專利名稱：用光熱納米材料激活催化劑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用光熱納米材料的光熱特性激活催化劑的方法，更為具體地，是在催化劑具有低活性或沒有活性的溫度下激活催化劑的方法，該方法是通過向加入所述催化劑和光熱納米材料或催化劑-光熱納米材料復(fù)合物的反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行光照射來完成的。
背景技術(shù)：
催化劑可通過提高化學(xué)反應(yīng)速率來誘導(dǎo)目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)，其本身不發(fā)生反應(yīng)，因此可廣泛得應(yīng)用于各種領(lǐng)域。大部分的催化劑是在最佳溫度下具有各自的最高活性。酶，作為一種催化劑，能在生物體內(nèi)催化生化反應(yīng)，并且對(duì)維持生命的平衡起核心作用。通常，酶在包括常溫、中性PH和常壓的溫和條件下展現(xiàn)高催化活性。然而，化學(xué)催化劑在室溫至500°C或更高的溫度下才能展現(xiàn)最佳活性，而且最近在溫泉或火山中發(fā)現(xiàn)的微生物嗜熱菌(thermophi Ies )生產(chǎn)的一些酶，在接近100°C的較高的溫度中展現(xiàn)最佳活性。一般而言，從嗜熱菌中生成的酶與從嗜溫菌(mesophiles)中生成的酶具有相同的功能,然而在能使嗜溫菌變性的極端反應(yīng)條件(如高溫)下，嗜熱菌會(huì)穩(wěn)定地進(jìn)行酶促反應(yīng)。因此，這些酶具有產(chǎn)業(yè)價(jià)值。此外，嗜熱酶雖具有穩(wěn)定性，由于他們要在高溫下反應(yīng)，其缺乏酶的低能和利于環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。催化反應(yīng)的溫度越高，越能發(fā)生反應(yīng)底物與反應(yīng)產(chǎn)物的副反應(yīng)，而且會(huì)消耗大量的能量。因此，如使催化劑維持活性的同時(shí)，能在很低的溫度下進(jìn)行反應(yīng)的話，這將非常有用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明在于提供一種方法，該方法能夠在低于催化劑的最佳活化溫度的溫度下、在反應(yīng)介質(zhì)中激活催化劑。技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過將光熱納米材料的光熱效果應(yīng)用于催化反應(yīng)中而提供激活催化劑的方法，即在反應(yīng)介質(zhì)中加入所述催化劑和光熱納米材料并通過照射所述反應(yīng)介質(zhì)來發(fā)熱的方法，或者在反應(yīng)介質(zhì)中加入催化劑-光熱納米材料并通過照射所述反應(yīng)介質(zhì)來發(fā)熱的方法。有益效果
如上所述，本發(fā)明的用于激活催化劑的方法是通過在基本不改變所述反應(yīng)介質(zhì)的溫度的狀態(tài)下僅提高所述納米材料周圍的溫度而激活催化劑的。從而，例如，在常溫下使只在高溫下被激活的化學(xué)催化劑或嗜熱酶通過光照射被激活，進(jìn)而節(jié)省能源。


圖1展示了由金種子顆粒合成的具有不同的縱橫比(長度/直徑)的金種子顆粒與金納米棒的吸收光譜。圖2展示了在室溫、4°C以及在4°C下用800nm的近紅外光發(fā)光二極管(NIR-LED)照射的條件下，用HRP-金納米棒復(fù)合物(展現(xiàn)最高吸光度在780nm處)進(jìn)行的ABTS基質(zhì)反應(yīng)中獲得的在414nm處的吸光度(吸收波長)。圖3展示了在室溫、4°C以及在4°C下用近紅外光發(fā)光二極管照射的條件下，用HRP和HRP-金納米棒復(fù)合物進(jìn)行的ABTS基質(zhì)反應(yīng)中獲得的、在414nm處的吸光度。圖4展示了在室溫、4°C以及在4°C下用近紅外光發(fā)光二極管照射的條件下，用HRP,HRP-金納米棒復(fù)合物和BSA-金納米棒復(fù)合物/HRP混合物進(jìn)行的ABTS基質(zhì)反應(yīng)中獲得的、在414nm處的吸光度。圖5展示了在40°C、室溫以及在室溫下用近紅外光發(fā)光二極管照射的條件下，用ADH和ADH-金納米棒復(fù)合物進(jìn)行的由NADP+轉(zhuǎn)化成NADPH的反應(yīng)中獲得的、在340nm處的吸光度。
