[发明专利]酶/氧化石墨烯功能型杂化纳米复合物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种酶/氧化石墨烯功能型杂化纳米复合物及其制备方法。

背景技术

酶是一类具有生物催化功能的生物大分子，是一种生物催化剂，其反应速度快，选择特异性强，能完成复杂的反应过程，且反应条件温和，工艺简单，污染小。因此生物酶已经在医药、工业、食品、饲料、环保、能源等多领域得到广泛应用。然而，酶作为生物催化剂，它的生物活性常常在应用过程中丧失，导致不可恢复性的酶失活，其稳定性和重复利用率也很低。酶固定能克服一定的缺陷，但可能造成酶的构象变化，从而在一定程度上导致酶活降低，且重复利用性很弱。很多酶的生产过程不易，价格昂贵，因此，增强酶活、提高酶的稳定性和重复利用率就显得格外重要。

氧化石墨烯（graphene oxide，GO）是石墨烯的氧化物，氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化后的产物，它的单原子层可以在横向尺寸上扩展，其结构超越了一般化学和材料科学的尺度。因此，GO被视为一种非传统型态材料，是一种性能极其优越的新型碳材料，其比表面积较高且表面具有丰富的官能团，比如羰基、羟基、羧基和酚羟基。GO因其在热学、光学、机械力学等方面优越的表现及其突出的纳米结构，21世纪以来吸引了众多研究人员参与研究。其中，氧化石墨烯复合材料备受关注，包括聚合物类复合材料和无机物类复合材料等。改性的GO及其复合材料在能量储存、传感器、有机电化学、材料科学等众多领域均具有深远意义。

无机材料的纳米花已经在催化和分析科学中得到广泛应用，但是有机-无机材料的杂化纳米花是2012年Ge等首次发现的，这种酶-无机杂化材料可提高酶活，提高酶稳定性和重复利用性。

从目前的文献报道可以将酶-无机杂化纳米花的研究分为以下几类：

①机理的研究

有机-无机材料的杂化纳米花是2012年J. Ge（Protein-inorganic hybrid nanoflowers, Nature nanotechnology, 2012, 7, 428-432）等首次发现的，研究表明大多数酶与磷酸铜晶体杂化后的复合物呈现出“花朵”状的纳米结构，其复合物中酶的活性也都有不同程度的提高，并进一步比较了不同酶与无机材料（磷酸铜晶体）杂化纳米花的结构及酶活的提高，解释了在杂化复合材料中各个成分所起到的作用。最初磷酸铜晶体形成，蛋白质骨架上的氨基和铜离子结合形成主要的成核位点，之后大量的蛋白质分子和晶体在成核位点形成，最后，非均质的生长形成花一样的结构。此外，分析比较了不同酶形成的纳米花。

②实验条件的研究

L. B. Wang 等人 (A New Nanobiocatalytic System Based on Allosteric Effect with Dramatically Enhanced Performance, Journal of the American Chemical Society, 2013, 135, 1272-1275) 在J.Ge的基础上详细分析了各种条件对酶-无机材料纳米花的影响，主要包括缓冲液的浓度、pH、酶的浓度、金属离子的浓度。结果发现不同的实验条件下得到不同的纳米结构：纳米花、纳米片、平行六面体，同时还证明了纳米花中除了酶活增加以外，其稳定性和重复利用率也大大提高。K. Ghosh (Temperature-dependent morphology of hybrid nanoflowers from elastin-like polypeptides, APL Materials, 2014, 2, 021101)研究了温度对纳米花的影响，发现不同的温度对纳米花的结构有很大影响。

③ 多酶的研究

J. Sun 等人(Multi-enzyme co-embedded organic-inorganic hybrid nanoflowers: synthesis and application as a colorimetric sensor, Nanoscale, 2014, 6, 255-262) 研究了多酶-无机材料杂化纳米花，其实验中复合物由两种不同的酶和无机成分复合得到。

综上所述，就酶-无机杂化纳米材料而言，目前研究还处于探索阶段，主要的研究是围绕单一的酶-无机杂化纳米花。氧化石墨烯作为新型的无机材料虽然具有很好的性能，在酶固定中也有研究，但将酶-无机杂化材料和氧化石墨烯结合起来的研究还未见报道。

发明内容