纳米沸石修饰微通道反应器内固定化酶催化的水解反应动力学

通过在毛细管内层叠层组装纳米沸石并固定脂肪酶来构建纳米沸石修饰的固定化酶微反应器通道,将纳米沸石良好的生物相容性和高的酶固定能力与微反应器反应效率高、扩散传质快等优点相结合. 以对硝基苯棕榈酸酯的水解作为探针反应对该微反应器内固定化酶催化水解反应动力学进行了研究和计算,并与普通反应器内同样的反应进行比较. 通过对比米氏方程参数,证实在微反应器内酶催化水解反应效率可比普通反应器内提高3倍以上并可提高酶和反应底物的亲和能力.     

基于中心辐射树枝状介孔二氧化硅构筑CPO固定化酶反应器及应用

首先制备粒径均匀的具有开放的三维中心辐射树枝状结构的介孔二氧化硅(DSP)粒子, 再通过静电相互作用在孔道内负载氯过氧化物酶(CPO)构筑了CPO@DSP固定化酶反应器. 通过改变硅源正硅酸乙酯(TEOS)和模板剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)的浓度调控孔径大小, 研究了孔径对固定化酶反应器催化活性的影响; 同时基于酶促反应动力学分析探讨了孔道内酶催化反应的限域效应, 并进一步在CPO@DSP表面包覆海藻酸钠(SA)水凝胶薄膜以抑制酶反应器在使用过程中酶分子的泄露, 所得SA-CPO@DSP固定化酶反应器的重复使用性显著提高, 循环使用10次后, 仍能保持90%以上的催化活性. 将SA-CPO@DSP酶反应器用于环境水体中残留抗生素左氧氟沙星的降解, 对100 μg/mL的底物在25 min内降解率可达88%以上; 将该反应器用于苯酚的视觉比色检测, 裸眼可检测到5 μmol/L的苯酚, 表明SA-CPO@DSP酶反应器在环境保护方面具有良好的应用前景.     

载酶纳米催化体系用于疾病诊疗的研究进展

酶作为一种具有高度特异性和高效性的催化剂, 可在细胞器中通过复杂有序的生化反应调节细胞的代谢过程. 受细胞区隔化结构的启发, 仿生设计纳米酶催化体系、 构筑限域酶催化微环境从而提高酶催化活性的研究为酶催化应用开辟了新思路. 纳米催化体系保留了小尺寸、 大比表面积、 肿瘤部位选择性富集等优势, 在疾病的诊疗方面发挥了巨大的优势. 本文首先总结了天然酶、 模拟酶和级联酶体系的催化机理, 对仿生构筑的纳米酶催化材料的载体体系进行了概述, 介绍了纳米酶催化体系在生物成像方面的应用, 讨论了其在相关代谢类疾病的作用途径, 并对纳米酶催化体系用于生物诊疗的发展前景进行了展望.     

表面上和纳米孔道内以及乳液中的手性催化

多相手性催化是合成手性化合物的有效途径之一,开发高活性、高选择性的多相手性催化剂并应用于不对称催化反应是兼具基础科学和应用科学背景的重要研究方向. 本文综述了近年来具有代表性的固体表面上、纳米孔道内以及手性乳液体系中的多相手性催化研究进展,着重对本实验室近年来在该领域中的探索研究进行了介绍,涉及的重要手性催化反应包括氢化、氢转移、氢甲酰化、环氧化、环氧化物水解动力学拆分、Aldol反应和Diels-Alder反应等. 我们的研究表明,手性修饰纳米粒子催化剂上的手性氢化反应可以获得95% ee以上的手性选择性以及高达 20 000 h-1 的TOF, 手性氢甲酰化反应得到90% ee的手性选择性;在手性催化剂组装的乳液体系中,催化不对称Aldol反应获得高达99% ee的手性选择性,催化活性得到显著提升,乳液氢转移反应的TOF可达3×105 h-1;在纳米孔中多个手性环氧化反应的例子显示出孔道效应能够显著提高手性选择性,并发现在纳米反应器中的环氧化物水解动力学拆分反应显示出催化剂协同活化效应,使催化反应的活性大幅度提高. 本文还讨论了表面、界面上以及孔道中的催化剂组装、孔道限阈以及多中心协同效应等因素对多相手性催化反应性能的影响.     

