一种铁单原子纳米酶反应器的制备及其在合成α-酮戊二酸中的应用制造技术

一种铁单原子纳米酶反应器的制备及其在合成α‑酮戊二酸中的应用属于纳米材料制备及其生物化工应用领域。本发明专利技术通过表面包覆L‑谷氨酸氧化酶形成纳米酶反应器并将其应用于分解底物L‑谷氨酸钠，发挥其类过氧化氢酶活性，快速有效地清除系统产生的副产物H

Preparation of an iron monatomic nanoenzyme reactor and its application in the synthesis of \u03b1 - ketoglutarate

【技术实现步骤摘要】
一种铁单原子纳米酶反应器的制备及其在合成α-酮戊二酸中的应用
本专利技术属于纳米材料制备及其生物化工应用领域，特别涉及铁单原子纳米酶反应器构建。
技术介绍
催化在科学研究和工业应用中均发挥了重要的作用，超过90％的化学品是通过催化过程制造的。截至目前，约有20项关于催化的研究获得诺奖。鉴于其巨大的潜力可以帮助创造可持续的未来，对催化的学术兴趣持续增长。近年来，无机纳米催化剂因成本低、易制备、环境友好等优点受到了广泛关注，该领域的最新突破是能够构建分散在许多不同类型载体上的孤立单原子位点，金属单原子与载体构成了新的催化剂家族，对总体催化性能有了空前影响，其特征是具有确定的活性中心和最大的原子利用率。这些催化剂中的金属位点通过与固态载体上的配位原子化学键锚定，金属位点的隔离导致原子利用率接近100％，该特点使其具有取代化学品绿色合成中的传统催化剂尤其是天然酶的经济性和实用性优势。此外，纳米酶具有比表面积大，活性位点可控、重复利用率高等优势，在化学品合成的纳米酶反应器构建中显示出巨大的潜力。α-酮戊二酸作为一种化学中间体，在医药、有机合成、营养强化剂等领域有着重要的应用价值，目前合成该中间体的方法有化学合成法、全细胞转化法、酶法等，例如，CN103911400A、CN104152498A公开了一些基于微生物培养与合成生物学技术提高α-酮戊二酸转化率的体系建立，解决了化学合成法生产的步骤繁琐、产率低、环境污染严重的问题，但这些方法面临成本高、产物容易被微生物摄取利用、市场效益低等问题，工业化应用仍存在困难。<br>近年来，在生物催化工业生产体系中，以廉价的L-谷氨酸钠为底物，采用L-谷氨酸脱氨酶或L-谷氨酸氧化酶来催化生产α-酮戊二酸，如CN105331642A公开了一种L-谷氨酸氧化酶催化生产α-酮戊二酸的方法，其简单、快速、高效生产的优势引人注目，但酶的稳定性、中间产物的传递及底物、产物抑制等都是限制转化效率的重要因素。因此，在这里我们模仿天然的纳米酶反应器，构建人工铁单原子酶组装体，可有效负载L-谷氨酸氧化酶完成催化过程并原位清除副产物H2O2，防止终产物α-酮戊二酸被氧化为丁二酸，从而提高α-酮戊二酸产率。此外，经负载后的L-谷氨酸氧化酶热稳定性以及pH耐受性得到了改善，同时解决了将生物酶与催化产物分离回收困难的问题，有效提高了整个纳米酶反应器的催化效率。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种铁单原子纳米酶反应器，及其构建方法。本专利技术另一个目的是提供一种高效合成α-酮戊二酸的铁单原子纳米酶反应器体系。铁单原子纳米酶反应器具有如下特征：(1)较为均一的尺寸，粒径约为140～180nm。(2)较大比表面积，BET面积表面积为970.6383m2/g。(3)较高的类过氧化氢酶活性。本申请采用如下方案实现上述目的。根据本专利技术提供的铁单原子纳米酶反应器，优选地，所述的铁单原子纳米酶反应器本身具有优异的类过氧化氢酶活性，具备在较广pH范围内均能将底物H2O2分解的特性，更优选地，所述的铁单原子纳米酶通过负载L-谷氨酸氧化酶形成铁单原子纳米酶反应器，可有效催化底物L-谷氨酸钠分解为α-酮戊二酸，最优选地，所述的铁单原子纳米酶反应器可原位消耗副产物H2O2，防止α-酮戊二酸被氧化从而大大提升转化率，具有高效、快速、可重复利用和环境友好等优势。本专利技术还提供了上述铁单原子纳米酶反应器的制备方法，包括如下步骤：(1)首先将1.5～5.0g六水合硝酸锌溶于150～300mL甲醇中，再加入65～150mg六水合硫酸亚铁铵，搅拌5～10分钟，将2.0～5.0g2-甲基咪唑溶于150～300mL甲醇后搅拌10～15分钟，随后将上述两批溶液混合并置于搅拌器(转速为300～350转/分钟)上搅拌18～24小时，通过离心方法分离得到铁掺杂的沸石咪唑结构ZIF-8，将该固体产物用乙醇洗涤2～4次，置于40～60℃真空干燥箱中干燥6～12小时。(2)将步骤(1)得到的干燥固体研磨后置于管式炉中，将系统温度设置为800～1000℃(升温速度5℃/分钟)在1～2小时内完成热裂解合成铁单原子纳米酶，然后待管式炉冷却至室温取出固体。