介孔氧化硅-碳材料的合成及酶固定化分析

1、    介孔氧化硅/碳材料的合成及酶固定化分析    盧曉通（運(yùn)城學(xué)院044000）摘 要：介孔二氧化硅/碳材料是一種具有高比表面積、大孔容、形貌和尺寸可控的新型無機(jī)材料，它兼具了介孔材料和二氧化硅材料的雙重特性，在催化、分離、生物醫(yī)學(xué)、傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，其優(yōu)勢在酶的固化中得到很好的應(yīng)用。本文就介孔氧化硅/碳材料的優(yōu)缺點(diǎn)對酶的固定化影響和應(yīng)用進(jìn)行闡述，并對此提出展望。關(guān)鍵詞：介孔材料 酶 固定化一、技術(shù)背景1992 年mobil 公司首次公開報(bào)道了m41s 介孔硅材料，其高比表面積及規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)吸引了研究者廣泛的關(guān)注。但其較弱的酸性和水熱穩(wěn)定性大

2、大的限制了其在大分子催化上的應(yīng)用。隨后，hms，msu，kit-1，sba-215，系列等介孔分子篩相繼問世，介孔分子篩家族不斷壯大。隨后，以p123陽離子的活性劑tipb/teb等為添加劑改變了介孔材料的孔徑大小。作為酶的載體如水凝膠、硅膠、多孔玻璃等發(fā)揮了他們重要的作用。將酶固定于介孔材料的的酶和自由酶相比具有高效、吻合的催化反應(yīng)的優(yōu)勢，除此之外，其還可以回收重復(fù)使用、產(chǎn)物分離等多方面的優(yōu)點(diǎn)。二、介孔材料的定義介孔材料在各個行業(yè)廣泛應(yīng)用，其是指以表面活性劑分子聚集體為模板，利用溶膠-凝膠乳化、微乳化等化學(xué)過程，通過有機(jī)物和無機(jī)物之間的界面作用組裝生成的一類孔徑在2-50納米之間、孔徑分布窄

3、且具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的無機(jī)多孔固體材料。一般是由三種組成：1）用來構(gòu)造孔壁結(jié)構(gòu)的無機(jī)物種（前驅(qū)體）。選擇無機(jī)物種的主要依據(jù)是溶膠-凝膠化學(xué)，即原料的水解和縮聚速度必須適當(dāng)，且經(jīng)過水熱等處理后縮聚程度提高根據(jù)介孔材料骨架元素的組成，無機(jī)物種可以是直接加入的無機(jī)鹽或預(yù)先形成一定聚合度的無機(jī)低聚體，也可以是水解后產(chǎn)生無機(jī)低聚體的有機(jī)金屬氧化物；2）自組裝（介觀結(jié)構(gòu)形成的過程）時起決定導(dǎo)向作用的模板劑（表面活性劑）。介孔材料合成體系中所采用的表面活性劑有陰離子、陽離子、非離子、兩性表面活性劑等類型；3）作為反應(yīng)介質(zhì)的溶劑相。三、介孔材料中的酶固定方法一般生物大分子如蛋白質(zhì)、酶、核算等，當(dāng)他們的分子質(zhì)量大

4、約在1-100萬之間時尺寸會小于10納米，相對分子質(zhì)量在1000萬左右的病毒，它的尺寸在30納米左右。有序介孔材料的孔徑在2-50納米范圍內(nèi)，可連續(xù)調(diào)節(jié)且無生理毒性，所以使得它在酶、蛋白質(zhì)等固定和分離。比如，青霉素酰化酶，又被稱之為青霉素酰胺酶或青霉素氨基水解酶，這種酶屬于球蛋白，分子量較大，酶分子的平均動力學(xué)直徑約為9納米，這種酶在醫(yī)藥工業(yè)中應(yīng)用價值巨大，催化水解青霉素得到的產(chǎn)物6-氨基請每烷酸是生產(chǎn)抗生素的中間體，介孔材料固定青霉素?；傅难芯拷Y(jié)果表明，酶固定后可保持活性。而用不同介孔材料固定青霉素酰化酶后，酶的熱穩(wěn)定性、ph穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。結(jié)果表明，固定化酶的穩(wěn)定性與介孔材料

5、孔徑息息相關(guān)，當(dāng)介孔材料的孔徑與酶分子大小相適應(yīng)時，固定化酶的穩(wěn)定性最好。除此之外，酶固定化還和操作方法相關(guān)，下面將重點(diǎn)介紹酶固定化的幾個方法。1、物理吸附固定化酶物理吸附固定酶是利用分子篩表面的弱酸性硅羥基與酶分子的氨基，通過氫鍵作用將酶分子固定在分子篩的表面。在分子合成分子篩的時候，其表面活性劑和硅源物質(zhì)通過氫鍵進(jìn)行結(jié)合，再進(jìn)行水解，最終形成具有豐富弱酸的分子篩骨架。介孔分子篩具有大孔徑、螺旋有序的結(jié)構(gòu)，所以能夠使得底物分子容易和酶分子接觸。物理吸附法的操作工藝非常簡單，在大部分情況下能夠獲得固定化酶的初活性，但是，因?yàn)槊阜肿优c載體結(jié)合力不強(qiáng)，所以在重復(fù)使用的情況下會出現(xiàn)酶活性和穩(wěn)定性變?nèi)?/p>

6、的情況。這塊在操作過程中值得注意。2、氮?dú)馕浇榭撞牧系奈降葴厍€按照iupac的定義多呈iv型，在較低的相對壓力下發(fā)生單分子層吸附，然后發(fā)生的多分子層吸附。當(dāng)壓力大到發(fā)生毛細(xì)凝聚時，在吸附等溫線上出現(xiàn)一個吸附量的突破。之后，發(fā)生的是外表面吸附。通過對單分子層吸附的分析可以得到樣品的比表面積，通過毛細(xì)凝聚發(fā)生的相對壓力，可以確定介孔的孔徑。通過對總吸附量的測定，可以得到材料的孔容。介孔孔道的其他一些信息，如孔的形狀，可以從曲線的回滯環(huán)的類型中推知。h1型回滯環(huán)一般是簡狀孔道的特征，h2型回滯環(huán)通常是籠型孔道的特征；h3和h4型回滯環(huán)多歸因于狹縫狀孔道。三、結(jié)語介孔分子氧化硅材料的合成是近幾年材料科學(xué)領(lǐng)域興起的一個前言學(xué)科，已成為當(dāng)今科學(xué)界研究的一個熱點(diǎn)。近期的研究表明各種新型的介孔材料在化學(xué)、光電子學(xué)、環(huán)境科學(xué)、分離科學(xué)等諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。相信，介孔氧化硅材料將在未來的發(fā)展中繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。參考文獻(xiàn)：1 chong a s m，zhao x s.catalysis today，2004，93-95；293-299 裘式綸等，高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2005，26（10）：1850-18542 石磊，鄒燕、莊繼華，等，介孔分子篩sba-15中表面羥基及模