一種磁性復合微球及其制備方法和應用技術

本發明專利技術涉及一種磁性復合微球及其制備方法和應用，屬于化學材料制備技術領域；本發明專利技術首先合成Fe

Magnetic composite microsphere and preparation method and application thereof

The invention relates to a magnetic composite microsphere and a preparation method and an application thereof, belonging to the technical field of chemical material preparation. The invention firstly synthesizes Fe

【技術實現步驟摘要】
一種磁性復合微球及其制備方法和應用
本專利技術涉及一種磁性復合微球及其制備方法和應用，具體涉及一種溫敏性能的磁性核殼微球合成及其在纖維素酶固定化中的應用，屬于化學材料制備

技術介紹
植物的主要組成部分之一就是纖維素，其含量約占植物干重的35%-50%，纖維素是世界上最廣泛分布的天然碳水化合物。有效的開發利用植物中的纖維素具有十分重要的意義，能夠有效的緩解能源危機、環境污染、節能減排及糧食短缺等問題。而目前對纖維素的利用總量還不到世界產量的0.5%，大量的纖維素資源還沒有得到有效、合理和廣泛的應用。目前對纖維素資源的開發利用已經成為世界上許多國家研究和開發的重點，而纖維素酶是纖維素開發利用的重要方向之一，已經成為纖維素開發利用的重要途徑之一。大多數酶的活性在親水的微環境下才能保持穩定，許多酶在高溫時肽鏈展開暴露了其中的疏水位點并且相互聚集而失去活性，這嚴重阻礙了纖維素酶的實際應用。酶固定化技術是最常用的改善酶性的工具，可以大大改善酶的穩定性、催化活性、選擇性和抗抑制性。化學法固定酶的方法自20世紀50年代開始盛行，現已成為酶固定化的一種重要方法。化學法又可分為交聯法和共價結合法，交聯法需要雙功能或多功能交聯試劑，在酶分子和交聯試劑之間形成共價鍵，從而把酶束縛在固體材料上，步驟較為繁瑣。共價結合法是將酶與載體以共價鍵結合，可使固定化酶與載體牢固連接在一起，穩定性高，并且可重復使用。但其反應條件較為劇烈，會引起酶蛋白空間構象變化，破壞酶的活性部位，因此酶活較低，并且過程十分繁雜。在酶的固定化過程中，酶和載體具有完全不同的幾何形狀，將這兩個不同的剛性結構進行連接，不僅要對酶進行修飾，最大程度地保留酶活，同時還必須嚴格考慮固定化載體的材料。近年來，以殼聚糖、尼龍材料和棉布、磁性材料、介孔分子篩和碳納米管為載體固定化酶在很多領域得到了廣泛的研究和應用。磁性微球在磁場作用下，可被有效地分離回收和再利用，若將其應用于磁性穩態流化床中，可通過外加磁場控制其運動速度和方向，易于實現床層的散式流化，保持低的流動阻力，同時，利用磁場來控制固定化酶的分散，可避免傳統攪拌對酶的機械損傷，以提高酶的穩定性，具有大規模工業化應用前景。為了結合磁性材料優勢，制備磁性硅球復合材料用作酶的固定化載體，使其既具有二氧化硅微球的一般優良性質，同時還具有磁性納米材料的優勢，具有廣闊的應用前景。在保持磁性納米粒子具有較強磁強度的情況下，實現材料進一步修飾和功能化，就可將酶固定在磁性復合微球表面，從而達到提高酶活和減少成本的目的。因此，若能設計出一種簡單的材料，又能將酶與材料共價結合而不破壞其活性位點，又能實現保護酶活性的特點，從而使后續固定化反應條件更溫和、酶活力回收率更高、穩定性更強。本專利技術涉及一種固定化酶磁性載體Fe3O4@SiO2-p(GMA-co-NIPAM)，將其應用到制備固定化纖維素酶。高溫時磁性復合物微球表面的溫敏性聚合物變得疏水而包裹變性酶分子，低溫時溫敏聚合物變得親水將酶釋放出來，使其能再折疊恢復活性，提高其酶活恢復能力及熱穩定性能。同時其磁性性能也能大大提高該固定化酶的重復使用效率。對于磁性復合物材料Fe3O4@SiO2-p(GMA-co-NIPAM)的制備并固定化纖維素酶，國內外并無文獻報道。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術中存在的缺陷，提供一種用于固定化纖維素酶的磁性復合微球及其制備方法。本專利技術采取的技術手段如下：本專利技術首先提供一種新型的磁性復合微球Fe3O4@SiO2-p(GMA-co-NIPAM)。本專利技術還提供一種新型的磁性復合微球Fe3O4@SiO2-p(GMA-co-NIPAM)的制備方法，具體包括以下步驟：（1）Fe3O4@SiO2-MPS的合成：將Fe3O4分散于乙醇和水混合溶液中，再加入氨水，機械攪拌并向體系內緩慢滴加正硅酸乙酯（TEOS）反應；然后再加入甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（MPS），繼續攪拌反應；磁分離產物，用乙醇洗滌幾遍；在50℃真空干燥箱內干燥至恒重。其中，所述Fe3O4@SiO2-MPS合成過程中的中間產物Fe3O4的合成方法參照文獻(KamatRK,MaW,YangY,etal.Adsorptionandhydrolyticactivityofthepolycatalyticcellulasenanocomplexoncellulose[J].ACSappliedmaterials&interfaces,2013,5(17):8486-8494.)。其中，所述的Fe3O4與乙醇和水混合溶液的用量比例為0.1-0.5g：15-90mL，其中乙醇和水的體積比為4:1；所述的氨水與Fe3O4的比例為1-3mL：0.1-0.5g；所述正硅酸乙酯（TEOS）的用量為0.5-1.2mL；所述加入正硅酸乙酯反應的條件為室溫反應6-24小時；所述加入甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（MPS）0.3-1.5mL；所述攪拌反應條件為攪拌反應12-48小時。（2）Fe3O4@SiO2-p(GMA-co-NIPAM)的合成：取Fe3O4@SiO2-MPS于單口燒瓶，加入乙腈超聲分散3min，加入異丙基丙烯酰胺（NIPAM），甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA），交聯劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA），引發劑偶氮二異丁腈（AIBN），油浴加熱燒瓶，安裝分餾柱，冷凝管，接收器；再蒸餾得到部分乙腈，停止反應；得到的產物用磁鐵分離，并乙醇和水反復洗滌。而后放在真空干燥箱內干燥。其中，所述Fe3O4@SiO2–MPS與乙腈用量比例為50-100mg：40-80mL；所述異丙基丙烯酰胺（NIPAM）的用量為50-150mg；甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）的用量為0.05-0.15mL，交聯劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）的用量為100-200mg，引發劑偶氮二異丁腈（AIBN）用量為4-10mg。所述油浴加熱燒瓶的條件為從室溫30分鐘內加熱到沸騰，再蒸餾1小時。所述再蒸餾得到的乙腈為20-40mL。本專利技術還提供該新型磁性復合微球Fe3O4@SiO2-p(GMA-co-NIPAM)用于纖維素酶的固定化的應用。將濃度為6-84mg/mL的纖維素酶溶液與50-100mg載體材料的溶液混合調pH為3-8。在30℃到80℃的恒溫震蕩箱內震蕩15分鐘-2小時，用磁鐵分離固定化后的磁性材料。用緩沖溶液沖洗材料兩次以去除未固定的纖維素酶，測定固定化纖維素酶的酶活。本專利技術具有如下優點：（1）本專利技術中所設計合成的磁性復合微球中所含聚合物PNIPAM，在高溫時變得疏水而包裹變性酶分子，低溫時溫敏聚合物變得親水將酶釋放出來，使其能再折疊恢復活性，從而提高其酶活恢復能力及溫度穩定性能，實現了對纖維素酶的熱保護性能。（2）本專利技術中磁性復合微球Fe3O4@SiO2-p(GMA-co-NIPAM)具有超順磁性能，在外界磁場存在下，在30s內進行回收，在外界磁場消失時，均勻的分散在緩沖溶液中。（3）本專利技術中制備的固定化纖維素酶在催化反應6次后，其酶活保留初始酶活的60%，當使用8次后，酶活仍然有20%。具有較好的重復利用性能。（4）本專利技術中制備的固定化纖維素酶，當溫度為60℃時，保留相對酶活為80%左右，而對于游離酶所剩相本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種磁性復合微球，其特征在于，所述微球粒徑為350nm，呈現核殼結構。

