專利名稱：一種耐高溫和有機溶劑的生物-無機雜化材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固定化酶技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種耐高溫和有機溶劑的生物-無機 雜化材料及其制備方法，在高溫下和有機溶劑中具有較高催化活性的生物-無機雜化材 料的制備方法。
技術(shù)背景酶作為一種優(yōu)良的生物活性物質(zhì)在很多領(lǐng)域中都展現(xiàn)出了優(yōu)秀的性能，但是其穩(wěn) 定性較差，在較高溫度條件下和有機溶劑中都較易失去活力，這使得其應(yīng)用受到了很 大程度的限制。針對這些問題，人們提出了固定化酶技術(shù)，固定化酶技術(shù)又分為吸附 法，共價偶聯(lián)法，交聯(lián)法，包埋法四大類。其中吸附法具有制作條件溫和，簡單等優(yōu) 點，但酶易脫落，固定量??；共價偶聯(lián)法具有結(jié)合力強的優(yōu)點，但其激烈的固定化條 件易于使酶失活；交聯(lián)法也具有結(jié)合力強，穩(wěn)定性高的優(yōu)點，但其交聯(lián)條件激烈，且 機械性能差；包埋法條件溫和，使用面較廣，但擴散等問題嚴重。因此，提出新的固 定化方法和開發(fā)新的固定化材料已成為當務(wù)之急。"自組裝"作為近年來提出的一種"軟合成"手段在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。 所謂自組裝，是指基本結(jié)構(gòu)單元(分子，納米材料，微米或更大尺度的物質(zhì))自發(fā)形成 有序結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)。在自組裝的過程中，基本結(jié)構(gòu)單元在基于非共價鍵的相互作用 下自發(fā)的組織或聚集為一個穩(wěn)定、具有一定規(guī)則幾何外觀的結(jié)構(gòu)。自組裝過程并不是 大量原子，離子，分子之間弱作用力的簡單疊加，而是若干個體之間同時自發(fā)的發(fā)生 關(guān)聯(lián)并集合在一起形成一個緊密而又有序的整體，是一種整體的復雜的協(xié)同作用。采用自組裝方法固定化酶將有利于酶與載體材料的有效復合，從而得到一種理想的雜化 材料。無機納米層狀材料憑借其表面性質(zhì)可調(diào)，機械性能穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性良好等優(yōu)異的 性能，受到了人們越來越多的關(guān)注，已經(jīng)成為物理、化學、材料等領(lǐng)域的研究熱點之 一。對于剝離后的無極納米層狀材料，其形成的穩(wěn)定膠體溶液使得自組裝過程易于進 行，另外，其層間區(qū)域完全開放，能實現(xiàn)酶的大量固定化，且其層板會對酶分子起到 很好的保護作用，從而提高酶的穩(wěn)定性。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種耐高溫和有機溶劑的生物-無機雜化材料及其制備方法， 擴寬酶的應(yīng)用范圍，解決傳統(tǒng)酶固定化方法中存在的問題。該方法工藝簡單，成本低 廉，且得到的雜化材料結(jié)構(gòu)可調(diào)，適宜規(guī)模化生產(chǎn)。本發(fā)明的水滑石與酶組裝的生物-無機納米雜化材料的組成為以剝離水滑石納米 片為載體，與具有生物活性的血紅蛋白進行組裝，得到一種生物-無機納米雜化材料， 其中酶與水滑石的質(zhì)量比為1: 1 30: 1;優(yōu)選范圍為l: 1 1-4，最優(yōu)的為2: 1。應(yīng) 用于以雙氧水為氧化劑鄰苯二胺生成2， 3-二氨基吩嗪反應(yīng)中，以水為反應(yīng)介質(zhì)90攝氏度下的酶活保持率為自由酶的7. 71-18. 57倍，常溫下甲苯介質(zhì)中的酶活保持率為自 由酶的2. 83-5. 75倍。水滑石與血紅蛋白的靜電自組裝、材料結(jié)構(gòu)和分散度可調(diào)控、 催化劑的在高溫和有機溶劑中的酶活保持率高。本發(fā)明以剝離水滑石為無機載體，與血紅蛋白進行自組裝得到生物-無機納米雜化 材料，通過調(diào)變組裝時間與干燥條件，可以得到不同結(jié)構(gòu)的生物-無機納米雜化材料。 具體工藝步驟如下a. 制備剝離水滑石。采用共沉淀法，使用堿溶液滴加入硝酸鎂和硝酸鋁混合鹽溶 液中，得到乳酸插層的Mg/A^2/1的水滑石漿液，其中溶劑為水。將漿液洗滌至中性， 分散到水中，回流攪拌，直至得到完全澄清透明的膠體溶液。此膠體溶液即為剝離水 滑石溶液。