(3)将步骤(2)中得到的材料取出置于PBS缓冲液中(pH＝7.0，室温)，超声10～30分钟，以铁单原子纳米酶与L-谷氨酸氧化酶质量比10:1～15:1添加混匀后以130转/分钟放入4℃摇床内恒温震荡2～4小时，随后以转速为5000转/分钟离心弃去上清获得载有L-谷氨酸氧化酶的铁单原子纳米酶反应器。根据本专利技术的制备方法，在步骤(1)中，添加的六水合硝酸锌、2-甲基咪唑与甲醇溶液的比例可调，当甲醇与六水合硝酸锌摩尔比为980:1，～1300:1时，制得的铁单原子纳米酶对应尺寸分别约为200～70nm。为保证材料尺寸、比表面积适用于后期应用，将甲醇与六水合硝酸锌摩尔比约为1200:1，2-甲基咪唑与六水合硝酸锌摩尔比均控制为2:1～5:1。根据本专利技术制备的方法，在步骤(1)中，选用六水合硫酸亚铁铵作为铁源，其优势在于硫酸亚铁铵容易电离铵根离子并逐步释放亚铁粒子，这不仅有利于ZIF-8稳定性增强，也能保证有足够量的铁相对均匀地掺杂至该骨架上。根据本专利技术制备的方法，在步骤(2)中，将温度设置为1000℃，有利于更多的单原子位点形成，并且该过程中可能被空气氧化的Fe3+倾向于向Fe2+转化，能提高该铁单原子纳米酶的催化活性。此外，由于温度高于800℃，步骤(1)中获得的ZIF-8骨架上的Zn2+表现出升华的特性，能为铁的掺杂提供更多位点，从而形成更稳定的Fe-N-C结构。本专利技术制备的铁单原子纳米酶是以ZIF-8为模板并经过热裂解形成，其活性位点充分暴露，催化活性高，具有尺寸和比表面积可控等优势。此外，本专利技术提供的铁单原子纳米酶反应器获得方法简易、耗时短且需控制的复杂因素少，另一方面，相比于游离L-谷氨酸氧化酶体系，该铁单原子纳米酶反应器有效拓宽了L-谷氨酸氧化酶的pH和温度耐受范围，同时该铁单原子纳米酶反应器在重复使用5次之后仍保留其初始活力的80％以上，这对其工业应用是具有极大鼓励意义的。附图说明图1是本专利技术制备的铁单原子纳米酶的TEM图像。图2是本专利技术制备的铁单原子纳米酶反应器的SEM图像。图3是建立的铁单原子纳米酶反应器催化合成α-酮戊二酸的路径。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。实施例一一种以沸石咪唑结构ZIF-8为模板的铁单原子纳米酶的制备方法包括以下步骤：(1)用分析天平准确称量1.695g的六水合硝酸锌粉末，放入容量为500mL的圆底烧瓶中，再加入150mL甲醇，配制成备用溶液1。(2)使用分析天平称取68.63mg六水合硫酸亚铁铵粉末，将其加入备用溶液1中后放置于磁力搅拌器上，以300转/分钟速度搅拌5分钟，配制成备用溶液2。(3)使用分析天平准确称量2g本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁单原子纳米酶的制备方法，其特征在于，步骤为：1.5～5.0g六水合硝酸锌溶于150～300mL甲醇中，再加入65～150mg六水合硫酸亚铁铵，搅拌5～10分钟，将2.0～5.0g2-甲基咪唑溶于150～300mL甲醇后搅拌10～15分钟，随后将上述两批溶液混合并置于搅拌器上搅拌18～24小时，通过离心方法分离得到铁掺杂的沸石咪唑结构ZIF-8，将ZIF-8用乙醇洗涤2～4次，置于40～60℃真空干燥箱中干燥6～12小时；随后将得到的干燥固体研磨后置于管式炉中，以流通的氮气作为保护气，将系统温度设置为800～1000℃在1～2小时内完成热裂解合成铁单原子纳米酶，然后待管式炉冷却至室温取出固体。/n

【技术特征摘要】
1.一种铁单原子纳米酶的制备方法，其特征在于，步骤为：1.5～5.0g六水合硝酸锌溶于150～300mL甲醇中，再加入65～150mg六水合硫酸亚铁铵，搅拌5～10分钟，将2.0～5.0g2-甲基咪唑溶于150～300mL甲醇后搅拌10～15分钟，随后将上述两批溶液混合并置于搅拌器上搅拌18～24小时，通过离心方法分离得到铁掺杂的沸石咪唑结构ZIF-8，将ZIF-8用乙醇洗涤2～4次，置于40～60℃真空干燥箱中干燥6～12小时；随后将得到的干燥固体研磨后置于管式炉中，以流通的氮气作为保护气，将系统温度设置为800～1000℃在1～2小时内完成热裂解合成铁单原子纳米酶，然后待管式炉冷却至室温取出固体。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当甲醇与六水合硝酸锌摩尔比为980:1～1300:1，2-甲基咪唑与六水合硝酸锌摩尔比均...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘惠玉，孙芸，聂尧，景晓冉，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11