磁性納米粒子固定化酶技術研究范文

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《吉林師范大學學報》2017年第2期

摘要:磁性納米粒子因兼具磁學特性和納米材料獨特性能，被廣泛應用于各個領域。就磁性納米粒子的種類、特性、制備和表面修飾四個方面展開介紹，綜述了脂肪酶、漆酶、淀粉酶及其復合酶等生物酶固定化酶技術的最新研究動態，針對磁性納米粒子在固定化酶技術的研究應用現狀進行了總結，以期為磁性納米粒子固定化酶技術的應用研究提供參考。

關鍵詞:磁性納米粒子;脂肪酶;漆酶;淀粉酶;固定化

酶酶是具有生物催化功能的高分子物質，具有高效性、專一性、反應條件溫和、無污染等特點［1］，在食品加工、藥學和醫學等研究領域中有著巨大的應用潛力。然而，大多數酶是蛋白質，其活性易受溫度、pH等因素影響，且與底物產物的混合物不利于其回收，難以實現產物的分離純化和連續化生產［2］。20世紀60年代迅速發展起來的固定化酶技術很好的解決了這些問題，有效提高了酶的利用率，并實現了產業化發展。其中，酶的固定載體和技術研究一直是酶固定化研究的核心問題，重點是尋找新的載體，確保固定后的酶保持其催化活性、催化特性和穩定性，同時，可實現高負載量和復合酶鏈式反應［3］。近幾年，新型載體和技術有:交聯酶聚集體［4］、“點擊”化學技術［5］、多孔支持物［6］和以納米粒子為基礎的酶的固定化［7］等。納米粒子作為酶固定化的新型載體，具有良好的生物相容性、比表面積大、顆粒直徑小、較小的擴散限制、較高的載酶量及在溶液中穩定存在等優點［8］。粒子尺寸在1～1000nm范圍內的球狀或囊狀結構的粒子常被用于酶的固定化，用于酶固定化的納米載體材料可分為磁性納米載體和非磁性納米載體等［9］。本文綜述了磁性納米粒子的特性、制備方法及其在固定化酶技術研究領域的應用現狀，以期為促進磁性納米粒子固定化酶技術的應用研究提供參考。

1磁性納米粒子

納米材料［10，11］的粒徑尺寸為納米級，通常介于1～100nm之間。磁性納米粒子［12，13］作為當今最受關注的一類納米材料，其多功能磁性復合微球常被用于藥物釋放、生物大分子靶向分離等生物醫學和分離工程相關領域的研究。

1．1磁性納米粒子的特性

磁性納米粒子不僅具備表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應［14，15］4個基本普通納米粒子效應，同時還具有特殊的磁學性質:超順磁性、高矯頑力、低居里溫度與高磁化率等［16～19］。1．1．1超順磁性超順磁性是指磁性納米顆粒尺寸小于臨界尺寸時具有單疇結構，在較高溫度下表現為順磁性特點，但在外磁場作用下其順磁性磁化率比一般順磁材料大好幾十倍，稱為超順磁性。超順磁性即在有外加磁場時，材料表現為有磁性，當無外加磁場時，材料無磁性。故超順磁性的納米顆粒具有較好的分散性。

1．1．2高矯頑力

強磁物質(如:鐵磁體)一般在外加磁場減小為零時，其磁化強度不為零，剩余的磁化強度稱為剩磁。矯頑力是指使剩磁減至為零而添加的反向磁場。矯頑力與成分、晶體點陣和取向等因素無關，其主要影響因素為點陣缺陷，即偏離理想晶體結構的程度。

1．1．3低居里溫度

帶磁的磁性體會在某一溫度因熱失去磁性，這一溫度稱為居里溫度。居里溫度是物質磁性的重要參數，通常正比于交換積分，與間距和原子構型有關。納米微粒的磁性常因小尺寸效應和表面效應發生變化，故其居里溫度通常較低。

1．1．4高磁化率

磁化強度M與磁場強度H之比稱為磁化率，常用cm表示，即M=cmH。當cm＞0，為順磁質，當cm＜0，為抗磁質，其值一般都很小。

1．2磁性納米粒子種類

磁性納米粒子一般分為天然磁性納米粒子和人工合成磁性納米粒子。人工合成磁性納米粒子主要有:Fe、Co、Ni等［20］金屬納米粒子;Co3O4、Mn3O4等金屬氧化物和各種鐵氧化體納米粒子等［21，22］。鐵的氧化物能定期排出體外，對人體健康危害較小，具有良好的生理安全性，因此Fe3O4磁性納米粒子多被用于生物醫藥領域［23］。

