作者简介: 刘 媛,女, 1977年生,北京师范大学分析测试中心高级工程师 e-mail: liuy@bnu.edu.cn
天然生物酶具有催化活性高、 特异性强的优点, 而其对环境非常敏感; 纳米酶等酶模拟物具有更高的稳定性, 可以作为生物酶的有效替代和补充参与催化反应。 酶催化和类芬顿反应的结合在环境污染物降解领域显示出巨大的潜力, 金属有机框架(MOFs)材料可以做为生物酶和其他功能分子的载体。 采用原位沉淀法制备了氯高铁血红素(Hemin)和葡萄糖氧化酶(GOx)包埋在ZIF-8 MOFs骨架中的复合材料(Hemin@GOx@ZIF-8), 其在水溶液中具有良好的分散性, 溶液呈墨绿色。 结构表征Hemin和GOx能够被成功地封装在ZIF-8骨架中, 并且复合材料仍能完整保持ZIF-8 的骨架结构。 复合材料Hemin@GOx@ZIF-8为多孔晶体结构, 粒径约为300 nm; 比表面积为1 512 m2·g-1; 平均孔径1.076 nm; 孔体积约为0.607 5 cm3·g-1。 丰富的比表面积和孔容量, 可以为催化反应提供更多活性位点, 从而有利于提高催化反应效率。 复合材料Hemin@GOx@ZIF-8具有良好的稳定性。 该复合材料具有级联催化的性能, 在葡萄糖驱动下, GOx可将葡萄糖催化氧化生成H2O2, 并被复合材料中的Hemin催化发生类芬顿反应, 从而实现对有机污染物高效的级联催化降解。 以有机染料刚果红(CR)为底物研究该级联体系的催化降解性能, 其对水溶液中CR的降解率达到88%以上, 该级联催化体系还具有良好的热稳定性、 有机溶剂耐受性和重复利用性。 进一步研究表明, Hemin@GOx@ZIF-8级联降解体系对不同类型有机污染物均具有良好的降解能力, 在环境污染物降解领域具有良好的应用前景。
Natural biological enzymes have the advantages of high catalytic activity and selectivity, while they are usually sensitive to the matrix and extreme environmental conditions. Nano-enzymes with higher stability can be effective substitutes and supplements for biological enzymes in catalytic reactions. Enzyme catalysis and Fenton-like reactions have shown great potential in environmental pollutant degradation. Metal-organic frameworks (MOFs) are excellent carriers for biological enzymes and other functional molecules. The in-situ precipitation method prepared ZIF-8 composites of hemin and glucose oxidase (Hemin@GOx@ZIF-8). Hemin@GOx@ZIF-8 has good dispersibility in an aqueous solution, and the solution appears dark green. The structure characterization showed that Hemin and GOx could be successfully encapsulated in the ZIF-8 framework, and the skeleton structure of ZIF-8 remained intact. Hemin@GOx@ZIF-8 has a porous structure with an average particle size of 300 nm, a specific surface area of 1 512 m2·g-1, an average aperture of 1.076 nm, and a pore volume of about 0.607 5 cm3·g-1. Large specific surface area and pore volume can provide more active sites for catalytic reactions, which improves catalytic efficiency. Hemin@GOx@ZIF-8 has good stability and cascade catalytic performance. Under glucose drive, H2O2 is generated from reactions catalyzed by GOx, then catalyzed by Hemin to complete the Fenton-like reaction. Thus, organic pollutants are efficiently catalyzed and degraded in this cascade catalytic system. The catalytic degradation performance of the cascade system was studied using the organic dye Congo Red (CR) as the substrate. The results indicated that the degradation rate of CR in aqueous solution reached over 88%. The cascade catalytic system has good thermal stability, organic solvent resistance, and repeatability. Further research indicated that Hemin@GOx @ZIF-8 has good degradation ability for some different organic pollutants in water. So this cascade catalytic system has important practical significance and good application prospects in environmental pollutant degradation.
