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分级多孔金属有机框架的制备及其固定化酶与吸附性能研究

分级多孔金属有机框架的制备及其固定化酶与吸附性能研究

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作者：陈艳霞西南交通大学

学位级别：硕士

金属有机框架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)因其具有可设计易调控的有序结构、高孔隙率、高比表面积等特点而备受研究者关注。然而,大多数MOFs的微孔结构仅适合于分离和吸附较小的客体分子,阻碍了大分子向MOFs活性部位的扩散。因... 详细信息

金属有机框架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)因其具有可设计易调控的有序结构、高孔隙率、高比表面积等特点而备受研究者关注。然而,大多数MOFs的微孔结构仅适合于分离和吸附较小的客体分子,阻碍了大分子向MOFs活性部位的扩散。因此,在微孔MOFs中引入中孔形成分级多孔不仅在一定程度上保留了一定的微孔结构,确保了高比表面积,又可以扩大部分孔径,有助于向大分子物种提供所需的可达性空间,并且最大限度的减少扩散障碍,提高吸附容量。故分级多孔MOFs结合了MOFs固有的特性和多级孔材料的优点,可应用于催化、吸附、传感、固定化酶等领域。基于此,本课题合成了两种空心分级多孔MOFs用于皱褶假丝酵母脂肪酶(Candida rugosa lipase,CRL)的固定化并作为生物传感器检测除草醚;并合成了Ni(Ⅱ)掺杂的分级多孔MOFs用于四环素的吸附。中空MOFs有较大的内部空隙,可以容纳大分子生物酶,分级多孔壳有助大分子物质的进入实现高负载率,同时壳层为酶提供了微环境,可以保护酶;掺杂金属Ni(Ⅱ)的分级多孔MOFs不仅增加了额外的金属位点,同时分级多孔提高了更多的活性位点,两者的共同作用提高了四环素的吸附容量。具体研究结果如下:(1)通过水热蚀刻法,获得空心分级多孔的Ui O-66-NH(Hollow hierarchical Ui O-66-NH,HH-Ui O-66-NH),经过FT-IR、XRD等一系列表征证实了样品的组成结构、形貌、孔径分布;然后将HH-Ui O-66-NH用于固定CRL,与微孔Ui O-66-NH相比,其酶负载量显著提高,最优条件下的载酶量为263.62 mg·g,通过米氏方程计算出V、K分别为0.103 m M·min、3.22 m M,循环实验显示了第8个循环后,固定在HH-Ui O-66-NH中的CRL能够保持其初始活性50%,作为生物传感器检测除草醚,其线性范围为(0-90μM),LOD为1.04μM。(2)以氧化亚铜为模板和提供金属源离子,先合成了核壳结构的CuO@Cu-BTC,然后通过蚀刻法去除模板,最后得到空心分级多孔Cu-BTC(Hollow hierarchical Cu-BTC,HH-Cu-BTC),经过FT-IR、XRD等一系列表征证实了样品的组成结构、形貌、孔径分布;然后将HH-Cu-BTC用于固定CRL,最佳载酶量为188.37 mg·g;米氏方程计算得出V、K分别为0.121 m M·min、2.95 m M;在稳定性实验中,固定化酶显示出了比游离酶高的稳定性;作为生物传感器检测除草醚,其线性范围为(0-78μM),LOD为1.15μM。(3)使用无模板法和引入金属Ni(Ⅱ)合成了Ni(Ⅱ)掺杂的分级多孔Cu-BTC,通过XRD、FT-IR、EDS等表征表明了材料的成功合成以及Ni(Ⅱ)的成功掺杂。Ni(Ⅱ)掺杂的分级多孔Cu-BTC用于吸附四环素,吸附实验表明,当掺杂量摩尔比Ni:Cu为1:2时,吸附容量最高为170 mg·g,吸附动力学和吸附等温线表明符合准二级动力学方程和Freundlich方程;吸附循环实验表明合成的吸附剂有良好的可循环性。