【技術特征摘要】
1.一種磁性復合微球，其特征在于，所述微球粒徑為350nm，呈現核殼結構。2.權利要求1所述一種磁性復合微球的制備方法，其特征在于，按照如下步驟進行：（1）Fe3O4@SiO2-MPS的合成：將Fe3O4分散于乙醇和水混合溶液中，再加入氨水，機械攪拌并向體系內緩慢滴加正硅酸乙酯反應；然后再加入甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，繼續攪拌反應；磁分離產物，用乙醇洗滌幾遍；在真空干燥箱內干燥至恒重得到Fe3O4@SiO2-MPS；（2）Fe3O4@SiO2-p(GMA-co-NIPAM)的合成：取Fe3O4@SiO2-MPS于單口燒瓶，加入乙腈超聲分散后，加入異丙基丙烯酰胺，甲基丙烯酸縮水甘油酯，交聯劑N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺，引發劑偶氮二異丁腈，油浴加熱燒瓶，安裝分餾柱，冷凝管，接收器；再蒸餾得到部分乙腈，停止反應；得到的產物用磁鐵分離，并乙醇和水反復洗滌；而后放在真空干燥箱內干燥。3.根據權利要求2所述的一種磁性復合微球的制備方法，其特征在于，步驟（1）中所述的Fe3O4與乙醇和水混合溶液的用量比例為0.1-0.5g：15-90mL，其中乙醇和水的體積比為4:1。4.根據權利要求2所述的一種磁性復合微球的制備方法，其特征在于，步驟（1）中所述的氨水與Fe3O4的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉倩，王赟，伍晨，韓娟，戎軍輝，李程，王蕾，倪良，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32