（环境科学专业论文）特定介孔分子筛的合成与在酶催化氧化去除水中酚中的应用.pdf

上海大学硕：上学位论文 a bs t r a c t t h em e s o p o r o u ss i l i c a so fm c m - 4 1 ，m c m - 4 8a n ds b a 一1 5w e r es y n t h e s i z e da n d c h a r a c t e r i z e db yw a yo fx r d ，n 2a d s o r p t i o n d e s o r p t i o na n a l y s i s ，s e ma n dt e m s b a 15i m m o b i l i z e d e n z y m ew a sp r e p a r e db yu s i n gs b a 一15a sc a r r i e ra n d h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ( i - i r p ) a sa t t a c h e de n z y m e ，a n da n o t h e rb i o c a t a l y s tw a s p r e p a r e db yt h ee n c a p s u l a t i o no ft h es b a - 1 5a t t a c h e dw i t hh r pu s i n gc a l c i u m a l g i n a t e ，b o t hc a t a l y s t sw e r eu s e df o rc a t a l y t i cr e m o v a lo fp h e n o l sf r o ma q u e o u s s o l u t i o ni nt h e p r e s e n c e o fh 2 0 2a so x i d a n t t h ec o n d i t i o n so fe n z y m e i m m o b i l i z a t i o n , t h ee f f e c t so f b o t hc a t a l y s t sc a t a l y z e dp h e n o l sa n dt h em e c h a n i s mo f i m m o b i l i z a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： 1 ) t h em e s o p o r o u sm a t e r i a l sp r e p a r e di no u rr e s e a r c hh a dt h es a m et y p i c a l p a r a m e t e r sa st h o s ep r e p a r e db yt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d a f t e rw e tg r i n d i n g ， t h es p h e r i c a lm o r p h o l o g yo fs b a 15w a sd e s t r o y e da n di t so r d e r e dp o r ec a n a l c o u l db eo b s e r v e d ； 2 ) r o p e - l i k es b a - 1 5i m m o b i l i z e d e n z y m ew a sb e s tw h e nt h ei m m o b i l i z e dh r p , a d s o r p t i o n r e a c t i o nt i m ea n dp hw e r e2 0 m gh r p g s b a 15 ，4 ha n d8 r e s p e c t i v e l y ； 3 ) w i t ht h er e m o v a lo f p h e n o l s f r o m a q u e o u s s o l u t i o n sb ys b a 一15 i m m o b i l i z e d h r pw h e ni n i t i a lp h e n o lc o n c e n t r a t i o n ，a d s o r p t i o nr e a c t i o nt i m e a n dp hw e r el e s st h a nl o m g l ，2 ha n d8 ，r e s p e c t i v e l y ，t h ep h e n o lr e m o v a l e f f i c i e n c yc o u l dr e a c h9 0 ，a f t e rf i v et i m e so fr e u s e ，t h ee f f i c i e n c yo fp h e n o l r e m o v a