共沉淀法制备铁酸锰及其类酶性能研究【字数：8368】
摘 要酶促反应一直是生物学方面的重要组成部分，因为其具有高的催化效率、较少的用量、专一的反应，所以被普遍运用于医疗、化工、食物、纺织等多个领域。但是在使用天然酶时出现不少难以解决的问题，如制备不易、提纯昂贵、需要严苛的催化环境，不易循环使用等。所以科学家们研发了人造模拟酶，它由人工制造且具备和天然酶作用相近的催化物质，同时它具备诸多优点，如制备简便、物美价廉、稳定性较高等。如今纳米酶是人造模拟酶的主要研究方向，也就是既具备纳米材料优异性能，又具有催化功能的模拟酶。本论文通过化学共沉淀法，简单、便宜地合成了纳米颗粒铁酸锰，研究了不同的化学组分和形貌对其类酶催化性质的影响，并通过具体实验数据加以分析、论证。
目 录
1. 前言 1
1.1 人造模拟酶的简介 1
1.2 模拟酶的分类 2
1.2.1 类超氧化物酶 2
1.2.2 类过氧化氢酶 2
1.2.3 类氧化物酶 4
1.2. 4 类过氧化物酶 4
1.3 纳米酶材料的简介 5
1.4 纳米酶的应用 5
1.4.1 分子检测 5
1.4.2 生物传感 6
1.4.3 其他应用 6
1.5 本论文选题思路 7
2. 实验部分 8
2.1 原料与试剂 8
2.2 实验仪器与设备 8
2.3铁酸锰制备过程 9
2.3.1 铁酸锰的制备过程 9
2.3.2 制备铁锰酸过程中的反应 10
2.4 样品的性能测试 10
2.4.1 物相组份分析（XRD） 10
2.4.2 形貌分析（SEM） 11
2.4.3 类酶催化性能测试 11
3. 结果与讨论 12
3.1 铁酸锰的物相组成分析（XRD） 12
3.2 铁酸锰的显微形貌分析（SEM） 13
3.3 类酶催化性质分析 14
4. 结论 18
参考文献 19
致谢 21
1. 前言
1.1 人造模拟酶的简介
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
酶实质上是一类蛋白质或核糖核酸（RNA）。因其产生自活细胞，对反应底物具有极高的催化能力和较高的特异性。它可以对诸多反应进行加速，在生物的生命过程中有着重要作用。目前关于酶的研究领域涉及到到生物传感、制药、医疗、化工等。但是在使用天然酶时出现不少难以解决的问题，如制备不易、难以提纯、需要严苛的催化环境，不易循环使用等，这些成为了酶科学进步的掣肘。1970年，Breslow提出了人造酶这一概念，它由人工简易合成，省去了提纯高昂的费用；它也可以像天然酶一样对反应起到催化作用，且稳定性优异。这些优点使天然酶在各个领域逐渐被人造酶取代。同时，其易于改性的特点使得人造酶在研究方面进展迅猛，取得了丰硕的成果，如抗体酶、杂化酶等。
人造酶的发展历程如图1所示，目前科学家们致力于研究纳米人工酶。
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图1 人造酶发展历程
1.2 模拟酶的分类
迄今为止，科学家们研究比较深入的有以下四种类酶催化类型：类超氧化物酶，类过氧化氢酶，类氧化物酶以及类过氧化物酶，我们一一对其进行介绍。
1.2.1 类超氧化物酶
超氧化物歧化酶（SOD）是一类抗氧化酶。它在自然界中可谓是无处不在，无论是动物还是植物，无论是单细胞生物还是多细胞生物，都离不开它[1]。SOD因其抗疲劳、抗衰老、提高免疫力等诸多对人体有益的作用，得到科学家们的广泛重视。经过不断研究，科学家们最终发现了SOD在人体中的催化反应及其有益于人体健康的原因。人体在自身的生命活动中会生成O2，也就是所谓的超氧自由基，它的氧化性极强，有可能会造成生物氧毒害。不过，它会被SOD催化，催化反应如下：
2O2+2H+→H2O2+O2
虽然经过反应，催化产物H2O2仍具有毒性，但是人体内含有过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD），过氧化氢会立刻被水解成水，这样人体就安全了，因而SOD、CAT和POD三者就构成了一个完备的抗氧化系统。
