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层层自组装聚电解质膜及杂化微囊固定化酶的研究

张春红  
【摘要】:层层自组装(LbL)法操作简单、条件温和,且制备的LbL膜具有一定的机械强度和热稳定性等特点,因此在分离、催化和药物控制释放等领域具有潜在的应用价值。本文为了利用更加简便、有效的方法进行酶固定化并为酶分子提供适宜的物理化学微环境,采用LbL法构筑出功能薄膜载体,同时结合仿生矿化法制备出模拟硅藻细胞的细胞膜(高分子)-细胞壁(无机)结构的有机-无机杂化微囊载体,进而用于-葡萄糖转苷酶和过氧化氢酶的固定化研究。 本文的研究内容主要包括以下几个方面: (1)采用LbL法以聚阳离子电解质聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)和操作条件下带负电的-葡萄糖转苷酶(G)为组装单元在磺化聚醚砜(SPES)膜基上制备出SPES-PDDA-G-PDDA酶膜。该过程实现了载体制备与酶固定化的同步进行。优化了SPES磺化度、酶固定化时间以及酶浓度等酶膜的制备条件,并研究了酶在组装层上的位置(最外层SPES-PDDA-G酶膜和中间层SPES-PDDA-G-PDDA酶膜)对酶泄露率、固定化酶活力及稳定性的影响。结果表明,相比于游离酶,固定化酶的稳定性明显提高;且处在组装中间层的酶具有较低的酶泄露率、较高的热稳定性和储存稳定性。在极端温度70℃时,游离G仅剩余5%的相对酶活力,而固定化G仍保持60%以上的相对酶活力。固定化G储存40天后仍可维持65%以上的初始酶活力,而游离G仅剩余30%的初始酶活力。 (2)采用EDC/NHS化学法合成出多巴胺改性的海藻酸,进而以多巴胺改性的海藻酸(DA-Alg)和聚乙烯亚胺(PEI)为组装单元在聚碳酸酯(PC)膜基上采用LbL法制备出(PEI/DA-Alg)n多层功能薄膜载体。利用膜层表面儿茶酚基团与酶分子的共价结合作用固定化过氧化氢酶(CAT)。组装单元DA-Alg使层与层之间不仅有静电作用力,而且还有儿茶酚基团引入的粘附作用力,从而提高了组装层间的稳定性。研究了石英片基底上PEI/DA-Alg在不同组装条件(pH、NaCl盐浓度和温度等)下的膜厚度增长趋势;在此基础上,考察了(PEI/DA-Alg)n多层功能薄膜载体固定化CAT的酶活力和稳定性。结果表明,固定化CAT表现出较高的重复使用稳定性和储存稳定性。固定化CAT在循环使用7次后仍然保持50%以上的初始酶活力。游离CAT储存39天后仅剩余6%的初始酶活力,而固定化CAT仍可维持69%的初始酶活力。 (3)采用LbL与仿生硅化相结合的方法以DA-Alg和PEI为组装单元制备出模拟硅藻细胞的细胞膜(高分子)-细胞壁(无机)结构的(PEI/DA-Alg)n/PEI/Silica杂化微囊载体,进而采用包埋法固定化CAT。双功能高分子PEI一方面发挥了其成型功能,形成有机微囊;同时发挥了其诱导仿生硅化功能,在有机微囊最外层形成致密的氧化硅无机壳层。实验系统考察了微囊的机械稳定性、固定化CAT的酶活力及稳定性。PSS渗透压实验结果表明,杂化微囊比有机微囊具有更高的机械稳定性。酶活实验结果表明,相比于游离的CAT,包埋于微囊中的CAT的温度、pH和储存稳定性均得到提高。特别地,包埋于杂化微囊中的CAT在重复使用7次后仍保持65%以上的相对酶活力,而包埋于有机微囊中的CAT则降到了30%以下;包埋于有机微囊中的CAT储存45天后初始酶活力仅剩余21%,而包埋于杂化微囊中的CAT仍可维持78%的初始酶活力。


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