淺析納米材料上酶的固定化范文

本站小編為你精心準備了淺析納米材料上酶的固定化參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

一、用于酶固定化的磁性納米載體

作為磁性納米材料由于其良好的活性功能基團（如-OH、-COOH、-CHO、-NH和-SH等）可結合各種功能分子，因而在酶的固定化領域已獲得了一定的應用（表1），同時磁性材料在生物醫學（臨床診斷、靶向藥物和酶標）、細胞學（細胞標記和細胞分離等）和生物工程（酶的固定化）及分離工程等方面發展迅速［6］。這種應用與納米材料的結構特性緊密相關，如表面較平滑、單分散性好、結構疏松等。除此之外，磁場能提供一種有效的酶回收的方法，可通過一定的磁力作用對具有磁性的納米載體進行回收，從而提高了產物的純度，避免了最終產品的酶污染。采用磁性納米載體進行酶的固定對酶的酶活力和穩定性、酶結構和功能、酶特異性等酶學性質有一定的提高，但在生物催化過程中需充分考慮生物催化劑的回收利用、經濟效益及副產物的處置等，以達到最優的固定化設計。Wang等［15］通過共沉淀法對Fe3O4納米粒子進行了表面不同鏈長度的烷基硅烷的修飾，獲得了改性的Fe3O4粒子，通過對脂肪酶的固定發現，固定化酶的活性及穩定性與增加烷基鏈的長度有關。Sachin等［16］用新型磁性交聯的CLEAs顆粒固定了α-淀粉酶，研究發現α-淀粉酶被固定化后，其對底物的親和力得到增強，同時也提高了酶的熱穩定性和貯存穩定性，即使在貯存42d后仍能保持近100％的酶活。Zhang等［17］成功地將腺苷脫氨酶固定在金納米（AuNP）微粒上，并用標記檢測證實了二者的連接。動力學研究表明，AuNP固定的腺苷脫氨酶仍具有較好的穩定性和催化活性。Natalia等［18］探討了利用聚合有聚乙二醇的Fe3O4磁性納米粒子固定α-半乳糖苷酶的固定化效果。研究發現，酶與載體進行了有效的偶聯，但偶聯效率受納米粒子直徑大小等理化性質的影響，同時在酶的熱穩定性上得到了提高。Gardimalla等［19］研究了固定在Fe2O3磁性納米微粒上的假絲酵母脂肪酶在穩定性方面的改變，結果發現，采用Fe2O3磁性納米微粒固定脂肪酶可以獲得比游離酶更長的可重復利用時間。Hong等［20］發現在空間位阻和靜電的共同作用下，結合在表面修飾的納米金顆粒表面的α-胰凝乳蛋白酶對攜帶正電荷的底物表現出很強的親和性，同時具有較高的催化活力，而對攜帶負電荷的底物僅表現很低的親和力和催化活力，對中性底物的親和力和催化能力居中。

二、非磁性納米載體上酶的固定化

根據高分子材料的性質可將其分為無機納米載體、有機納米載體和復合物納米載體等［22］。非磁性材料的磁電阻效應一般都比較低，因此在特殊的環境中能為酶的應用提供相對容易的調控，而且作為納米級的生物催化體系，在表面積/體積比上具有獨一無二的天然優勢。目前，采用非磁性納米載體進行酶的固定已取得了系列研究成果（表2），同時隨著材料科學的進一步發展，必將有更多的新材料被應用于酶的固定化。使用非磁性納米載體進行酶的固定前需用傅利葉變換紅外光譜、電鏡掃描、核磁共振、電感耦合技術及X射線光電子能譜等對納米微球體作性質測定。同時為提高非磁性納米載體的固定化效果，通常需對載體表面進行相關的分子修飾（圖1），特別在以殼聚糖修飾的納米載體方面研究較為深入［32］。黃賦等［33］用靜電紡絲法制備了丙烯腈/丙烯酸共聚物（PANCAA）納米纖維膜，以1-乙基-3-（N，N-二甲基氨基丙基）碳二亞胺/Ⅳ-羥基丁二酰亞胺（EDC/NHS）為偶聯劑，在纖維膜表面引入殼聚糖修飾層，通過戊二醛將過氧化氫酶固定到殼聚糖修飾的PANCAA納米纖維膜上，研究結果表明，在殼聚糖濃度為25mg/mL及戊二醛質量分數為5％條件下，殼聚糖修飾膜的固定化酶活性比空白膜提高了41.7％，穩定性也得到了不同程度的提高。Eldin等［34］采用沉淀聚合法將乙二胺與聚丙烯腈-共-甲基丙烯酸納米微粒共價聯接，制備了聚丙烯腈-共-甲基丙烯酸甲酯（PAN-co-MMA）微球，通過對β-半乳糖苷酶的固定化發現，其催化活性、反應穩定性、熱穩定性、貯藏穩定性都有所提高。Liu等［35］報道了NAD（H）與SiO2納米微粒的共價聯接，并發現連接了NAD（H）的SiO2納米微粒可進行多酶共固，如將谷氨酸鹽脫氫酶、乳酸脫氫酶和NAD（H）固定后通過耦合反應用來催化生成α-酮戊二酸和乳酸，各種被固定的酶仍具有較好的活性和催化特性。Neri等［36］報道了用固定在聚硅氧烷-聚乙烯醇（POS-PVA）上的β-半乳糖苷酶來合成低聚半乳糖，研究發現，在pH4.5，溫度為40℃條件下，低聚半乳糖的合成濃度較高，而且固定化酶可重復利用10次，并保留有原酶活性的84%。

