[发明专利]一种磁性固定化酶纳米反应器及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种磁性固定化酶纳米反应器及其制备方法与应用，先将氯化铁与氯化亚铁混合，在水相环境中反应合成四氧化三铁磁性纳米颗粒；所得反应物与聚多巴胺盐酸盐混合，合成表面附着聚多巴胺的四氧化三铁磁性纳米颗粒；利用pH循环法将酶包裹在表面附着聚多巴胺的四氧化三铁磁性纳米颗粒的外层，合成磁性固定化酶；进一步将磁性固定化酶与金属盐和咪唑类化合物反应，将所得产物进行干燥，即制得磁性固定化酶纳米反应器。本发明赋予酶催化剂易清洗、可重复使用的特性以及良好的耐有机和耐热能力。

技术领域

本发明属于生物催化技术领域，涉及生物催化剂酶，尤其涉及一种磁性固定化酶纳米反应器及其制备方法与应用。

背景技术

磁性纳米颗粒(Magnetic nanoparticles，MNPs)是在20世纪80年代以后发展起来的新型磁性材料，主要包括铁、锰、钴等元素和氧、硫组成的复合物。由于磁性纳米颗粒粒径小、比表面积大、吸附能力强、表面灵活易于修饰，因此在催化反应、生物分离、靶向载药、磁共振成像、分析化学等领域均得到了广泛应用。固定化酶在使用后通常需要经过离心分离或过滤等方法进行回收，在操作过程中容易造成催化剂的损失且复杂耗时。磁性固定化酶在完成催化后可使用外加磁场将其回收，并使用不同有机溶剂、盐溶液清洗，上述操作不仅方便快捷，还能降低成本。然而，磁性固定化酶在盐溶液中清洗或使用时，容易导致酶从磁性颗粒表面脱附，使其失去活性。

金属有机框架(Metal-organic frameworks，MOFs)是一种由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接而成的多孔晶体材料，且具有灵活性表面特性、较大的比表面积和孔体积。由于其独特的性质，包括可调节的孔隙率、极高的表面积和化学/热稳定性，以及较高的可重复利用性，金属有机框架在酶固定化方面有巨大的应用前景。根据合成方法，金属有机框架-酶复合材料可分为五种类型：表面物理吸附、表面共价连接、孔捕获、仿生矿化和共沉淀。表面吸附和共价连接很容易实现，通过物理和化学作用力将酶固定在金属有机框架表面，但是这两种方法对固定化酶均无保护作用，因为酶直接暴露于环境中很容易失活。孔捕获法固定化酶具有良好的重复使用性和稳定性，然而，由于大多数酶分子的尺寸都大于金属有机框架的孔径，能进入金属有机框架空腔的酶很少，因此不是一种通用的方法。共沉淀法包裹酶需要使用聚乙烯吡咯烷酮作为封盖剂，成本高、不易制备，且酶的生物活性温度范围小，稳定性差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磁性固定化酶纳米反应器及其制备方法与应用，利用磁性纳米颗粒和金属有机框架共同构建磁性固定化酶纳米反应器，通过外加磁场就可实现催化剂的回收利用，具有可磁力回收清洗并重复使用的特性以及良好的耐有机和耐热能力。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种磁性固定化酶纳米反应器的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将氯化铁及氯化亚铁与水混合，之后加热反应，得到四氧化三铁磁性纳米颗粒；

2)将四氧化三铁磁性纳米颗粒及聚多巴胺盐酸盐与缓冲液混合，之后搅拌反应，得到表面附着聚多巴胺的四氧化三铁磁性纳米颗粒；

3)将表面附着聚多巴胺的四氧化三铁磁性纳米颗粒及酶与水混合，之后先将pH值调至8.0-10.0并搅拌，再将pH值调至7.0-8.0并搅拌，得到磁性固定化酶；

4)将磁性固定化酶、金属盐及咪唑类化合物与水混合，之后搅拌反应，即得到所述的磁性固定化酶纳米反应器。

进一步地，步骤1)中，所述的氯化铁在水中的质量浓度为0.01-100g/L，所述的氯化铁与氯化亚铁的质量比为(0.1-10):1。

进一步地，步骤1)中，加热反应过程中，反应温度为100-200℃，反应时间为1-2000min，反应压力为2.5-3.5MPa。在上述数值范围内，不同反应温度和反应时间下都能合成四氧化三铁磁性纳米颗粒，区别在于颗粒的尺寸不同。