（无机化学专业论文）介孔分子筛的合成及其孔道中脂肪酶固定化的研究.pdf

如 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注和 致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本人的 启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 。 学位论文作者签名： 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名：釜碴嫩 指导攀师签名：刻蕴拉 签名日期： 矽j 口年期7 日 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 无机介孔分子筛s b a - 1 5 因其具有较大的比表面积、高度有序的孔道结构、较大的 孔容、孔径均一且在一定范围内连续可调、表面易改性、较好的热稳定性和水热稳定性 等一系列优点，因而它可以用于生物大分子的分离和作为催化反应的场所。 脂肪酶是一种重要的生物催化剂，因其催化反应条件温和、无污染等特点，它已经 被广泛地应用于食品加工、医药、生化等领域。但是，大多数游离的脂肪酶是水溶性的、 稳定性差、易失活、不能再利用、反应后很难与产品分离等，这些缺点使其很难在工业 中被广泛地应用。采用酶固定化技术将游离的脂肪酶固定化，所得到的固定化脂肪酶具 有操作稳定性和p n 稳定性大大提高、很容易与产品分离、可重复使用、有利于工业化 的批量生产等一系列优点。从而提高了酶的利用效率，降低生产成本。 本论文研究主要包括三部分： 1 采用以聚氧乙烯一聚氧丙烯聚氧乙烯三嵌段共聚物p 1 2 3 ( e 0 2 0 i 0 7 0 e 0 2 0 ) 为模板剂， 正硅酸乙酯为硅源，酸性条件下，水热晶化合成s b a - 1 5 介孔分子筛。通过x r d 、n 2 物理吸附、透射( t e m ) 、扫描( s e m ) 、红外( f t 鳓等手段对所合成的分子筛进行表征。 结果表明所合成的s b a - 1 5 介孔分子筛具有较高的比表面积、高度有序的孔道结构、较 大的孔容、孔径、较高的热稳定性和水热稳定性。 2 以实验室制备的介孔分子筛s b a - 1 5 为载体，采用吸附的方法固定化假单胞菌脂 肪酶，优化了固定化条件，并且还考察了固定化酶的p r t 稳定性、操作稳定性以及储藏 稳定性。 3 对本实验室制备的介孔分子筛s b a - 1 6 、m c m - 4 8 和m c m - 4 1 分别进行了假单胞 菌脂肪酶的固定化，对比用不同载体固定化脂肪酶的固定化结果。 关键词：s b a - 1 5 ；固定化脂肪酶；相对活性；稳定性 辽宁师范大学硕士学位论文格式规范 p r e p a r a t i o no fm e s o p o r o u ss b a 一15a n di m m o b i l i z a t i o no fl i p a s eo n m e s o p o r o u sm a t e r i a l s a b s t r a c t t h em e s o p o r o u sm o l e c u l a rs i e v es b a - 1 5h a sv e r yw i d ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nt h e c a t a l y t i cc h e m i s t r y , s o r p t i o na n db i o - m o l e c u l a rs e p a r a t i o nf i e l dd u et oi t su n i q u ep r o p e r t i e s ， s u c ha sl a r g es u r f a o ea r e a , h i 班yo r d e r e dm e s o s t r u c t - u r e ，l a r g ep o r ev o l u m e ，u n i f o r m p o r es i z e a n dc o n t r o l l a b l em o r p h o l o g y , e a s i l yf u n c t i o n a l i z e d 蜘l 矗a c e ，h i g ht h e r m a l s t a b i l i t y , a n ds oo n e n z y m el i p a s eh a sb e e nw i d e l yu s e di nf o o dp r o c e s s i n