三、納米顆粒對核酶的固定化

脫氧核糖核酸（DNA）作為生命體的生物大分子，在生物體內發揮著儲存、復制及傳遞遺傳信息的重要功能，其堿基序列的變異與人類許多遺傳疾病相關，基于DNA探針的基因傳感器、基因芯片的研究正成為其中的一個研究熱點。特別自1989年，諾貝爾化學獎授予ThomasR.Cech及S.Altman以來，核酸分子的自我剪切或自我剪接的分子機制得到了進一步的研究和闡述，可對于核酶的固定化目前仍處于起始階段，但相對于其它固定化載體而言，由于通過表面修飾的納米顆粒與DNA具有良好的生物相容性，從而增加了DNA的固定量，增強了固定化DNA的穩定性和定向性。目前DNA常用的固定化方法包括吸附法（直接吸附法、恒電位吸附法、靜電吸附法、LB膜技術）、自組裝膜（self-assemblySA）法及親和素-生物素反應系統固定法［37］。常用到的納米顆粒有納米金、碳納米管、納米SiO2及ZrO2等［38］。孔德領等［39］以球形纖維素為載體，經環氧氯丙烷活化后共價偶聯小牛胸腺DNA，制備DNA免疫吸附劑，利用抗體抗原特異結合原理，通過血液凈化，可有效地清除患者體內DNA抗體及抗體復合物，達到治療目的。Li等［40］則利用嵌在SiO2基質中垂直分布的碳納米管端口的羧基共價固定DNA。劉盛輝等［41］用了氨基乙硫醇在金電極表面形成自組裝單分子膜，然后用水溶性的碳化二亞胺作為偶聯活化劑，ssDNA的5''''端磷酸基與電極表面自組裝膜上的氨基以磷酸氨基酯鍵的形式共價結合，從而在金電極表面形成ssDNA單分子層，從而有效地對DNA進行了固定。Cai等［42］把多壁碳納米管羧基化，從而在玻碳電極的表面形成了均勻的薄膜，使電極的有效面積得到了增加，再以吡咯為介質在電極表面通過電聚合包埋法固定DNA，利用雜交前后電極阻抗的變化實現了DNA的無指示劑雜交檢測。

四、結語

隨著納米新材料的不斷出現，特別是對復合納米材料性質及特性的研究，為納米材料在酶固定化領域取得更加豐碩的成果成為可能。作為納米載體固定的酶，在酶與底物及產物的分離、酶的生物相容性、免疫活性和穩定性等方面具有獨特的優勢而且由于引入的表面修飾劑的功能基團易于測定和掌握，因而為酶的定向固定提供了極佳的設計思路同時也使多酶共固變得更加實際。但由于納米載體的設計相對比較困難，而且作為固定化材料在生產成本及能源消耗等方面還存在一定的劣勢，因而在后期采用納米材料進行酶的固定過程中，應改進現有納米材料制備的方法，同時，進一步優化納米材料的比表面積及力學特性，增強其親和力和生物活性，從而為改善酶的性能及提高酶的應用奠定堅實的基礎。（本文作者：高啟禹、徐光翠、陳紅麗、周晨妍單位：新鄉醫學院生命科學技術學院、新鄉醫學院公共衛生學院）