[发明专利]一种多重氨基酸修饰ZIF-8的仿生酶材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种多重氨基酸修饰ZIF‑8的仿生酶材料的制备方法与应用。先将Zn(NO₃)₂·6H₂O溶解于有机溶剂中制备成ZIFs金属源化合物溶液，记为溶液A，再将2‑甲基咪唑和碳酸酐酶活性配体的组氨酸和苏氨酸溶解于水中，记为溶液B；将溶液A加入溶液B中搅拌混合均匀，放在超声反应釜中进行反应，然后离心，洗涤，静置，真空干燥，所得的白色粉末即为多重氨基酸修饰ZIF‑8仿生酶材料ZIF‑HT。本发明通过对CO₂有特异吸附能力ZIF‑8进行氨基酸修饰，构建具有类碳酸酐酶一级和二级分子结构的微环境，从而显著提升对CO₂的吸附‑催化转化能力。

技术领域

本发明涉及仿生酶生物材料领域，具体涉及一种多重氨基酸修饰ZIF-8的仿生酶材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着全球工业化的不断发展，化石燃料的过度消耗使得大气中CO₂排放量大幅增加，温室效应不断加剧导致自然环境被污染，并引发一系列社会和生态问题。CO₂的环境处理过程主要由CO₂的捕获、储存和利用等三部分组成，这其中如何提高CO₂利用效率一直备受科研工作者的关注。在各种CO₂捕获再利用方法中，生物利用法因能耗低和使用条件温和等原因而被广泛研究，这其中碳酸酐酶CO₂转化法是研究的热点。碳酸酐酶(carbonicanhydrase,CA)是目前已报道具有最高CO₂催化转化活性的生物酶，其能催化CO₂水合成碳酸氢盐和质子，从而实现对环境中CO₂的捕获和再利用。碳酸酐酶的一级活性中心是由Zn²⁺与碳酸酐酶中的多个组氨酸残基配位构成，该活性中心能通过夺取环境中的H₂O分子实现CO₂加成反应转化生成HCO₃^-的作用。在碳酸酐酶转化CO₂的过程中，“H₂O解离成羟离子”这一反应是主要限速步骤，碳酸酐酶通过在一级活性中心外层结构中引入苏氨酸残基，构建二级氢键网络结构，改结构可以加快H₂O解离成羟基离子这一步骤，这也是碳酸酐酶实现CO₂高效转化的关键因素之一。

碳酸酐酶作为生物酶也同样受限于pH值敏感性高、热和化学稳定性低、价格高昂和难以回收等问题生物酶工业应用中存在的共性难题。为此，很多研究者尝试基于合成碳酸酐酶纳米酶，利用纳米材料本身的高结构稳定性、利于回收和价格较低廉的优势开展CO₂催化转化利用研究，但目前的研究都仅限于模仿碳酸酐酶活性中性Zn和His的配位结构，关于仿生碳酸酐酶二级氢键网络结构的研究还未见报道，而碳酸酐酶二级氢键网络是实现H₂O解离成羟基离子的关键。MOFs(Zn)是一类由Zn²⁺与有机配体桥联而成的周期有序多孔晶体材料，作为一类典型的金属有机骨架材料，具有比表面积高、合成方法简单和生物相容性好等优点，已在气/液相吸附分离、生物小分子吸附、催化和检测等领域表现出巨大的潜力。其中，典型的MOFs(Zn)：ZIF-8，是由Zn离子与二甲基咪唑配体通过有序配位构建的金属有机骨架材料。在其原位合成过程中，通过组氨酸/苏氨酸的多重氨基酸修饰ZIF-8策略，实现构建具有二级氢键网络结构的大量高分散碳酸酐酶纳米酶活性位点，并且利用ZIF-8本身对CO₂具有的特异吸附能力，协同实现吸附-催化提高CO₂的转化效率。

发明内容

本发明针对目前合成的碳酸酐酶纳米酶与天然碳酸酐酶相比其催化反应速率依然较低的问题，通过组氨酸/苏氨酸对ZIF-8的多重修饰，构建具有类碳酸酐酶一级和二级分子结构的微环境，制备出对CO₂高效吸附-催化转化的碳酸酐酶纳米酶以及应用。

本发明的目的通过如下技术方案实现：