lw a sd e c r e a s e dt o4 0 ；t h ec a t a l y s tp r e p a r e db ys e c o n di m m o b i l i z a t i o n h a db e r e rr e u s ec a p a b i l i t ya n dm e c h a n i c a ls t a b i l i t y , t h ee f f i c i e n c yo fp h e n o l r e m o v a lc o u l dr e a c h9 0 w h e ni n i t i a lp h e n o lc o n c e n t r a t i o n ，a d s o r p t i o nr e a c t i o n t i m ea n dp hw e r et0 m g h ，3 ha n d8 ，r e s p e c t i v e l y , a f t e rs i xt i m e so fr e p e a t e d t e s t s ，t h ee f f i c i e n c yo fp h e n o lr e m o v a lc o u l dr e a c ha b o v e6 0 ；b o t hc a t a l y s t s h a dp r e f e r a b l yp h e n o l sr e m o v a la n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ； v i 上海人学硕上学位论文 4 ) i m m o b i l i z a t i o no fh r po nm e s o p o r o u sm a t e r i a l sr e f l e c t e dt h em a t c hd i f f e r e n c e b e t w e e nt h ep o r es i z eo fc a r r i e ra n dt h es i z eo fh r p ：l i t t l eh r pc o u l db e i m m o b i l i z e di nt h ep o r ec h a n n e lo fm c m 一41a n dm c m 一4 8 ，b u tal o to fh r p c o u l do c c u p i e dt h em e s o p o r es p a c eo fs b a - 15 ，t h er o u t e so fi m m o b i l i z a t i o no n s b a 一1 5i n c l u d e dt h ep o r ea n dt h es u r f a c eo f s b a 一1 5 k e yw o r d s ：m e s o p o r o u ss i l i c a ；i m m o b i l i z a t i o n ；h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ；p h e n o l v 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：猃j 进 日期：迎i 玉垒商幽 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：缝碰导师签名：坳垒兰日期：三! 堕兰宣兰邛 上海人学硕上学位论文 1 1 介孔分子筛概述 第一章绪论 多孔材料由于具有较高的比表面积，长期以来广泛应用于吸附、催化和分离 等领域。按照国际纯粹和应用化学联合会( i u p a c ) 的定义，多孔材料( p o r o u s m a t e r i a l ) 可按其孔径的大小分为三类：小于2 r i m 为微孔( m i c r o p o r e ) ；2 - 一5 0 n m 为 介孔( m e s o p o r e ) ，介孔的意思是介于微孔和大孔之间；大于5 0 n m 为大孔 ( m a c r o p o r e ) ，大于l p m 的大孔称为宏孔【1 1 。 1 9 9 2 年m o b i l 公司的k r e s g e n b e c k 等 2 ，3 1 首次以表面活性剂为模板，合成了新 颖的有序介孔氧化硅分子筛m c m 4 1 ( m o b i l ec o m p o s i t i o nm a t e r i a l4 1 ) ，这是分子 筛与多孔物质发展史上的一次飞跃。由于在重油催化和大分子分离等领域的广阔 应用前景，介孔分子筛成为人们的研究热点之一，不久即开发出一系列的介孔分 子筛，j n s b a 系列、m s u 系列、c m k 系列、h m s 、k i t 、以及金属和金属氧化 物系列等。