利用自组装策略调控表面反应动力学

正反应动力学的调控是化学研究中的重要课题。利用载体的限域效应调控反应动力学的研究已有很多~(1–4)。反应分子所构成的自组装也有类似的限域效应,比如作为模板负载客体分子~(5–7),然而自组装的限域效应对反应动力学的影响常常被忽视。在大自然中,生物体十分擅长于利用小分子构成有序自组装,再通过这些自组装体精确调控生命活动,本质上也是对反应动力学的调控,例如细胞膜的离子通道和双螺旋DNA的自我复     

基于多孔金结构的三相界面酶电极的制备及高效电化学酶传感性能

界面微环境是影响酶催化反应及酶传感性能的关键因素. 本研究基于三维微纳米结构多孔金基底, 通过调控电极表面的亲水和疏水浸润性, 制备了具有固-液-气三相界面微环境的氧化酶电极, 并研究了界面微环境对酶催化反应动力学的影响规律. 基于所制备的三相界面多孔金结构酶电极, 反应物氧气能够从气相直接快速地传输到酶催化反应界面, 极大地提升了界面氧气浓度及其稳定性, 从而大幅度提高了氧化酶活性及酶电极响应的稳定性. 以葡萄糖为模型待测物, 基于该三相界面酶电极的电化学酶生物传感器拥有宽的线性范围、 高的灵敏度、 低的检出限以及良好的稳定性. 这类独特的三相反应界面设计为高效酶生物传感器的建构以及生物分子的精准检测提供了新思路.     

限域化学：碳基功能材料从基础研究到应用

限域化学研究的是对象在纳米尺度限域空间内的化学行为。限域空间内的化学环境不同于常规本体溶液,因而会出现许多奇特的现象,如反应选择性增强、活性增加、稳定性提高。本文结合笔者课题组近年来的工作,对限域化学领域碳基功能材料的限域策略,包括限域界面诱导、限域化学组装印刷及三维多孔受限体系作简要介绍,并阐述了其在催化、储能方面的应用。最后提出了限域化学未来发展面临的主要挑战,期望能为此领域研究提供参考。     

GOx@Fe3O4-HNTs微囊反应器的构筑及多酶级联催化性能

细胞内或细胞间的微空间使得生物体内的各种酶促反应能够高效有序地进行.基于此,本文结合天然酶-纳米酶二者的优势,构筑了一种模拟体内酶促级联反应的微囊反应器.首先,以天然硅铝酸盐矿物埃洛石纳米管(HNTs)为载体,在其表面原位生成具有类辣根过氧化物酶活性的四氧化三铁(Fe₃O₄);随后,将其作为囊壁材料封装天然葡萄糖氧化酶(GOx),构筑GOx@Fe₃O₄-HNTs微囊反应器.当向体系中加入葡萄糖时,微囊反应器内的GOx先将葡萄糖转化为葡萄糖酸和过氧化氢(H₂O₂),之后H₂O₂继续被囊壁中的Fe₃O₄催化转化为羟基自由基,触发底物3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)显色.其中,Fe₃O₄-HNTs作为囊壁材料不仅使囊内GOx免受外界环境干扰,还可与GOx构建级联催化反应体系,这种酶-纳米酶微囊化级联体系具有比天然酶系统更优...     

DNA折纸术纳米反应器

基于DNA折纸技术,构建具有纳米尺度可寻址的新型DNA纳米反应器,是DNA纳米技术领域的一个最新研究思路和方向。它的优势首先在于其纳米定位能力,通过不同的化学或生物相互作用,已能够实现对包括化学小分子、生物大分子及人工纳米材料等的纳米级精确定位;其次,DNA折纸结构的丰富多样性,使构建纳米级仿生限域环境成为了可能;此外,DNA折纸结构本身的生物相容性及优良的产率,也保证了这一材料的可应用性。本文首先介绍了在DNA折纸结构上,对不同材料和分子进行纳米定位的一般方法和最新进展。然后,着重阐述了基于纳米定位技术,以DNA折纸结构作为纳米反应器,对一些化学、生化反应的成功调控。最后,基于现有的工作基础,我们提出了DNA折纸术纳米反应器概念在未来的发展方向及应用前景展望。     