g , m e d i c i n e ，b i o c h e m i s t r ya n d o t h e rf i e l d sb e c a u s eo fi t sm i l dc a t a l y t i cc o n d i t i o n sa n dn op o l l u t i o n h o w e v e r , m o s to ft h e f r e ee n z y m e sa r ew a t e r - s o l u b l e ，u n s t a b l ea n dc a nn o tb er e u s e d s oi ti sd i f f i c u l tt ob ew i d e l y u s e di ni n d u s t r y t h ei m m o b i l i z a t i o no fn p a s ec a l li m p r o v et h e o p e r a t i o n a ls t a b i l i t yo f e 1 1 z y m e 8a n dp hs t a b i l i t yg r e a t l y , a n di se a s yt os e p a r a t ef r o mt h ep r o d u c t i o n , w h i c hi s b e n e f i c i a lt o 也er e v i s e ， t h ea r t i c l ei n c l u d e st h r e e p a r t s ： f i r s t , t h em e s o p o r o u sm o l e c u l a rs i e v es b a 一15w a ss y n t h e s i z e db yu s i n gs u r f a c t a n tp12 3 a st e m p l a t e ，t e e sa ss i l i c as o u r c eu n d e ta c i d i cc o n d i t i o n s x r d 、n 2a d s o r p t i o n 、t r a n s m i s s i o n ( t e m ) 、s c a n n i n g ( s 勘田、i n f r a r e d ( f t - i r ) m e t h o d sw e r eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h es a m p l e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o d u c t sh a d h i g h l yo r d e r e dm e s o s t m c t u r ew i t hh i g hs u r f a c ea r e a , l a r g ep o r ev o l u m e ，n a r r o wp o r es i z ed i s t r i b u t i o n , h i g h l yt h e r m a ls t a b i l i t ya n dh y d r o t h e n n a l s t a b i l i t y s e c o n d , t h er e l a t i v ea c t i v i t yo fi m m o b i l i z e dl i p a s eo nm e s o p o r o o u ss b a - 1 5w o r e s t u d i e db yd i f f e r e n tm i x i n gt i m e ，e n z y m ec o n c e n t r a t i o na n dp ho fs o l u t i o n u n d e rt h e o p t i m u mi m m o b i l i z a t i o nc o n d i t i o n s ，t h ep h ，o p e r a t i o n a la n ds t o r a g es t a b i l i t i e so f i m m o b i l i z e do i i z y m ea r eg r e a t l yi m p r o v e dc o m p a r e dt ot h ef r e ee n z y m e w ea l s os t u d i e dt h ei m m o b i l i z a t i o no f l i p a s eo nt h