有机染料等持久有机污染物严重影响生态环境和人类健康[1]。 芬顿反应是一种常用的有机污染物降解技术, 利用Fe2+离子对H2O2的催化反应在原位产生羟基自由基, 进而实现对有机污染物的降解[2]。 类芬顿反应利用非均相材料替代Fe2+离子作为催化剂催化H2O2, 克服了传统芬顿反应的使用局限[3]。 氯高铁血红素(Hemin), 是一类具有铁卟啉类π — π 共轭结构的化合物, 具有良好的仿生催化性能, 可产生类芬顿氧化作用[4, 5]。 然而, 在水溶液中它容易聚集形成二聚体而丧失催化活性, 将Hemin固定在载体上可有效提高其在水溶液中的稳定性和催化活性[6, 7]。 葡萄糖氧化酶(GOx)是一种天然生物酶, 在有氧条件下能特异性地催化氧化葡萄糖生成H2O2, 其可以作为芬顿反应的氧化剂对有机污染物进行催化降解。 然而游离的生物酶对环境非常敏感, pH值、 温度、 有机溶剂等的变化都可能导致其催化活性的丧失或降低[8]。 固定在载体上的酶不仅可以保留游离酶的催化性能, 还可以提高酶的活性和稳定性; 同时固定化酶易于从体系中快速分离, 实现重复使用[9, 10]。
生物酶和类芬顿反应的结合在环境污染物降解领域显示出巨大的应用潜力, 金属有机框架(MOFs)可以做为天然酶和其他功能分子的共同载体, 用于制备高效的复合催化材料[11, 12]。 MOFs是一类多孔材料, 具有非常高的比表面积和孔体积、 活性位点丰富、 易于调整孔径[13, 14], 在MOFs材料的孔隙域内可以载入催化活性物质, 并通过表面功能化进一步优化其性能[15, 16]。 ZIF-8是一种典型的MOFs材料, 由Zn2+和2-甲基咪唑(2-MIM)连接组成, 在水溶液中稳定性好, 常用于水中污染物的去除[17]。
本研究采用原位沉淀法将GOx和Hemin同时封装于ZIF-8 MOFs中, 成功制备了多孔复合级联催化材料Hemin@GOx@ZIF-8。 在葡萄糖驱动下, GOx催化氧化葡萄糖生成H2O2, 通过Hemin的催化生成活性物质, 进而搭建了级联催化氧化反应体系。 以有机染料刚果红(CR)的降解为例研究了该级联催化体系的性能, 并将其成功应用于有机污染物的降解。
氯高铁血红素、 荧光桃红、 柠檬黄等购自北京伊诺凯科技有限公司; 2-甲基咪唑(98%)和无水乙酸锌(99.9%)购自阿拉丁生化科技有限公司; 葡萄糖氧化酶、 孔雀绿、 环丙沙星、 双酚A、 ABTS均购自上海源叶生物科技有限公司, 上述试剂均为分析纯。 实验中使用的甲醇等溶剂均为分析纯以上纯度, 实验用水为Milli-Q超纯水。
S-4800扫描电子显微镜, 日本HITACHI公司; X'Pert PRO 粉末X射线衍射仪, 荷兰PANalytical B.V.公司; ESCALAB 250 Xi型X射线光电子能谱仪, 美国Thermo公司; Scientific Nicolet IS 50傅里叶变换红外光谱仪, 美国Thermo公司; LAMBDA 950紫外可见近红外分光光度计, 美国PerkinElmer公司; Quadrasorb SI比表面积分析仪, 美国Quantachrome公司; Zeta Plus电位分析仪, 美国Brookhaven公司; Varioskan LUX酶标仪, 美国Thermo公司。
1.3.1 ZIF-8的制备
采用一步合成法制备ZIF-8, 按照体积比1∶ 1的比例将2-甲基咪唑溶液(100 mg· mL-1)快速一次性加入到乙酸锌溶液(7.60 mg· mL-1)中, 置于磁力搅拌器上混合(1 000 r· min-1)3 h后, 14 000 r· min-1转速离心10 min, 用去离子水洗涤三次, 常温下真空干燥得到ZIF-8白色粉末。
1.3.2 Hemin@GOx@ZIF-8的制备