1．3磁性納米粒子制備

1．3．1共沉淀法

共沉淀法［24］即向鐵鹽和亞鐵鹽混合液中，添加合適的沉淀劑，經加熱發生共沉淀，制得超微粒的方法。共沉淀法制備得到的粒子尺寸較小，然而，制備過程中因水解平衡反應復雜，粒子的成核過程和生長過程會受到影響，因此得到的粒子有較寬的尺寸分布。總的來講，該方法有較低的反應溫度、簡單的設備要求，且反應過程簡單易控制，是制備磁性納米粒子的主要方法。

1．3．2高溫分解法

高溫分解法［25］是以高沸點有機物為溶劑，有機金屬化合物為原料，經加熱分解來制得納米粒子的方法。利用高溫分解法制備的磁性納米粒子表面光滑，結晶度高，粒徑小且粒徑可控，粒徑分布均勻。但此方法反應條件(高溫高壓)苛刻，設備要求高，反應體系為有機相，且經過表面處理后的合成粒子才能被轉移到水相中。

1．3．3沉淀氧化法

沉淀氧化法即二價鐵鹽在氧化劑作用下，發生部分氧化制備磁性納米粒子的一種方法，常見的是以空氣作為氧化劑氧化Fe(OH)2，李乾峰等［26］用NaNO3、NaClO3、KMnO4替代傳統的空氣作為氧化劑氧化Fe(OH)2制備Fe3O4磁性納米粒子，研究了氧化劑、反應溫度、反應液pH等工藝條件對制備的Fe3O4磁性納米粒子粒徑及磁飽和強度的影響，結果表明:Fe3O4磁性粒子粒徑主要受氧化劑氧化能力和反應液pH的影響。與空氣氧化制備的Fe3O4磁性粒子比較，采用NaNO3和NaClO3為氧化劑制備的Fe3O4磁性粒子均為球形，粒子形態與pH無關，且粒徑大小相近時，有較高的比飽和磁化強度。

1．3．4溶膠凝膠法

溶膠凝膠法［27，28］是制備金屬氫氧化物及金屬氧化物超微粒的方法。被用于溶膠凝膠法中作為前驅物的化合物要具備易蒸餾、重結晶技術純化、可溶于普通有機溶劑、易水解等特性，金屬醇鹽作為前驅物被廣泛用于溶膠凝膠法制備納米氧化物材料。該方法具有反應物豐富、顆粒粒徑均一、高純度、粒徑小、過程易控制等優點。

1．4磁性納米粒子表面修飾

磁性納米粒子不僅具有納米粒子特性，同時還具有特殊的磁學性能，近年來被廣泛應用于生物分析等領域。但是，磁性納米粒子粒徑小、比表面積大、表面能高，為不穩定體系，易發生團聚，所以，需要對磁性納米粒子表面進行功能化，降低其表面能，改善磁性納米粒子的分散性及穩定性，同時使磁性納米粒子的磁響應強度、表面活性和生物相容性等特性得到改善和提高。

1．4．1有機小分子修飾

①表面活性劑。表面活性劑含有長鏈基團，可以形成空間位阻，一方面可控制粒子的形態和尺寸，另外，可改善粒子的表面性能，從而起到穩定磁性納米粒子的作用。油酸常被用來修飾Fe3O4，靳艷艷等［29］通過高溫熱解法得到油酸穩定的磁性納米粒子，以高碘酸鈉為氧化劑，氧化其表面的油酸，制備得到單分散羧基化Fe3O4磁性納米粒子，其粒徑為12nm，且粒徑均一，在水中有良好的分散性，XRD和VSM表征結果顯示，磁性納米粒子的磁強度和成分在氧化制備羧基過程中基本不受影響。張曉聞等［30］采用改進的溶劑熱法，以檸檬酸鈉為穩定劑，制備出羧基功能化的Fe3O4磁性粒子，該粒子具有超順磁性和高飽和磁化強度，磁響應性良好，可應用于磁性粒子偶聯或復合。