eo t h e rm e s o p o r o u sm a t e r i a l s ，s u c ha s s b a - 1 6 ，m c m - 4 8a n dm c m - 4 1 c o m p a d e dw i t ht h e i ri m m o b i l i z e dr e s u l t k e yw o r d s ：s b a - 1 5 ；i m m o b i l i z e dl i p a s e ；r e l a t i v ea c t i v i t y ；s t a b i l i t y i i 辽宁师范大学硕士学位论文 目录 考商要i a b s t r a c t i i j 目 l 言1 1 文献综述2 1 1 研究背景2 1 2 无机介孔材料的研究概况2 1 2 1 介孔材料的定义和分类2 1 2 2 介孔分子筛的合成与合成方法3 1 2 3 介孔分子筛的合成机理4 1 3 介孔分子筛s b a - 1 5 的研究概况7 1 3 1 介孔分子筛s b a - 1 5 的结构及性质研究8 1 3 2 介孔分子筛s b a - 1 5 的应用研究8 1 4 固定化酶简述9 1 4 1 固定化酶的概念9 1 4 2 酶的固定化方法9 1 5 固定化酶的性质1 1 1 6 固定化酶的制备原则。1 2 1 7 固定化酶的应用1 2 1 7 1 固定化酶在化学及化工领域中的应用研究1 2 1 7 2 固定化酶在食品工业领域中的应用研究1 2 1 7 3 固定化酶在临床医药的应用研究1 3 1 7 4 固定化酶在环境科学中的应用研究1 3 1 7 5 固定化酶在皮革工程领域中的应用研究1 3 1 7 6 固定化酶制备生物柴油：i 1 3 1 8 脂肪酶的固定化研究1 3 1 8 1 脂肪酶的概述1 3 1 8 2 游离的脂肪酶在应用中存在的问题1 4 1 8 3 固定化脂肪酶的研究现状。1 4 1 9 本课题研究的意义及主要工作1 5 2 s b a - 1 5 有序介孔分子筛的合成与表征。1 6 2 1 实验中用到的主要试剂及仪器设备1 6 辽宁师范大学硕士学位论文格式规范 2 1 1 实验所用的化学试剂1 6 2 1 2 实验所用的主要仪器设备1 6 2 2 介孔分子筛s b a - 1 5 的合成1 7 2 3 介孔分子筛s b a - 1 5 的水热稳定性实验1 8 2 4 介孔分子筛s b a - 1 5 的表征。1 8 2 5 结果与讨论19 2 5 1 x r d 分析。1 9 2 5 2 红外光谱( f t 妁谱囹分析2 0 2 5 3 扫描电镜( s e m ) 分析j 2 l 2 5 4 透射电镜( 1 圈旧分析2 2 2 5 5 n 2 物理吸附分析2 3 2 5 6 介孔分子筛s b a - 1 5 的水热稳定性分析。2 4 2 6 本章小结2 5 3 s b a - 1 5 固定化假单胞菌脂肪酶的研究2 6 3 1 实验中用到的主要试剂及仪器设备2 6 3 1 1 实验中用到的主要仪器设备2 6 3 1 2 实验中用到的主要试剂。2 7 3 2 实验部分2 7 3 2 1 溶液的配制。2 7 3 2 2 脂肪酶的固定化。2 8 3 2 3 脂肪酶的活力测定。2 8 3 3 实验结果与讨论3 0 3 3l 固定化酶的表征3 0 3 3 2 脂肪酸吸光度工作曲线的绘制3 2 3 3 3 固定化条件对s b a 1 5 固定化酶活力的影响3 3 3 3 4 固定化酶的酶学性质3 6 3 4 本章小结3 8 4 介孔分子筛s b a - 1 6 、m c m 一4 8 和m c m 4 i 脂肪酶的固定化研究3 9 4 1 不同载体脂肪酶的固定化。3 9 4 2 固定化酶的表征一3 9 4 2 1 m c m 4 8 固定化酶的n 2 物理吸附3 9 4 2 2m c m _ 4 i 固定化酶的n 2 物理吸附4 1 l 趣夕_冀一o m，一氍0_0t 辽宁师范大学硕士学位论文 4 2 3 s b a - 1 6 固定化酶的n 2 物理吸附4 2 4 4 本章小结- 4 3 5 结论4 5 参考文献。4 6 攻读硕士学位期间发表学术论文情况。5 0 致谢51 一v 一 _9p露#。，博蠢审。一。譬，。辩0，蔼，一，矗一，一凳飞，蠢，馋_略t蓬謦墨冀零o：-。 辽宁师范大学硕士学位论文 引言 脂肪酶o i p 器e ) 又称三酰基甘油酰基水解酶，它普遍存在于动、植物和微生物中，是 一种重要的生物催化剂，反应条件温和，无污染，副产物少，广泛应用于食品、医药、 生物工程等诸多领域。但是游离的脂肪酶易失活、稳定性差、不能重复利用等这些缺点 导致其很难用于规模化的工业生产，这就需要通过酶固定化技术来克服游离酶应用的局 限。 