采用原位沉淀法制备: 取0.6 mL Hemin溶液(5.0 mg· mL-1)、 0.6 mL GOx溶液(5.0 mg· mL-1)和2.4 mL 乙酸锌溶液(7.6 mg· mL-1)于磁力搅拌器上混合30 min, 然后将2.4 mL 2-甲基咪唑溶液(100 mg· mL-1)迅速倒入GOx/Hemin/乙酸锌混合液中, 搅拌3 h后, 离心(14 000 r· min-1, 10 min), 用去离子水洗涤三次, 常温下真空干燥得到墨绿色Hemin@GOx@ZIF-8粉末。
1.3.3 复合材料的性能测试
以纯水为溶剂配置不同系列浓度(0.500、 1.00、 5.00、 10.0、 20.0、 25.0、 50.0 μ g· mL-1)的刚果红(CR)水溶液, 分别取200 μ L标准液用酶标仪测定其在497 nm处的吸光度值。 以吸光度值(Absorbance)为纵坐标, 以浓度值(c)为横坐标, 绘制标准曲线, 线性回归方程为A=0.046 2c+0.029 6, 相关系数R2为0.999 8。
选择刚果红(CR)染料作为降解物, 级联催化降解反应在震荡孵育仪中进行, 在玻璃样品瓶中将Hemin@GOx@ZIF-8复合材料均匀分散于水溶液, 先加入CR底物溶液, 再加入10.0 μ g· mL-1的葡萄糖溶液50.0 μ L, 放置恒温孵育仪中, 震荡速度为1 000 r· min-1, 于室温下进行降解反应。 在不同反应时间(10~40 min)下从降解体系中抽取约300 μ L反应溶液, 离心分离后取上清液200 μ L, 使用酶标仪测其在497 nm处的吸光度A, 初始的CR溶液的吸光度记为A0, 根据标准曲线计算级联催化降解后溶液中CR的浓度, 根据式(1)计算CR的去除率。 污染物的去除率公式
式(1)中, c0为污染物溶液的初始浓度, c为反应t时间的污染物溶液浓度。
各种催化材料的催化活性均采用相同的方法进行测定, 每组实验平行测定3次取平均值。 不同催化剂加入的量分别为GOx酶0.268 mg、 Hemin 0.268 mg(相当于复合材料中GOx和Hemin的量)、 ZIF-8加入2.00 mg, 其他反应条件保持不变。
在进行复合材料的重复性实验中, 将级联降解反应后的溶液以10 000 r· min-1的转速离心8 min, 分离收集其中的级联催化剂, 用纯净水洗涤3次, 洗涤过程中注意避免固体损失。 离心收集洗涤后的复合材料在40 ℃的真空干燥箱中干燥, 重复使用。
1.3.4 级联催化体系对污染物的降解
分别配制2.00 mg· mL-1的孔雀绿(MG)、 柠檬黄(LY)、 荧光桃红(FR)、 环丙沙星(CIP)和双酚A(BPA)并取40.0 μ L置于5 mL离心管中, 降解的基本步骤与CR类似, 最后取反应后的溶液200 μ L加入转移到96孔板中, 用酶标仪检测不同有机污染物在各自最大吸收波长(λ MG=618 nm、 λ LY=428 nm、 λ FR=540 nm、 λ CIP=275 nm和λ BPA=278 nm)处的吸光度变化, 计算相应污染物的去除率。
ZIF-8的红外谱图中具有一些典型的特征吸收峰[18][见图1(a)], 421 cm-1处的吸收带为Zn— N的伸缩振动峰; 761和692 cm-1的吸收带为芳香烃苯环sp2杂化C— H弯曲振动峰; 1 580、 1 422和995 cm-1处的吸收带为C— N伸缩振动峰以及1 383、 1 311和1 145 cm-1处谱带为咪唑环伸缩和弯曲振动峰。 在Hemin@GOx@ZIF-8复合材料的红外谱图中均可以观察到ZIF-8的特征谱带, 说明复合材料保持了ZIF-8的结构特征。 从复合材料的红外谱图中可以看到在3 000~3 700 cm-1之间出现了GOx蛋白中— OH伸缩振动的宽谱峰。 与Hemin的红外谱图相比, 复合材料谱图中1 710 cm-1的羧基谱峰消失, 却在1 658 cm-1处出现新峰, 分析认为由于ZIF-8中的Zn2+与Hemin中的— COOH形成金属羧酸盐所致, 说明了Hemin也被成功地包封在了ZIF-8骨架中。