②硅烷化偶聯劑。硅烷化偶聯劑既有與磁性納米粒子結合的Si－OH，又含有－NH2、－COOH、－SH、－CHO等能與生物分子結合的官能團。常被用于磁性納米粒子表面修飾的硅烷化偶聯劑有3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和3-巰丙基三乙氧基硅烷(MPTES)。付玉麗等［31］采用化學共沉淀法合成Fe3O4磁性粒子，通過APTES化學包裹得到有機硅表面修飾的Fe3O4磁性粒子，APTES-MNPs呈球形，粒徑約17nm，APTES-MNPs對剛果紅染料的吸附符合Langmuir等溫吸附模型，該粒子吸附性能好、易回收。

1．4．2有機高分子修飾

①天然生物大分子。目前，多糖類聚合物和氨基酸類聚合物是用于修飾Fe3O4磁性納米粒子主要的天然生物大分子，利用天然生物大分子修飾的磁性納米粒子其生物相容性得到大大的改善，且賦予復合材料新的生物活性。李璇等［32］以乙酰丙酮鐵為鐵源，聚乙二醇為溶劑，采用高溫熱解法制備聚乙二醇修飾的超順磁性氧化鐵磁性粒子PEG-SPIONs，后將糖酐Dex水溶液與PEG-SPIONs混合搖床培養得到Dex修飾的Dex/PEG-SPIONs復合粒子，該復合粒子為單晶體結構且分散性較好，具有超順磁性，同時，Dex作為一種臨時的血漿替代品具有很好的生物安全性，故Dex/PEG-SPIONs在生物醫學等方面具有極好的應用前景。吳志超等［33］采用高錳酸鉀為氧化劑氧化油酸包被的Fe3O4磁性粒子，制得表面包被有壬二酸的新型羧基磁性納米粒子，該粒子表面羧基含量高且在水中具有良好的分散性，其水解后帶負電荷，可與蛋白質表面帶正電荷的氨基發生靜電相互作用，這一新型的羧基功能化的超順磁性納米粒子吸附牛血清蛋白對固定化細胞、蛋白藥物靶向載體和固定化酶載體的研究具有重要的指導意義。

②合成高分子。利用不同的化學方法可合成不同需要的高分子修飾物用來修飾磁性粒子。鄧嘯［34］選用聚多巴胺修飾磁性納米粒子，首先采用堿共沉淀法合成MNPs，多巴胺單體可在類似海水的堿性(pH8．5)條件下發生自聚合作用，因此，通過調控pH可在MNPs表面形成一層聚多巴胺層，獲得聚多巴胺修飾的磁性四氧化三鐵納米粒子(PD-MNPs)，該功能化磁性微球可有效的固定黑曲霉脂肪酶，固定化脂肪酶催化活性及穩定性較游離酶均有明顯提高。

1．4．3無機材料

用于Fe3O4磁性納米粒子表面修飾的無機材料主要是SiO2，制備SiO2修飾的磁性納米粒子的方法主要有:溶膠凝膠法、氣溶膠高溫分解法和反相微乳法。張慧勇［35］采用溶膠凝膠法制備Fe3O4/SiO2核殼結構復合納米粒子，并對不同Fe3O4制備方法(共沉淀法、還原沉淀法和水熱法)對應的Fe3O4/SiO2復合納米粒子進行性能比較。其步驟如下:首先采用檸檬酸鈉對納米粒子進行表面修飾，然后在醇和水的混合體系中，堿性條件下催化正硅酸乙酯水解，磁性納米顆粒表面被生成物包裹，制得的二氧化硅磁性復合微球具備小粒徑核殼結構。結果表明，利用水熱法制備Fe3O4粒子的分散效果最佳，包被效果較好，二氧化硅磁性復合微球在室溫下表現出良好的穩定性。馬麗等［36］采用溶膠凝膠法制備Fe3O4/SiO2復合納米粒子，用3-APTES對Fe3O4/SiO2復合粒子進行氨基修飾，并用于漆酶的固定化。固定化酶在熱穩定性、重復穩定性、pH穩定性方面均優于游離酶，同時，將固定化漆酶用于去除廢水中的2，4-二氯酚，反應12h，去除率最高為68.35%，該固定化酶重復使用12次后，對2，4-二氯酚的去除率可保持在52．85%。