固定化酶技术兴起于2 0 世纪6 0 年代，它是生物工程中研究最为活跃的领域之一。 固定化酶制备的最初阶段是将水溶性的游离酶与不溶性载体结合，成为不溶于水的酶的 衍生物，固定化酶也曾被称为水不溶酶( w a t e r - i n s o l u b l ee n z y m e ) 和固相酶( s o l i dp h a s e 即删。“固定化酶”( i m m o b i l i z e de n z y m e ) 这个名称在1 9 7 1 年召开的第一届国际酶工 程会议上被正式建议采用。所谓的固定化酶就是指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶， 能连续进行反应，反应后酶可以再重复回收使用。它克服了游离酶的不易回收、反应物 与底物难分离、稳定性差、易失活等诸多缺点，既具有生物催化剂的功能，又具有固相 催化剂的特性。 自2 0 世纪6 0 年代固定化技术兴起以来，固定化载体的研究引起了人们的广泛关注， 并取得了大量成就。但是，实际应用中仍存在着许多待解决的问题如使用寿命短，成本 价格高，因此许多科研人员一直致力于新载体的研制和应用中。无机介孔材料因其具有 规则的孔道结构、孔道成型好且孔径均一、巨大的比表面积、表面富含硅羟基易改性、 较高的热稳定性和水热稳定性等，这些优点是其它材料所不具备的。以无机介孔材料为 酶的固定化载体具有稳定性好、机械强度较高、无污染、不易分解、耐酸碱、成本低、 寿命长等一系列优点。所以，它是充当固定化酶的载体的首选。 。_尊o_戌一。硝托_六。，o小采。储沁。-一_“漩掺弼鞭觳一矗妊 介孔分子筛的合成及其孔道中脂肪酶的固定化研究 1 文献综述 1 1 研究背景 材料是人类生活的物质基础，它的发展决定着时代的变迁，推动了人类的进步。现 如今，材料、能源和信息成为现代科学的三大支柱。其作用和意义可见一斑。1 9 9 0 年， 美国召开的第一届国际纳米科学技术学术大会把纳米材料科学作为材料科学的一个新的 分支公布于世，宣告纳米材料科学的诞生，全世界掀起了对纳米材料的研究热潮。随后 各种新的纳米材料层出不穷，介孔材料就是其中的一种。无机介孔材料因其具有独特的 结构、性能、较好的热稳定性和水热稳定性以及稳定的骨架结构等一系列优点，所以它 在分离提纯、生物材料、化学合成及传感器件、药物输送、气体、液体吸附、声学等众 多领域中都具有潜在的应用前景。尤其在化学工业、生物技术等诸多领域中具有很重要 的应用价值。因此它一经诞生，即得到国际化学、物理学与材料学界的高度重视。全世 界科研工作人员对无机介孔材料引起了普遍的关注，使其得到了突飞猛进的发展，无机 介孔材料的研究成为跨学科的研究热点之一。 1 2 无机介孔材料的研究概况 1 2 1 介孔材料的定义和分类 无机多孔材料因其具有较大的孔径和比表面积，所以它被广泛地用在催化、吸附、 分离等诸多领域。对于无机介孔材料而言，其最重要的特征就是孔径的大小。根据国际 纯粹与应用化学联合会m 四a c ) 的定义【l 】，多孔材料根据其孔径的大小分为三类：大孔材 料( m a c r o p o r o u sm a t e r i a l s ) 、介孔材料也被称为中孔材料( m e s o p o r o u sm a t e r i a l s ) 和微孔材料 ( m i e r o p o r o u sm a t e r i a l s ) 。孔径大于5 0n m 的称为大孔材料，例如水泥、多孔陶瓷、气凝胶 等。该材料的孔径尺寸大，但孔径尺寸分布范围宽、孔道形状不规则。孔径小于2n m 的 称为微孔材料，例如活性炭、硅钙石、泡沸石等。微孔分子筛因其具有比表面积较大、 孔道规则、孔径均一、孔径分布窄等优点，一般可作为传统的分离、催化和吸附材料。 但是迄今为止，合成沸石分子筛的孔径尺寸均小于1 3n m ，孔径特别小，所以它只能用 于那些涉及小分子的应用，一些大分子很难进入其孔道中去，大大限制了其在大分子催 化、分离与吸附等方面的应用。介孔( 中孔) 材料是孔径介于2 5 0 嫩的材料，它属于纳 米材料领域的范畴，介孔固体材料( m e s o p o r o u ss o l i d ) 一词始见于1 9 7 2 年，希腊词头 m e s o ” 含有“介于”、“中间”之意。它的孔道是互相联通并与周围环境接触的，表面效应显著。当 孔的总体积一定，孔径足够小时，一系列不同体相的性质就会改变，这种材料即为无机 2 辽宁师范大学硕士学位论文 介孔固体材料【2 】。与大孔材料和微孔材料相比，介孔材料具有以下优点【3 】：1 ) 孔径q 巧0 衄) 适中；2 ) 孔道结构高度有序；3 ) 较高的比表面积，孔壁厚；4 ) 较高的热稳定性和水热稳定 性；5 ) 孔径分布单一，孔径尺寸在一定范围内可以连续调控；6 ) 介孔分子筛不同，其结构 就会不同、孔壁( 骨架) 的组成也会不同；7 ) 材料颗粒具有规则的外形，形貌不同；8 ) 应用 前景广泛。 