介孔氧化硅/碳材料的合成及酶固定化分析

卢晓通

（运城学院044000）

摘 要：介孔二氧化硅/碳材料是一种具有高比表面积、大孔容、形貌和尺寸可控的新型无机材料，它兼具了介孔材料和二氧化硅材料的双重特性，在催化、分离、生物医学、传感器等领域应用前景广泛，其优势在酶的固化中得到很好的应用。本文就介孔氧化硅/碳材料的优缺点对酶的固定化影响和应用进行阐述，并对此提出展望。

关键词：介孔材料 酶 固定化

一、技术背景

1992 年Mobil 公司首次公开报道了M41S 介孔硅材料，其高比表面积及规则孔道结构吸引了研究者广泛的关注。但其较弱的酸性和水热稳定性大大的限制了其在大分子催化上的应用。随后，HMS，MSU，KIT-1，SBA-215，系列等介孔分子筛相继问世，介孔分子筛家族不断壮大。随后，以P123阳离子的活性剂TIPB/TEB等为添加剂改变了介孔材料的孔径大小。作为酶的载体如水凝胶、硅胶、多孔玻璃等发挥了他们重要的作用。将酶固定于介孔材料的的酶和自由酶相比具有高效、吻合的催化反应的优势，除此之外，其还可以回收重复使用、产物分离等多方面的优点。

二、介孔材料的定义

介孔材料在各个行业广泛应用，其是指以表面活性剂分子聚集体为模板，利用溶胶-凝胶乳化、微乳化等化学过程，通过有机物和无机物之间的界面作用组装生成的一类孔径在2-50纳米之间、孔径分布窄且具有规则孔道结构的无机多孔固体材料。一般是由三种组成：1）用来构造孔壁结构的无机物种（前驱体）。选择无机物种的主要依据是溶胶-凝胶化学，即原料的水解和縮聚速度必须适当，且经过水热等处理后缩聚程度提高根据介孔材料骨架元素的组成，无机物种可以是直接加入的无机盐或预先形成一定聚合度的无机低聚体，也可以是水解后产生无机低聚体的有机金属氧化物；2）自组装（介观结构形成的过程）时起决定导向作用的模板剂（表面活性剂）。介孔材料合成体系中所采用的表面活性剂有阴离子、阳离子、非离子、两性表面活性剂等类型；3）作为反应介质的溶剂相。

三、介孔材料中的酶固定方法

一般生物大分子如蛋白质、酶、核算等，当他们的分子质量大约在1-100万之间时尺寸会小于10纳米，相对分子质量在1000万左右的病毒，它的尺寸在30纳米左右。有序介孔材料的孔径在2-50纳米范围内，可连续调节且无生理毒性，所以使得它在酶、蛋白质等固定和分离。比如，青霉素酰化酶，又被称之为青霉素酰胺酶或青霉素氨基水解酶，这种酶属于球蛋白，分子量较大，酶分子的平均动力学直径约为9纳米，这种酶在医药工业中应用价值巨大，催化水解青霉素得到的产物6-氨基请每烷酸是生产抗生素的中间体，介孔材料固定青霉素酰化酶的研究结果表明，酶固定后可保持活性。而用不同介孔材料固定青霉素酰化酶后，酶的热稳定性、PH稳定性和操作稳定性得到增强。结果表明，固定化酶的稳定性与介孔材料孔径息息相关，当介孔材料的孔径与酶分子大小相适应时，固定化酶的稳定性最好。除此之外，酶固定化还和操作方法相关，下面将重点介绍酶固定化的几个方法。

1、物理吸附固定化酶

物理吸附固定酶是利用分子筛表面的弱酸性硅羟基与酶分子的氨基，通过氢键作用将酶分子固定在分子筛的表面。在分子合成分子筛的时候，其表面活性剂和硅源物质通过氢键进行结合，再进行水解，最终形成具有丰富弱酸的分子筛骨架。介孔分子筛具有大孔径、螺旋有序的结构，所以能够使得底物分子容易和酶分子接触。

物理吸附法的操作工艺非常简单，在大部分情况下能够获得固定化酶的初活性，但是，因为酶分子与载体结合力不强，所以在重复使用的情况下会出现酶活性和稳定性变弱的情况。这块在操作过程中值得注意。

2、氮气吸附

介孔材料的吸附等温曲线按照IUPAC的定义多呈IV型，在较低的相对压力下发生单分子层吸附，然后发生的多分子层吸附。当压力大到发生毛细凝聚时，在吸附等温线上出现一个吸附量的突破。之后，发生的是外表面吸附。通过对单分子层吸附的分析可以得到样品的比表面积，通过毛细凝聚发生的相对压力，可以确定介孔的孔径。通过对总吸附量的测定，可以得到材料的孔容。介孔孔道的其他一些信息，如孔的形状，可以从曲线的回滞环的类型中推知。H1型回滞环一般是简状孔道的特征，H2型回滞环通常是笼型孔道的特征；H3和H4型回滞环多归因于狭缝状孔道。

三、结语

介孔分子氧化硅材料的合成是近几年材料科学领域兴起的一个前言学科，已成为当今科学界研究的一个热点。近期的研究表明各种新型的介孔材料在化学、光电子学、环境科学、分离科学等诸多领域有着巨大的应用潜力。相信，介孔氧化硅材料将在未来的发展中继续发挥重要的作用。

参考文献：

[1] Chong A S M，Zhao X S.Catalysis Today，2004，93-95；293-299 裘式纶等，高等学校化学学报，2005，26（10）：1850-1854

[2] 石磊，邹燕、庄继华，等，介孔分子筛SBA-15中表面羟基及模板剂取出的核磁共振研究[J].复旦大学（自然科学版），2002，41（3）；313-316.

[3]杜晨宇，李春，曹竹安.工业生物技术的核心-生物催化[J].生物工程进展，2002，22（1）：9-14