介孔分子筛的优越性在于其具有均一可调的介孔孔径、稳定的骨架结 构、易于修饰的内表面、一定壁厚且易于掺杂的无定型骨架，以及高比表面积， 可用作功能材料、吸附剂、催化剂及其载体，不仅弥补了微孔沸石分子筛的不足， 还可以利用有序介孔作为“微反应器”，制备具有特殊光、电、磁等性能的纳米材 料，因此在化学工业、能源与环境、生物技术、吸附分离、催化及光、电、磁等 众多领域有很广阔的发展前景。 1 1 1 介孔分子筛的种类 介孔分子筛根据微观结构的不同大致可分为：一维六方( p 6 m m ) 、三维六 方( p 6 3 m m c ) 、立方相( p m 3 n ) 、立方相( i a 3 d ) 、层状相( l 矗) 、海绵相( l 3 ， 非规整结构) 。 介孔分子筛根据名称的不同可大致分为以下几个系列： ( 1 ) m c m ( m o b i lc o m p o s i t i o no fm a t t e r ) 系列，是1 9 9 2 年首次由m o b i l 公 司的研究人员开发的系列介孔分子筛，包括：m c m 4 1 ( 一维六方相， 上海大学硕十学位论文 p 6 m m ) ，m c m 一4 8 ( 立方相，i a 3 d ) ，m c m - 5 0 ( 海绵相) ； s b a n ( s a n t ab a r b a r au s a ) 系列，由加州大学s t u c k y 等人开发的介孔 分子筛，主要包括：s b a 1 ( 立方相，p m 3 n ) ，s b a 一2 ( 三维六方相， p 6 3 m m c ) ，s b a 3 ( - - 维六方相，p 6 m m ) ，s b a 一1 5 ( 二维六方相，p 6 m m ) ； m s u ( m i c h i g a ns t a t eu n i v e r s i t y ) 系列，由密歇根大学p i n n a v a i a 等人开 发的系列介孔分子筛，包括m s u 1 ，m s u 2 ，m s u 3 ，这三种含有六方 介孔结构，有序程度较低，m s u v 、m s u g 是具有层状结构的囊泡结 构； h m s ( h e x a g o n a lm e s p o r o u ss i l i c a ) 系列，由p i n n a v a i a 等人早期开发而 成，同样为有序程度较低的六方结构； 1 1 2 介孔分子筛的合成方法 目前，介孔分子筛的合成方法主要有溶胶一凝胶法、模板合成法和水热合 成法等f 4 】。 1 ) 溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶的基本方法是：将金属醇盐或无机盐等前驱体溶于水或有机溶 剂，在低温下通过水解、聚合等化学反应，形成溶胶，再转化为具有一定空间 结构的凝胶。通过将凝胶陈化、干燥及热处理或添加改性剂来进行控制。陈化 能增加凝胶骨架的强度，减少干燥过程中的收缩，获得较大的孔径和孔隙率； 而热处理的过程则是在较高温度下处理，由于孔壁表面张力的作用将减小孔径 和孔隙率。 2 ) 模板合成法 模板合成法即使表面活性剂形成胶束作为模板，再通过干燥和焙烧而形成 介孔固体。首先将表面活性剂加入到溶剂中形成混合液，随后加入无机物种、 酸或碱，搅拌使之反应完全。然后通过水热处理、室温陈化等提高无机物种的 缩聚程度，形成稳定的中间产物，再经过洗涤、过滤、干燥，得到有机无机复 合前驱体，最后通过灼烧或溶剂萃取去除其中的表面活性剂，即得到介孔分子 筛。 2 ) ) ) 2 3 ( ( ( 上海大学硕士学位论文 3 ) 水热合成法 早期的介孔分子筛主要采用水热法合成。水热反应是高温高压下在水溶液 或蒸汽等流体中进行的有关化学反应，经分离和热处理得到相关介孔分子筛。 1 1 3 介孔分子筛合成的影响因素 在合成上可控的因素很多，各因素彼此关联，使得合成过程中的每一个步 骤都可能对产物的结构和性能产生影响。 主要的参数有 1 】：( 1 ) 将要成为孔壁的无机物种类( 金属、金属氧化物及 其他) 及在孔壁内发生晶化的趋势；( 2 ) 表面活性剂种类( 阳离子、阴离子、 非离子) 与结构；( 3 ) 无机前驱物的类型( 烷氧化物、盐、硅源、铝源【5 1 ) 及 其水解和缩聚反应的动力学；( 4 ) 表面活性剂浓度( 分子、胶束、真正液晶模 板) ；( 5 ) 介质的p h 值【6 】；( 6 ) 反应物( 凝胶) 组成( 表面活性剂和二氧化硅 之间的摩尔比【刀、离子强度 8 1 等) ；( 7 ) 温度( 低温、水热) 9 1 0 】；( 8 ) 添加剂 ( 盐、有机物) ；( 9 ) 合成时剐1 1 1 2 】；( 1 0 ) 反应物加料顺序或分步反应；( 1 1 ) 溶剂种类( 水、非水) 与溶剂组成；( 1 2 ) 合成法( 挥发诱导自组、沉淀) ：( 1 3 ) 合成后处理( 扩孔、稳定化、相变) ；( 1 4 ) 对产物形体的要求( 单块、膜、纤 维或粉末) ；( 1 5 ) 除模板剂的方法( 焙烧、萃取) 【l 3 1 。 1 1 4 介孔分子筛的应用 介孔分子筛作为近来国内外跨学科研究的热点，其在催化和分离上的应用得 到人们越来越多的关注，在环境学、化学、光电子学、电磁学、材料学、生物学 等诸多领域有着巨大的潜在应用前景。 