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(gè)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(shí)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)量大約在1-100萬之間時(shí)尺寸會(huì)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(dòng)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(jià)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酰化酶的研究結(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(shí)，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(gè)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(shí)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(huì)出現(xiàn)酶活性和穩(wěn)定性變?nèi)醯那闆r。這塊在操作過程中值得注意。

2、氮?dú)馕?/p>

介孔材料的吸附等溫曲線按照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(shí)，在吸附等溫線上出現(xiàn)一個(gè)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(gè)前言學(xué)科，已成為當(dāng)今科學(xué)界研究的一個(gè)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。

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