2磁性納米粒子固定化酶技術的應用

通過共聚合表面修飾可將－NH2、－COOH、－OH、－CHO等多種功能基團賦予磁性納米粒子表面，實現其功能化，因而具有強的磁響應性能、高比表面活性和良好的生物相容性，磁性納米粒子已被廣泛應用于生物化學領域，如天然產物中生物活性物質的分離，有害化合物的降解等。固定化酶技術［37］，即將游離酶束縛或局限在固定載體內，酶的生物活性及其特有的催化反應保持不變，并可實現回收重復利用的一類技術。固定化酶與游離酶相比有穩定性好、不易失活、可重復使用等優點，磁性納米粒子作為固定化酶使用的固體材料，較其他固體材料具有獨特的優勢［38，39］:磁性納米粒子的超順磁性及強磁響應性能，可實現酶/底物及產物的快速分離，提高酶的使用效率;將酶固定于磁性納米粒子可提高其穩定性;而且磁性納米粒子巨大的比表面積可同時偶聯多種生物酶，因此將分離技術和生物酶磁偶聯用于多酶固定，可促進多酶鏈式反應的研究應用。

2．1磁性納米粒子在脂肪酶抑制劑篩選分離研究中的應用

Zhu等［40］采用共沉淀法制得Fe3O4磁性納米粒子，硅酸四乙酯(TEOS)、(APTMS)作為硅烷偶聯劑，－NH2/MNPs磁性粒子經二甲基甲酰胺(DMF)和10%丁二酸酐作用發生羧基功能化，獲得－COOH/MNPs磁性復合粒子，此復合粒子可很好的與脂肪酶共價結合，酶活抑制實驗表明，脂肪酶固定化酶(LMNPs)穩定性及活性較游離酶有明顯提高。利用脂肪酶復合磁性粒子(LMNPs)成功的從蓮葉提取液中分離出quercetin-3-O-β-D-arabinopyranosyl-(1→2)-β-D-galactopyranoside和quercetin-3-O-β-D-glucuronide兩種脂肪酶配體。Sahoo［41］采用溶劑熱法，聚乙烯亞胺(PEI)、乙醇胺(EA)、(EDBE)為氨基前體，制得PEI-Fe3O4、EA-Fe3O4、EDBE-Fe3O4氨基化磁性粒子，分別與戊二醛交聯劑作用，獲得GLU-PEI-Fe3O4、GLU-EA-Fe3O4、GLU-EDBE-Fe3O4，磁性粒子表面的戊二醛與脂肪酶發生相互作用，實現脂肪酶的固定化。其中，EDBE-Fe3O4酶活性最高，是同等游離酶活性的83．9%，此外，EDBE-Fe3O4具有較好的熱穩定性、儲藏穩定性和重復利用性，其反應動力學參數與游離酶一致。這為脂肪酶的固定化提供了技術支持，同時，實現了脂肪酶抑制劑的快速篩選分離，為研發新的治療肥胖的藥物提供母體化合物。

2．2磁性納米粒子在α-淀粉酶配體篩選分離研究中的應用

交聯酶聚集體(CLEAs)［42］是一種無載體固定化酶技術，是一種將基本純化的、高濃度的蛋白先沉淀后交聯形成不溶性的、穩定的固定化酶技術。較其他酶固定方法，該固定化方法不需要結晶、無需高純度的酶，該方法可用于大多數酶或蛋白交聯酶(蛋白)聚集體的制備，操作簡便，應用范圍廣;獲得的固定化酶活性高、穩定性好;無載體、單位體積活性大、空間效率高;Tudorache等［43］將氨基功能化的磁性納米粒子加入酶溶液，將磁性粒子與酶液混合液進行沉淀、交聯，制備了磁交聯酶聚集體(MCLEAs)。功能化的磁性粒子可減少酶內賴氨酸殘基數，提高酶聚集體的穩定性，同時賦予酶聚集體磁性以進行磁分離，提高酶的使用率。Liu等［44］通過合成α-淀粉酶磁交聯酶聚集體從山茱萸果實中提取分離出Querciturone，其α-淀粉酶抑制活性IC50達22．5μg/mL。