1 ) 在环境保护中的应用 随着经济快速发展，大量有毒有害物质进入水体、大气、土壤，直接危害 人类健康，环境污染成为制约可持续发展的主要原因之一。介孔分子筛具有开 放性孔道结构、窄的孔径分布及很高的比表面积和孔容积，可作为良好的环境 净化材料。目前研究的热点集中在利用改性介孔分子筛的吸附及催化特性治理 环境污染。 上海大学硕上学位论文 ( 1 ) 作为吸附剂在水环境中的应用 人类生产活动会向水体排放大量未经处理的工业废水、生活污水和各种废 弃物，造成水质恶化，而介孔分子筛可作为吸附剂，去除水中的各种污染物。 去除水中的重金属离子 活性炭是常用的吸附剂，但它吸附容量低，选择性差，再生损失大。介孔分 子筛的结构特性有利于金属阳离子与改性介孔分子筛孔道内的活性吸附点结合， 从而提高吸附速率和吸附容量。因此，功能化介孔分子筛的性能比具有相同功能 化基团的无定形氧化硅、黏土及有机聚合物材料更加优越。 a n t o c h s h u k 等将苯甲酰硫脲引入m c m 4 1 中得到表面积为3 8 0 m 2 儋和孔径 为3 0n l n 的改性分子筛。该分子筛对h 9 2 + 离子的最大吸附容量为1 0gh g 或 5 0m m o lh 9 2 + g ，比先前所知道的样品的最大吸附容量提高了两倍以上。h 9 2 + 离 子与苯甲酰硫脲之间相对较弱的作用力使得改性分子筛可以在中性的环境中通 过水洗而再生，再生的分子筛具有初始物质7 0 的吸附容量。 p e r e z q u i n t a n i l l a 等 15 】通过对s b a 1 5 和m c m 4 1 进行不同的改性制得改性分 子筛，改性的分子筛包括通过非均相步骤得到的m t z s b a 1 5 h e t 、 m t z m c m 4 1 h e t 和通过均相步骤得到的m t z s b a 1 5 一h o m 、 m t z m c m 一4 1 h o m ，并5 t i j h 9 2 + 进行吸附。结果表明：m t z s b a 1 5 h o m 和 m t z - m c m 一4 1 一h o m 对h 9 2 + 的吸附容量分别为1 1 0 和0 7m m o lh g ( i i ) 儋，高于 m t z s b a 一1 5 h e t 和m t z m c m 一4 1 h e t s 对h 9 2 + 的吸附容量。同时他们研究了 h 9 2 + 的吸附效果与分子筛的孔径和孔容之间的关系，指出功能化的s b a 1 5 比功 能化的m c m 4 1 具有更高的吸附容量。该实验使得介孔分子筛吸附水中的h 矿+ 离 子具有更好的可行性。 另外，利用介孔分子筛去除水中其他金属离子也有很好的效果。 r e n g a r a j 等【1 6 】研究了分别氨基功能化和质子化的介孔铝分子筛对初始浓度 为5 - - 一3 0m g l 筝j c u 2 + 的去除。结果表明：p h 在2 6 范围内两种分子筛对c u 2 + 的吸附 都是非常有效的。当c u 2 + 初始浓度为1 0m g 1 时，氨基功能化和质子化的介孔铝对 c u 2 + 的去除率都可以达至u 9 5 以上。s e m 和x 】m 图谱均显示c u 2 + 在介孔铝分子筛 表面具有非常规则的分布。通过该实验可以看到，基于该分子筛来处理废水具有 4 上海大学硕上学位论文 一定的可能性，并且该方法可以作为传统方法的替换，另外还可以用来回收微量 金属或者净化处理后的废液。 s a y a r i 等【1 7 l m n ，n 二甲基癸胺( d m d a ) 作为扩孔剂对m c m 4 1 进行后处理， 得到的介孔分子筛对c u 2 + 、n i 2 + 、c 0 2 + 具有快速吸附作用，根据金属自身性质的 不同，介孔分子筛对c u 2 + 、n i 2 + 、c 0 2 + 的最大吸附容量在5 0 - 1 0 6 m g g 之间，在离 子浓度较低时，对三种离子的去除率可以大于9 8 。 去除水中阴离子 砷在地表水中以h k s 0 4 2 - a s ) 】形式存在，在地下水中多以h s a s 0 3 和 h k s 0 3 2 一 a s ( i i i ) 形式存在。传统的活性a 1 2 0 3 0 a ) 孔道有序度差，吸附速率慢， 容量低。用介孔分子筛作为吸附剂来去除a s ，可以达到很好的效果。 y o s h i t a k e 等对s b a 1 和m c m 一4 1 改性，分别在两种分子筛中引入一氨基、 二氨基和三氨基，并进行了吸附实验，研究氨基基团密度对离子吸附的影响。三 氨基改性的m c m 4 1 和s b a 一1 对h a s 0 4 2 的饱和吸附容量分别为1 0 9 9 m g g 和 2 6 2 7 m g g ，比一氨基和二氨基改性的m c m - 4 1 和s b a 1 要高得多，因为在s b a - 1 内，所有的氨基基团都成为吸附位点，而m c m 4 1 中的氨基基团因为是区域性存 在，对吸附效果会有一定的不利影响。 g u 等研究了含铁的有序介孔碳对水d p a s 的去除。a s 的吸附实验显示a s 的 最大吸附容量主要与铁的含量有关，达到最大吸附容量时，铁与砷的摩尔比为 5 5 3 7 9 7 。