圖6展示了在室溫以及在室溫下用近紅外光發(fā)光二極管照射的條件下，用ADH-金納米棒復(fù)合物和BSA-金納米棒復(fù)合物/ADH混合物進(jìn)行的由NADP+轉(zhuǎn)化成NADPH的反應(yīng)中獲得的、在340nm處的吸光度。圖7展示了在室溫、4°C以及在4°C下用近紅外光發(fā)光二極管照射的條件下，用HRP和HRP-石墨烯復(fù)合物進(jìn)行的ABTS基質(zhì)反應(yīng)中獲得的、在415nm處的吸光度。圖8展示了在室溫、4°C以及在4°C下用近紅外光發(fā)光二極管照射的條件下，用HRP和HRP-碳納米管(CNT)復(fù)合物進(jìn)行的ABTS基質(zhì)反應(yīng)中獲得的、在415nm處的吸光度。圖9是在45°C、在4°C下用近紅外光發(fā)光二極管照射以及在85°C的條件下，用硫酸、硫酸/石墨烯以及硫酸/CNT的混合物進(jìn)行的表明由食用油轉(zhuǎn)化成生物柴油的結(jié)果將在HPLC數(shù)據(jù)中以峰面積展示。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過將光熱納米材料的光熱效果應(yīng)用于催化反應(yīng)中而提供激活催化劑的方法，即在反應(yīng)介質(zhì)中加入所述催化劑和光熱納米材料并通過照射所述反應(yīng)介質(zhì)來發(fā)熱的方法，或者在反應(yīng)介質(zhì)中加入催化劑-光熱納米材料并通過照射所述反應(yīng)介質(zhì)來發(fā)熱的方法。這里使用的術(shù)語“催化劑”指在反應(yīng)中能提高化學(xué)反應(yīng)速率，而本身則不發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)。當(dāng)在低于催化劑的最佳活化溫度的反應(yīng)介質(zhì)中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，所述催化劑將展示低活性。在此，所述表達(dá)“催化劑展示低活性”指所述催化劑的活性低于在最佳活化溫度下的最大活性，例如，所述催化劑的活性低于最大活性的80%，低于最大活性的70%，低于最大活性的60%或低于最大活性的50%。然而，將光熱納米材料與催化劑一起導(dǎo)入至反應(yīng)介質(zhì)中時(shí)，由于光照引發(fā)光熱效應(yīng)，所述光熱納米材料的溫度上升至所述催化劑的最佳活化溫度，從而可激活加入于反應(yīng)介質(zhì)中的催化劑。因此，本發(fā)明提供激活催化劑的方法，即在溫度低于所述催化劑最佳活化溫度的反應(yīng)介質(zhì)中加入催化劑與光熱納米材料或催化劑-光熱納米材料復(fù)合物，然后用光照射所述反應(yīng)介質(zhì)以使所述光熱納米材料的溫度提高至所述催化劑的最佳活化溫度。此時(shí)，由于所述反應(yīng)介質(zhì)的溫度的提升不明顯，其周圍的溫度維持在所述催化劑的最佳活化溫度之下，從而所述催化反應(yīng)甚至在比所述催化劑的最佳活化溫度低的溫度下可有效進(jìn)行。一方面，只要所述溫度低于所述催化劑的最佳活化溫度，對(duì)其沒有特別限制。例如，所述溫度可以比所述催化劑的最佳活化溫度低5 300°C、5 250°C、5 200°C、5 150 0C>5 100 O、10 300 O、10 250 O、10 200 O、10 150 O、10 10(TC、20 300 0C >20 25(TC、20 20(TC、20 15(TC、20 10(TC、30 30(TC、30 25(TC、30 2000C，30 150°C或30 100°C，但不限于以上溫度。這里使用的表達(dá)“在反應(yīng)介質(zhì)中加入催化劑與光熱納米材料”是指，在反應(yīng)介質(zhì)中引入催化劑與光熱敏材料，所述兩種物質(zhì)間不發(fā)生反應(yīng)且兩者間單純地物理混合。此時(shí)，所述催化劑和光熱納米材料未被固定并可自由移動(dòng)，因此它們之間可隨機(jī)地接近。因此，當(dāng)所述光熱納米材料通過光照發(fā)熱時(shí)，與所述發(fā)熱的光熱納米材料相近的催化劑的溫度上升至最佳反應(yīng)溫度，從而提高所述催化劑的活性。