一种碳纳米管/泡沫碳支载固定酶的合成研究

摘要

设计带有新颖结构和高活性的固定酶长期以来是蛋白质工程追求的目标。溶液蛋白质是非常脆弱的大分子，难以回收并重复使用。因此，酶通常被固定在载体上，特别是在工业应用中，用以进行回收并改善在各种反应条件下的操作稳定性。但是，多孔载体常遇到孔道上的两难问题。小孔材料能够承担很高的酶负载量，但会使所需底物遇到很大的扩散困难。因此，有效解决这些问题就需要发展出一种高表面积与大孔径兼备的块状载体。
　　本文以苯酚和甲醛为原料，在发泡剂正戊烷和均泡剂温80的存在下，制备出甲阶酚醛树脂前驱体。这种前躯体实际上是一种聚合物泡沫体。该泡沫体随后经高温炭化形成泡沫碳。泡沫碳能够解决有关扩散难和孔阻塞问题，它使底物和产物的快速扩散成为了可能。研究表明，在被优化的最适条件下所添加的试剂比例为V正戊烷/V酚醛树脂=0.3和V吐温80/V酚醛树脂=0.15。
　　接下来，将一块泡沫碳在碳纳米管悬浮液中孵育便会在泡沫孔洞的内壁沉积上一层碳纳米管膜。碳纳米管作为纳米级柱状的碳同素异形体，是一种拥有大表面积的特殊材料。被碳纳米管修饰的泡沫碳其比表面积将会大幅度的提高。
　　最后，胰蛋白酶被固定在所合成的碳纳米管/泡沫碳复合体上;它的负载能力达到了124.1mg/g。以N-α-苯甲酰-DL-精氨酸-p-硝基苯胺作为底物，用胰蛋白酶切开精氨酸与p-硝基苯胺之间的化学键，此过程可被UV-vis光谱监测。有关固定酶所得到的数据可以与溶液酶所得到的结果相比较。来自催化动力学的数据表明，在米氏动力学方程中，胰蛋白酶/纳米管/泡沫复合体有着比溶液酶更高的Vmax值。但由于固定的胰蛋白酶在Km值上小于自由酶，使其催化活力仍未达到后者的水平。
　　我们考察了影响固定酶的重要因素，它们是温度、pH值、热稳定性、储存稳定和重复使用性。结果表明，固定酶在不同的温度和pH条件下更加稳定。固定酶和溶液酶在4℃下的半衰期分别为28天和12天，这意味着胰蛋白酶的储存能力有了很大的提高。对于这种固定酶，使用11次后仍然保持了原来活性的60％。
　　对碳纳米管修饰的泡沫碳的进行电化学性质的初步测量为在电容器和传感器方面制造新型电极提供证据。在0.5MNa2SO4溶液中，扫描速率为2mV/s，测得最大比电容为75F/g。我们推测如果将泡沫碳在高温下完全石墨化，其电容将会得以进一步提高。
　　合成的碳纳米管/泡沫碳的独特形貌和结构可用于构建拥有大表面和大孔泡沫的载体，它们在酶固定化和电极材料上具有潜在的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 前言

第一节 固定化酶

1．1．1 固定化酶的方法

1．1．2 新型载体

第二节 泡沫碳

1．2．1 概述

1．2．2 泡沫碳的制备

1．2．3 泡沫碳的应用

第三节 碳纳米管

1．3．1 概述

1．3．2 非共价法固定酶

1．3．3 共价键方式固定酶

第四节 本研究课题的提出

参考文献

第二章 泡沫碳合成及碳纳米管修饰

第一节 引言

第二节 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 仪器

2．2．3 步骤

第三节 结果与讨论

2．3．1 酚醛树脂泡沫体

2．3．2 泡沫碳

2．3．3 碳纳米管修饰

2．3．4 影响泡沫碳结构的因素

2．3．5 泡沫碳结构对固定酶的影响

第四节 本章小结

参考文献

第三章 酶在泡沫碳中的固定化

第一节 引言

第二节 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 仪器

3．2．3 实验方法

第三节 结果与讨论

3．3．1 酶固定化

3．3．2 酶固定化泡沫碳的形貌

3．3．3 酶的负载量

3．3．4 酶最适pH值

3．3．5 酶的最适温度

3．3．6 酶的热稳定性

3．3．7 固定化酶的重复使用率

3．3．8 固定化酶的储存稳定性

3．3．9 固定化酶的反应动力学

第四节 本章小结

参考文献

第四章 碳纳米管修饰泡沫碳的电化学性能研究初步

第一节 引言

第二节 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验步骤

第三节 结果与讨论

4．3．1 循环伏安曲线分析

4．3．2 电容性能

第四节 本章小结

参考文献

总结论

致谢

作者简历