醇、乙醇>异丙醇>正丙醇>叔丁醇>正丁醇>异丁醇>仲丁醇)，其增大的倍数逐渐降低[6-7]。这可能是由于随着醇的极性降低，与水的互溶性降低，使得二氧化铈对底物CDP-Star的发光强度增强效果降低。

表1 不同醇对CeO2/CDP-Star体系化学发光的影响

如图3所示，左图为不同比例的乙醇/水混合溶剂条件下，CeO2/CDP-Star体系化学发光强度随扫描时间的变化；右图为相对应的点状图。右图中的化学发光强度为左图扫描时间为 600 s 时的强度。在40%的乙醇/水的混合溶剂中，CeO2/CDP-Star体系化学发光强度增大的效果最为显著，其数值约为不加乙醇时的10倍。

图3 不同比例乙醇和水混合溶剂对CeO2/CDP-Star体系的化学发光强度随时间的变化(左图)和相对应的点状图(右图)(化学发光强度为600 s时的发光强度)

3 结语

纳米二氧化铈具有类碱性磷酸酶的活性，可以通过催化底物CDP-Star的去磷酸化而进行化学发光的检测。通常该体系的化学发光是在纯水溶剂中进行，本文通过添加不同醇类溶剂，发现其化学发光强度均有不同的增强，且随着醇类溶剂极性的减小，化学发光强度增大的倍数也不断地减小。乙醇/水的混合溶剂使得化学发光增强的效果最为明显，与不加乙醇时相比，其化学发光强度提高了约10倍。研究表明，水/醇混合溶剂中的CeO2/CDP-Star体系的化学发光具有更强的发光强度，因此具有更好的应用前景。