具有活性氧催化能力的铜掺杂偏钨酸盐的制备与性能研究★

滑继爱，王 曼，王文杰，段文杰

（太原工业学院化学与化工系，山西 太原 030008）

引言

在生物化学反应中，活性氧物种（ROS）作为最重要的中间体，几乎存在于所有的生命过程中[1]。ROS催化剂的研究已逐渐成为医学、环境乃至工业催化的研究热点[2]。过渡金属离子例如Cu2+/Cu+、Fe3+/Fe2+和Mn4+/Mn2+等，可以是用于构建金属蛋白酶的活性催化中心[3-4]。近年来，一系列用于抗微生物和污染物降解的过渡金属构筑的人工拟氧化酶被合成出来，其中以铜离子取代多氧金属酸盐（POMs）的ROS 催化能力较为优秀[5]。因此，本文将采用铜离子作为中心离子制备具有ROS 催化活性的材料。

POMs 作为一类结构迷人的金属氧团簇，在许多领域都具有优良的性质[6]。亲核的富氧表面、纳米尺寸以及多配位点等特征，使POMs 可以作为多齿配体与过渡金属离子形成多聚物[7]。近年来，有研究表明，POMs 具有出色的催化氧化能力，例如环己酮与乙二醇的缩酮化和苯乙烯的氧化[8]。这些性质将有利于POM 与过渡金属离子在催化中产生协同作用。因此，在POMs 中掺杂铜离子，不仅可能保留所有前体组分原有的特性，而且还可以通过协同作用增强其功能。迄今为止，大多数的研究主要集中在杂多氧金属氧酸盐（HTPs）方面；相比之下，尽管同多氧金属氧酸盐（HMPs）也是一个重要的亚家族，然而关于它们的报道非常有限[9]。

在此，本文研究使用乙二胺合铜配合物对偏钨酸钠进行掺杂，利用水热反应合成出纯相多晶（CuMT）。实验证实，掺杂铜离子后的偏钨酸盐，其催化产生ROS 的能力较其前体有大幅提升。

1 实验部分

1.1 实验原料

氯化铜（CuCl2·2H2O）；氯化钠（NaCl）；钨酸钠（Na2WO4·2H2O）；磷酸（H3PO4）；盐酸（HCl）；偏钨酸钠（Na6[H2W12O40]·nH2O）；抗坏血酸（VC）和乙二胺（en），购自麦克林试剂有限公司（中国）；2'，7'-二氯荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）、三羟甲基氨基甲烷（Tris）、辣根或氧化氢酶（HRP），购自Sigma-AldrichInc（.美国）。所有溶液均用Milli-Q 水制备，并通过0.22μm 过滤器（微孔隙）过滤。本实验中所有试剂均为分析级，从商业供应商处购买，在使用前未经任何处理，除非另有说明。

1.2 CuMT 的制备

将Na6[H2W12O40]·nH2O（8.0 g，20.4 mmol），CuCl2·2H2O（4.12 g，20.4 mmol）、en（0.25 mL）在搅拌下溶解于H2O（100 mL），用盐酸（4 moL/L）调节溶液pH 至7.0。将上述溶液分装至25 mL 聚四氟乙烯-不锈钢水热反应釜中，于170 ℃下反应3 d。而后，降温至室温，CuMT 析出溶液形成深蓝色粉状晶体。

1.3 表征方法

红外光谱（IR spectrum）在Nicolet170SXFT-IR 红外光谱仪上使用KBr 压片在4 000 cm-1～400 cm-1扫描范围内测定。

紫外光谱（UV spectrum）在UV-3600 紫外可见光谱仪上，使用CuMT 稀溶液，以二次水为参照，从190 nm 到700 nm 扫描测定。

X-射线粉末衍射（PXRD）于293 K 使用Cu-Kα射线（λ=0.154 056 nm）在Philips X’Pert-MPD 衍射仪上从5°～45°范围内收集。

能谱扫描电镜（EDX-SEM）在D8 Advance X-ray diffraction analyzer Bruker AXS Microanalysis GmbH 仪器上使用粉晶在真空状态下完成测试。

晶体照片由江南倒置数码光学显微镜在白色背光下拍摄（10×20 放大倍数）。

1.4 ROS 催化实验

DCFH-DA 储备液（1mmol/L）使用缓冲液（20 mmol/L Tris-HCl/15 mmol/L NaCl pH=7.4）配制。辣根过氧化物酶（HRP）储备液（4 μmol/L）用相同的缓冲液制备。在每个样品中加入的抗坏血酸使其浓度达到10 μmol/L，并在室温下孵化。将上述孵化液分为4 组，其中，分别添加CuMT（10 mg），Na6[H2W12O40]·nH2O（10 mg），Cu-Cl（210 mg）及NaC（l10 mg），分别命名为CuMT 组、C1组、Cu2+组以及对照组。将上述各对比组（200 μL）转移到96 孔平底黑色板的孔中。每个溶液中加入HRP（0.04 μmol/L）和DCFH-DA（100 μmol/L），置于暗室中常温孵育12 h。而后使用Thermo Scientific Varioskan Flash microplate reader 酶标仪测试其在可见光（λex=485 nm）激发下从505 nm～650 nm 的荧光光谱。