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述反應(yīng)介質(zhì)中加入的催化劑與光熱納米材料，基于100重量份的催化劑，可加入O. 0Γ10, 000或O. 0Γ1, 000重量份的光熱納米材料。這里使用的“催化劑-光熱納米材料復(fù)合物”是指這樣的一種復(fù)合物該復(fù)合物包括被固定在光熱納米材料上的復(fù)合物催化劑。當(dāng)所述催化劑被固定于所述光熱納米材料上時(shí)，隨著光照引起的光熱納米材料的局部溫度的上升，所述被固定的催化劑的局部溫度也會(huì)上升。從而，根據(jù)所述光熱納米材料的光熱特性，所述被固定的催化劑的溫度上升至最佳活化溫度，進(jìn)而提高所述催化劑的活性。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述催化劑可以為生物催化劑或化學(xué)催化劑。

這里使用的術(shù)語“生物催化劑”是指使體內(nèi)發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。酶是最具代表性的生物催化劑，之外，可作為催化劑作為使用包含特定酶的微生物、動(dòng)物細(xì)胞、植物細(xì)胞。此外，這里使用的術(shù)語“化學(xué)催化劑”指除生物催化劑以外的催化物質(zhì)。例如，所述化學(xué)催化劑包括如二氧化錳、硫酸、硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀或脫乙酰殼多糖的化學(xué)物質(zhì)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述催化劑可以為酶。所述酶是一種蛋白催化劑，能介導(dǎo)活活體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，而且通過與基質(zhì)結(jié)合形成酶-基質(zhì)復(fù)合物，起降低反應(yīng)的活化能的催化劑作用。例如，所述酶包括水解酶(例如，淀粉酶、麥芽糖酶、蔗糖酶、腺苷三磷酸酶等)，該水解酶能在水(H2O)存在的條件下水解基質(zhì)；氧化還原酶(例如，氧化酶或脫氫酶)，該氧化還原酶能促進(jìn)物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)；轉(zhuǎn)移酶(例如，肌酸激酶或轉(zhuǎn)氨酶)，該轉(zhuǎn)移酶能將一組基質(zhì)轉(zhuǎn)移至其他基質(zhì)上；基質(zhì)降解酶(例如，過氧化氫酶或羧化酶)；和異構(gòu)酶(例如，磷酸己糖異構(gòu)酶)，該異構(gòu)酶能改變基質(zhì)分子的原子排列。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，所述催化劑可以為耐熱性酶。所述耐熱性酶指在高于50°C的溫度下依然能穩(wěn)定的酶。例如，所述耐熱性酶包括由嗜熱菌種分離出的、在高溫下穩(wěn)定并展示高活性的淀粉酶、葡糖淀粉酶或支鏈淀粉酶、耐熱性環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶(CGT酶)、耐熱性纖維素、耐熱性木聚糖酶、耐高溫甲殼素水解酶、耐熱性蛋白酶、耐熱性DNA聚合酶、耐熱性DNA連接酶、耐熱性葡萄糖異構(gòu)酶、耐熱性乙醇脫氫酶、耐熱性β -半乳糖苷酶和耐熱堿性磷酸酶。這里使用的術(shù)語“光熱納米材料”指通過光吸收具有發(fā)熱特性的納米材料。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，顯示這種特性的納米材料可以為光熱金屬納米粒子、碳納米管(CNT)、石墨或氧化石墨烯。當(dāng)所述光熱納米材料為光熱金屬納米粒子時(shí)，這種光熱特性主要出現(xiàn)在稀有金屬中，如金、銀或銅。這種金屬被廣泛應(yīng)用于傳感器技術(shù)中，如局部表面等離子體生物傳感器或表面增強(qiáng)拉曼傳感器。這里使用的術(shù)語“光熱金屬納米粒子”指具有通過光熱特性產(chǎn)生熱量的特性的金屬納米粒子(例如，光吸收)。這里使用的術(shù)語“金屬納米粒子”指具有f IOOOnm粒徑的金屬微粒。由于根據(jù)材料大小改變電子轉(zhuǎn)移所需的能量的量子限制效應(yīng)(quantum confinement effect)以及它們的大的比表面積，這些金屬納米粒子展現(xiàn)與那些大塊材料完全不同的光學(xué)、電學(xué)及電磁學(xué)上的特性。