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固定化酶领域不同纳米复合材料的应用性能综述(4)

来源:无机化学学报 作者:相欣然;黄和;胡燚
发布于:2017-06-16 共16409字
  Zhang 等[32]通过原位水热法成功地将 ZnO 纳米线导入 mSiO2的孔道, 显着增加了 mSiO2的比表面积(233 m2·g-1),且由于带正电荷的 ZnO 纳米线(等电点为 9.5)与带负电荷的南极假丝酵母脂肪酶 CALB(等电点为 6.0)之间存在强静电相互作用,这种全新的纳米复合材料对 CALB 有非常强的吸附作用,酶负载量达到 196.8 mg·g-1, 较单独 mSiO2材料提高2~3 倍, 而且活力达到 667.2 U·g-1,mSiO2载体固定化酶的 5 倍,其催化的手性 2-辛醇反应在最佳反应条件下,转化率为 49.1%,在酶催化手性拆分(R,S)-2-辛醇中对对映体(R)-2-辛醇乙酸酯的选择性高达99%,在 15 次循环使用后,固定化脂肪酶仍可保留96.9%的相对活性和 93.8%的对映体选择性。
  
  银纳米粒子(AgNp)掺入载体材料中可以在保留固定化酶完整催化活性前提下提高其储藏时间,Singh[33]以阿拉伯树胶和明胶为模板采用双模板聚合法聚合四甲氧基硅烷并在其中掺杂 AgNp, 得到一种新型纳米复合材料。 用此材料固定的 α-淀粉酶可以在 40 ℃条件下贮藏 30 d 后仍保持其初始活性,而未掺杂 AgNp 的复合材料在 48 h 会失去 31%的活性, 相比固定化酶的动力学参数与游离酶相比,Km值为原来的 116.4%,Vmax提高了 55.1%.
  
  2碳基纳米复合材料固定化酶研究。
  
  碳基材料具有耐高温、导热性能良好、化学惰性、良好的生物相容性等优点,碳基纳米材料如石墨烯、碳纳米管已在固定化酶领域取得了广泛的应用[34-36]. 制备碳基纳米复合材料不仅可以保留碳基材料本身所固有的优点,也可克服其韧性差、性能异变、分散性能不好、酶的固定化效率低等缺点。
  
  2.1石墨烯纳米复合材料固定化酶。
  
  石墨烯是一种新型的二维蜂巢晶格结构、单原子厚度的碳基纳米材料,被认为是目前世界上最薄的材料,其在导热率、机械强度、化学稳定性、生物相容性等方面拥有优良的属性,如今被广泛应用于各个领域,在工业应用上具有非常好的前景[37].氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物,非常适合吸附金属氧化物纳米颗粒以及固定大量的酶。 GO 除了大比表面积和呈现出非常好的生物相容性之外,其表面有环氧基、羧基、羟基等一系列官能团,因此其在水中有很好的分散性并易于化学修饰[38].在生物领域,石墨烯及其衍生物作为一种与生物分子有强相互作用的新兴纳米材料已被运用于生物传感器的制备,如 Li 等[39-40]利用石墨烯量子点修饰的热解石墨烯电极[39]及 GO 修饰金电极[40]来获得灵敏度更高、选择性更强的电化学传感器。
  
  2.1.1 磁性石墨烯纳米复合材料固定化酶。
  
  GO 作为固定化材料由于其强亲水性很难从水溶液中分离,并且 GO 纳米薄片之间由于存在强 π-π 键相互作用容易结块,从而导致大量官能团被覆盖[41-42].为了进一步拓展和优化 GO 在生物技术上的应用, 将其与磁性纳米粒子结合形成复合材料,可以有效地改善其性能。
  
  Zhang 等[43]通过溶剂热法制备功能化 Fe3O4磁性纳米粒子, 其氨基和化学沉淀法制备的 GO 的羧酸基团反应,共价连接形成磁性纳米复合材料 GO-CO@NH-Fe3O4(图 7),该 材料再以 π-π 堆 积作用和氢键相互作用固定化胰蛋白酶(TPS),固定化酶的比重达到 0.275 mg·mg-1,其稳定性也有所提升,可在4 ℃条件下储藏 30 d 后仍可保留 84%的初始活性。GO-CO@NH-Fe3O4复合材料除了 GO 和 Fe3O4本身所带有的特性, 还具有对微波辐射良好的吸收性能,在实际应用中可通过微波辅助进一步提高固定化 TPS 对蛋白质的消化效率,分解效率是无微波辅助的传统酶溶液分解法的 2 880 倍。 Jiang 等[41]利用超声波辅助共同沉淀法成功地将溶液中的 FeSO4·7H2O 和 FeCl3·6H2O 在 GO 片 表面形成 Fe3O4纳米粒子,并用于固定辣根过氧化物酶(HRP)。 固定化酶的生化性质都得到一定的改善:贮藏稳定性、PH 值和温度的耐受性相比游离酶都得到加强;重复使用性得到了显着增强, 固定化 HRP 在 4 次循环后仍保留 66%的初始活性。 Chen[42]同样采用 Fe3O4@GO复合材料来固定化乙醇脱氢酶(ADH),除了对 pH 值耐受性和热稳定性得到加强,重复使用性也得以提高,10 次使用后,仅失去大约 20.4%的活力。 GO 制备过程中在一定程度上会破坏石墨烯表面规整度,通过化学还原法制备还原氧化石墨烯(rGO)可以在保留 GO 分散性的同时恢复其固有的优良性能。 Shi等[44]以 GO 为氧化剂氧化 Fe2+以得到 Fe3O4纳米粒子,粒子沉积在还原氧化石墨烯(rGO)表面形成纳米复合材料 rGO@Fe3O4, 此材料同时结合了 Fe3O4纳米粒子的磁性能和 rGO 纳米片的大比表面积的特点,过氧化氢酶(CAT)通过氢键和疏水相互作用直接吸附在 rGO@Fe3O4纳米复合材料表面。CAT 负载量高达(312.5±12.6) mg·g-1,固定化酶活性回收率达到 98%,除了具有很强的磁响应外,在稳定性和可重用性上表现出优良的性能。
  
  【图 7】  
原文出处:相欣然,黄和,胡燚. 纳米复合材料固定化酶的研究进展[J]. 无机化学学报,2017,(01):1-15.
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