分级孔SiO2整体块材料形貌结构控制及酶反应器的应用

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酶是一种高效、专一、绿色的生物催化剂,能够广泛应用在食品生产、药物制备、生物传感和医疗等领域。实现酶在工业上应用的,需要解决酶的分离与回收利用及酶在非自然环境下的催化活性和稳定性等问题,通过酶的固定化技术能够有效解决这些难题,当前酶的固定化领域的主要问题是提高酶的催化活性稳定性和酶反应的器件化。酶的固定化取决于载体材料,介孔SiO2材料具有高比表面积、有序孔道结构和孔径均一可调的特性,各种不同形貌结构的介孔SiO2材料能够简单制备出,且SiO2材料的表面含有丰富的硅羟基,能被修饰多种有机官能团,使得介孔SiO2材料成为固定酶的理想载体。但是单一的SiO2材料和酶之间的结合力较弱,酶容易从材料表面脱落并流失到溶液中。纳米金颗粒具有良好的生物相容性,能与生物大分子通过静电作用结合在一起,不会破坏生物大分子的结构和生物活性。以大孔-介孔分级孔SiO2整体块/纳米金颗粒材料作为酶的载体,材料中的大孔结构能提高反应底物在溶液中的扩散和传递速率,介孔提供大的比表面积和大量酶结合位点,纳米金颗粒与酶结合,防止酶从材料中流失,提高酶的催化活性稳定性,此外,整体块材料能够简单的实现酶反应器与催化反应体系的分离,且能很好的适用于工业上的连续催化反应。本课题的研究思路是以分级孔SiO2整体块材料作为辣根过氧化物酶(HRP)的载体,通过改变扩孔剂TMB的含量这种传统方法及简单的水热后处理的方法,实现材料的形貌和介孔的结构与孔径的调节,得到适合HRP尺寸大小的分级孔SiO2整体块材料。然后在分级孔材料中引入纳米金颗粒,得到分级孔SiO2整体块/纳米金颗粒材料,以这种材料固定HRP,研究纳米金颗粒对酶的催化稳定的作用。得到以下主要成果:1.将老化处理后的整体块材料进行适当时间的水热后处理,能够简单调节材料的形貌结构与介孔孔径。2.在材料中引入纳米金颗粒能明显提高酶的催化活性稳定性,分级孔SiO2整体块/纳米金颗粒材料固定HRP,相比单一的分级孔SiO2整体块,其相对催化活性大幅提高,5次催化循环的相对催化活性从30%提高到65%。
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