部分的金屬納米粒子展現(xiàn)光熱特性，而這些納米粒子屬于光熱納米材料。已知，這種光熱金屬納米粒子的光熱特性受所述納米粒子的大小及形狀的控制。作為光熱金屬納米粒子的典型例子，包括金或銀納米例子，該納米粒子已用作治療為目的所應(yīng)用，如癌癥治療和病毒破壞?？捎米鞴鉄峒{米材料的納米材料的類型包括納米管、納米殼、納米棒、納米籠、納米半殼或納米金字塔。金納米棒，作為一種光熱金屬納米粒子，是長度幾十至幾百納米的棒狀金納米粒子，并且已知在可見光區(qū)和近紅外(NIR)區(qū)具有優(yōu)異的光吸收特性。據(jù)報(bào)道，根據(jù)縱橫比(長度/直徑)，金納米粒子的光吸收波長會(huì)改變(Mohamed, M. B. et al. , Chem. Phys.Lett. 317，517-523，2000)。研究人員已證明，當(dāng)用近紅外光照射金納米棒時(shí)，在I分鐘之內(nèi)溫度會(huì)升高到約 100°C (Chou, C. H. et al. , J. Phys. Chem. 109，11135-11138，2005)。這種金納米棒的光熱特性已用作治療為目的使用，如癌癥治療和對(duì)致病細(xì)菌及病毒的破壞(Huang, X. et al. , J. Am. Chem. Soc. 128，2115-2120，2006; Huff, T. B.et al. , Nanomedicine, 2，125-132，2007; Takahashij H. et. al. , Chem. Lett. 35，500-501，2006; Black, K. C. et al.，Mol.1maging 7，50-57，2008; PissuwanjD. et al.，Nano lett. 7，3808—3812，2007; Norman, R. S. et al.，Nano Lett. 8302-306， 2008)。當(dāng)所述光熱納米材料為碳納米管(CNT)時(shí)，可使用單壁碳納米管(SWNT)或多壁碳納米管(MWCNT)。CNT為具有f IOOnm的直徑和幾納米(nm)至數(shù)十微米(μ m)的長度并具有由石墨片卷成圓筒狀結(jié)構(gòu)的一般的中空管。由于石墨片的堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)，CNT展現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和彈性，并且具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。此外，根據(jù)石墨片被卷起的角度，CNT展現(xiàn)不同的電特性，包括導(dǎo)體和半導(dǎo)體特性。此外，由于它們的納米尺寸的直徑和高縱橫比，它們具有很大的表面積，從而它們可有利地用作高科技材料。CNT作為具有光熱活性的納米材料而被周知，并且由于顯著高的量子熱能量轉(zhuǎn)換效率與對(duì)近紅外光的高吸收能力而特受關(guān)注。石墨烯，作為一種光熱納米材料，由單原子層的碳堆成，在費(fèi)米能級(jí)周圍具有線性能量-動(dòng)量色散，并且沒有帶隙。石墨烯具有包括寬頻帶吸收特性及高熱傳導(dǎo)性的優(yōu)異的特性，從而可應(yīng)用于電子或光學(xué)設(shè)備。此外，石墨烯的表面通過堆積可與各種有機(jī)/生物材料進(jìn)行特異性結(jié)合。對(duì)石墨烯的光熱特性的研究還在起步階段。與CNT相同，石墨烯也吸收近紅外區(qū)的光，而且大部分積極的電子遷移所產(chǎn)生的能量以熱的形式射出。近年來，有報(bào)道稱，對(duì)使用石墨烯治療癌癥有研究(Yang, K. et al. , Nano Lett. 10，3318-3323，2010; Robinson, J. T. et al.，J. Am. Chem. Soc. 133，6825-6831，2011; MarkovicjZ. M. et al.，Biomaterials, 32，1121—1129，2011)。用于制備所述催化劑-光熱納米材料復(fù)合物的方法不會(huì)受到特別限制。用于結(jié)合任何化合物與納米材料的方法已被本領(lǐng)域熟知。例如，通過簡單吸附，使酶可以固定在納米材料上。