图1(b)为复合材料Hemin@GOx@ZIF-8与ZIF-8、 GOx、 Hemin的固体紫外-可见漫反射光谱。 在Hemin@GOx@ZIF-8的紫外谱中可以清晰地看到ZIF-8有机配体在215 nm处的特征吸收峰, 以及GOx酶在285 nm处的特征吸收带; 此外300~500 nm范围有一个宽峰, 是由GOx在382和452 nm处黄酮腺嘌呤二核苷酸(FAD)的两个强吸收峰和Hemin吸收带的重叠谱。 结果表明Hemin和GOx已成功地封装在ZIF-8的骨架中。
ZIF-8的X射线衍射(PXRD)结果与本工作前期研究工作相符[19]。 Hemin@GOx@ZIF-8的PXRD谱和ZIF-8衍射角几乎完全一致, 分别为晶面(011)、 (002)、 (112)、 (022)、 (013)、 (222)、 (023)、 (134), 说明ZIF-8中包封Hemin和GOx后, 自身的晶体结构没有受到破坏。
图1(c, d)分别为ZIF-8和Hemin@GOx@ZIF-8的扫描电镜(SEM)图像, 可以看出二者的形貌大体相似, ZIF-8晶体表面光滑, 复合材料则由于包埋了Hemin和GOx而使其表面变得粗糙。 复合材料的粒径(约300 nm)与ZIF-8的粒径相比(约1.00 μ m)明显减小, 可能是因为Hemin中的— COOH与ZIF-8中的Zn2+相互作用, 影响了复合材料的晶体生长。 将ZIF-8 和Hemin@GOx@ZIF-8分散在水中, 二者均表现出良好的分散性, 溶液颜色分别呈现出白色和墨绿色[见图1(c, d)插图]。 扫描电镜的能谱(SEM-EDS)证实了复合材料Hemin@GOx@ZIF-8中C、 O、 N、 Zn和Fe元素的存在, 各元素在复合材料中分布均匀, 说明了Hemin和GOx已成功包封在ZIF-8中。
采用X射线光电子能谱(XPS)进一步考察了复合材料表面元素的组成, 如图2(a— f)所示。 复合材料和ZIF-8的XPS谱图中均显示出了C(1s)、 N(1s)、 Zn(2p1/2)、 Zn(2p3/2)和 O(1s)峰, 分别归属于氮唑基团、 Zn团簇以及表面吸附氧, 可推测出ZIF-8在保持了自身骨架结构的基础上, 成功地负载了Hemin和GOx。 复合材料表面未能检出Fe(2p)元素峰, 从而推测 Hemin 主要存在于ZIF-8金属骨架的内部, 因而未对复合物表面元素分部产生明显的影响。
材料表面带电情况分析, Hemin和GOx分子表面带负电荷, 而ZIF-8由于分子中有Zn2+的存在因此表面带正电荷。 在材料成核生长的过程中带正电荷的ZIF-8可以吸引电位为负的Hemin和GOx纳米颗粒, 原料间的静电作用有利于复合材料的制备。 经Zeta-电位检测, ZIF-8的电位为+23.0 mV, GOx@ZIF-8的电位为+16.9 mV, 而复合材料Hemin@GOx@ZIF-8的电位为+14.2 mV, 证明了Hemin、 GOx与ZIF-8骨架的成功结合。
对Hemin@GOx@ZIF-8和ZIF-8氮气吸附/脱附测试, 以及BET比表面积和孔径分布结果见图3(a, b)。 二者的等温线符合Ⅰ 型等温线模型, 说明ZIF-8和Hemin@GOx@ZIF-8的孔隙类型均为微孔结构。 经Brunauer-Emmett-Teller(BET)重量法比表面积计算, Hemin@GOx@ZIF-8和ZIF-8的比表面积分别为1 512和1 587 m2· g-1, 说明复合材料制备过程中Hemin和GOx的封装对于ZIF-8颗粒的比表面积影响很小。 经过密度泛函理论(DFT)计算, 得到ZIF-8和Hemin@GOx@ZIF-8的孔径分布结果见图3(b)。 两种材料平均孔径均约为1.07 nm, 复合材料Hemin@GOx@ZIF-8的孔体积约为0.61 cm3· g-1, ZIF-8的孔体积约为0.52 cm3· g-1, 表明它们具有微孔结构, 与BET的结果一致。 相比较, 复合材料的孔体积略有增加, 可以为级联反应提供更多的活性位点, 有利于底物进入孔内与酶有效接触, 从而提高催化反应的效率。
