[发明专利]一种耐高温和有机溶剂的生物－无机杂化材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于固定化酶技术领域，特别是提供了一种耐高温和有机溶剂的生物-无机杂化材料及其制备方法，在高温下和有机溶剂中具有较高催化活性的生物-无机杂化材料的制备方法。

背景技术

酶作为一种优良的生物活性物质在很多领域中都展现出了优秀的性能，但是其稳定性较差，在较高温度条件下和有机溶剂中都较易失去活力，这使得其应用受到了很大程度的限制。针对这些问题，人们提出了固定化酶技术，固定化酶技术又分为吸附法，共价偶联法，交联法，包埋法四大类。其中吸附法具有制作条件温和，简单等优点，但酶易脱落，固定量小；共价偶联法具有结合力强的优点，但其激烈的固定化条件易于使酶失活；交联法也具有结合力强，稳定性高的优点，但其交联条件激烈，且机械性能差；包埋法条件温和，使用面较广，但扩散等问题严重。因此，提出新的固定化方法和开发新的固定化材料已成为当务之急。

“自组装”作为近年来提出的一种“软合成”手段在越来越多的领域得到了应用。所谓自组装，是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装过程并不是大量原子，离子，分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用。采用自组装方法固定化酶将有利于酶与载体材料的有效复合，从而得到一种理想的杂化材料。

无机纳米层状材料凭借其表面性质可调，机械性能稳定，热稳定性良好等优异的性能，受到了人们越来越多的关注，已经成为物理、化学、材料等领域的研究热点之一。对于剥离后的无极纳米层状材料，其形成的稳定胶体溶液使得自组装过程易于进行，另外，其层间区域完全开放，能实现酶的大量固定化，且其层板会对酶分子起到很好的保护作用，从而提高酶的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温和有机溶剂的生物-无机杂化材料及其制备方法，扩宽酶的应用范围，解决传统酶固定化方法中存在的问题。该方法工艺简单，成本低廉，且得到的杂化材料结构可调，适宜规模化生产。

本发明的水滑石与酶组装的生物-无机纳米杂化材料的组成为：以剥离水滑石纳米片为载体，与具有生物活性的血红蛋白进行组装，得到一种生物-无机纳米杂化材料，其中酶与水滑石的质量比为1∶1～30∶1；优选范围为1∶1～1-4，最优的为2∶1。应用于以双氧水为氧化剂邻苯二胺生成2，3-二氨基吩嗪反应中，以水为反应介质90摄氏度下的酶活保持率为自由酶的7.71-18.57倍，常温下甲苯介质中的酶活保持率为自由酶的2.83-5.75倍。水滑石与血红蛋白的静电自组装、材料结构和分散度可调控、催化剂的在高温和有机溶剂中的酶活保持率高。

本发明以剥离水滑石为无机载体，与血红蛋白进行自组装得到生物-无机纳米杂化材料，通过调变组装时间与干燥条件，可以得到不同结构的生物-无机纳米杂化材料。具体工艺步骤如下：

a.制备剥离水滑石。采用共沉淀法，使用碱溶液滴加入硝酸镁和硝酸铝混合盐溶液中，得到乳酸插层的Mg/Al＝2/1的水滑石浆液，其中溶剂为水。将浆液洗涤至中性，分散到水中，回流搅拌，直至得到完全澄清透明的胶体溶液。此胶体溶液即为剥离水滑石溶液。

步骤a中所有过程均在氮气保护下进行，所用水均为去二氧化碳去离子水。

步骤a中所得到的剥离水滑石溶液为5.033g/L。

在共沉淀法制备乳酸插层的Mg/Al＝2/1的水滑石时，通过对碱滴加条件的改进，可以用乳酸代替常规的乳酸盐。

b.剥离水滑石与酶组装制备生物-无机杂化材料：称取酶0.1066g-3.198g，加入100ml缓冲溶液，再加入20ml剥离水滑石胶体溶液，酶与水滑石的质量比为1∶1～30∶1，在25-40摄氏度水浴搅拌条件下，组装10秒-10小时，优选10秒-4小时，最优为10秒；常温真空干燥或者冷冻干燥，得到生物-无机纳米杂化材料。

步骤b中所有过程均在氮气保护下进行，所用水均为去二氧化碳去离子水。

步骤b中所用缓冲溶液的pH值为pH＝7-10，优选pH＝8-9，最优为pH＝8.5。

组装时间为10秒-4小时，这考虑到了不同的组装时间对固定化酶活力的影响，发现短时间组装有利于酶催化活力的保持。对比干燥条件，发现冷冻干燥较常温真空干燥更有利于酶催化活力的保持。