一种磁性酶纳米凝胶生物催化颗粒及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种磁性酶纳米凝胶颗粒及其制备方法。该磁性酶纳米凝胶颗粒为核壳结构，其核心为表面吸附酶分子的磁性纳米粒子，酶分子与磁性纳米粒子以静电力相互作用；外壳为交联的高分子材料层；核壳之间通过化学键连接。制备方法如下：先在磁性纳米粒子表面通过化学修饰引入氨基、碳碳双键、羧基等基团，然后通过调节溶液pI得到酶-粒子的纳米级复合材料，最后以乙烯基单体为原料，通过自由基聚合得到。该方法具有简单温和、便于纯化、易于工业实施放大的特点。本发明专利技术的磁性酶纳米凝胶颗粒具有生物催化活性高、热稳定性强、便于循环利用的特点，在有机合成、食品工业、洗涤剂工业、能源工业、生物医药、传感器等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
天然酶的稳定性以及可回收利用性，是酶作为生物催化剂工业应用的主要限制性因素。目前，化学添加剂方法、固定化方法、基因工程等方法能够提高酶分子的稳定性，但是，添加剂方法需要加入大量的添加剂，同时会对体系带来新的杂质和干扰；传统固定化方法引入较高的传质阻力，带来酶催化活性的显著下降；而基因工程方法较为复杂、成本较高、对稳定性提高效果有限、无法解决大量廉价生产的问题。现阶段纳米级催化颗粒制剂因其传质阻力低，催化活性高，稳定性好的特点受到关注。制备纳米级酶制剂的方法包括酶分子与纳米粒子的化学交联法以及原位聚合法生成单分子酶纳米粒子或纳米凝胶。化学交联法依赖于纳米粒子与酶分子的共价结合，往往导致蛋白分子的二级结构被破坏，底物对活性位点的空间阻碍增大或酶催化过程必须的中间体无法形成，总体催化活性降低。原位聚合法往往依赖目标蛋白的表面氨基酸残基实现可聚合集团修饰，大量研究在特定蛋白或特定高分子，存在无法推广至所有工业用酶的问题。因此开发一种具有普适性的，可以推广到多种工业用酶的制备具有高稳定性、高生物催化活性、易于实施、粒径可控的具有良好市场和重大价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种磁性酶纳米凝胶颗粒，以解决现有的天然酶热稳定性差、无法回收利用的问题，对于进一步开拓酶的应用具有重要意义。本专利技术所提供的磁性酶纳米凝胶颗粒，其为核壳结构，核芯为表面吸附酶分子的磁性纳米粒子，酶分子与磁性纳米粒子以静电力相互作用；外壳为交联的高分子材料层； 所述磁性纳米粒子的表面修饰有可与所述交联的高分子材料层反应的基团，所述核壳之间通过化学键连接。本专利技术中，所述磁性酶纳米凝胶颗粒的粒径可为150_250nm，所述交联的高分子材料层的厚度为100-200nm。所述磁性纳米粒子具有磁性金属(如Fe, Ni, Co)或合金纳米粒子(如Fe-Pt, Fe-Co),过渡族金属氧化物纳米粒子(Fe3O4, y -Fe2O3, MnO, FeCoO)。所述磁性纳米粒子的粒径可为5-20nm，其在水溶液中以小聚集体的形式存在，粒径为50nm。所述酶具体可为脂肪酶、胰蛋白酶、细胞色素丙等。本专利技术还提供了上述磁性酶纳米凝胶颗粒普适性的制备方法，以解决现有固定化酶引入化学修饰剂或交联剂常导致蛋白质分子构象改变以及酶催化活性较低的问题。采用该制备方法可以实现在保持酶催化活性的同时显著改善酶的热稳定性和具有易回收利用的特性。本专利技术所提供的制备磁性酶纳米凝胶颗粒的方法，是以下述质量份的物质为原料制备得到的表面修饰的磁性纳米粒子40份、酶10份、形成壳层高分子材料的单体200 400份、交联剂O. 5 5份和引发剂O. 5 20份，所述表面修饰的磁性纳米粒子其表面具有可聚合基团以及对所述酶分子具有静电吸附作用的基团；所述方法包括下述步骤I)将表面修饰的磁性纳米粒子与酶加入pH值为5 10的缓冲溶液中，在O 50°C条件下反应O. 5 6小时，得到酶-纳米粒子复合物，即所述磁性酶纳米凝胶颗粒的核-I-H心;2)将所述酶-纳米粒子复合物加入到有机溶剂水溶液中，再加入单体、引发剂和交联剂，在O 50°C下反应O. 5 6小时，得到所述磁性酶纳米凝胶颗粒。