2．3磁性納米粒子在漆酶固定化研究中的應用

漆酶是一種對底物專一性要求較低且氧化還原能力較強的含銅多酚氧化酶，可氧化分解大部分有機污染物，如多環芳烴、多氯聯苯、芳氨及其衍生物、染料、色素、炸藥等［45］。漆酶主要分布在植物、菌類和微生物中。由于漆酶氧化分解有機物所需條件溫和、最終反應產物為水、無污染、來源豐富等優點，在環境保護、造紙業、生物傳感器等領域得到廣泛研究。然而，游離漆酶穩定性差，且重復利用率低，限制了其在工業中的應用。為克服游離漆酶的缺點，實現漆酶的工業化應用，漆酶固定化技術研究尤為重要，磁性納米粒子作為近年來酶固定化材料之一，成為漆酶固定化研究的熱點。歐陽科等［46］通過化學交聯法將漆酶固定在磁性石墨烯載體上，對固定化漆酶的酶學特性及其對雙酚A(BPA)的降解功能進行了考察。結果表明，經石墨烯固定后漆酶的耐酸性、耐熱性和穩定性有顯著提高，漆酶固定后其重復利用性得到改善，重復利用10次后，漆酶活性仍為最初活性的82．01%。固定化酶的米氏常數Km為5．38×10－4mol/L，較游離酶的大，說明固定化酶與底物的親和力比游離酶小，固定化漆酶對雙酚A具有良好的分解能力，水中BPA質量濃度為15mg/L時，經過18h反應，BPA的去除率能達到82．14%左右。Xia等［47］分別制備了氨基化四氧化三鐵漆酶固定化酶(Fe3O4-NH2-laccase)和氨基－聚乙烯亞胺四氧化三鐵漆酶固定化酶(Fe3O4-NH2-PEI-laccase)，并分別考察了它們的酶學活性和反應動力學參數。結果表明，兩種固定化酶較游離酶，酶活性、酶穩定性、酶利用率都明顯提高，且對酸的適應能力、熱穩定性、儲藏穩定性等都有提高;Fe3O4-NH2-PEI-Laccase較Fe3O4-NH2-Laccase有較高的吸附容量和酶活性，Fe3O4-NH2-PEI-Laccase可實現漆酶大量的固定化，更有希望實現漆酶的工業化。

2．4磁性納米粒子在多酶鏈式反應中的應用

磁性納米粒子巨大的比表面積可實現多種生物酶的同時偶聯，將分離技術和生物酶磁偶聯應用于多酶固定，促進多酶鏈式反應的研究應用。果汁生產中，顏色、澄清度、口感等是衡量果汁是否合格的重要指標。影響這些指標的因素主要有:細胞壁和細胞質中果膠膠態分散體、淀粉、纖維素和半纖維素等多糖。這些大分子的存在是造成果汁渾濁、口感差的主要原因，而淀粉酶、果膠酶和纖維素酶可以將這些生物大分子分解為小分子，能夠有效改善果汁外觀和品質。Sojitra等［48］通過共沉淀法合成Fe3O4磁性粒子，以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)為氨基源對Fe3O4氨基化修飾，以戊二醛為交聯劑，將功能化磁性粒子與酶混合液混合孵育，淀粉酶、果膠酶、纖維素酶分別與磁性粒子結合并固定，制得磁性復合酶納米生物催化劑。該磁性復合酶納米生物催化劑在熱穩定性、pH穩定性、重復利用性等酶學活性及反應動力學參數Km較游離酶都有明顯提高。利用該磁性復合酶納米生物催化劑分別進行葡萄、蘋果和梨果汁渾濁實驗，混合反應150min后，渾濁度分別降低為46%、41%和53%，結果表明，這一磁性復合酶納米生物催化劑可替代傳統果汁的生產方法應用于果汁的工業化生產中。

3展望

綜上所述，磁性納米粒子固定化酶技術已在生物醫藥、食品、環境保護等領域被廣泛應用，并取得了一些重要成就，但仍存在一些需要解決的問題，主要有以下幾個方面:①目前，關于磁性納米粒子固定化酶研究主要集中在脂肪酶和蛋白酶上，其他酶類研究甚少，且磁性納米粒子固定化酶方法具有局限性，只適用于一類酶或幾種酶的固定化;②功能化磁性粒子固定化酶通常存在固定化酶含量較高、而固定化酶活性較低的問題，解決這一問題，對于提高酶使用率、降低成本、實現工業化大規模操作至關重要;③目前，國內外學者對磁性粒子固定化酶條件優化研究較多，針對磁性粒子與酶作用機制研究較少，磁性粒子固定化酶作用機制有待進一步研究，為磁性粒子的改性和選擇提供了重要依據;④以磁性粒子固定化酶為催化劑進行催化反應的反應機制需深入研究，以實現磁性粒子固定化酶技術的廣泛應用。總之，磁性納米粒子固定化酶是一個正在蓬勃發展的研究領域，發展更為高效的方法制備磁性納米粒子固定化酶仍是有待深入研究和具有挑戰性的研究課題。

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作者：陳靜；冷鵑；楊喜愛；廖麗萍；肖愛平；劉亮亮 單位：中國農業科學院麻類研究所