一种打破纳米酶的pH限制降解水中苯酚污染物的方法

一种打破纳米酶的ph限制降解水中苯酚污染物的方法
技术领域
1.本发明涉及一种能够打破ph对纳米酶催化活性的限制降解水中苯酚污染物的方法，特别是一种利用异金属mofs的所具有的双生物酶模拟活性，使其在低ph条件下显示过氧化物酶活性，中性和碱性ph条件下显示漆酶活性，从而打破ph限制降解水中苯酚污染物的方法。
技术背景
2.酚类物质是地表水源中最典型的一类有机污染物，大多酚类物质具有雌激素效应、生物累积性、毒性效应、难于降解，即使在很低的浓度也会对人和动物的肝、肺、肾以及生殖、免疫和神经等系统造成危害，甚至诱发恶性肿瘤，因此水体中苯酚污染物的降解去除变得尤为重要。
3.基于纳米材料的“纳米酶”是兼具有生物催化和化学催化特征的仿生催化体系。它们不仅具有天然酶的独特优势，如高效、高选择性、反应条件温和、环境友好，而且极大程度地克服了天然酶的劣势，具有成本低廉、性能稳定、催化活性可调、易于功能修饰和可规模化制备等优异性能。
4.目前已报道的“纳米酶”大多是模拟过氧化物酶活性，与之相比，只有很少的“纳米酶”具有氧化酶模拟活性，具有漆酶活性的纳米氧化酶更是寥寥无几。另一方面大多数具有过氧化物酶和氧化酶活性的“纳米酶”在较低ph条件下催化活性最佳，在中性或碱性条件下催化活性会大大降低甚至失效，这极大地限制了它们在有机物降解中的实际应用，打破ph的限制一直是“纳米酶”未解的难题。
5.我们发现具有漆酶模拟活性的“纳米酶”在ph 5～11的条件下具有高而稳定的催化活性，而模拟过氧化物酶的“纳米酶”多在ph＜5的条件下具有最佳的活性。因此，设计和构筑一种兼具有过氧化物酶和漆酶双模拟酶活性的理想“纳米酶”，使其在低ph条件下显示过氧化物酶活性，而在中性和碱性条件下显示漆酶活性，并能够在一定的ph条件下实现过氧化物酶和漆酶之间的功能切换，这不但能够打破“纳米酶”在实际应用中ph的限制，也是解决有机污染物降解技术瓶颈的关键。
6.通常fe、v、cu、zr等金属离子与有机配体如对苯二酸、均苯三甲酸、铁卟啉等构筑的mofs材料多会呈现出过氧化物酶活性。但是具有漆酶活性的mofs材料报道却很少，已报道具有漆酶活性的mofs都是以复杂的生物分子作为有机配体，如cu
2+
与核苷酸结合而形成的mofs、cu
+
/cu
2+
和二肽配位而成的ch-cu纳米酶。目前为止，具有过氧化物酶和漆酶双生物酶模拟活性的“纳米酶”鲜有报道，由此可见，设计构筑具有双生物酶模拟活性的“纳米酶”是一个挑战，而在有机物降解中，利用其双生物酶模拟活性打破ph值对其催化活性的限制则更具挑战性。