此外，通過導(dǎo)入官的光熱納米材料與共價(jià)鍵，可以固定催化劑。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知用于引入官能團(tuán)到納米材料的方法，而且該官能團(tuán)可根據(jù)要 引入的化合物的種類，從已知的官能團(tuán)中選取。具體地，所述催化劑-光熱納米材料復(fù)合物可以通過共價(jià)鍵獲得，即將含醛交聯(lián)劑和催化劑與氨基功能化光熱納米材料反應(yīng)，或?qū)⒑被呋瘎┡c醛基功能化光熱納米材料反應(yīng)而獲得。只要在末端具有醛基的任何化合物都可用作所述交聯(lián)劑。例如，作為交聯(lián)劑，可用多醛，如戊二醛、雙醛淀粉或琥珀酸醛。優(yōu)選地，可使用戊二醛。為了將所述催化充分地固定于所述光熱納米材料上，并維持所述催化劑的活性，所述光熱納米材料為100重量份時(shí)，所用的催化劑的量優(yōu)選為O.1 10重量份。待交聯(lián)反應(yīng)完成后，用適合的緩沖液充分洗滌固定所述催化劑的光熱納米材料，以去除未充分固定的、易于脫離的催化劑以及多余的所述交聯(lián)劑。此外，將光照射到加入所述催化劑和光熱納米材料或所述催化劑-光熱納米材料復(fù)合物的介質(zhì)中，此時(shí)的光可以為陽光或人造光(例如，鎢燈，激光或LED燈)，并且可以包括紅外區(qū)、可見光區(qū)或紫外光區(qū)的光。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在用于激活催化劑的方法中使用的催化劑的最佳活化溫度可以為常溫。這里使用的常溫指未經(jīng)加熱或冷卻而獲得的溫度。在下列實(shí)施例中，將描述對(duì)應(yīng)用HRP酶或ADH酶的結(jié)果，但本發(fā)明可用于由催化劑參與的各種反應(yīng)中。這里使用“催化劑”指包括所有在常溫或更高溫度下具有高活性的生物催化劑和化學(xué)催化劑。酶包括所有的含有各種聚合酶、蛋白酶等的酶，而且有酶參與的生物分子反應(yīng)也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。在下列實(shí)施例中，通過實(shí)施例的方式描述金納米棒、石墨烯或碳納米管的光熱特性的用途，但本發(fā)明可應(yīng)用于涉及光熱納米材料的各種情況中。根據(jù)催化劑或酶的種類，每個(gè)催化劑或酶的最佳活化溫度可以不同，而且根據(jù)光熱納米材料，光照時(shí)的光吸收波長和溫度的上升程度可以不同，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。以下，結(jié)合實(shí)施例，將進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明。然而，這些實(shí)施例僅用作說明為目的，不會(huì)限制本發(fā)明的范圍。提供本發(fā)明的實(shí)施例，以向本領(lǐng)域技術(shù)人員更為完整地解釋本發(fā)明。下列制備實(shí)施例可通用于本發(fā)明的實(shí)施例中。制備實(shí)施例1 :金納米棒的合成
首先，使用CTAB (十六烷基三甲基溴化銨)表面活性劑，在水溶液中合成金納米棒。從所合成的金納米棒中清除CTAB，所合成的金納米棒在下一步反應(yīng)中被使用。更為詳細(xì)的細(xì)節(jié)在文獻(xiàn)[Sau and Mrphy, Langmuir, 20,6414-6420, 2004]中描述。為合成金納米棒，需要金種子顆粒。因此，在O. 25ml的O. OlM的HAuCljP 7.5ml的O.1M的CTAB的混合溶液中加入O. 6ml的O. OlM的NaBH4,然后快速攪拌2分鐘。所述混合溶液變成淺黃褐色，然后將所述溶液置于25°C的水浴中2小時(shí)，最后收集所述金種子顆粒。所收集的金種子顆粒用于使金納米粒子成長。為使金納米粒子成長，在反應(yīng)器中依次加入9. 44ml的O.1M的CTAB溶液、O. 4ml的O. OlM的HAuCl4溶液及O. 06ml的O. OlM的AgNO3溶液并輕輕地?cái)嚢?。所述混合溶液變成淺黃褐色，當(dāng)在其中加入O. 06ml的O.1M的抗壞血酸時(shí),所述溶液瞬間變成無色。最后,在其中加入O. 04ml的金種子顆粒溶液，輕輕地?cái)嚢杓s10秒鐘，然后將所述溶液置于25°C的水浴中3小時(shí)或更長。