上述表面修饰的磁性纳米粒子可根据具体所选用的酶，按照下述三种方法中的任意一种制备得到的方法一将磁性纳米粒子与硅烷偶联剂在有机溶剂水溶液中，于30 70°C下反应5 12 小时，即得表面修饰的磁性纳米粒子；其中，所述硅烷偶联剂为至少两种硅烷偶联剂的混合物，所述硅烷偶联剂的结构式为Y (CH2) SiX3, X代表可水解基团，如氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等，这些基团水解时即生成硅醇，从而与磁性纳米粒子表面的羟基结合形成硅氧烷，Y代表有机功能基团，此处Y具体指对所述酶分子具有静电吸附作用的基团以及可聚合基团，当在制备条件下，酶分子带负电荷，此处Y则为带正电荷的基团如氨基等，当在制备条件下，酶分子带正电荷，此处Y则为带负电荷的基团如环氧基、巯基、氯基或脲基；所述可聚合基团具体可为乙烯基等。所述对所述酶分子具有静电吸附作用的基团和可聚合基团的摩尔比为90 10到 50 50 ;所述磁性纳米粒子与所述硅烷偶联剂的质量份数比为200 2 40。方法二I)将磁性纳米粒子与硅烷偶联剂在有机溶剂水溶液中，于30 70°C下反应5 12小时；其中，所述硅烷偶联剂的结构式为Y(CH2)SiX3,X代表可水解基团和Y代表带氨基；2)将步骤I)修饰后的磁性纳米粒子加入到pH值为8 9的缓冲液中，再加入粒子修饰剂A,在O 50°C条件下反应O. 5 6小时，即得表面修饰的磁性纳米粒子；所述粒子修饰剂A是分子结构中至少含有一个可聚合基团且可与氨基发生反应形成化学键连接的物质；所述磁性纳米粒子、所述硅烷偶联剂与所述粒子修饰剂A的质量份数比为 200 2-40 O.2-20 ；方法三I)将磁性纳米粒子与硅烷偶联剂在有机溶剂水溶液中，于30 70°C下反应5 12小时；其中，所述硅烷偶联剂的结构式为Y(CH2)SiX3, X代表可水解基团和Y代表氨基；2)将步骤I)修饰后的磁性纳米粒子加入到pH值为8 9的缓冲液中，再加入粒子修饰剂A，在O 50°C条件下反应O. 5 6小时；所述粒子修饰剂A是分子结构中至少含有一个可聚合基团且可与氨基发生反应形成化学键连接的物质；3)将步骤2)修饰后的磁性粒子加入到有机溶剂中，再加入粒子修饰剂B，在O 50°C条件下反应2 6小时，即得表面修饰的磁性纳米粒子；所述粒子修饰剂B是分子结构中至少含有一个羧基且可与所述硅烷偶联剂中的有机功能基团发生反应形成化学键连接的物质；所述磁性纳米粒子、所述硅烷偶联剂、所述粒子修饰剂A、所述粒子修饰剂B的质量份数比为 200 2-40 O. 2-20 100-150。在本专利技术中，所述磁性纳米粒子为金属纳米粒子、合金纳米粒子或过渡族金属氧化物纳米粒子；所述金属纳米粒子具体为Fe, Ni或Co纳米粒子。所述合金纳米粒子具体为 Fe-Pt合金纳米粒子或Fe-Co合金纳米粒子,所述过渡族金属氧化物纳米粒子具体为Fe3O4 纳米粒子、Y -Fe2O3纳米粒子、MnO纳米粒子或FeCoO纳米粒子。所述磁性纳米粒子的粒径为5-20nm，所形成的小聚集体的直径约为50nm。该磁性纳米粒子可按照现有方法进行制备。在本专利技术中，含氨基的硅烷偶联剂具体可选自3-氨丙基三乙氧基硅烷或3-氨丙基二甲氧基娃烧，含可聚合基团的娃烧偶联剂具体为乙稀基二甲氧基娃烧、乙稀基二乙氧基硅烷、3_(异丁烯酰氧)丙基三甲基硅烷、或3-甲基丙烯酸丙基(三甲氧基硅烷)。在本专利技术中，所述粒子修饰剂A具体选自下述至少一种丙烯酸琥珀酰亚胺酯、丙烯酰氯、丙烯酰溴和衣康酸酯。所述粒子修饰剂B是具体选自琥珀酸酐和/或马来酸酐。所述形成高分子材料层的单体为含乙烯基的单体；所述乙烯基单体是可通过自由基聚合反应形成聚合物的乙烯基单体；具体可选自下述至少一种丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸钠、丙烯酰化聚乙二醇、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、顺丁二烯、三羟基甲基丙烷和三甲基丙烯酸酯。在本专利技术中，所述引发剂是在O 50°C条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林萌萌，刘铮，卢滇楠，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：