技术实现要素：

7.本发明提供一种利用双生物酶模拟活性打破纳米酶ph限制降解苯酚污染物的方
法，包括具有双生物酶活性异金属mofs的制备，并利用其低ph条件下具有过氧化物酶活性，高ph条件下具有漆酶活性的特性，实现水中苯酚污染染物的降解，建立一种打破了ph对异金属纳米酶催化活性的制约，使其能够适用于不同ph环境污染物降解的方法。
8.本发明的技术方案：
9.一种打破纳米酶ph限制降解水体中苯酚污染物的方法，所述的纳米酶为异金属mofs，制备步骤如下：
10.1)制备双生物酶模拟活性的异金属mofs
11.将4-氯间苯二甲酸溶解于丙酮中，制得溶液a；将乙酸铜与其它掺杂金属盐溶于去离子水中，制得金属溶液b；将调节剂溶于去离子水中，制得溶液c；在磁力搅拌下，将溶液b和溶液c依次缓慢滴加到溶液a中，继续室温搅拌反应6-12h，反应产物用水和丙酮充分洗涤，然后在60℃下真空干燥12h；
12.所述其它掺杂金属盐可以使乙酸锰或乙酸钴或乙酸镍或草酸铁或乙酸锌；
13.所述异金属mofs，二价铜金属盐与其他金属盐的配比为1∶0～1∶9；
14.所述调节剂为氨基聚倍半硅氧烷或聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯亚胺或咪唑或二甲基咪唑；
15.所述混合金属盐、4-氯间苯二甲酸、调节剂之间的比例为1∶0.6∶0.0025；
16.2)异金属mofs双生物模拟酶活性的测定
17.过氧化物模拟酶活性的测定：在离心管中依次加入ph 2～10的缓冲溶液、3，3
′
，5，5
′‑
四甲基联苯胺(tmb)溶液、h2o2溶液和异金属mofs悬浮溶液，其中缓冲溶液的浓度为80mm，tmb浓度为1mm，h2o2的浓度为20mm，催化剂的用量为0.2mg/ml，所加入物质混合均匀后，室温水浴振荡20min，然后用紫外可见分光光度计测量其上清液在652nm处的吸光度值的变化；
18.漆酶模拟酶活性的测定：在离心管中依次加入ph 3～10的缓冲溶液、2，4-二氯苯酚(2，4-dcp)溶液、4-氨基安替比林(4-ap)水溶液和异金属mofs悬浮溶液，其中缓冲溶液的浓度为20mm，2，4-dcp浓度为100mg/l，显色剂4-ap的浓度为100mg/l，催化剂的用量为0.1mg/ml，所加入物质混合均匀后，室温水浴振荡60min，测其上清液在510nm处吸光度的变化；
19.3)异金属mofs应用于水体中苯酚污染物的降解，步骤如下：
20.当环境水的ph为2～5时，利用过氧化物酶降解苯酚污染物，反应体系的体积为100ml，苯酚的浓度为20～200mg/l，h2o2溶液浓度为5～80mm，催化剂用量为0.1～0.8mg/ml，常温条件下进行反应，每30min取反应液2ml反应液，使用铁氰化钾进行显色反应来测定剩余苯酚的量，紫外可见分光光度计测量其上清液在510nm处吸收峰的变化；
21.当环境水的ph为5～10时，利用漆酶活性降解苯酚污染物，反应体系的体积为100ml，苯酚的浓度为20～200mg/l，显色剂4-ap的浓度为20～200mg/l，催化剂用量为0.1～0.8mg/ml，常温下磁力搅拌，每30min取反应液3ml，使用紫外可见分光光度计测量其上清液在510nm处吸收峰的变化。
22.本发明具有以下优点和有益效果：
23.该方法所涉及的异金属mofs的制备方法简单、能耗低，易于实施。利用了双生物模拟酶催化活性的ph特性，方法新颖，设计巧妙，打破了ph对纳米酶催化活性的限制，对于纳
米酶在环境修复领域的推广应用具有重要意义。
【附图说明】
24.图1为cu-mof和cu
0.5
mn
0.5-mof的sem电镜图，图1中：(a)cu-mof；(b)cu
0.5
mn
0.5-mof。
25.图2为cu-mof和cu
0.5
mn
0.5-mof的xrd图谱。
26.图3 ph 4条件下cu
0.5
mn
0.5-mof模拟过氧化物酶降解水溶液中的苯酚污染物，插入图为铁氰化钾显色后溶液颜色随时间变化由深变浅。
27.图4 ph 7条件下cu
0.5
mn
0.5-mof模拟模拟漆酶降解水溶液中的苯酚污染物，4-ap显色后溶液颜色随时间变化由浅变深。
【具体实施方式】
28.以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
29.实施例：
30.1)制备双生物酶模拟活性的cu
0.5
mn
0.5-mof
31.将0.46mmol 4-氯间苯二甲酸溶解于10ml丙酮中，制得溶液a，称取乙酸铜与乙酸锰各0.383mmol溶于6.0ml去离子水中，制得金属溶液b；将氨基聚倍半硅氧烷20mg溶于去离子水中，制得4.0ml溶液c；在磁力搅拌下，将溶液b和溶液c依次缓慢滴加到溶液a中，继续室温搅拌反应6-12h，反应产物用水和丙酮充分洗涤，然后在60℃下真空干燥12h；
32.2)cu
0.5
mn
0.5-mof双生物模拟酶活性的测定
33.过氧化物模拟酶活性的测定：在离心管中加入不同ph的缓冲溶液、3，3
′
，5，5
′‑
四甲基联苯胺(tmb)溶液、h2o2溶液和异金属mofs悬浮溶液，其中缓冲溶液的浓度为80mm，tmb浓度为1mm，h2o2的浓度为20mm，催化剂的用量为0.2mg/ml，所加入物质混合均匀后，室温水浴振荡20min，然后用紫外可见分光光度计测量其上清液在652nm处的吸光度值的变化；
34.漆酶模拟酶活性的测定：在离心管中依次加入不同ph的缓冲溶液、2，4-二氯苯酚(2，4-dcp)溶液、4-氨基安替比林(4-ap)水溶液和异金属mofs悬浮溶液，其中缓冲溶液的浓度为21mm，2，4-dcp浓度为100mg/l，显色剂4-ap的浓度为100mg/l，催化剂的用量为0.1mg/ml，所加入物质混合均匀后，室温水浴振荡60min，测其上清液在510nm处吸光度的变化；
35.3)cu
0.5
mn
0.5-mof应用于水体中苯酚污染物的降解，步骤如下：
36.当环境水的ph为4时，利用过氧化物酶降解苯酚污染物，反应体系的体积为100ml，苯酚的浓度为100mg/l，h2o2溶液浓度为20mm，催化剂用量为0.2mg/ml，常温条件下进行反应，每30min取反应液2ml反应液，使用铁氰化钾进行显色反应来测定剩余苯酚的量，紫外可见分光光度计测量其上清液在510nm处吸收峰的变化。图3为异金属mofs cu
0.5
mn
0.5-mof模拟过氧化物酶降解酸性水体中的苯酚紫外光谱图，插入图为不同取样时间，铁氰化钾显色后溶液颜色由深变浅；
37.当环境水的ph为7时，利用漆酶活性降解苯酚污染物，反应体系的体积为100ml，苯酚的浓度为100mg/l，显色剂4-ap的浓度为100mg/l，催化剂用量为0.2mg/ml，常温下磁力搅拌，每30min取反应液3ml，使用紫外可见分光光度计测量其上清液在510nm处吸收峰的变化。
38.图1为cu-mof(a)和cu
0.5
mn
0.5-mof(b)的sem电镜图，对比cu-mof形貌可见掺杂mn的
异金属mofs cu
0.5
mn
0.5-mof的棒状变细，近乎于线状。
39.图2为cu-mof和cu
0.5
mn
0.5-mof的xrd图谱，掺杂mn的异金属mofs cu
0.5
mn
0.5-mof与cu-mof xrd分峰完全吻合。
40.图3 ph 4条件下cu
0.5
mn
0.5-mof模拟过氧化物酶降解水溶液中的苯酚污染物，插入图为铁氰化钾显色后溶液颜色随时间变化由深变浅。
41.图4 ph 7条件下cu
0.5
mn
0.5-mof模拟模拟漆酶降解水溶液中的苯酚污染物，4-ap显色后溶液颜色随时间变化由浅变深。