2 结果与讨论

如图1 所示，反应所制备的CuMT 经反复微波震荡洗涤后，颗粒尺寸色泽比较均一。使用PXRD 对其进行表征及模拟分析，可知CuMT 为Orthorhombic 晶型，Pbca 空间群，其a、b 和c 的值分别为21.952 5（17），20.662 7（17）和26.521 0（20）；α，β 与γ 的角度均为90°。这说明制备出的CuMT 和原料Na6[H2W12O40]·nH2O 的晶型不同。通过对不同晶体及晶体不同部位的扫描电镜电子能谱分析，可知CuMT 中Cu 元素与W 元素的摩尔比例约为2.65∶12.33，这说明铜离子已经被均匀地掺杂入偏钨酸铵中，且其纯度较高，这也与PXRD 的结论一致。

图1 CuMT 的PXRD 谱图（内置CuMT 的光学10×20 显微图）

如图2 所示，CuMT 的红外光谱显示出类似于偏钨酸钠的吸收振动峰。其中，4 个峰分别位于929 cm-1、862 cm-1～817 cm-1和701 cm-1可归属于钨上端氧ν（W-Ot）、钨上二重桥氧ν（W-Oμ2）和钨上三重桥氧ν（W-Oμ3）的伸缩振动[10]。位于3 412 cm-1处的吸收峰可归属于水中—OH 的伸缩振动[10]。值得注意的是，CuMT 在位于3 140 cm-1处出现了一个较强的新吸收峰，它被归属于乙二胺中N—H 的伸缩振动峰[10]。这也与铜乙二胺配合物掺杂的事实相符。综上不难发现，CuMT 的主体结构仍为偏钨酸根离子。

图2 CuMT（实线）与偏钨酸钠（虚线）的红外图谱

如图3 所示，在水溶液中，CuMT 在190 nm～700 nm范围内存在2 个吸收峰。其中，位于194.8 nm 处的吸收峰可以归属于端氧至钨原子的跃迁Ot→W；而位于258.0 nm 处的吸收峰可以归属于桥氧至钨原子的跃迁Oμ→W[11]。利用紫外可见光谱，还研究了pH 值对CuMT 稳定性的影响。CuMT 的紫外可见吸收峰在pH 5.2～8.6 没有明显变化。在上述pH 范围外，194.8 nm和258.0 nm 处的吸收峰强度逐渐发生变化，这可能表明CuMT 的骨架开始坍塌。因此，CuMT 的pH 稳定范围估计在5.2～8.6。

图3 CuMT 的紫外-可见吸光图谱（内置偏钨酸根的结构示意图）

实验发现以Cu 取代的POM 具有催化氧化产生ROS 的能力[5]。因此，这里采用DCF 荧光法研究CuMT对介导ROS 生成的影响。DCF 是一种由非荧光2'，7'-二氯荧光素二乙酸酯在辣根过氧化物酶（HRP）存在下与ROS 反应而产生的荧光标记物，它的荧光强度可以表明系统中ROS 的生成总量。如图4 所示，CuMT 组位于λem=528 nm 的荧光强度明显高于空白组（Ctrl 组），说明孵化液中有CuMT 时其ROS 产量大于无CuMT 时的ROS 产量。此外，实验显示偏钨酸钠（C1 组）也有催化产生ROS 的作用。然而，C1 组的荧光强度大约是CuMT 组的1/4。这说明，掺杂了铜离子的偏钨酸钠（CuMT）较单纯的偏钨酸钠具有更强的催化产生ROS 的能力。有趣地是，铜离子组（Cu2+组）的荧光强度竟然低于Ctrl 组，这表明Cu2+组产生的ROS显著减少。这种现象的出现可能源于Cu2+和HRP 酶之间的相互作用[12]。其中HRP 可以与Cu2+配位，而因此使它们失去了催化能力[12]。因此，将Cu2+与偏钨酸钠掺杂合成均一的复合材料可能不仅有助于协同催化高效地产生ROS，而且还可以保护催化中心Cu2+不受其他外界因素的干扰。

图4 各孵化组的DCF 荧光图谱（λex=485 nm）

3 结论

本文提出了一种使用水热合成法制备均一、稳定且纯净的铜离子掺杂偏钨酸盐的方法。实验表明所制备出的CuMT 材料晶体具有Orthorhombic 晶型，Pbca空间群，其a，b 和c 的值分别为21.9525（17），20.6627（17）和26.5210（20）；α，β 与γ 的角度均为90 °。CuMT 中Cu 与W 的摩尔比接近1∶4，且分布均匀。红外与紫外光谱显示CuMT 仍保留了前体偏钨酸根的基本结构，并且证实了铜乙二胺配合物的引入。此外，在水溶液中，CuMT 的基本结构在pH 5.2～8.6 之间可以稳定存在。掺杂后的材料CuMT，其催化产生ROS 的能力较其各前体均有很大的提升，并且还能保证其催化核心不易受到外界因素的干扰。