步驟a中所有過程均在氮氣保護下進行，所用水均為去二氧化碳去離子水。 步驟a中所得到的剝離水滑石溶液為5. 033g/L。在共沉淀法制備乳酸插層的Mg/Al=2/1的水滑石時，通過對堿滴加條件的改進， 可以用乳酸代替常規(guī)的乳酸鹽。b. 剝離水滑石與酶組裝制備生物-無機雜化材料稱取酶O. 1066g-3. 198g，加 入100ml緩沖溶液，再加入20ml剝離水滑石膠體溶液，酶與水滑石的質(zhì)量比為1: 1~ 30: 1，在25-40攝氏度水浴攪拌條件下，組裝10秒-10小時，優(yōu)選10秒-4小時，最 優(yōu)為10秒；常溫真空干燥或者冷凍干燥，得到生物-無機納米雜化材料。步驟b中所有過程均在氮氣保護下進行，所用水均為去二氧化碳去離子水。 步驟b中所用緩沖溶液的pH值為pH=7-10，優(yōu)選pH=8-9，最優(yōu)為pH=8.5。 組裝時間為10秒-4小時，這考慮到了不同的組裝時間對固定化酶活力的影響，發(fā)現(xiàn)短時間組裝有利于酶催化活力的保持。對比干燥條件，發(fā)現(xiàn)冷凍干燥較常溫真空干燥更有利于酶催化活力的保持。本發(fā)明的優(yōu)點在于，利用具有高度熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性的水滑石作為載體，通過調(diào)變組裝條件和干燥方法，實現(xiàn)組裝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和分散度的調(diào)變，從而得到在高溫、有機溶劑中都體現(xiàn)出較高催化性能的生物-無機納米雜化材料。酶與剝離水滑石通過靜電自組裝方式得到的生物-無機雜化材料較好的保留了酶的催化活力。對于在高溫和有機溶劑中，固定化酶展現(xiàn)出高于自由酶酶活保持率。為固定化酶的開發(fā)利用、工業(yè)生產(chǎn)提供了可能性。
具體實施方式
實施例1:剝離水滑石的制備稱取3. 7513g的硝酸鋁(A1(N03)3* 9H20)和5. 1280g的硝酸 鎂(Mg(亂'6H20)，加入60ml水，配制成Mg/Al為2/1的鹽溶液。稱取化學計量過 量的乳酸5. 30g (0. 05mol)，用1. 25mol/L的NaOH溶液滴加到劇烈攪拌的乳酸中，至 體系pH值為10，加入Mg/Al混合鹽溶液，繼續(xù)滴加NaOH溶液至pH值為10。加熱至 回流晶化10小時，得到的白色漿液，離心分離，洗滌至中性，在600ml水中分散，加熱回流至幾乎透明狀態(tài)。所有過程在氮氣保護下進行，所用水全部為去二氧化碳去離子水。 實施例2:稱取血紅蛋白0. 2132g，溶于100ml pH=8. 5的緩沖溶液中，40攝氏度攪拌條件下 逐滴滴加到20ml剝離水滑石中，滴加完成后，組裝10秒，立即離心，洗滌，直至洗 滌液中不再能檢測到血紅蛋白，將洗漆液定容于容量瓶中，使用紫外可見光譜儀，測 定清液在408nm處的吸光度，計算出血紅蛋白濃度，從而計算酶固定化量。將沉淀物 冷凍干燥，得到水滑石與酶組裝的生物-無機納米雜化材料。 實驗例3:稱取血紅蛋白0. 2132g，溶于100ral pH=8. 5的緩沖溶液中，40攝氏度攪拌條件下 逐滴滴加到20ml剝離水滑石中，滴加完成后，在此溫度下繼續(xù)攪拌1小時，靜置3 小時，而后離心，洗滌，直至洗滌液中不再能檢測到血紅蛋白，將洗滌液定容于容量 瓶中，使用紫外可見光譜儀，測定清液在408nm處的吸光度，計算出血紅蛋白濃度， 從而計算酶固定化量。將沉淀物冷凍干燥，得到水滑石與酶組裝的生物-無機納米雜化 材料。 實驗例4:稱取血紅蛋白0. 2132g，溶于100ml pH=8. 5的緩沖溶液中，40攝氏度攪拌條件下 逐滴滴加到20ml剝離水滑石中，滴加完成后，在此溫度下繼續(xù)攪拌1小時，靜置3 小時，而后離心，洗滌，直至洗滌液中不再能檢測到血紅蛋白，將洗滌液定容于容量 瓶中，使用紫外可見光譜儀，測定清液在408nm處的吸光度，計算出血紅蛋白濃度， 從而計算酶固定化量。將沉淀物常溫真空干燥，得到水滑石與酶組裝的生物-無機納米 雜化材料。 實驗例5:自由酶在水溶劑中催化活力的測定在90攝氏度，50ral緩沖溶液中，依次加入 0.0324g鄰苯二胺，2. lmg血紅蛋白，153jaL濃度為30%的過氧化氫溶液，反應(yīng)10分鐘， 將反應(yīng)液過濾，測定所得溶液在450nm處的吸光度。上述所用緩沖溶液pH值為7。 實驗例6:組裝產(chǎn)物在水溶劑中催化活力的測定在90攝氏度，50ml緩沖溶液中，依次加入 0. 0324g鄰苯二胺，3. 2mg組裝產(chǎn)物，153(iL濃度為30%的過氧化氫溶液，反應(yīng)10分鐘， 將反應(yīng)液過濾，測定所得溶液在450nm處的吸光度。