[发明专利]一种可再生的磁性固定化酶载体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于固定化酶技术领域，具体涉及一种可再生的磁性固定化酶载体及其制备方法。

背景技术

酶是一类生物催化剂，绝大多数酶的化学本质是蛋白质。与化学催化剂相比，酶具有专一性强、催化效率高、反应条件温和、活性可控等优点。但是酶不稳定，极易受外部坏环境影响而失去催化活性。另外，大多数酶为水溶性，导致其在催化反应后不易与底物和产物分离，不仅影响产物的纯度同时也使酶不能重复利用，这增加了酶在工农业应用中的成本。

固定化酶技术的出现为克服酶的上述缺点和为酶的大规模应用提供了有效途径，是酶工程最为活跃的研究领域之一。固定化酶技术是酶工程的一个重要分支，是指通过物理或/和化学方法，将水溶性酶固定在特定的载体上或将酶限制在一定的空间范围内从而限制酶分子的运动，但仍然允许酶发挥其催化功能且反应后酶可重复使用的一种技术。与游离酶相比，固定化酶在保留水溶性酶优点的同时，获得了可重复利用、稳定性好、活性提高、工艺简单、可规模化应用等优点。

固定化酶载体及酶与载体的固定化工艺是固定化酶的两个关键技术。载体材料的结构和性能对固定化酶的性能有着巨大的影响。设计和开发性能优异、符合特定需求的载体材料是目前固定化酶研究领域的一个重点和热点。随着材料科学和酶固定化技术的发展，固定化酶载体材料已从起初的天然高分子材料向无机材料、合成高分子材料及复合材料等方向发展。近年来，磁性纳米材料由于其自身的优点，在生物医学、环境科学、催化等领域的应用潜力越来越受到人们的关注。作为固定化酶载体，磁性纳米材料不仅具有纳米材料所特有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应而且还具有磁响应性，使固定化酶在外部磁场的作用下易从反应体系中分离和回收；另外，也可以通过外磁场控制固定化酶在反应体系中的运动方向，这可以用来提高酶的催化效率。目前，已有文献和专利报道了磁性纳米颗粒用作固定化酶的载体。相关酶包括乙醇脱氢酶、葡萄糖氧化酶、氯过氧化物酶等。酶与磁性纳米粒子组装构建的固定化酶实现了反应后，在外部磁场下酶从反应体系中的快速分离，以及酶的循环利用。此外，相对于微米级的酶载体，纳米材料由于其比表面积的增加具有更高的酶负载能力，从而有利于催化效率的提高。另一方面，以物理吸附方式固定化的酶，亲和性不高，容易导致催化反应或者循环催化过程中酶从载体上脱离，这样就大大降低了酶的循环利用次数。另外，将酶通过共价方式直接与磁性纳米粒子连接，容易导致酶的活性和稳定性降低，同时在这种情况下磁性纳米粒子之间很容易聚集，分散性差。

通过磁性纳米粒子表面功能化修饰或构建磁性纳米复合材料（如具有半导体外壳的复合磁性纳米颗粒、各种功能基团修饰的纳米复合微球等）可以提高固定化酶在溶液中的分散性，同时有效提高共价固定化酶的稳定性。Xin Gao等制备了二氧化硅包被的磁性纳米粒子，共价连接β-内酰胺酶后，发现其稳定性有了很大提高(Chem.Commun.,2003,24,2998-2999);Wen Wang等合成了具有高分子外壳的磁性纳米粒子作为过氧化物酶的载体，这种磁性酶载体在酶的活性和多次循环利用方面都有很大的优越性(J.Am.Chem.Soc.,2009,131,12892–12893)。于洪巍等发明了一种磁性共价固定化酶载体的制备方法(专利号：201110201473)，通过对磁性纳米粒子表面的修饰，实现了载体与酶分子间的共价偶氮连接。

以上磁性纳米复合材料载体具有显著的优点，但其不足也十分明显，如这些载体的生物相容性有待进一步提高，而载体的生物相容性与固定化酶的活性直接相关；另一方面，当荷载的酶经过多次循环催化反应后活性会逐渐降低甚至失活，最终导致这些载体的弃用，而新载体的合成必然提高生产成本。

二氧化钛（TiO₂）是一种无毒、坏境友好的生物相容性材料，在生物医学领域具有广泛的应用前景。2012年，Wan Fu Ma等人利用磁性TiO₂纳米颗粒（Fe₃O₄@TiO₂NPs）的TiO₂能和磷酸化多肽的磷酸根基团非共价作用的特性，从生物样本中富集和分离磷酸化多肽(ACS Nano,2012,6,3179-3188.)。另外，TiO₂因具有优异的光催化活性，被广泛用于有机污染物和微生物的光降解(Chemical Reviews,1995,95,735-758.)。因光催化引起的自清洁特性为TiO₂载体材料的再生利用提供了一条非常简单而有效的途径。