只是很可惜，在超氧化物酶的开发方面遇到了许多问题，由于主要来源是动物血液且不易提取，这使其成本变得高昂而不易保存，生物排它性也是一个不易处理的问题。因而科学家们想要寻找超氧化物的替代物甚至研发超氧化物酶的模拟物。所幸科学家们已成功制备出了多种类超氧化物酶的纳米材料，如纳米二氧化铈[2]，贵金属纳米材料[3]，富勒烯材料[4]等，以上材料具有优异的催化超氧离子歧化的能力，是出色的类超氧化物酶材料，应用前景广阔。
1.2.2 类过氧化氢酶
过氧化氢，其化学式为H2O2。液体试剂，颜色呈淡蓝色，略显粘稠。氧化能力强。其水溶液也就是俗称的双氧水，无色透明，在医疗、消毒、化学研究方面应用广泛。H2O2的水解产物为水和氧气，而这个反应过程是极其缓慢的。若想加快这个反应过程，有两种常见办法。一是加入催化剂如二氧化锰（MnO2）等加快催化反应，二是用短波射线照射底物加快催化反应。但是H2O2与诸多无机化合物等会反应放热甚至爆炸。并且H2O2会在人体中和O2生成OH，具有不弱的毒性。出于安全考虑，把H2O2转化为毒性小甚至无毒性的物质或者去除毒性就势在必行了。而过氧化氢酶（CAT）正能解决这个问题，它将H2O2催化分解，产能是氧和水。反应如下：
2H2O2=O2↑+2H2O
已有实验证实H2O2的分解速率与其浓度呈正相关，即H2O2浓度越高，反应速率越快。
简单介绍下CAT的发展史：1811年，过氧化氢酶被法国化学家泰纳尔所发现。之后于1818年，他又发现了过氧化氢。1900年，奥斯卡洛夫正式为过氧化氢酶命名“catalase”，并发现了这种酶广泛存在于动植物中。1937年，美国化学家，亦是诺贝尔化学奖得主詹姆斯巴彻勒萨姆纳经过长时间的努力，终于从牛肝中获得了过氧化氢酶结晶，并在1938年得到了CAT的分子量。在这之前，他还是生物化学史上首位获得结晶酶的化学家，是酶学发展的有力推动者。1969年，科学家们成功解出牛体中过氧化氢酶的氨基酸序列。随后，1981年，其三维结构也成功被解析[5]。
CAT用途广泛，除了用于催化分解人体中的H2O2，其还被用于制造食物中的过氧化氢以及食物抗氧化。不过即使CAT来源广泛，但它仍然存在提取和保存方面的不足。因而科学家们试图制备性能更加优越全面的类过氧化氢酶来克服这些弊端。研究表明，在诸多金属氧化物里均显现出过氧化氢酶的性质 [67]，只不过目前还没有比较完善、成熟的应用。
目 录
1. 前言 1
1.1 人造模拟酶的简介 1
1.2 模拟酶的分类 2
1.2.1 类超氧化物酶 2
1.2.2 类过氧化氢酶 2
1.2.3 类氧化物酶 4
1.2. 4 类过氧化物酶 4
1.3 纳米酶材料的简介 5
1.4 纳米酶的应用 5
1.4.1 分子检测 5
1.4.2 生物传感 6
1.4.3 其他应用 6
1.5 本论文选题思路 7
2. 实验部分 8
2.1 原料与试剂 8
2.2 实验仪器与设备 8
2.3铁酸锰制备过程 9
2.3.1 铁酸锰的制备过程 9
2.3.2 制备铁锰酸过程中的反应 10
2.4 样品的性能测试 10
2.4.1 物相组份分析（XRD） 10
2.4.2 形貌分析（SEM） 11
2.4.3 类酶催化性能测试 11
3. 结果与讨论 12
3.1 铁酸锰的物相组成分析（XRD） 12
3.2 铁酸锰的显微形貌分析（SEM） 13
3.3 类酶催化性质分析 14
4. 结论 18
参考文献 19
致谢 21
1. 前言
1.1 人造模拟酶的简介
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
酶实质上是一类蛋白质或核糖核酸（RNA）。因其产生自活细胞，对反应底物具有极高的催化能力和较高的特异性。它可以对诸多反应进行加速，在生物的生命过程中有着重要作用。目前关于酶的研究领域涉及到到生物传感、制药、医疗、化工等。但是在使用天然酶时出现不少难以解决的问题，如制备不易、难以提纯、需要严苛的催化环境，不易循环使用等，这些成为了酶科学进步的掣肘。1970年，Breslow提出了人造酶这一概念，它由人工简易合成，省去了提纯高昂的费用；它也可以像天然酶一样对反应起到催化作用，且稳定性优异。这些优点使天然酶在各个领域逐渐被人造酶取代。同时，其易于改性的特点使得人造酶在研究方面进展迅猛，取得了丰硕的成果，如抗体酶、杂化酶等。