而吸附的适合p h 值与砷的类别有关：在砷的初始浓度为9 9 8m g l 时， 对于砷酸盐适合的p h 为3 0 7 0 ，而亚砷酸盐为6 0 。9 5 。 f 一对人体的危害众所周知，h o 掣2 0 1 在介；f l t i 氧合氢氧化物( t i o 。( o h ) v ) 中 分别引入氧化锆和硅基来提高材料的离子交换容量。t i o 。( o h ) v 的多孔结构使得 f 很容易与羟基基团发生离子交换。通过比较离子交换容量得到：t i o ；( o h ) v 硅 基的t i o x ( o h ) y 含锆的t i o x ( 0 h ) y ，从而得出含锆的t i o x ( o h ) y 离子交换容量最 大，在颗粒大小方面与离子交换容量的顺序相反，含锆的t i 0 。( o h ) i r 硅基的 t i o ；( o h ) y t i o 。( o h ) y 。 去除水中有机物 有机污染物( 主要是非离子疏水性有机物) 广泛存在于地表水中并通过土壤 上海大学硕士学位论文 污染地下水，严重威胁人类健康和自然环境。 l i u 等 2 1 1 用s b a 1 5 作为模板制得介孔碳材料c m k 3 ，随后用来吸附壬基苯酚 乙氧基化物( n p e ) 。c m k - 3 吸附n p e 符合l a n g m u i r - f r e u n d l i c h 方程，在1 5 ，2 5 和3 5 c 时的最大吸附量分别为9 2 3 ， 7 2 0 和4 6 3m g g ，说明吸附容量是随着吸附 温度的升高而减少的。研究发现，在低的平衡浓度下，n p e 被吸附进入材料的孔 道内，而在高的平衡浓度时，则只被吸附在材料的表面。通过1 59 c 时的最大吸附 容量可以看出，用c m k 3 吸附水溶液中的n p e 是十分有效的。 s a y a f i 等【”1 用n ，n 二甲基癸胺( d m d a ) 作为孔径扩张剂对m c m 4 1 进行后处 理，再通过选择性的去除孔道内的氨基制得介孔分子筛，并对4 氯邻甲氧苯酚和 2 ，6 二硝基苯酚进行吸附。在低浓度的条件下，对4 氯邻甲氧苯酚和2 ，6 二硝 基苯酚的吸附率可以分别达到8 9 3 和9 8 7 ，而吸附容量可以分别达到 9 6 6 m g g 和115 5 m g g 。 去除有机染料 m o h a m e d t 2 2 1 用c t a b 对f s m 1 6 进行改性后用来吸附酸性染料，并与未改性的 f s m 1 6 和活性炭对比。酸性染料在f s m 1 6 上的吸附等温线为v 型，在 c t a b f s m 1 6 上的吸附等温线为i 型，说明后者样品表面为强疏水性。与f s m 一1 6 和活性炭相比，c t a b f s m 1 6 在低浓度条件下的吸附效果更好。 ( 2 ) 作为催化剂载体在大气污染中的应用 n o ；和s o 。不仅危害人类健康，还可导致酸雨和光化学烟雾。介孔分子筛具 有高的比表面积和单一的有序孔结构，可用于催化降解n o ；和s o x 。 催化分解n o ； 现有燃煤烟气的n o x 治理技术存在投资及运行费用高、产生二次污染等缺 点，且不适合开放系统中n o ，的脱除。t i 0 2 是氧化n o x 的良好催化剂，规则孔道 结构的介孔分子筛是纳米t i 0 2 的理想载体，可提高分散度及催化活性，并解决纳 米t i 0 2 易凝聚、难回收等问题。另外，c u o 、f e 2 0 3 、c 0 2 0 3 等过渡金属氧化物负 载的非硅基介孔分子筛具有较传统a 1 2 0 3 和s i 0 2 载体优异得多的储氧和供氧能 力。 z h a n g 等 2 3 1 研究表明，水热法合成的t i h m s 在2 7 5k 表现出较高的将n o 分解 6 上海大学硕士学位论文 为n 2 和0 2 的光催化活性，并且发现光催化活性、n 2 和0 2 的选择性随钛含量的增 加而减少，钛质量分数为l 时，n o 分解光催化活性以及n 2 和0 2 的选择性最高， 这表明高分散的四面体钛是形成n 和o 的活性中心。 k u s t o v a 等2 4 1 对传统的沸石材料z s m 5 和z s m 1 1 与含c u 的介孔沸石材料 c u z s m 5 和c u z s m 1 l 在直接催化降解n o 方面进行比较，在相同的情况下， z s m 1 1 比z s m 一5 的催化效率要高很多，而c u z s m 1 1 的催化活性更是c u z s m 5 的两倍，在合适的条件下接近于1 0 0 。这是因为与z s m 5 具有的笔直和弯曲的 两种孔道，而z s m 1 1 只有笔直的微孔孔道，更容易形成酸性位点和提高活性。 催化分解s o x s o x 也是主要的大气污染物之一，p a l m 等【2 5 1 在v - s i 0 2 内引入c s ，研究该介 孔催化剂对s 0 2 的氧化作用。随着v 与c s 摩尔比的增加，s 0 2 的转换率也增加，在 v c s 为3 时达到最高，可达6 5 左右，当v c s 继续升高时，s 0 2 转化率有所降低， v c s 为4 0 时的活性与v c s 为2 。