多级孔二氧化硅的合成及在酶固定化中的应用研究

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多级孔二氧化硅由于其特有的物理化学性质,大的比表面积以及可调的介孔结构,在酶的固定化中表现出极大的应用前景。多级孔二氧化硅内部具有多尺度孔道,其中大的孔道可以实现酶分子的有效固载,而小的孔道可以充当反应物分子的传输通道,因而可以显著提高酶分子的固载效率以及固定化酶的生物催化活性。目前,合成多级孔二氧化硅的方法存在合成材料的形貌不易控制,模板材料往往较贵,多种模板剂的竞争作用较难控制,合成过程比较复杂等问题。本论文致力于多级孔二氧化硅材料合成新方法的探索并研究其在酶固定化中的应用研究,开展了以下研究工作:(1)介孔SBA-1的合成及对溶菌酶的固载性能研究以带相反电荷阴离子聚电解质聚丙烯酸(PAA)和阳离子表面活性剂氯代十六烷基吡啶(CPC)与所形成的介晶复合物为动态模板,正硅酸丙酯(TPOS)为硅源,在碱性条件下,合成具有立方孔结构的SBA-1纳米颗粒。通过在合成中引入1,3,5-三甲苯(TMB)扩孔剂,合成介孔孔径在2.5 nm-5.3 nm范围内可调节的单分散介孔SBA-1纳米颗粒;以合成的不同孔径的SBA-1纳米颗粒为载体材料,溶菌酶为典型生物酶分子,考察并比较了各种载体材料对溶菌酶的固定化性能。研究表明,具有合适孔径和介孔有序性的介孔SBA-1纳米颗粒在溶菌酶的固定化中表现出优异的固载性能和低的酶渗漏率。(2)多级孔结构SBA-1的合成及对木瓜蛋白酶的固载性能研究以更加廉价的阴离子聚电解质聚(甲基乙烯基醚-alt-马来酸)(P(MVE-alt-MA))与阳离子表面活性剂CPC形成的介晶复合物为模板,正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,成功制备出了多级孔结构的有序介孔SBA-1(HSBA-1)。合成的HSBA-1具有着良好形貌和规则有序立方相笼状孔结构,且材料的内部同时具有平均孔径为2.9 nm有序介孔和27 nm的泡沫状介孔。另外,我们以木瓜蛋白酶作为客体酶,HSBA-1为载体,研究多级孔结构介孔SBA-1对酶的固载性能。结果表明,HSBA-1对木瓜蛋白酶的吸附具有快速的吸附动力学,而且在p H为8.5条件下HSBA-1对木瓜蛋白酶具有最大的吸附量。以游离酶和HSBA-1对木瓜蛋白酶的吸附量为215mg/g的固定化酶为考察对象,通过比较游离酶和固定化酶的催化性能,发现相比于游离酶,固定化酶的热稳定性以及p H的稳定性有了明显的提高。(3)空心介孔二氧化硅的合成设计合成了一种表面具有季铵盐基团的聚苯乙烯-co-聚4-乙烯苯基-N,N-二乙基胺盐酸盐(PS-co-PVEAH)核壳结构聚合物微球,并以其作n Pm3为模板,在十六烷基三甲基溴化铵的存在下,通过TEOS在聚合物微球表面溶胶-凝胶技术制备空心介孔二氧化硅微球(HMSMs)。由于PS-co-PVEAH核壳聚合微球表面具有Lewis碱性质的季铵盐基团,使得TEOS的溶胶-凝胶过程仅发生在聚合物微球表面,而CTAB则作为HMSMs壳层的介孔模板,去除模板后,得到HMSMs。另外,通过调节模板PS-co-PVEAH核壳结构聚合微球的尺寸,合成空心核尺寸在256nm-148 nm,壳厚度在9 nm-16 nm范围内可调节的HMSMs。
摘要第4-6页
ABSTRACT第6-7页
第一章 绪论第10-22页
    1.1 引言第10页
    1.2 固定化酶的研究进展第10-14页
        1.2.1 酶固定化方法第10-12页
        1.2.2 固定化酶的活性指标第12-13页
        1.2.3 载体的选择第13-14页
    1.3 多级孔二氧化硅的合成第14-19页
        1.3.1 后处理法第14-15页
        1.3.2 双模板法第15-18页
        1.3.3 聚电解质-表面活性剂结晶复合物模板法第18-19页
    1.4 多级孔二氧化硅在酶固定化中的应用第19-20页
    1.5 本课题的研究意义和研究内容第20-22页
        1.5.1 本课题的研究意义第20页
        1.5.2 本课题的研究内容第20-22页
第二章 介孔SBA-1 的合成及对溶菌酶的固载性能研究第22-36页
    2.1 引言第22-23页
    2.2 实验方法第23-24页
        2.2.1 介孔SBA-1 颗粒的合成第23页
        2.2.2 介孔SBA-1 颗粒的扩孔改性第23页
        2.2.3 溶菌酶的固载实验第23-24页
        2.2.4 固定化溶菌酶的渗漏实验第24页
        2.2.5 固定化酶活性的测试第24页
    2.3 结果与讨论第24-35页
        2.3.1 介孔二氧化硅SBA-1 纳米颗粒的合成与表征第24-27页
        2.3.2 介孔SBA-1 纳米颗粒的扩孔改性第27-30页
        2.3.3 介孔SBA-1 纳米颗粒对溶菌酶的固载性能研究第30-32页
        2.3.4 固定化酶的渗漏实验第32-33页
        2.3.5 固定化酶的活性测试第33-35页
    2.4 本章小结第35-36页
第三章 多级孔结构SBA-1 的合成及对木瓜蛋白酶的固载性能研究第36-45页
    3.1 引言第36-37页
    3.2 实验方法第37-38页
        3.2.1 HSBA-1 单晶颗粒的合成第37页
        3.2.2 HSBA-1 单晶颗粒木瓜蛋白酶的固定化动力曲线第37页
        3.2.3 pH对HSBA-1单晶颗粒固定化木瓜蛋白酶的影响第37页
        3.2.4 固定化酶的热稳定性第37-38页
        3.2.5 固定化酶的pH稳定性第38页
    3.3 结果与讨论第38-44页
        3.3.1 HSBA-1 颗粒的合成第38-40页
        3.3.2 HSBA-1 固定化木瓜蛋白酶吸附动力学第40-41页
        3.3.3 pH对HSBA-1 固定化木瓜蛋白酶的影响第41-42页
        3.3.4 固定化酶的热稳定性第42-43页
        3.3.5 pH对固定化酶活性的影响第43-44页
    3.4 本章小结第44-45页
第四章 空心介孔二氧化硅微球的合成第45-54页
    4.1 引言第45-46页
    4.2 实验方法第46-47页
        4.2.1 N4乙烯苯基-N, N-二乙基胺(VEA)单体的合成第46页
        4.2.2 PS-co-PVEAH核壳结构聚合微球的合成第46-47页
        4.2.3 空心介孔二氧化硅的合成第47页
    4.3 结果与讨论第47-53页
        4.3.1 空心介孔二氧化硅(HMSMs)的合成第47-50页
        4.3.2 空心介孔二氧化硅(HMSMs)的尺寸控制第50-53页
    4.4 本章小结第53-54页
第五章 全文总结第54-57页
参考文献第57-63页
附件1 主要的试剂、实验仪器及表征仪器第63-65页
附件2 实验试剂的配制第65-66页
攻读学位期间主要的研究成果第66-67页
致谢第67页
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