普鲁士蓝纳米酶的宏量制备研究文献综述

 2022-11-03 21:48:59

文献综述(或调研报告):

普鲁士蓝(Prussian Blue,PB)自从18世纪被发现以来,一直被用作稀有蓝色染料,直到20世纪30年代,人们才开始探索其化学性质。1977年,H. J. BUSER等[1]探索了普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3bull;xH2O(x=14-16)的晶体结构。他们将水蒸气缓慢扩散到在浓盐酸中的Fe3 和Fe(CN)64-溶液中而生长出单晶。他们通过X射线衍射检测,观察到非面心反射,认为与空间群Fm3m(Oh5)中的立方多核过渡金属氰化物众所周知的模型有偏差,Fe(CN)6位点只被部分占据,并指出相应空位的部分排序可能与生长晶体的条件有关。

目前,普鲁士蓝纳米颗粒已被探索出多种制备方法。2006年,Wu等[2]在超声条件下,通过在酸性溶液中直接分解单源前体K4Fe(CN)6,大量合成普鲁士蓝Fe4[Fe(CN)6]3的规则单晶纳米立方体。立方体的尺寸和大小分布很大程度上取决于反应温度,K4Fe(CN)6水溶液浓度及超声条件。2007年,Zheng等[3]在水热条件下,即将K3Fe(CN)6与葡萄糖(C6H12O6)溶液混合并在120℃加热12小时,合成了普鲁士蓝微晶。

早在2003年,Kitagawa小组就首次尝试在稳定剂保护下制备普鲁士蓝。他们通过在水中混合Fe2 ,Fe(CN)63-和聚乙烯吡咯烷酮(PVP),成功制备出PVP保护的PB纳米颗粒。[4]2004年,他们进一步拓展,总结了由有机聚合物如PVP和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)保护的PB纳米颗粒的制备,并研究了铁离子浓度和Fe与聚合物的进料比对PB的尺寸控制。[5]如在不同条件下使用PVP将PB的平均尺寸控制在12-27 nm范围内;添加PDDA,通过有效的静电相互作用,可产生非常小尺寸(5-8 nm)的PB颗粒。2010年,Shokouhimehr等[6]报道了室温下使用柠檬酸作为稳定剂制备PB纳米颗粒的简单一步水溶液法,利用三价铁离子与羧酸的络合形成能够降低成核速率的前体;当PB纳米颗粒开始原位形成时,相同的羧酸可作为表面封端剂来控制尺寸并防止团聚。

2012年,Ming Hu等报道了用单源反应物和保护剂制备PB纳米颗粒,即将K3[Fe(CN)6]bull;3H2O和PVP加至HCl溶液中搅匀,再在80℃加热20小时,得到实心PB介观晶体。[7]之后,他们将实心PB介晶与PVP混至HCl溶液中,在140℃下加热4小时,制得空心PB颗粒。紧接着,他们拓展了实心PB的制备方案,实现了用PVP辅助结晶过程的PB纳米粒子的尺寸和形状的控制合成,所获得的颗粒可分为小(约20 nm),中等(约100 nm)和大(超过200 nm)三种类型。[8]他们还系统研究了K3[Fe(CN)6]浓度、PVP用量、初始溶液的pH值对最终颗粒的尺寸和形状的作用。通过多项表征和对多步生长过程的合理推断,他们指出:K3[Fe(CN)6]浓度代表了PB晶体的来源。较高的浓度可以提高成核率,大量的核意味着它们的增长消耗更多资源,粒子难以长大。且大量的粒子表明总表面能量很高,会使系统不稳定,颗粒会聚集以降低表面能。因此,当PVP不能稳定颗粒时,高浓度的K3[Fe(CN)6]可能会导致产物集中于小尺寸纳米颗粒,或者当核能被PVP稳定时,产物通过中等尺寸颗粒的聚集过程而变大,而较低浓度的K3[Fe(CN)6]可使产物集中在中等粒度(100nm)。PVP主要作为能够稳定核的封端剂。如果PVP量不足,颗粒会直接沉淀而没有进一步的生长。如果PVP的量足够,粒子将首先稳定,然后以有序的方式自组装。溶液的pH值代表盐酸盐的浓度,它决定了K3[Fe(CN)6]的分解速率,因此控制了PB晶体的生成速率。更高的pH值加速了PB晶体的生成速率,意味着同时形成更多的PB核,促进了小颗粒的生成,而pH值更低表明少量PB核先形成,它们很容易被PVP包覆,导致形成中等大小的颗粒。Liu等[9]制备PB的方案与之类似,他们系统研究了酸的作用,发现酸不仅能触发生成立方PB的化学反应,而且还可作为腐蚀试剂调控形态。

早在1999年,Karyakin等[10]就指出在某些条件下,沉积在电极表面上的普鲁士蓝是氧气存在时过氧化氢(H2O2)还原的选择性电催化剂。2007年,Xiyun Yan小组[11]首次报道了Fe3O4纳米颗粒具有类似天然过氧化物酶活性,并提出了纳米颗粒模拟酶的概念。此后,研究者对普鲁士蓝纳米颗粒模拟酶活性的认识越来越深入。2016年,Zhang等[12]发现普鲁士蓝纳米颗粒(PBNPs)是一种多功能模拟酶,可以模拟过氧化物酶,超氧岐化酶和过氧化氢酶,可以清除羟自由基(·OH),超氧阴离子自由基(O2-)和过氧化氢(H2O2)。

由于普鲁士蓝纳米颗粒模拟酶在过氧化氢检测、葡萄糖检测、免疫分析、活性氧清理等领域具有独特优势,其宏量制备工艺的解决应能开拓更广阔的应用前景。

参考文献

[1] Buser H J, Schwarzenbach D, Petter W, et al. The crystal structure of Prussian Blue:, Fe4[Fe(CN)6]3.xH2O[J]. Inorganic Chemistry, 1977, 16(11):2704-2710.

[2] Wu X, Cao M, Hu C, et al. Sonochemical Synthesis of Prussian Blue Nanocubes from a Single-Source Precursor[J]. Crystal Growth amp; Design, 2006, 6(1):26-28.

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