选择有机染料刚果红为污染物底物, 分别考察了复合材料级联催化体系的热稳定性、 有机溶剂耐受性和重复利用性。 对Hemin@GOx@ZIF-8复合材料以及游离的Hemin和GOx直接混合后分别在不同温度下(25、 50、 70和100 ℃)进行热处理1 h, 以其在25 ℃下的催化活性为100%计算, 对比考察复合材料的热稳定性。 由研究结果可见[图4(a)], Hemin@GOx@ZIF-8表现出良好的热稳定性温度, 而温度对游离Hemin+GOx的催化活性影响较大, 随温度升高游离催化剂的催化活性显著降低, 到70 ℃催化活性降低超过了70%。 说明ZIF-8 骨架结构可以有效的保护生物催化剂, 防止高温引起催化酶的变性。
分别考察了Hemin@GOx@ZIF-8复合材料和游离的Hemin+GOx在甲醇(MEOH)、 乙腈(ACN)、 二甲基亚砜(DMSO)等三种有机溶剂中的稳定性, 以其在水溶液中的催化活性为100%, 计算得到不同有机溶剂处理后的相对活性。 由图4(b), 有机溶剂对游离酶体系的催化活性影响较大, 在三种有机溶剂中其催化活性均下降至原有活性的40%以下; 而Hemin@GOx@ZIF-8复合体系对于有机溶剂的耐受水平明显较好, 在甲醇中其活性基本不变, DMSO和乙腈中催化活性略有降低, 但仍然能保持在原有活性的70%以上。 说明ZIF-8的MOFs框架结构有利于稳定葡糖氧化酶, 保护其活性中心免受有机溶剂的破坏。
催化材料的可重复性是衡量其性能一个重要参数, 对级联复合材料Hemin@GOx@ZIF-8进行了3次循环回收实验, 以其对CR的降解率作为催化活性指标。 结果发现, 首次使用时Hemin@GOx@ZIF-8对CR的降解率大约在89%, 回收重复使用第二次和第三次其对CR的降解率依然可以分别达到约83%和81%。 说明重复使用三次后复合材料仍能保持较好的催化降解活性。
上述性能考察表明, Hemin@GOx@ZIF-8级联催化体系具有良好的热稳定性和有机溶剂耐受性, 复合材料中的MOFs骨架结构可以有效保护生物酶GOx的结构稳定性, 阻止纳米酶Hemin的聚合, 从而保证级联体系的催化活性, 且该体系还具备可重复使用的优点, 在污染物降解方面具有良好的应用前景。
为了考察Hemin@GOx@ZIF-8级联催化体系的广普适用性, 分别将其应用于有机染料污染物荧光桃红(FR)、 孔雀绿(MG)、 柠檬黄(LY), 抗生素类污染物环丙沙星(CIP)和酚类污染物双酚A(PBA)的降解。
如图5所示, 在其他降解条件与CR相同的情况下, Hemin@GOx@ZIF-8在葡萄糖驱动下反应40 min后, CR的去除率大约为88.8%, 其他有机污染物的去除率分别为FR89.1%、 MG92.3%、 LY87.5%、 CIP88.2%以及BPA52.1%, 不同底物去除率的差异与这些有机污染物的分子结构特性有关。 对不同底物的级联降解结果表明, 所制备的Hemin@GOx@ZIF-8对多种水体污染物均有良好的降解能力, 说明其在废水处理领域具有潜在的应用前景。
采用原位沉淀法将Hemin和GOx包封在ZIF-8骨架中, 成功制备了级联复合材料Hemin@GOx@ZIF-8。 复合材料在水溶液中分散性良好, 具有稳定的多孔结构, 有利于提高催化反应效率。 用Hemin@GOx@ZIF-8构建的级联催化体系, 在葡萄糖驱动下可以有效降解水中的多种有机污染物, 其在极端条件下具有良好的稳定性和可重复利用性。 构建的级联复合催化材料对环境废水中有机污染物的降解具有潜在的应用价值和良好的应用前景。
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