1 9 9 2 年，美国m o b i l 公司的k r e s g e 等人首次在n a t u r e 杂志上报道了他们以烷基季铵 盐阳离子表面活性剂为模板合成的新颖的有序介孔氧化硅材料- m 4 1 s ，其中以命名为 m c m - 4 1 的材料最为引人注目m 。m 4 1 s 系列分子筛的合成是分子筛发展史上的一次飞 跃。这种新颖的有序中孔材料介于具有晶体结构的无机多孔材料和无定形无机多孔材料 之间【6 ，7 】。它所具有的优点：孔径大小均一；在2 - - 1 0 n m 范围内可连续调节；孔道排列高 度有序等。m 4 1 s 系列分子筛成功合成以后，研究和开发结构性能优良的介孔分子筛迅速 成为国际研究人员研究的热点。1 9 9 8 年，美国加州大学的s t u c k y 等人采用聚氧乙烯聚氧 丙烯聚氧乙烯三嵌段共聚物口1 2 3 ) 非离子型表面活性剂成功合成出一种新型的硅氧基介 孔分子筛s b a - n 系列，该系列中尤以s b a - 1 5 最为引人注引8 一。因为它不但继承了m 4 1 s 系列分子筛的优点，而且具有自己独特的结构性能：孔道结构规整有序，呈二维六方结 构；较高的比表面积，可高达1 0 0 0m 2 g ：孔径分布均匀，在5 , - - , 3 0 n m 之间可连续调节； 高的热稳定性和水热稳定性；骨架结构稳定，内表面容易修饰。因此它在化工、生物技 术、环境能源、吸附分离、催化及光、电、磁等领域发展前景很大。s b a - n 系列分子筛 的合成是继m 4 1 s 系列后分子筛发展史上的又一次重大飞跃。 ” 1 。2 2 介孔分子筛的合成与合成方法 介孔分子筛典型的的合成体系是由表面活性剂、溶剂相和构成分子筛骨架的无机物 种三部分组成，“s o l 。g e l 化学是选择无机相的主要理论依据。在不同的介孔分子筛合成 体系中，存在一个共同点就是：表面活性剂的极性头和无机相之间存在着界面组装作用 力，改变两相界面作用力的不同类型或调变其相对大小可以使合成路线多样化。利用不 同的界面组装作用力，使用的表面活性剂和无机物种不同，形成的体系可以合成出孔径 大小、结构、形貌完全不同的介孔分子筛。介孔分子筛合成时所用的表面活性剂根据亲 水基电性质的不同可以分为：1 ) 阴离子型表面活性剂，如c m h 2 删1 c o o n a ：2 ) 阳离子型表 面活性剂，如c m h 2 叶l ( c h 3 ) 3 n + c 1 ；3 ) 非离子型表面活性剂，如聚氧乙烯聚氧丙烯聚氧 乙烯三嵌段共聚物p 1 2 3 ；4 ) 两性型表面活性剂，如三甲基胺乙内酯。介孔分子筛合成时 所用的模板剂( 表面活性剂) 不同，合成的途径也会不同。 3 介孔分子筛的合成及其孔道中脂肪酶的固定化研究 介孔分子筛合成时常用的一种方法是水热晶化合成法【l o 1 1 1 ，另外据报道还有一些非 传统的合成方法如微波辐射合成法【1 2 , 1 3 】、非水体系中合成法【1 4 1 5 1 、室温合成法1 1 6 , 1 r l 、高温 焙烧法【1 8 1 、相转变法【1 9 1 等。水热合成法就是通过模板剂和前驱物水解在静电作用下分子 自组装生成刚。常规的水热体系是在1 0 0 c - 2 0 0 c 自生压力下进行，水热晶化法合成介 孔分子筛的一般过程分为三步：1 ) 生成均匀的表面活性剂和无机物种的复合产物；2 ) 水热 晶化处理的目的是用来提高无机物种的缩聚程度，进而提高产物结构的稳定性；3 ) 焙烧或 溶剂萃取表面活性剂后得到介孔分子筛。 。 1 2 3 介孔分子筛的合成机理 介孔材料m 4 1 s 系列分子筛问世以来，其合成机理引起了科研人员的浓厚兴趣，于 是人们提出了许多机理来解释介孔材料的形成，不同的研究人员针对各自特定的反应体 系，提出不同的合成机理，其中比较具有代表性的有：液晶模板机理( 1 i q u i d - c r y s t a l t e m p l a t i n gm e c h a n i s m ，简称t , c t ) t s , 2 1 1 、协同作用机理f f h ec o o p e r a t i v ef o r m a t i o n m e c h a n i s m 简记作c f l v 0 t n 3 、硅酸盐棒状自组装模型( s i l i c a t er o da s s e m b l em o d e l ) t 2 1 1 、电 荷密度匹配机理( c h a r g ed e n s i t ym a t c h i n gm e c h a n i s m ) 脚1 等。 ( 1 ) 液晶模板机理( 1 i q m d c r y s t a lt e m p l a t i n gm e c h a n i s m ，简称l c d 表西活性辩棒状胶束 袁方排列 篓一器毫秒骘痧多一镁溉锣骘秽 图1 1 液晶模板机理示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co f l i p u i d - c r y s t a l - t e m p l a t i n gm e c h a n i s m ( l c t m ) 液晶模板机理是由k r e s g e 等在首次合成出具有规则孔道结构的m 4 1 s 系列介孔分子 筛后，根据介孔材料的结构与所用表面活性剂形成的的液晶结构的相似性而提出的，如 图1 1 所示。在该机理中，他们认为表面活性剂首先在水溶液中形成棒状胶束，并排列成 六方结构的液晶相。在加入无机硅源后，溶解在溶剂中的无机硅源与表面活性剂的亲水 端存在着相互作用力，导致硅源水解后沉积在棒状胶束的周围，聚合固化后形成有机无 4 辽宁师范大学硕士学位论文 机复合物，( 如图1 1 途径) 。但是考虑到表面活性剂的液晶结构对溶液的性质非常敏感， 他们又提出了另外一种可能的反应途径，即部分水解的硅源物质与表面活性剂胶束一起 相互作用，通过自组装作用而形成六方密堆结构的分子筛( 如图1 1 途径) 煅烧后形成六 方结构介孔分子筛。 ( 2 ) 协同作用机理( t h ec o o p e r a t i v ef o r m a t i o nm e c h a n i s m 简记作删 图1 2 是协同作用机理示意图，它是s t u c k - y 等人在结合众多研究成果的基础上逐步 发展起来的一种介孔材料形成机理。协同作用机理与液晶模板机理不同，它是由无机物 图1 2 协同作用机理示意图 ( 附注：1 ) 协同自组装；2 ) ，3 ) 液晶形成；4 ) 无机聚合与浓缩) ( n o t e ：1 ) c o o p e r a t i v en u c l e a t i o n ；2 ) ，3 ) l i q u i dc r y m lf o r m a t i o nw i t hm o l e c u l a ri n o r g a n i cc o m p o u n d s ；4 ) i n o r g a n i cp o l y m e r i z a t i o na n dc o n d e n s a t i o n ) 与表面活性剂有机分子聚集之间的协同作用而形成有机无机共组合体。在此模式中， 分子筛骨架结构的形成分为三个阶段：低聚态硅源与表面活性剂首基在离子键( s + n 作用 下多齿配位；硅源在表面活性剂胶束表面聚合；促使表面活性剂首基与硅源之间的电荷 密度匹配，使表面活性剂棒状胶束在低浓度下形成，进而排列成六方堆积介孔结构。协 同作用机理可以解释中孔分子筛形成过程中的许多实验现象，如低表面活性剂浓度下， 合成过程中的相转变现象等。 5 介孔分子筛的合成及其孔道中脂肪酶的固定化研究 ( 3 ) 棒状自组装模型机理( s i l i c a t er o da s s e m b l em e c h a n i s m ) 棒状自组装机理是c h e r t 等人提出的，他们认为硅酸根离子的引入对液晶结构的构成 至关重要，液晶的形成源于硅酸根离子，硅源物种与有机棒状胶束通过库仑力相互作用 在其表面形成两到三层硅酸根离子，而后这些无机有机的棒状胶束通过自组装形成长程 有序的六方排列结构，随着反应时间的延长、温度的升高，硅醇键进一步缩合。棒状胶 束自发组装并通过结构调整来生成长程有序度的介孔材料。其理论示意图如1 3 所示。 图1 3 棒状自组装机理示意图 f i g 1 3s i l i c a t er o da s s e m b l em e c h a n i s m ( 4 ) 电荷密度匹配机理( c h a r g ed e n s i t ym a t c h i n gm e c h a n i s m ) m o n n i e r 等人提出的电荷密度匹配机理如图1 4 ，该机理实际上是硅酸根离子与表面 活性剂有机分子在界面处的电荷匹配。虽然表面活性剂的使用量小于液晶形成的临界胶 束最低浓度，但介孔结构仍能生成。在形成表面活性剂硅酸盐介观结构的过程中，硅 酸根阴离子在有机无机界面发生聚合，聚合后聚合体的负电荷密度降低；为了维持电荷 密度平衡，于是引起表面活性剂和无机物种之间的界面产生褶皱以增大界面的面积来匹 配表面活性剂的电荷密度，从而使有机无机的层状中间相向六方结构转变。这一结果可 用来合理的解释对介孔材料合成过程中不同晶相的转化。 