利用石墨烯/Fe2O3杂化气凝胶实现酶的高效负载和循环利用

最近,北京理工大学材料学院的张学同教授课题组和北京理工大学生命学院的李春教授课题组合作,通过在氧化石墨烯的有机溶液中引发三价铁离子的水解和缩合,然后经超临界流体干燥和热处理等工艺获得了具有双网络骨架和电磁双功能的石墨烯/γ-Fe2O3杂化气凝胶。该杂化气凝胶具有密度(30-65 mg cm−3 )轻、比表面(270–414 m2 g -1)大、电导率 (0.5-5×10 -2 S m-1)高、饱和磁化强度(23-54 emu g-1)出众等显著特点。这一研究工作发表在Small期刊上。

气凝胶是一种超轻多孔的纳米材料,是由具有纳米尺度的骨架单元(如零维的纳米粒子、一维的纳米线、二维的纳米片等)组装而成的具有开放性纳米孔道和连续性三维网络的低维材料的宏观聚集体。能否实现对气凝胶的孔道(尺寸、形貌、有序与否)及孔道壁(骨架单元的组成、尺寸、形貌、分级结构、结晶度等参数)分别进行调控,是气凝胶领域面临的极其严峻的挑战。另一方面,在生物催化工程领域,具有特异性负载(有利于酶固定)、导电(有利于电子传输)和磁性(有利于产物分离)等功能的多孔载体,能够在各种酶的固定化及催化领域大展身手。但至关重要的步骤是如何获得具有电磁双功能特征的多孔材料。

他们把获得的石墨烯/γ-Fe2O3杂化气凝胶应用于酶β-glucuronidase的固定化,发现其负载量可达到2.45 mg mg -1,远远高于其它酶在氧化石墨烯表面的负载量。催化活性测试表明,负载后的酶与游离酶相比,具有相似的催化活性。催化动力学研究表明,酶在气凝胶的孔道内更容易与气凝胶的骨架组分形成络合物,酶与底物的亲和力更高,因而固定化后的酶比游离的酶更加稳定。更重要的是,经气凝胶固定化后的酶能够在催化反应结束之后通过简单的磁性得到分离,经分离后的酶可以反复使用,其转化效率和使用效率均高于目前已有的报道。