人造酶的发展历程如图1所示，目前科学家们致力于研究纳米人工酶。
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图1 人造酶发展历程
1.2 模拟酶的分类
迄今为止，科学家们研究比较深入的有以下四种类酶催化类型：类超氧化物酶，类过氧化氢酶，类氧化物酶以及类过氧化物酶，我们一一对其进行介绍。
1.2.1 类超氧化物酶
超氧化物歧化酶（SOD）是一类抗氧化酶。它在自然界中可谓是无处不在，无论是动物还是植物，无论是单细胞生物还是多细胞生物，都离不开它[1]。SOD因其抗疲劳、抗衰老、提高免疫力等诸多对人体有益的作用，得到科学家们的广泛重视。经过不断研究，科学家们最终发现了SOD在人体中的催化反应及其有益于人体健康的原因。人体在自身的生命活动中会生成O2，也就是所谓的超氧自由基，它的氧化性极强，有可能会造成生物氧毒害。不过，它会被SOD催化，催化反应如下：
2O2+2H+→H2O2+O2
虽然经过反应，催化产物H2O2仍具有毒性，但是人体内含有过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD），过氧化氢会立刻被水解成水，这样人体就安全了，因而SOD、CAT和POD三者就构成了一个完备的抗氧化系统。
只是很可惜，在超氧化物酶的开发方面遇到了许多问题，由于主要来源是动物血液且不易提取，这使其成本变得高昂而不易保存，生物排它性也是一个不易处理的问题。因而科学家们想要寻找超氧化物的替代物甚至研发超氧化物酶的模拟物。所幸科学家们已成功制备出了多种类超氧化物酶的纳米材料，如纳米二氧化铈[2]，贵金属纳米材料[3]，富勒烯材料[4]等，以上材料具有优异的催化超氧离子歧化的能力，是出色的类超氧化物酶材料，应用前景广阔。
1.2.2 类过氧化氢酶
过氧化氢，其化学式为H2O2。液体试剂，颜色呈淡蓝色，略显粘稠。氧化能力强。其水溶液也就是俗称的双氧水，无色透明，在医疗、消毒、化学研究方面应用广泛。H2O2的水解产物为水和氧气，而这个反应过程是极其缓慢的。若想加快这个反应过程，有两种常见办法。一是加入催化剂如二氧化锰（MnO2）等加快催化反应，二是用短波射线照射底物加快催化反应。但是H2O2与诸多无机化合物等会反应放热甚至爆炸。并且H2O2会在人体中和O2生成OH，具有不弱的毒性。出于安全考虑，把H2O2转化为毒性小甚至无毒性的物质或者去除毒性就势在必行了。而过氧化氢酶（CAT）正能解决这个问题，它将H2O2催化分解，产能是氧和水。反应如下：
2H2O2=O2↑+2H2O
已有实验证实H2O2的分解速率与其浓度呈正相关，即H2O2浓度越高，反应速率越快。
简单介绍下CAT的发展史：1811年，过氧化氢酶被法国化学家泰纳尔所发现。之后于1818年，他又发现了过氧化氢。1900年，奥斯卡洛夫正式为过氧化氢酶命名“catalase”，并发现了这种酶广泛存在于动植物中。1937年，美国化学家，亦是诺贝尔化学奖得主詹姆斯巴彻勒萨姆纳经过长时间的努力，终于从牛肝中获得了过氧化氢酶结晶，并在1938年得到了CAT的分子量。在这之前，他还是生物化学史上首位获得结晶酶的化学家，是酶学发展的有力推动者。1969年，科学家们成功解出牛体中过氧化氢酶的氨基酸序列。随后，1981年，其三维结构也成功被解析[5]。
CAT用途广泛，除了用于催化分解人体中的H2O2，其还被用于制造食物中的过氧化氢以及食物抗氧化。不过即使CAT来源广泛，但它仍然存在提取和保存方面的不足。因而科学家们试图制备性能更加优越全面的类过氧化氢酶来克服这些弊端。研究表明，在诸多金属氧化物里均显现出过氧化氢酶的性质 [67]，只不过目前还没有比较完善、成熟的应用。
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