5 时接近。 催化分解其他物质 i k e u e 等阳研究了含n 介孔分子筛光催化还原c 0 2 和h 2 0 生成c h 4 和c h 3 0 h 的 反应，发现六方形薄膜结构的介孔含t i 分子筛比相同结构的t i m c m 一4 1 表现出高 的光催化活性，f t - i r 研究表明，六方形薄膜结构的含t i 介孔分子筛含有不同浓 度的o h ，并表现出对h 2 0 不同的吸附特性，表面o h 对c h 3 0 h 的形成起作用。 ( 3 ) 介孔分子筛在环境保护中的其他应用 介孔分子筛除了上述的应用外，其在环境中还有很多其他的应用。 m a r t i n 等2 7 1 用介孔m c m 4 1 球体作为高效液相色谱仪的固相填料，因为 m c m 一4 1 具有大的比表面积，通过提高溶质的滞留时间来增强其热动力学反应。 另外m c m 4 1 具有更高、更均相的分子扩散，从而可以有效的提高柱效率。 s u n 等将s b a 1 5 和c m k 3 用于甲烷的存储、c 0 2 的捕获和燃料的脱硫。结 果表明，每克s b a 1 5 可存储2 3 w t 的甲烷气体，而c m k 3 可以达至l j 4 1 2 w t 。 对于同一种存储介质s b a 1 5 ，c 0 2 、c h 4 、n 2 、0 2 和h 2 的吸附效果各不相同，以 c 0 2 的吸附效果最佳，可达1 0 m m o v g 。另外，在有c u c i 存在时，s b a 一1 5 可有效 的去除燃料中的噻吩。 7 上海大学硕士学位论文 2 ) 在电容、电极、储氢材料中的应用 介孔分子筛比表面积大，孔结构规则均一，利于其孔内粒子的快速扩散， 有望制得超电容电极材料口9 1 。 介孔碳双电层电容器电极材料的电荷储量高 3 0 3 1 1 。孔径3 9 r i m 的介孔碳电 容器电容量达1 0 0f g ，充放电1 0 0 次后衰减小于2 0 ，与金属氧化物r u 0 2 粒 子组装后电容可达2 5 4f g ，是性能极佳的新一代电容器材料。 3 ) 在半导体传感器和生物传感器中的应用 在介孔分子筛的众多性能中，介孔分子筛组装半导体和生物大分子实现对气 体的半导体传感、生物传感、疾病预测等研究一直倍受关注。如常温下m c m 4 8 立方介孔硅膜与半导体复合形成s i n s i 0 2 s i 3 n 4 a u 复合电极薄膜，可用于n o x 含 量( = l x l 0 6 级) 的检测3 2 1 。 4 ) 在信息储运材料中的应用 介孔z 向2 溶胶经磷酸处理后煅烧，样品显示出较好的荧光特性，其在光活性 荧光发光方面有望获得应用吲。 磁性材料铁氧四面体中介孔结构材料的引入及其与纳米粒子的组装或铁氧 四面体纳米粒子与其它类介孔分子筛组装都有望在磁存储领域产生新的性能并 得到应用。 1 2 固定化酶概述 酶作为一种生物催化剂，具有高选择性、催化反应条件温和、无污染等特点， 广泛应用于食品加工、医药和精细化工等行业。但天然酶稳定性差、易失活、不 能重复使用，并且反应后混入产品，纯化困难，使其应用受到限制。2 0 世纪6 0 年代兴起的固定化酶技术为这些问题提供了有效的解决手段，从而成为酶工程领 域中最为活跃的研究方向之一。 酶的固定化就是通过某些方法将酶与载体结合后成为不溶于含有底物的相 中，从而使酶被集中或限制在一定的空间范围内进行酶解反应 3 4 1 。早在1 9 1 6 年， n e l s o n 和g r i f f i n f 3 5 】就发现蔗糖酶吸附在骨炭微粒上仍能保持与游离酶相同的活 性，但在此后的将近4 0 年时间里，由于人们没有意识到固定化酶广阔的应用前景， 上海大学硕上学位论文 对固定化酶的研究非常少，直到进入五十年代以后，人们才逐渐认识到固定化酶 的应用价值，才开始积极的对酶固定化技术进行研究和开发。1 9 5 3 年，g u r b h o f e r 和s c h l e i t h 3 6 】通过重氮化共价结合法将多种酶固定在聚氨基苯乙烯树脂上；1 9 6 3 年，b e m f e l d 和w a n e 3 7 】利用聚丙烯酰胺包埋法固定了多种酶。与游离酶相比，固 定化酶有以下优点【3 8 】：( 1 ) 产物与固定化酶易分离，可重复使用；( 2 ) 酶解反应 中酶用量减少，降低了成本；( 3 ) 可进行连续性生产，提高了生产效率，适于工 业化应用。 1 2 1 酶的固定化方法 酶只有在本身具有特有的高级结构和活性中心时才能进行催化作用，此活动 中心具有两个机能不同的部位，一个是参与酶促反应的反应部位，即催化部位， 一个是支配反应时对底物有高度专一性的专一部位，即结合部位。这些部位在各 种酶中分别由一定的氨基酸残基组成，酶在固定化状态下发生催化反应时，需保 持这些结构，并且要使得这些活性中心的氨基酸残基不发生变化，因此，制备固 定化酶，要求有非常严密的条件，应避免高温、强酸、强碱处理，如果活性中心 的氨基酸残基或高级结构发生变化，就会不产生酶促反应或者改变酶对底物的专 一性。 固定化酶的制备方法有物理法和化学法两大类【3 9 ，删。