卟啉酞菁功能配合物-无机纳米复合体的组装及在比色生物传感中的应用

Porphyrin and phthalocyanie complexes have shown great perspective of application in optical, electronic, magnetic and catalytic fields, as they bear special macrocyclic structures. Nanocomposites, which are composed of functional inorganic nanomaterials and porphyrin/phthalocyanie complexes, have caused wide interests of scientists in different fields because they can overcome the defects of single materials. In this project, we will assemble nanoaggregates by designing porphyrin and phthalocyanie complexes, further assemble them into nanocomposite structures with inorganic nanomaterials such as precious metals and oxides, and construct colorimetric biosensors to be used in catalytic detection of hydrogen peroxide. We will investigate the relations of structures, morphologies and properties in the following aspects: (1) the influences of length, type and electronic effect of substituents of macrocyclic compounds on morphologies of assembled nanoaggregates; (2) the relations between composition, structure of nanocomposites and length of ordered arrangement of macrocyclic molecules; and (3) the influences of the structures and compositions of nanocomposites constructed to the colorimetric biosensors on electron transfer during catalytic detection of hydrogen peroxide. Based on these investigations, we will optimize molecular structure of macrocyclic compounds, morphologies of nanoaggregates, together with composition of nanocomposites, and search new train of thought and method for obtaining higher-efficiency colorimetric biosensors.

由于卟啉、酞菁化合物具有特殊的大环结构，使其在光、电、磁、催化等领域展现出巨大的应用前景。卟啉、酞菁化合物与功能性无机纳米材料构筑的复合材料能够克服单一材料的缺点，已经引起不同领域科学家的广泛兴趣。本课题拟以设计合成的卟啉、酞菁化合物组装成纳米聚集体，进一步将其与无机纳米材料(贵金属、氧化物等)组装成纳米复合结构，并构建比色生物传感应用于催化检测过氧化氢。我们将从以下方面研究结构、形貌与性能之间的关系：(1)大环化合物的取代基长度、种类和推、拉电子效应对组装的纳米聚集体形貌的影响；(2)纳米复合体的组成、结构与大环分子排列有序性长短之间的关系；(3)用于构筑比色生物传感器的纳米复合体，其结构和组成在催化检测过氧化氢过程中对电子转移的影响。基于这些研究，优化大环化合物的分子结构、纳米聚集体的形貌和复合材料的组成，为构筑更高效的比色生物传感器提供新的思路和方法。

自然酶由于其提纯困难、昂贵、容易变质等缺点，导致其应用受到很大限制。人工模拟酶以其制备简单、便宜、环境耐受性好等优点受到人们的关注。由于过氧化氢是许多生物化学反应 （例如葡萄糖的分解）的中间产物，因此过氧化氢的检测，特别是对于糖尿病人血糖和尿糖的检测，具有非常重要的意义。为了实现过氧化氢及葡萄糖的快速检测，过氧化物酶是必不可少的。比色法，肉眼可视，避开了繁杂的仪器，大大简化了检测过程，方便人们日常检测。因此，制备高效专一的过氧化物酶模拟酶用于比色检测过氧化氢及葡萄糖显得尤其重要。.该项目主要研究卟啉、酞菁、苝二酰亚胺等功能性有机大环分子修饰无机纳米材料的过氧化物酶模拟酶活性：合成了几种典型的卟啉分子并组装了卟啉纳米聚集体；合成了带有羧基取代基的酞菁；制备了卟啉、酞菁、苝二酰亚胺-无机纳米复合材料，包括氧化物：四氧化三铁、三氧化二铁、四氧化三钴、氧化铜、氧化镍、二氧化铈； 硫化物：硫化镉、硫化锌、硫化铜、硫化镍等，采用X-射线衍射 (XRD)、透射电子显微镜 (TEM)、扫描电子显微镜 (SEM)、红外光谱 (FT-IR)、紫外-可见分光光度计、荧光光谱仪、电子自旋共振光谱(ESR)等技术手段对这些复合材料进行了表征及性质机理等的研究；研究了这些有机-无机纳米复合材料的过氧化物酶模拟酶活性、动力学及其影响活性的因素(pH、温度、催化剂用量、过氧化氢浓度)；研究了催化活性产生的机理，主要有两种：电子转移机理及羟基自由基机理；揭示了有机功能分子卟啉、酞菁、苝二酰亚胺在加速电子转移过程中的作用，主要原因是有机分子的HOMO-LUMO轨道与无机物半导体的价带-导带能级相匹配，从而加速了电子的传输；总结了有机分子共轭体系对无机半导体材料在加速电子转移方面的影响规律：共轭体系越大，电子传输越容易，复合材料的催化活性就越大。.该类具有过氧化物酶模拟酶性质的复合材料可以用于食品、生物化学、环境等领域以检测过氧化氢及葡萄糖，为人类生命健康和生存环境保驾护航。