6 辽宁师范大学硕士学位论文 图1 4 电荷密度匹配机理示意图 f i g 1 4 c h a r g ed e n s i t ym a t c h i n gm e c h a n i s m 由于介孔分子筛的合成过程比较复杂，因此很难用一个机理对介孔分子筛的形成过 程提供一个完美的解释。我们应根据实际合成的条件选择合适的机理解释所合成的介孔 材料，以上机理虽然是在研究氧化硅介孔材料的合成过程中归纳发展起来的，但它也可 以推广应用于非硅组成的介孔材料的合成。 1 3 介孔分子筛s b a - 1 5 的研究概况 介孔氧化硅分子筛合成的突破性进展是在酸性条件下，利用聚氧乙烯聚氧丙烯一聚氧 乙烯三嵌段共聚物p 1 2 3 ( p e o - p p o - p e o ) 非离子表面活性剂为模板剂合成出不同于m 4 1 s 系列的介孔分子筛s b a - 1 5 ，当模板剂和制备条件不同时，制备s b a - 1 5 及其系列分子筛 的孔径尺寸也会不同。利用嵌段共聚物可以合成出多种有序的介观结构的氧化硅分子筛， 如以e 0 2 0 p 0 7 0 e 0 2 0 为导向剂合成二维六方结构( p 6 m m ) 的s b a - 1 5 介孔分子筛；以 e o l 0 6 p o t o e 0 1 嘶合成立方体心结构( i m 3 m ) 的s b a - 1 6 分子筛【3 洲等。 7 介孔分子筛的合成及其孔道中脂肪酶的固定化研究 1 3 1 介孔分子筛s b a - 1 5 的结构及性质研究 介孔分子筛s b a - 1 5 具有和m c m - 4 1 分子筛相同的圆柱孔状结构，二者不同的是 m c m - 4 1 分子筛的结构为一个个相互独立的圆柱孔，呈一维空间孔道结构，而s b a - 1 5 分子筛的柱状孔之间存在有微孔。呈高度有序的二维六方结构( v 6 m m ) 。s b a - 1 5 分子筛的 模板剂去除后可得到多孔材料，孔径尺寸在4 6 - 3 0n m 连续可调，比表面积在6 0 0 - - 1 0 0 0 m 2 9 - 1 之间。因其孔径较大，样品的低温氮气吸附等温线都属于h 1 型滞后环。具有较高 的热稳定性和水热稳定性，由于内表面存在大量硅羟基。因此该分子筛可用于金属离子 的杂化和表面改性。 1 3 2 介孔分子筛s b a - 1 5 的应用研究 近几年，介孔分子筛s b a - 1 5 由于其独特的结构，因此它在生物技术、化学化工、环 境能源领域尤其是在催化、材料、吸附等领域具有非常重要的应用价值。 ( 1 ) 介孔分子筛s b a 1 5 在催化领域中的应用 介孔分子筛s b a 1 5 可以通过无机金属离子、金属氧化物和有机活性基团进行改性 和掺杂活化。掺杂活化的离子不同，介孔材料的结构就会不同，所起的催化作用也会不 一样。如 r u e 2 5 】等制备了t i s b a - 1 5 催化剂，并将其应用于过氧化氢和叔丁基过氧化氢 为氧化剂的环己烯的环氧化反应中。t r t l k h a n 2 6 等人采用一步合成法制备了t i s b a - 1 5 催 化剂，该催化剂可用于催化过氧化氢及甲基苯基硫化物和2 ，3 ，6 三甲基苯酚的氧化反应。 张立等人将s b a - 15 s 0 3 h 催化剂用于乙酸正戊酣2 7 1 和乙酸乙酯【2 8 】的合成。 ( 2 ) 介孔分子筛s b a - 1 5 在材料领域中的应用 由于s b a - 1 5 具有规则的孔道结构，所以它可以作为模板用来合成不同应用价值的碳 材料。如用来合成具有棒状结构的c m k 3 1 2 9 1 和管状结构的c m k - 5 3 0 1 ，二者均是新型的 介孔碳分子筛。 ( 3 ) 介孔分子筛s b a 1 5 在吸附、分离和酶固定化领域中的应用 介孔分子筛s b a - 1 5 在分离吸附和酶固定化方面有着独到的应用价值，它对分子的吸 附，特别是蛋白质分子的吸附已经引起了人们的关注【3 l 】。高峰【3 2 】等人合成孔径较大，孔 道高度有序的s b a - 1 5 颗粒，并在s b a - 1 5 材料上进行了c 1 8 官能团化，将其作为毛细管 液相色谱柱的填料得到了较好的结果。h a r t 3 3 】等人将不同孔径的介孔分子筛s b a - 1 5 硅羟 基氨基功能化后，结合溶液中的伴清蛋白后又可以被释放出来。利用不同孔径的介孔分 子筛s b a - 15 ，可以对不同分子量大小蛋白质进行分离。t a k a h a s h i 3 4 】等人将辣根过氧化酶 固定化在介孔材料s b a - 1 5 中，考查了固定化酶的活性和热稳定性。