氨基化磁性氧化石墨烯纳米粒子固定化漆酶及其应用

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漆酶(EC1.10.3.2)是一类含铜氧化酶,普遍存在在自然界中,它能利用氧分子作为电子传递介体直接催化酚类、芳胺类等芳香族化合物发生氧化还原反应。在化学合成、造纸、食品加工、废水处理领域具有相当大的应用潜力。游离的漆酶存在稳定性差,重复使用性低,反应成本高等缺点极大程度上限制了漆酶的产业化应用,固定化技术可以有效的解决上述所有缺点。本文以磁性氧化石墨烯为载体,采用硅烷化偶联剂对其进行氨基化修饰,获得氨基化Fe3O4-GO纳米粒子,用于漆酶的固定化研究,研究了固定化条件、固定化漆酶的酶学性质,并构建漆酶与介体共固定化系统应用于染料脱色和生物传感器来检测邻苯二酚的研究。主要研究内容与结果如下:  1)采取改良的Hummer方法制备了氧化石墨烯,进而利用化学共沉淀法把四氧化三铁纳米粒子镶嵌在GO上制成磁性氧化石墨烯,使用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为偶联剂对其表面进行氨基化修饰,最终得到氨基化Fe3O4-GO纳米粒子。红外分析表明,经过APTES的修饰,氨基基团成功连接到磁性氧化石墨烯纳米粒子表面上。扫描电镜和透射电镜结果显示,制备得到的氧化石墨烯为片状结构,Fe3O4纳米粒子均匀的覆盖在氧化石墨烯的表面。X射线衍射分析得出,制备的石墨烯为氧化石墨烯,氨基化的Fe3O4-GO纳米粒子的晶型完整且结构没有发生变化。热重分析研究发现,磁性氧化石墨烯中氧化石墨烯的含量为27%左右。振动样品磁强计分析结果表明,Fe3O4纳米粒子的饱和磁化强度(MS)为41.8 emu/g,改性修饰前后的Fe3O4-GO纳米粒子的饱和磁化强度均为30.7 emu/g左右,表明APTES的氨基化修饰不会影响粒子的顺磁特性,粒子仍然具有良好的磁响应性。  2)以氨基化Fe3O4-GO纳米粒子为载体固定化漆酶,对其固定化的条件进行优化,并对固定化酶的酶学特性进行了考察。优化后其固定化条件为:戊二醛的浓度:2%、固定化时间:5h、pH:4.5、漆酶浓度:0.1 mg/mL时酶活回收率为82.2%,达到最大值。对其酶学特性的研究结果:游离漆酶和固定化漆酶的最适温度分别为50℃和60℃,耐热性提高;漆酶和固定化漆酶最适pH均为4.5;游离漆酶的Km值为41.40μM,而固定化漆酶Km值为83.33μM,表明酶经过固定化之后其底物亲和力下降,与底物的结合能力变弱。4℃下储存60天后,固定化酶的活力保持了初始酶活的74%,而游离酶活仅保留38%。固定化漆酶在重复使用5次后,活力仍保持初始酶活的80%左右。  3)以制备的氨基化Fe3O4-GO纳米粒子为载体,在戊二醛的交联作用下,共固定漆酶和介体TEMPO到磁性氧化石墨烯纳米粒子上,构建共固定化漆酶与介体系统。分别用固定化漆酶和共固定化漆酶与介体系统对酸性品红进行降解,在无介体TEMPO参与时,脱色效果不佳,脱色率不足10%;而共固定化漆酶与介体系统在16h后脱色率达到70.2%。且其最佳脱色条件为:当TEMPO∶漆酶=0.3 mmol/g∶120 U/g,染料浓度:50 mg/L,温度:50℃,pH:4.5时脱色效果最佳。Cu2+对染料降解有较为明显的促进作用。固定化漆酶与介体系统循环使用降解酸性品红,在使用10次后,脱色率仍有36%多。  4)制备的漆酶-TEMPO共固定化粒子,将其构建成电化学生物传感器,探讨生物传感器对邻苯二酚的电化学行为。实验表明:该传感器对邻苯二酚有明显响应,能够检测到邻苯二酚的氧化还原反应。在室温、工作电位为0.652 V、pH4.5的最优条件下,邻苯二酚在0.01-2.8 mM浓度范围内与其还原峰电流呈良好线性关系(R2=0.9983)。该传感器具有很好的重现性、选择性和稳定性,在环境监测中具有潜在的应用价值。
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