上述所用緩沖溶液PH值為7。 實驗例7:自由酶在有機溶劑中催化活力的測定在25攝氏度，50ml甲苯中，依次加入 0. 0324g鄰苯二胺，2. l呢血紅蛋白，153pL濃度為30%的過氧化氫溶液，在相應(yīng)溫度 下反應(yīng)10分鐘，將反應(yīng)液過濾，測定所得溶液在450nm處的吸光度。實驗例8:組裝產(chǎn)物在有機溶劑中催化活力的測定在25攝氏度，50ml甲苯中，依次加入 0. 0324g鄰苯二胺，3. 2mg組裝產(chǎn)物，153^L濃度為30%的過氧化氫溶液，反應(yīng)10分 鐘，將反應(yīng)液過濾，測定所得溶液在450nm處的吸光度。催化活力結(jié)果如表l所示。表l固定化酶在高溫水溶劑和有機溶劑中催化鄰苯二胺生成2， 3-二氨基吩嗪的活力真空干燥，組裝4小時7.71 2.83冷凍干燥，組裝4小時 12.14 3.75 冷凍干燥，組裝10秒18.57 5.7權(quán)利要求
1. 一種耐高溫和有機溶劑的生物-無機雜化材料，其特征在于以剝離水滑石納米片為載體，與具有生物活性的血紅蛋白進行組裝，得到生物-無機納米雜化材料；其中，酶與水滑石的質(zhì)量比為1∶1～30∶1；應(yīng)用于以雙氧水為氧化劑鄰苯二胺生成2，3-二氨基吩嗪反應(yīng)中，以水為反應(yīng)介質(zhì)90攝氏度下的酶活保持率為自由酶的7.71-18.57倍，常溫下甲苯介質(zhì)中的酶活保持率為自由酶的2.83-5.75倍。
2.按照權(quán)利要求權(quán)利要求1所述的生物-無機雜化材料，其特征在于:酶與水滑石的質(zhì)量比為l: 1-4: 1。
3. —種耐髙溫和有機溶劑的生物-無機雜化材料的制備方法，其特征在于，工藝為a. 制備剝離水滑石采用共沉淀法，使用堿溶液滴加入硝酸鎂和硝酸鋁混合鹽溶液中，得到乳酸插層的Mg/Al=2/1的水滑石漿液，其中溶 劑為水；將漿液洗滌至中性，分散到水中，回流攪拌，直至得到完全澄 清透明的膠體溶液；此膠體溶液為剝離水滑石溶液；b. 剝離水滑石與酶組裝制備生物-無機雜化材料:稱取酶O. 1066g 3. 198g，加入100ml緩沖溶液，再加入20ml剝離水滑石膠體溶液，酶與 水滑石的質(zhì)量比為1: 1 30: 1，在25-40攝氏度水浴攪拌條件下，組 裝10秒-4小時，室溫真空干燥或者冷凍干燥，得到生物-無機納米雜化 材料。
4、 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所有過程均在氮氣保 護下進行，所用水均為去二氧化碳去離子水；
5、 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟a中所得到的剝 離水滑石溶液為5. 033g/L。
6、 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在共沉淀法制備乳酸 插層的Mg/Al二2/1的水滑石時，通過對堿滴加條件的改進，用乳酸代替 常規(guī)的乳酸鹽。
7、 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟b中所用緩沖溶 液的pH值為7-10。
8、 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟b中所用緩沖溶 液的pH值為8-9。
全文摘要
一種耐高溫和有機溶劑的生物-無機雜化材料及其制備方法，屬于固定化酶技術(shù)領(lǐng)域。以剝離水滑石納米片為載體，與具有生物活性的血紅蛋白進行組裝，得到生物-無機納米雜化材料；其中，酶與水滑石的質(zhì)量比為1∶1～30∶1。首先使用水溶劑將乳酸插層水滑石剝離成為納米片，通過控制酶的表面電荷，實現(xiàn)酶與帶正電的水滑石納米片的組裝，從而實現(xiàn)酶的固定化，固定化酶在高溫和有機溶劑條件下表現(xiàn)出較高的催化活性和穩(wěn)定性。優(yōu)點在于，利用具有高度熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性的水滑石作為載體，通過調(diào)變組裝條件和干燥方法，實現(xiàn)組裝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和分散度的調(diào)變，從而得到在高溫、有機溶劑中都體現(xiàn)出較高催化性能的生物-無機納米雜化材料。
文檔編號C12N11/00GK101275131SQ200810112260
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月22日
發(fā)明者靜 何, 哲 安, 鑫 郭 申請人:北京化工大學