埃洛石纳米管表面改性及其固定漆酶性能研究

摘要

储量丰富、绿色环保的埃洛石纳米管(HNTs)具有特殊的管状结构、良好的生物相容性和稳定的物化性能，因此在生物酶固定化领域颇具应用潜力。HNTs在染料吸附、相变材料、生物传感、药物缓释和复合材料制备等方面的研究已经比较深入，但是在酶固定化领域的系统研究还不够完善。国内外的研究者普遍关注HNTs空腔结构(Lumen)吸附固定酶，但Lumen的空间有限且HNTs容易发生团聚，导致固定过程中传质阻力增大、游离酶的固定量偏低。鉴于此，本文着重围绕改善埃洛石纳米管的分散性及提高固定酶的负载量展开，首先采用两种方法对HNTs的外表面改性，分别制备表面带有缺陷、活性点位增多的埃洛石纳米管(RHNTs)和表面荷正电、电荷密度增大的埃洛石纳米管(PHNTs)，进而研究这些载体的固定酶性能。为拓宽生物酶的工业化应用，有利于固定酶的回收和批次使用，本文制备了微米级的多孔埃洛石复合微球和毫米级的多孔埃洛石复合颗粒。微球或颗粒内部HNTs的层状结构和聚合物的孔道网络结构并存，为酶蛋白分子提供传质通道和结合位点，同时为后续酶促反应提供良好的固态缓冲保护。
　　本文选取漆酶作为酶固定的研究对象，具体研究内容如下：
　　(1)RHNTs的制备及固定酶性能研究：HNTs光滑外表面，粘附力弱，晶面缺陷较少，与氨基残基作用的点位较少。受高温活化和选择性腐蚀的启发，首次探索NaNO3/Na2CO3熔盐体系对纳米管表面的固态改性。熔融状态下的Na2CO3腐蚀硅氧片层中的二氧化硅，通过调控HNTs:NaNO3:Na2CO3的比例可实现对HNTs外表面的可控腐蚀改性，成功制备有机物含量降低、表面粗糙、活性位点较多的埃洛石纳米管RHNTs。研究结果表明 RHNTs保持完整管状结构，管壁粗糙且分散性明显改善，说明表面基团和活性位点都有不同程度的增加。RHNTs的漆酶固定量为37.55 mg/g，高于HNTs的固定量21.46 mg/g；对比游离漆酶，RHNTs固定酶在pH耐受、温度耐受、热稳定性方面都略有改善。说明HNTs表面基团及粗糙程度的改变，有利于提高酶固定量和改善固定酶稳定性。
　　(2)PHNTs的制备及固定酶性能研究：聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)是一种环境友好型的阳离子聚电解质，与 HNTs之间存在静电引力。通过改变PDDA的浓度和反应时间，制备表面荷正电、电荷密度增大的PHNTs。研究结果显示PDDA通过静电引力已经成功覆盖在HNTs表面，形成均匀沉积的PDDA纳米膜。将PHNTs用于漆酶的固定化发现，PHNTs的漆酶固定量为41.28 mg/g，酶活收率为82.67％。对比游离漆酶，PHNTs固定酶在pH耐受、温度耐受、尤其是热稳定性方面均有明显改善。以ABTS为底物的重复利用性研究中，循环10次后，固定化漆酶的活性保持在初始活性的一半以上。在处理2,4-DCP废水实验中，PHNTs固定酶能够在6 h内降解81.66%的污染物。研究结果表明PDDA改性后载体表面粘附性增大，正电荷密度变大，活性基团增多，为游离酶的固定提供足够多的结合点位和较高的电荷密度，以之为载体的固定酶也在重复利用性方面有良好的表现。
　　(3)多巴胺仿生复合微球的制备及固定酶性能研究：以埃洛石纳米管和壳聚糖为原材料，油酸液滴为软模板，通过静电自组装搭接具有3D架构的复合微球。接着用乙醇洗去软模板，利用多巴胺的自聚合作用加固微球结构及改善热稳定性。结果表明复合微球具有较大比表面积(114.6 m2/g)，表面成功接枝邻醌、邻苯二酚和氨基基团，以之为载体固定酶活性较高且在载体中均匀分布。该微球的漆酶固定量高达311.2 mg/g，远远超过同类文献报道的固定量。复合微球固定酶的热稳定性、贮存稳定性和循环利用性也得到显著改善，固定酶贮存50天后仍能保留75%的初始酶活。在2,4-DCP废水降解实验中，1h去除率即可达到62%，能够实现对有机污染物的快速有效降解。因此多巴胺仿生复合微球适合用于酶固定化，良好的操作稳定性和重复利用性也表明该微球在工业应用中颇具潜力。
　　(4)聚乙烯醇复合颗粒的制备及固定酶性能研究：聚乙烯醇(PVA)具有其均匀有序的孔结构和良好的生物相容性，常被用作酶固定化载体。PVA分子内富含羟基，可与游离氨基形成氢键实现游离酶的固定化。但PVA的热稳定性较差，掺杂适量HNTs可以改善复合材料的机械强度和热稳定性。研究结果表明HNTs在PVA的结构导向作用下，沿着聚合物的网络有序排列，形成具有开放孔道结构、微米孔和纳米孔共存的复合颗粒。将PVA/HNTs用于漆酶的固定化发现，复合颗粒固定漆酶的固定量237.02 mg/g远远高于原始HNTs的21.46 mg/g。PVA/HNTs复合颗粒的 pH耐受性、温度耐受、热稳定性和储存稳定性均有明显改善。在固定化漆酶/电子介体体系中，复合颗粒固定漆酶对非酚类废水的去除率4.5小时达到93.41%且具有良好的重复利用性。说明PVA/HNTs复合颗粒是酶固定的优良载体，在活性染料降解领域有广阔的工业应用前景。

目录

声明

1 绪论

1.1引言

1.2 埃洛石纳米管

1.3 酶固定技术

1.4 载体的选择

1.5 固定酶的性质

1.6 漆酶简介

1.7 研究内容与创新性

2 酶学性能测试方法

2.1 实验材料

2.2 漆酶的酶活测定

2.3 载体固定量的测定

2.4 米氏常数的测定

3 熔盐法改性HNTs及其酶固定性能

3.1 前言

3.2 实验材料

3.3 实验方法

3.4 结果与分析

3.5 本章小结

4 PDDA改性HNTs及其酶固定性能

4.1 前言

4.2 实验材料

4.3 实验方法

4.4 结果与分析

4.5 本章小结

5 HNTs仿生微球的制备及其酶固定性能

5.1 前言

5.2 实验材料

5.3 实验方法

5.4 结果与分析

5.5 本章小结

6 PVA/HNTs复合颗粒的制备及其酶固定性能

6.1 前言

6.2 实验材料

6.3 实验方法

6.4 结果与分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

个人简历

学术论文

致谢