裘式绀”】等人将分 子筛s b a - 1 5 作为载体用来固定化酶，在s b a 1 5 分子筛孔道中组装了a 胰凝乳蛋白酶， 辽宁师范大学硕士学位论文 研究了组装后的酶活性，从而为介孔材料的应用研究开辟了新领域，也为酶固定化提供 了新载体。 1 4 固定化酶简述 1 4 1 固定化酶的概念 固定化酶最早可以追溯到1 9 1 6 年，n e l s o n 等人首先发现骨炭粉吸附酵母蔗糖酶以后， 酵母蔗糖酶仍具有催化活性 3 0 3 。2 0 世纪6 0 年代，固定化酶的研究得到了迅速发展，科学 家们研究开发了许多新的酶固定方法，并对固定化酶的性质进行了大量研究。以色列的 w e i z m a n 研究所k a t c h a l s k - k a t z i r 教授在这方面做出了相当杰出的贡献【3 7 1 。2 0 世纪7 0 年 代以后，固定化酶的研究已在全世界普遍开展。日本t a n a k es c i y a k u 公司于1 9 6 7 年首次 成功地将固定化酶应用于工业化【3 8 】。我国的固定化酶研究于1 9 7 0 年，微生物所和上海生 化所同时对其开始展开研究工作 3 9 j 。目前已经有许多固定化酶开始了工业规模化的应用。 1 9 7 3 年召开的酶工程会议上，固定化酶“i m m o b i l i z e df f d z y m e 这一个术语开始被正 式推广使用【舯】。所谓的固定化酶就是指在一定空间内呈闭锁状态，通过物理或化学的方 法将酶与载体相结合后成为不溶于含有底物的相，从而使酶被集中或限制在一定的空间 范围内，能够进行连续的酶解反应的一种酶【4 1 4 2 】。并且反应后的酶能够保持原有的催化： 活性，可回收再重复利用。与游离酶相比，固定化酶具有很多优点 4 3 , 4 4 1 ：1 ) 固定化酶很容 易与产物、底物分离，简化提纯步骤，产率大大提高；2 ) 大多数情况下，酶在固定化后的 热稳定性会大大提高，并且酶活不会改变；3 ) 口- t 在较长时间内装柱进行连续反应，宜用于 工业化生产；4 ) 能够严格控制酶反应的过程：5 ) 反应后的产物溶液中酶无残留，提纯工艺 简单化；6 ) 固定化酶较水溶性酶更适合用于多酶反应；7 ) 产物回收率增加，产物质量有所 提高；8 ) 生产成本降低。 1 4 2 酶的固定化方法 酶在起催化作用时，本身需具有特有的高级结构和活性中心，在催化反应的过程中 酶需保持这些结构，并且保证这些活性中心的氨基酸残基不起变化。所以，在制备固定 化酶时，条件要求极其苛刻，一旦活性中心的氨基酸残基或高级结构发生变化，就会改 变酶对底物的专一性或酶促作用消失。 酶在固定化固定化时常用的方法大致有以下四种：吸附法( a d o s o r p t i o n ) 、包埋法 ( e n t r a p m e n t ) 、共价键法( c o v a l e n t b i n d i n g ) _ ； 【l 交联法( c r o s s - l i n k i n g ) 。如图1 5 所示。其中， 物理吸附和包埋法属于物理方法，共价法和交联法则属于化学方法【4 5 1 。下面就几种方法 简单介绍一下： 9 介孔分子筛的合成及其孔道中脂肪酶的固定化研究 鬣葛一 _ - i - a 1 吸附法 a ) a d s o r p t i o nm e t h o d _ 协包埋法 b ) e n t r a p m e n tm e t h o d c ) 共价偶联法d ) 交联法 c c a 住l tm e t h o dd ) c 鹪f i n i n gm e t h o d 图1 5 几种固定化酶的制备方法示意图 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e v e r a lm e t h o d so fi m m o b i l i z e dc n z y l i l e ( 1 ) 吸附法( a d o s o r p t i o n ) 吸附法是通过离子键、物理吸附等将酶直接吸附在非水溶性载体上的一种固定化方 法。用吸附法制备固定化酶时，应先将酶固定在对蛋白质具有高度吸附能力的非水溶性 载体( 如高纤维素、多孔氧化硅材料) 上。吸附法包括物理吸附和离子吸附两种方法。物理 吸附法是载体通过氢键、疏水键、范德华力等物理作用力来吸附酶。离子吸附法是指在 一定的p h 和适宜的离子强度下，酶通过离子键吸附于具有离子交换基的水不溶性载体的 固定化方法。吸附法的优点就是：操作简单、条件温和、吸附剂可再生且能反复使用、 对酶的损害较小等。它的不足之处就是：酶与载体相互作用力不强，酶易脱落；酶的载 体不同，操作条件如温度、p h 值也会不一样；给酶量全凭经验，酶量的多少难以掌握。 ( 2 ) 包埋法 包埋固定化酶的方法并不是使酶本身发生结合反应，而是把酶定位于聚合物材料的 格子结构