物理方法包括物理吸 附法、包埋法等。化学法是将酶通过化学键连接到天然的或合成的高分子载体上， 或连接到无机载体上而制成不溶性的酶的方法。 1 ) 吸附 吸附法操作简单，并且对载体不需要做进一步的处理，因此不会改变酶的 本性。但因为催化剂与载体之间的吸附作用主要为范德华力，因此，催化剂在 使用过程中，容易从载体内泄漏出来。增加催化剂的稳定性可以通过改变催化 剂和载体的属性，将范德华力转变为氢键。 有时酶在物理吸附过程中活性和稳定性能够得到增强。活性增强是因为反应 基质和固定化酶之间作用的增强，或者提高了固定化酶的自旋状态。 2 ) 包埋 9 上海大学硕士学位论文 包埋法是通过物理的方式将酶限定在一定的环境中，基底可以在该环境中 自由出入，而酶分子则不可以。包埋法有以下的不足：( 1 ) 限制酶的环境不易 控制，可能会妨碍基底或者反应物的进出，导致反应延迟和长的反应时间；( 2 ) 如果包埋介质的孔径分布不是很窄，则会导致持续的酶活性的丧失。 3 ) 共价结合 酶与载体以共价键结合的固定化方法，是载体结合法中报道最多的方法。归 纳起来有两类，一是将载体有关基团活化，然后与酶有关基团发生偶联反应。另 一种是在载体上接上一个双功能试剂，然后将酶偶联上去。共价结合最主要的优 势在于固定化酶的稳定性，即酶能够最小量的泄漏出来。但此方法条件要求高， 操作复杂，而且由于采用了比较激烈的反应条件，会引起酶蛋白高级结构变化， 破坏部分活性中心，因此不能得到比较高活力的固定化酶。 4 ) 静电结合 共价结合的方法相对来说比较复杂，需要有一些准备步骤，不利于大规模 的操作。因此之后就出现了通过载体和催化剂之间的静电作用来达到固定化目 的的方法。酶与载体之间也能够通过静电作用来固定化酶。 5 ) 交联 交联的方法是通过酶分子之间的共价作用将三维的酶分子聚集起来。这种方 法最主要的缺点就是聚集体尺寸难控制性，基底与聚集体核心部位的易接近性， 以及交联起来的酶缺乏机械强度。 这些缺点可以通过与其他的酶固定化方法结合来解决。例如，酶可以物理 吸附进入内部联系的三维网格结构的载体中，而该结构的孔道直径远远大于酶 分子的尺寸，随后再进行酶分子之间的交联。交联的酶分子的尺寸被载体的孔 道直径所控制，而基底到达交联酶分子的核心部位的障碍也会相对减少。另外， 交联的酶分子的物理强度可以通过载体来加强。更进一步的，交联的酶分子的 泄漏可以通过调整载体的孔道内部联系性来达到最小化。 1 2 2 固定化酶的制备原则 固定化酶的应用目的、应用环境各不相同，而且可用于固定化酶制备的物理、 1 0 上海大学硕士学位论文 化学手段、材料等多种多样。制备固定化酶要根据不同情况来选择不同的方法， 般应遵循以下几个基本原则： 1 ) 维持酶的催化活性及专一性：酶蛋白的活性中心是酶的催化功能所必须的， 酶蛋白的空间构型也与酶活性密切相关，因此，在酶的固定化过程中，必须注意 酶活性中心的氨基酸残基不发生变化，也就是酶与载体的结合部位不应该是酶的 活性部位。由于酶蛋白的高级结构是凭借氢键，疏水键和离子键等较弱的键维持 的，所以固定化时应采用尽可能温和的条件，尽可能保护好酶蛋白的活性基团。 2 ) 固定化酶应有一定的稳定性：固定化方法是否实用，在很大程度上取决于此 种方法制得的固定化酶的稳定性，尤其是操作稳定性。若一种固定化酶十分稳定， 在反应器中能长期有效运转，那么它在经济上的竞争力是很强的。影响固定化酶 稳定性的因素有：酶和载体的连接方式、连接键的数量、单位载体上的活性等。 3 ) 固定化酶应有最小的空间位阻：为不妨碍酶与底物的接近，固定化酶应有最 小的空间位阻。 4 ) 采用适当的载体 ( 1 ) 对用化学偶联法制备固定化酶而言，载体表面应具有化学活性基团，这 些基团可以直接与生物分子偶联，或经过较为温和的化学方法活化后与生物分子 偶联； ( 2 ) 载体应是惰性的，载体的作用仅仅是生物分子的固定化，而不应与底物、 产物或者反应介质发生化学反应，以有利于固定化酶保持稳定性； ( 3 ) 对于细胞培养的微载体及载体药物而言，载体应具有良好的生物相容 性。载体药物的制备在很多情况下都要选用生物可降解的高聚物作为载体； ( 4 ) 固定化应有利于生产自动化、连续化。为此，载体应具有一定的机械强 度，不能因机械搅拌而破碎或脱落； ( 5 ) 载体应廉价易得； ( 6 ) 载体应有利于固定化酶的重复使用。 1 2 3 固定化酶的载体 常见的固定化酶载体主要有以下几种h 1 】： 上海大学硕士学位论文 1 ) 壳聚糖及其改性 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是甲壳素的脱乙酰化产物，是一种氨基多糖。由于壳聚糖具 有良好的机械性能、稳定的化学性质、生物相容性和易于改性，再加上其来源丰 富，成本低廉，制备简单，已成为开发固定化酶的采用载体材料之一。 2 ) 纤维素及其衍生物 纤维素结构中存在大量的羟基，可通过各种反应，如氧化、酯化、醚化、亲 核取代、接枝共聚和交联等，制成多种纤维素衍生物而带有各种基团，用于酶固 定化的研究。 