金納米棒的光吸收波長將根據(jù)橫截面的直徑及長度的比率而不同，當(dāng)改變AgNO3、抗壞血酸和金種子顆粒溶液時(shí)，將生長具有不同光吸收波長的金納米棒。為從生長的金納米棒中清除多余的CTAB,在13，OOOrpm離心所述金納米棒溶液約12分鐘,去除上清液，然后將沉淀物分散于三重蒸餾水中。而后，在10，OOOrpm離心所述分散液10分鐘，去除上清液，并將所述沉淀物重新分散于三重蒸餾水中。將清除CTAB的金納米棒用來制備包含催化劑的復(fù)合物。通過紫外-可見分光光度計(jì)和TEM (透射電子顯微鏡)分析所合成的金納米棒，以確定其吸收波長及顆粒大小。如圖1所示，金種子顆粒僅在513nm處顯示最高吸光度。用所述金種子顆粒，生成三種具有不同吸收光譜的金納米棒(GNR1、GNR2和and GNR3)。其中，GNRl是用O. 6mM的AgNO3溶液、6mM的抗壞血酸溶液和O. 04ml的金種子顆粒溶液制備的，GNR2是用O. 6mM的AgNO3溶液、8mM的抗壞血酸溶液和O. 04ml的金種子顆粒溶液制備的，以及GNR3是用1. 2mM的AgNO3溶液、8mM的抗壞血酸溶液和O. 08ml的金種子顆粒溶液制備的。如圖1所示，所制備的GNR1、GNR2和GNR3分別在656nm、720nm和780nm處顯示最高吸光度。其中，選取顯示出最高吸光度為780nm的金納米棒GNR3并用于隨后的試驗(yàn)中。制備實(shí)施例2 HRP (竦根過氧物酶)-金納米棒復(fù)合物的合成 首先，在所合成的金納米棒上固定生物素-BSA(biotin-BSA)。為此，在具有最高吸光度780nm的金納米棒中加入IOOul的O.1M的硼酸鹽緩沖劑(ρΗ8· 5 ;含有O. 05%的吐溫20)，并用移液管混合所述溶液。然后，在金納米棒溶液中加入IOul的O. lmg/ml的biotin-BSA(PB緩沖液中有10mM，pH7. 4)并在室溫下反應(yīng)I小時(shí)，之后，其中加入IOOul的含有O. 05%吐溫20的IOmM的NaHCO3緩沖液中的10%BSA(pH8. 8)并在室溫下以非常緩慢的速度旋轉(zhuǎn)I小時(shí)，以保護(hù)沒變形的金納米棒的表面。然后，在4°C和10，OOOrpm下離心所述溶液20分鐘，去除上清液，而后將沉淀物分散于Iml的IOmM的NaHCO3緩沖液(pH 8. 8 ;含有O. 1%BSA和O. 05%吐溫20)中。最后，獲得生物素-BSA固定化的金納米棒溶液(生物素固定化的金納米棒)。由于生物素和鏈霉抗生物素蛋白(STA)具有非常高的親和力，在生物素固定化的金納米棒溶液中加入IOmM的磷酸鹽緩沖液(pH 7. 4)中的IOul的O. lmg/ml的STA-HRP，在室溫下反應(yīng)I小時(shí)，然后，在4°C和10，OOOrpm下離心所述溶液20分鐘，待去除上清液后，將沉淀物分散于Iml的IOmM的NaHCO3緩沖液(pH 8. 8 ;含有O. 1%BSA和O. 05%吐溫20沖。所述離心和分散步驟再進(jìn)行三次，以去除未反應(yīng)的化合物，最后收集提純的HRP-金納米棒復(fù)合物。制備實(shí)施例3 BSA~金納米棒復(fù)合物的合成
金納米棒的表面具有容易吸附各種配體的特定性質(zhì)。利用該特性，將BSA吸附至金納米棒上，從而合成BSA-金納米棒復(fù)合物。
在Iml的由制備實(shí)施例1合成的、具有最高吸光度780nm的金納米棒中加入IOOul的O.1M的硼酸鹽緩沖液(pH8. 5 ;含有O. 05%的吐溫20)并用移液管混合所述溶液。在金納米棒溶液中加入IOOul的含有O. 05%吐溫20的IOmM的NaHCO3緩沖液中的10%BSA (pH8. 8)，并在室溫下以非常緩慢的速度旋轉(zhuǎn)I小時(shí)。然后，在4°C和10，OOOrpm下離心所述溶液20分鐘，去除上清液后，將沉淀物分散于Iml的IOmM的NaHCO3緩沖液(pH 8. 8 ;含有O. 1%BSA和O. 05%吐溫20)中。所述離心和分散步驟再進(jìn)行兩次，以去除未反應(yīng)的化合物，最后收集提純的BSA-金納米棒復(fù)合物。制備實(shí)施例4 =ADH (乙醇脫氫酶)-金納米棒復(fù)合物的合成