关键词：分级多孔金属有机框架酶固定化生物传感器吸附

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分级多孔金属有机框架用于酶固定化的研究

分级多孔金属有机框架用于酶固定化的研究

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作者：肖玉美西南交通大学

学位级别：硕士

生物催化是一种能催化产生高纯度产物的高效催化方式。皱褶假丝酵母脂肪酶(Candida rugosa lipase,CRL)是一种使用广泛的生物催化剂,可应用于水解、酯化、拆分和酯交换等各种催化反应中。然而,在实际的工业应用中,脂肪酶存在生产成本高... 详细信息

生物催化是一种能催化产生高纯度产物的高效催化方式。皱褶假丝酵母脂肪酶(Candida rugosa lipase,CRL)是一种使用广泛的生物催化剂,可应用于水解、酯化、拆分和酯交换等各种催化反应中。然而,在实际的工业应用中,脂肪酶存在生产成本高、稳定性差、回收和可重复使用性困难等问题。为了解决上述问题,将脂肪酶固定在载体上被认为是增强其催化稳定性、易于回收并提高重复利用度、以及显著降低成本的有效方法。金属有机框架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)是一种由金属离子或金属簇次级构建单元作为节点,有机连接基团作为配体,通过配位作用自组装构成的一种三维多孔材料。MOFs具有高孔隙率、比表面积大、生物相容性好、高稳定性以及结构可调等优势,可广泛应用于气体储存和分离、催化、药物递送、超级电容器以及酶的固定化等领域。目前,已有研究将MOFs材料作为酶固定化的载体,其中共价交联和物理吸附是将脂肪酶固定在载体上较为常用的方法。共价交联法需要先将MOFs进行功能化,再与酶进行交联,方法较为复杂,且MOFs功能化后孔隙率降低从而最终影响酶的微环境以及载酶量;而物理吸附则通过简单的浸泡就能使脂肪酶成功地负载,然而,绝大部分MOFs均只具有微孔结构(微孔孔径金属,均苯三酸作为配体的经典MOFs。本课题通过一元羧酸作为调节剂,在溶剂热条件下,诱导HKUST-1产生同时具有微孔和介孔的分级多孔结构,并将其用于脂肪酶的固定化研究。实验表明,与普通的未诱导前的微孔HKUST-1相比,分级多孔HKUST-1的最大载酶量为122.0 mg·g,约为微孔HKUST-1载酶量的2.57倍。分级多孔HKUST-1对脂肪酶的负载量有显著提升。此外,固定在分级多孔HKUST-1上的脂肪酶的p H和温度稳定性较游离脂肪酶有明显的增强。为了进一步探究分级多孔MOFs在固定化酶的应用,选取了以Zn作为金属,2-甲基咪唑作为配体的ZIF-8,使用水凝胶作为模板剂制备了具有分级多孔结构的ZIF-8。分级多孔ZIF-8对脂肪酶的负载量约为微孔ZIF-8的2.68倍,并且固定在分级多孔ZIF-8上的脂肪酶的稳定性也得到了显著的提高。以上结果说明,分级多孔MOFs是一种可用于固定大分子酶的理想平台。在实验过程中发现,由于MOFs具有高分散性,其回收利用的过程中只能通过较高速的离心才能较好地收集,这样会对酶活性产生一定影响,使酶活性降低。故在MOFs中引入具有磁性的FeO纳米粒子,通过外加磁铁对MOFs-酶复合物进行快速地收集,可使固定化酶迅速地从混合物溶液中分离,达到回收再利用的目的。使用水热法合成带有羧酸基团的FeO纳米粒子,通过Zn与羧基的配位作用,能使ZIF-8晶体生长在上面。在合成过程中,通过添加十六烷基三甲基溴化铵作为模板剂,组氨酸作为辅助剂,合成了具有分级多孔结构的磁性ZIF-8,其对脂肪酶的负载量约为微孔磁性ZIF-8的2.51倍。并且合成的分级多孔磁性ZIF-8的磁响应性较好,能够通过磁铁快速地对固定化酶进行回收利用,在反应循环10次后,固定化酶的剩余酶活性能达到65%。

关键词：分级多孔金属有机框架磁性脂肪酶酶固定化

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