胶束作为纳米反应器的研究进展

纳米反应器作为一种新型的制备纳米粒子及重要功能分子的手段,其技术在许多领域受到广泛重视.与常规意义上的化学反应器有所不同,纳米反应器是指反应所处的受纳米尺度调制的介观环境,如反应的介质、载体、界面等等.纳米反应器一般分成两类,一种是在分散相中能自组装的分子,形成有序聚集体,如胶束、囊泡,在聚集体的内部制备纳米粒子或材料;另一种是天然存在或合成的分子,如纳米管、树枝聚合物,利用分子特有的结构或孔隙作为纳米反应器.本文主要介绍了胶束、胶束作为纳米反应器的分类;重点讨论了分子及聚合物胶束作为纳米反应器的特点,并对其研究进展及前景进行总结和展望.     

酶膜反应器及其在生物催化领域的应用

酶膜反应器是一种新型的生物催化反应设备,它是反应与分离相耦合的装置,集产品分离、纯化和酶回收利用于一体,具有其它方法不可比拟的优势。在强调资源节约,环境友好和清洁化生产技术的今天,显示一些特别的优点,近年来已成为热门的研究领域。本文主要介绍了酶膜反应器的基本原理、特征及其分类,并根据分类对近年来酶膜反应器在生物催化领域...     

路易斯酸碱催化的外消旋体(动态)动力学拆分反应

外消旋体的(动态)动力学拆分反应是制备手性化合物的重要方法之一.反应可以通过酶催化或非酶催化的手段来实现,也可以通过两种方法的有机结合来进行.在非酶催化反应中,路易斯酸碱催化是比较常用的方法,它们被广泛地用于多种外消旋体的(动态)动力学拆分反应中,目前在该领域取得了很大的进展.本文讨论了路易斯酸及路易斯碱催化体系在外消旋体(动态)动力学拆分反应中应用的最新进展.     

酶催化不对称还原和消旋动力学拆分及其在合成上的应用

最近,酶催化不对称还原反应和消旋动力学拆分,在合成光学活性物质的方法上,有较大进展,有些反应已有实用价值。酶催化反应中,所用的酶往往直接利用生物体本身,来源方便,价格低廉,操作简便。目前,在酶催化反应中,以羰基的不对称还原应用最广。与此有关的酶催化消旋动力学拆分的研究也日益增多。本文对这两方面的最新研究情况作一简要介绍。     

扫描电化学显微镜研究辣根过氧化物酶催化反应的动力学

本文通过β-环糊精与环氧氯丙烷反应,合成了交联预聚物,进而在酸性条件下与戊二醛和辣根过氧化物酶反应,从而把辣根过氧化物酶固定在所形成的聚合物绝缘体基底上.应用扫描电化学显微镜的反馈模式,研究了辣根过氧化物酶的催化反应动力学.通过对扫描电化学显微镜在酶点上的反馈曲线与理论曲线的拟合,测得了一级反应速率常数,并用此方法研究了pH对反应速率常数的影响.在pH=7.0时,辣根过氧化物酶的活性最高,与文献报道一致,结果满意.     

固定化多酶策略及易分离的载体材料研究进展

多酶级联反应是现代工业过程中重要的生物技术。然而,酶的分离和回收是一项繁琐而费力的工作,因此酶的固定化是实际应用中的关键问题。固定化多酶可以通过底物通道提高酶的催化活性,而易分离的载体材料有利于酶的稳定性和易于回收再利用。本文综述了近年来固定化多酶策略及易分离的载体材料相关研究,内容包括不同固定策略的多酶复合体,阐述了适合固定化酶的易于分离的载体材料,特别是磁性纳米颗粒和膜状材料无需离心即可从本体溶液中分离。总结了固定化多酶在食品生产和生物传感器领域的实际应用,最后对固定化多酶催化反应的发展前景和趋势进行了展望。     