首先，在所合成的金納米棒上固定聚電極(polyelectrode)。在Iml的具有最高吸光度780nm的金納米棒中加入5. 7ul的350g/L的聚對(duì)苯乙烯磺酸鈉(PSS，Mw. "70, 000g/mol)和IOul的IOOmM的NaCl并用移液管混合。在室溫下使所述溶液反應(yīng)I小時(shí)，然后，在4°C和10，OOOrpm下離心所述溶液10分鐘，去除上清液后，將沉淀物分散于三重蒸餾水中。所述離心和分散步驟再進(jìn)行一次。在Iml的被分散的PSS-金納米棒溶液中加入9. 6ul的208g/L聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA，Mw. 200, 000-350, 000g/mol)和 IOul 的 IOOmM 的 NaCl 并用移液管混合，然后在室溫下使所述溶液反應(yīng)I小時(shí)。而后，在4°C和10，OOOrpm下離心所述溶液10分鐘，去除上清液后，將沉淀物分散于三重蒸餾水中。所述離心和分散步驟再進(jìn)行一次，然后收集聚電極固定化的I3DDA-PSS-金納米棒溶液。在Iml的TODA-PSS-金納米棒溶液中加入2ul的lU/ul的ADH并在在室溫下使所述溶液反應(yīng)I小時(shí)。然后，在其中加入IOOul的含有0. 05%吐溫20的IOmM的NaHCO3緩沖液中的10%BSA(pH7. 4)并在室溫下以非常緩慢的速度旋轉(zhuǎn)I小時(shí)，以保護(hù)沒變形的金納米棒的表面。然后，在4°C和10，OOOrpm下離心所述溶液15分鐘，去除上清液后，將沉淀物分散于Iml的IOmM的磷酸鹽緩沖液(pH7. 4 ；含有0. P/oBSA和0. 05%吐溫20)中。所述離心和分散步驟再進(jìn)行兩次，以去除未反應(yīng)的化合物，最后收集提純的ADH-金納米棒復(fù)合物。

制備實(shí)施例5 :HRP_石墨烯復(fù)合物的合成
為檢測吸收近紅外區(qū)光的石墨烯是否與金納米棒一樣能通過其光熱納米材料提高催化劑的活性，以如下述方式將HRP固定于石墨烯上。加入IOOul的0.1M的硼酸鹽緩沖劑(pH8. 5)并用移液管與0. lmg/ml的石墨烯混合。將溶于IOmM磷酸鹽緩沖液(pH7. 4)中的、IOul的lmg/ml的STA-HRP添加到所述石墨烯溶液中，并使所述混合液在室溫下反應(yīng)I小時(shí)。然后，將溶于IOmM的NaHCO3緩沖液(pH8. 8)中的、IOOul的10% BSA加入其中，并在室溫下反應(yīng)30分鐘，以保護(hù)沒變形的石墨烯的表面。然后，在4°C和8，OOOrpm下離心所述溶液10分鐘，去除上清液后，將沉淀物分散于I ml的IOmM的NaHCO3緩沖液(pH8. 8 ;含有0. 1%BSA)中。所述離心和分散步驟再進(jìn)行兩次，以去除未反應(yīng)的化合物，最后收集提純的HRP-石墨烯復(fù)合物。制備實(shí)施例6 :HRP_碳納米管(CNT)復(fù)合物的合成
由于CNT也能吸收近紅外區(qū)光，將HRP固定于CNT上，以證明CNT的光熱特性。具體地，加入IOOul的0.1M的硼酸鹽緩沖劑(pH8. 5)并用移液管與I ml的0. lmg/ml的單壁碳納米管(SWCNT, single-walled carbon nanotubes)混合。在所述 CNT 溶液中加入 IOul 的 I mg/ml的生物素-BSA (溶于IOmM的磷酸鹽緩沖液中，pH7. 4)并使所述混合液在室溫下反應(yīng)I小時(shí)。然后，在其中加入IOOul的10%BSA(溶于IOmM的NaHC03緩沖液中，ρΗ8· 8)中，并在室溫下以非常緩慢的速度旋轉(zhuǎn)，以保護(hù)沒變形的CNT的表面。然后，在4°C和8，OOOrpm下離心所述溶液10分鐘，去除上清液后，將沉淀物分散于Iml的IOmM的NaHCO3緩沖液(pH8. 8 ；含有O. 1%BSA)中。最終，獲得生物素-BSA固定化的CNT溶液。在所述生物素固定化的CNT溶液中加入IOul的lmg/ml的STA-HRP (在IOmM的磷酸鹽緩沖液中，pH7. 4)并在室溫下反應(yīng)I小時(shí)，然后，在4°C和8，OOOrpm下離心所述溶液10分鐘。去除上清液后，將沉淀物分散于Iml的IOmM的NaHCO3緩沖液(pH8. 8 ;含有O. 1%BSA)中。所述離心和分散步驟再進(jìn)行兩次，以去除未反應(yīng)的化合物，最后收集提純的HRP-CNT復(fù)合物。實(shí)施例1 :在低溫下HRP-金納米棒復(fù)合物的活性