3 ) 有机合成聚合物 有机聚合物载体的研究是酶固定化载体的主要内容，新型聚合物载体不断出 现：离子聚合物，依靠电性排斥或体积排斥作用，既可以提高固定化酶的稳定性， 又能有效的消除其他物质的干扰；接枝聚合物，通过接枝单体的选择，可以赋予 接枝聚合物特殊的结构和功能，这是其用于酶固定化方面的优点。 4 ) 凝胶材料 凝胶材料具有良好的生物相容性，与被固定化的酶之间只有较弱的相互作 用，固定在凝胶中的酶活性能够保持较长时间。卡拉胶、聚乙烯醇、海藻酸钙凝 胶是应用较早的凝胶材料。明胶作为一种重要的凝胶材料，具有酶活力降低少、 稳定性好等优点。 5 ) 磁性微粒 磁性微粒应用于酶固定化具有以下4 大优点：( 1 ) 具有很好的生物相容性； ( 2 ) 其表面含有大量功能团；( 3 ) 具有磁性，可方便简单的进行分离和磁性导 向；( 4 ) 分散性好。 1 2 4 固定化酶在环境保护中的应用 随着固定化酶技术的发展，固定化酶在环境保护中的应用也越来越广泛。 固定化酶可用来检测重金属和农药等的含量。传统的重金属含量检测方法不 适合于原地分析，并且成本较高，而将固定化酶应用于生物传感器中，则可解决 该问题。另外对于一些生物传感器，重金属对酶活性的抑制是可逆的，即在一些 1 2 上海大学硕士学位论文 强的配位体( 比如e d t a ) 的作用下，酶的活性可以恢复。m a l i t e s t a 等1 4 刁将葡糖 氧化酶固定在聚苯二胺中，制得葡糖生物传感器，用来检澳u h 9 2 + 。该传感器的响 应时间非常短，在2 m i n 之内，并且在e d t a 的作用下，该传感器的响应恢复也非 常快，通过研究该传感器对c u 2 + 检测效果也显示了可用于检测全部有害金属的生 物传感器的开发的可能性。 固定化酶可以用于废水的处理。y a g i z 掣4 3 1 将脂蛋白酶分别固定在水滑石和 沸石中，随后用来处理厨房污油。实验结果显示，在4 。c 、p h 为8 5 的最适条件下， 酶在水滑石中的最大固定量为1 3 m g g ，在沸石中的最大固定量为9 m g g 。载酶材 料在4 5 。c 和5 5 。c 下分别重复使用7 次后，仍然保留了3 4 和1 4 的活性。在处理 厨房污油方面，载酶材料可将厨房污油转化为甲脂，室温条件下，1 0 5 h 后，甲脂 的转化率可达9 5 。 固定化酶还可用于催化降解污染物质。g r o o t 等】将血红素固定在电极表面， 并用来催化降解n o x 。研究发现n o 。的催化分解可以有两种不同的途径，一种最 终转化为n 2 0 ，另一种方法最终转化为n h 2 0 h ，并且两种转化的可选择性为1 0 0 。其中n 2 0 的转化是不依赖于p h 的变化的，而n h 2 0 h 的转化则要考虑p h 的影 响，因为血红素与n o 之间的作用不足以破坏n 0 键，所以n o x 在转化成n h 2 0 h 后，不会进一步的转化为n h 3 。 1 3 介孔分子筛固定化酶概述 在介孔分子筛未用作酶的固定化载体之前，溶胶一凝胶材料曾广泛地被用 于酶等生物活性分子的固定或包埋，其优势在于酶泄漏少。但是，酶的活性受到 溶胶一凝胶制备条件的影响，狭小的网格孔道限制了质量传递；同时，一般的溶 胶一凝胶材料在制备过程中很难控制孔径的分布，对被固定物粒径的选择性很 小；而且酶在这类基体中仍可凝结，而固定孔分布的载体将有利于防止酶的凝结。 介孔分子筛因为其均一可调的孔径、高的比表面积和规整的孔道结构以及易于表 面功能化等优点，目前被广泛的用于酶蛋白质的固定充当生物催化剂载体。 1 9 9 6 年，b a l k u s 等【4 5 】首先报道了有序介孔分子筛对酶的固定化研究，用 m c m 4 1 固定球蛋白酶、细胞色素c 、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶和辣根过氧化物酶。 上海大学硕士学位论文 随后，不同的研究者又先后报道了m c m 4 1 、m c m 4 8 和s b a 1 5 等- 4 9 介孔分子 筛对酶的固定化。目前常见的固定对象和固定载体如表1 1 所示。 表1 1 酶固定对象与常用的固定载体 固定对象常用的同定载体 赖氨酸、苯基丙氨酸、谷氨酸 维他命e 维他命b 2 过氧化氢酶 伴清蛋白 细胞色素c 溶菌酶 肌红蛋白 卵清蛋白 木瓜蛋白酶 青霉素 胰蛋白酶 m c m 4 l c m k 1c m k 3 m c m 4 1m c m 4 8 s b a 1 5 s b a 1 5 功能化的s b a 1 5 和m c f 等 m c m - 41m c m 4 8s b a 15 c m k 3 等 m c m 41m c m 4 8s b a 15a 1 m c m 41 c m k 1c m k 3 s b a 1 5 功能化的s b a 1 5 s b a 一1 5 功能化的s b a 1 5 s b a 1 5 功能化的s b a 1 5 m c m 4 1 m c m 4 1m c ff s m 一1 6s b a 1 5 1 3 1 介孔分子筛固定化酶的优势 介孔分子筛因为其均一可调的孔径、高的比表面积、规则的孔道、稳定的骨 架结构和易于表面功能化等优点，目前被广泛用于酶蛋白质的固定化，充当生物 催化剂载体。其优势主要有以下几点：