阵列纳米通道中氨基官能团质子化研究

质子化过程是大多数酸碱理论的核心,也发生在许多生命过程中。因此,研究限域环境中分子或官能团的质子化过程将为进一步认识酸碱理论和阐述限域环境中生物分子的基本行为提供理论依据。本文提出了一种以荷电电化学探针检测多孔氧化铝阵列纳米通道内表面官能团质子化过程的新方法。该方法利用纳米通道表面官能团的质子化过程改变了表面荷电性质,从而调控荷电电化学探针在纳米通道中的传输行为。实验中以喷涂在阵列氧化铝纳米通道膜一侧的薄金膜为工作电极,检测通过阵列纳米通道荷电电化学探针的流量,以此获得纳米通道限域条件下的质子化过程。同时以多孔氧化铝阵列纳米通道为限域空腔,利用硅烷化反应将氨基修饰在纳米通道的内表面,通过检测不同pH值条件下铁氰酸根离子在纳米通道中流量的变化,获得了纳米通道限域条件下氨基质子化滴定曲线。结果表明,纳米通道限域条件下氨基官能团发生一步质子化,其pK1/2值为5.9。本文提出的方法适用于研究纳米通道限域条件下其它官能团或生物分子的质子化过程。     

微波对酶催化反应的影响及其微波效应的研究进展

综述了近年来微波对酶催化反应的影响,包括对酶催化反应速度与转化率或产率的影响,对酶促反应选择性与专一性的影响,对酶结构和活性的影响.总结了研究微波效应的几种技术方法及其在酶催化反应中的应用情况.     

有序介孔硅材料主-客体组装及应用研究

介孔分子筛材料具有高的比表面积和孔体积、发达的孔结构、可控的形貌、表面基团可功能化、耐热、无毒无害等特点,以其为研究核心,在学术界和工业界均具有广泛的应用前景。通过模板法合成孔径在纳米范围的有序介孔硅材料,其具有从一维到三维高度规整的孔道结构,在吸附、分离、催化、生物医药工程等领域展现出巨大的应用潜能。利用具有几何和电子束缚特性的有序规整孔道作为微反应器来进行纳米结构主-客体组装,势必会显著增强其应用价值。本文以有序介孔硅材料规整孔道为基础和出发点,结合本课题组多年的研究结果,系统概述了近几年客体在有序介孔硅材料孔道内组装的进展,探讨了主-客体组装过程中的影响因素和合成机理。最后,着重对主-客体组装材料在环境净化和生物医药工程领域的应用进行概述。     

Al-MOF基多级孔Al2O3固定化酶反应器的构筑及构效关系研究

针对生物酶在固相载体负载后存在的催化活性与稳定性之间“此消彼长”的问题, 本工作采用“自牺牲模板”策略以铝基金属有机骨架材料(Al-MOF)为前驱体设计制备多级孔Al₂O₃ (MHAl₂O₃)材料, 再以“聚多巴胺(PDA)”仿生膜对材料表面进行功能化修饰后用以固载辣根过氧化物酶(HRP). 通过调节前驱体的煅烧温度来实现载体孔径大小的调控, 探讨了载体的孔道限域效应对固定化酶反应器催化活性的影响, 所得固定化酶反应器的热稳定性和重复使用性显著提高. 为了解析固定化酶反应器的构效关系, 采用酶动力学和热动力学参数研究了固定化酶反应器催化过程中酶与底物的相互作用, 结果表明固载后酶分子对底物的亲和性和专一性得到提升. 将固定化酶反应器用于模拟废水中苯胺黑药的催化降解时, 表现出非常高效的催化效率.     

羧基功能化Fe3O4固定化酶反应器的构筑及性能研究

对固定化酶的载体进行功能化修饰,通过改善载体和酶的界面连接可使酶分子在载体表面形成高度有序的二维排列,从而提高酶的催化活性和操作稳定性.用柠檬酸修饰的Fe₃O₄磁性纳米粒子(CA-Fe₃O₄)易于磁性分离且表面富含羧基,可作为一种优良载体通过吸附法固定化氯过氧化物酶(CPO)构筑CPO@CA-Fe₃O₄酶反应器、共固定化CPO和葡萄糖氧化酶(GOx)构筑GOx&CPO@CA-Fe₃O₄级联酶反应器.将酶反应器应用于催化氧化结晶紫染料的脱色时,两种酶反应器均显示出良好的催化活性、对底物的亲和性与专一性、热稳定性,在实际水样中也有良好的应用效果.与CPO@CA-Fe₃O₄相比, GOx&CPO@CA-Fe₃O₄酶反应器因级联反应中H₂O₂的原位产生而表现出更优异的催化性能...