為檢測在4°C下根據(jù)實(shí)施例2的方法通過將HRP固定于所述金納米棒(在制備實(shí)施例1中合成)而獲得的HRP-金納米棒復(fù)合物的活性，進(jìn)行以下測試。首先，在室溫下測量所述HRP-金納米棒復(fù)合物的HRP酶的活性。作為對(duì)照組，在4°C下測量所述HRP-金納米棒復(fù)合物的HRP酶的活性。 為測量所述酶的活性，使用有顏色變化的基質(zhì)(如ABTS)反應(yīng)。當(dāng)在室溫下測量所述酶的活性時(shí)，通過過氧化氫及HRP酶的催化作用使無色的ABTS在5分鐘內(nèi)變成青綠色，從而展示出在414nm處的高吸光度(吸光度0. 821 ;參照?qǐng)D2中的第一個(gè)圖)，然而由于在4°C下的反應(yīng)速率低于在室溫下的反應(yīng)速率，當(dāng)在4°C下測量所述酶的活性時(shí)，其414nm處的吸光度低于在室溫(吸光度0. 293 ;參照?qǐng)D2中的第二個(gè)圖)下測量時(shí)的吸光度。然而，在4°C下通過LED用SOOnm的近紫外光區(qū)的光照射所述HRP-金納米棒復(fù)合物時(shí)，顯示其活性與在室溫下展示出的活性相近(吸光度0. 817 ;參照?qǐng)D2中的第三個(gè)圖)。此時(shí)，選擇波長與金納米棒的吸收波長重疊的光并照射到HRP-金納米棒復(fù)合物上，以檢測基質(zhì)反應(yīng)。結(jié)果表明，所述反應(yīng)溶液的溫度幾乎沒變，然而所述酶的活性上升至其在室溫下的活性的水平。實(shí)施例2 =HRP酶與HRP-金納米棒復(fù)合物之間的活件的比較
為做比較，在與實(shí)施例1相同的條件下，測量HRP酶的活性，然后與所述HRP-金納米棒復(fù)合物的活性進(jìn)行比較。表I
權(quán)利要求
1.用于激活催化劑的方法，該方法包括在溫度比所述催化劑的最佳活化溫度低的反應(yīng)介質(zhì)中加入所述催化劑和光熱納米材料，并且通過光照射將所述光熱納米材料的溫度提高至所述催化劑的最佳活化溫度。
2.用于激活催化劑的方法，該方法包括在溫度比所述催化劑的最佳活化溫度低的反應(yīng)介質(zhì)中加入催化劑-光熱納米材料復(fù)合物，并且通過光照射將所述光熱納米材料的溫度提高至所述催化劑的最佳活化溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述催化劑為生物催化劑或化學(xué)催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述催化劑為酶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述酶為嗜熱酶。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光熱納米材料為光熱金屬納米材料、碳納米管、石墨烯或氧化石墨烯。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述金屬納米材料為金屬納米管、金屬納米殼、金屬納米棒、金屬納米籠、金屬納米半殼或金屬納米金字塔。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過光熱納米材料的光熱特性提供用于激活催化劑的方法，更具體地，是在催化劑具有低活性或沒有活性的溫度下激活催化劑的方法，該方法是通過向加入所述催化劑和光熱納米材料或催化劑-光熱納米材料復(fù)合體的反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行光照射來完成的。該方法通過在基本不改變所述反應(yīng)介質(zhì)的溫度的狀態(tài)下，僅提高所述納米材料周圍的溫度而激活催化劑。根據(jù)該方法，在低溫下可激活一般在室溫下具有高活性的催化劑。換言之，將只在溫和的條件下具有高活性的催化劑固定于光熱納米材料上，從而使它們?cè)诘蜏睾蜆O端條件下也具有活性。特別地，如使用在常溫下不穩(wěn)定的催化劑基質(zhì)或生成常溫下不穩(wěn)定的產(chǎn)物，本發(fā)明會(huì)有幫助。此外，可通過光照射，將僅在高溫下進(jìn)行催化反應(yīng)的化學(xué)催化劑或嗜熱酶在低溫或常溫下激活，從而能節(jié)省能源。
文檔編號(hào)B01J37/34GK103052708SQ201180040015
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者金珉坤, 李胎花, 慎容范 申請(qǐng)人:韓國生命工學(xué)研究院