技术特征：
1.一种打破纳米酶ph限制降解水体中苯酚的方法，其特征在于所述的纳米酶为具有双生物模拟酶活性的异金属mofs，其制备步骤如下：将4-氯间苯二甲酸溶解于丙酮中，制得溶液a，将乙酸铜与其它掺杂金属盐溶于去离子水中，制得金属溶液b；将调节剂溶于去离子水中，制得溶液c；在磁力搅拌下，将溶液b和溶液c依次缓慢滴加到溶液a中，继续室温搅拌反应6-12h，反应产物用水和丙酮充分洗涤，然后在60℃下真空干燥12h。2.根据权利要求1所述异金属mofs的制备方法，其特征在于：所述其它掺杂金属盐为乙酸锰或乙酸钴或乙酸镍或草酸铁或乙酸锌。3.根据权利要求1所述异金属mofs的制备方法，其特征在于：所述乙酸铜与其他金属盐的配比为1∶0～1∶9。4.根据权利要求1所述异金属mofs的制备方法，其特征在于：所述调节剂为氨基聚倍半硅氧烷或聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯亚胺或咪唑或二甲基咪唑。5.根据权利要求1所述异金属mofs的制备方法，其特征在于：所述混合金属配体、4-氯间苯二甲酸、调节剂用量比例为1∶0.6∶0～0.005。6.一种权利要求1所制备的异金属mofs应用于水体中苯酚污染物的降解，其特征在于利用其双生物酶模拟活性打破ph对其纳米酶催化活性的限制，其方法如下：当水体的ph为2～5时，利用其过氧化物酶活性降解苯酚污染物，反应体系的体积为100ml，苯酚的浓度为20～200mg/l，h2o2溶液浓度为5～80mm，催化剂用量为0.1～0.8mg/ml，常温条件下进行反应，每30min取反应液2ml反应液，使用铁氰化钾进行显色反应来测定剩余苯酚的量，紫外可见分光光度计测量其上清液在510nm处吸收峰的变化；当水体的ph为5～11时，利用其漆酶活性降解苯酚污染物，反应体系的体积为100ml，苯酚的浓度为20～200mg/l，显色剂4-ap的浓度为20～200mg/l，催化剂用量为0.1～0.8mg/ml，常温下磁力搅拌，每30min取反应液3ml，使用紫外可见分光光度计测量其上清液在510nm处吸收峰的变化。

技术总结
一种打破纳米酶pH限制降解水中苯酚污染物降解的方法，特别是一种利用异金属MOFs纳米酶双生物酶模拟活性打破pH对其催化活性的限制的方法，该方法包括采用室温回流法制备异金属MOFs，并利用其低pH条件下具有过氧化物酶活性，高pH条件下具有漆酶活性的特性，实现水中苯酚污染物的降解，建立一种打破了pH对异金属MOFs催化活性的制约，使其能够适用于不同pH环境污染物降解的方法。本发明的优点是：异金属MOFs的制备在室温下即可合成，能耗低，简便易行，而且巧妙地利用异金属MOFs双生物酶模拟活性打破纳米酶在实际应用中pH的限制，对于解决有机污染物降解技术瓶颈具有重要意义。有机污染物降解技术瓶颈具有重要意义。有机污染物降解技术瓶颈具有重要意义。


技术研发人员：黄艳凤 罗星月 李颖
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/8/9