基于聚丙烯腈的分离膜制备与酶固定化研究

论文摘要

鉴于它们在生物反应器和生物传感器等领域的良好应用前景,高分子分离膜的制备及其酶固定化研究在近几十年来备受关注。膜材料的形态结构和化学组成对于改善固定化酶的性能具有重要的意义。本论文旨在探索丙烯腈共聚物分离膜形态结构和化学组成的调控方法,以期得到理想的固定化酶膜,并研究影响固定化酶性能的内在因素。分别使用浸没沉淀相转化和静电纺丝法制备了丙烯腈/丙烯酸共聚物不对称膜和纤维膜,采用场发射扫描电镜（FESEM）研究膜的形态结构,纯水通量和牛血清白蛋白截留实验研究膜的渗透、分离性能。结果表明:就不对称膜而言,以水作为制膜液添加剂可显著改善膜的形态结构和渗透性能,并维持其分离特性;水和PEG或丙三醇组合则具有协同效应;就纤维膜而言,纺丝液浓度和组成显著影响纤维的形态和直径。选取纤维膜作为酶固定化载体,分别通过掺杂碳纳米管和蛋白质仿生修饰对膜进行改性,并用FESEM、透射电镜、激光共聚焦显微镜和紫外-可见光谱进行表征。研究发现掺杂碳纳米管和仿生修饰都可提高固定化酶的活性。此外,碳纳米管掺杂可提高酶的储存稳定性。仿生修饰可提高酶的热稳定性,牛血清清蛋白与胶原蛋白的修饰对酶热稳定性和储存稳定性影响迥异。结合原子力显微镜、水接触角、荧光光谱、圆二色谱和紫外-可见光谱分析,发现酶-蛋白质和酶-碳纳米管相互作用可在很大程度上影响固定化酶的构象和活性中心。将纤维膜应用于葡萄糖传感器的制备,使用计时电流法研究传感器响应时间、响应强度、灵敏度、线性检测范围、动力学参数和使用稳定性,发现掺杂碳纳米管可显著提高传感器的响应强度和灵敏度。本论文为高分子分离膜形态结构和化学性质的调控提供了可行的方案,并为固定化酶膜在生物传感器中的应用打下了基础;载体与酶相互作用的研究在一定程度上促进了酶固定化研究的深入。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高分子分离膜的制备
• 1.1.1 浸没沉淀相转化
• 1.1.1.1 成膜机理和膜结构
• 1.1.1.2 膜结构的影响因素
• 1.1.1.2.1 聚合物浓度
• 1.1.1.2.2 溶剂/非溶剂体系
• 1.1.1.2.3 凝固浴组成
• 1.1.1.2.4 制膜液添加剂
• 1.1.2 静电纺丝法
• 1.1.2.1 静电纺丝法原理
• 1.1.2.2 纤维形态和直径的调控
• 1.1.2.3 静电纺纳米纤维的应用
• 1.2 酶固定化研究
• 1.2.1 膜结构的影响
• 1.2.2 酶固定化方法的影响
• 1.2.3 膜材料的影响
• 1.2.3.1 天然高分子分离膜
• 1.2.3.2 合成高分子分离膜
• 1.3 酶固定化的应用
• 1.3.1 酶传感器的发展历程
• 1.3.2 分离膜在酶传感器中的应用
• 1.4 课题的提出
• 1.5 研究方案
• 第2章 实验部分
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.1.1 实验原材料及预处理
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 聚合物的合成
• 2.3 聚合物膜的制备
• 2.3.1 浸没沉淀相转化法制备不对称膜
• 2.3.2 快速蒸发法制备致密膜
• 2.3.3 静电纺丝法制备纤维膜
• 2.4 不对称膜的性能测定
• 2.4.1 纯水通量
• 2.4.2 BSA截留率
• 2.5 酶固定化
• 2.5.1 蛋白质修饰纤维膜的酶固定化
• 2.5.1.1 蛋白质修饰纤维膜
• 2.5.1.2 酶固定化
• 2.5.2 聚合物/碳纳米管复合纤维膜的酶固定化
• 2.5.2.1 过氧化氢酶固定化
• 2.5.2.2 辣根过氧化物酶固定化
• 2.5.3 蛋白质的定量测定
• 2.5.3.1 Bradford试剂的配制
• 2.5.3.2 蛋白质溶液浓度的测定
• 2.5.3.3 蛋白质固定量计算
• 2.5.4 纤维膜表面蛋白质密度的定性测定
• 2.5.4.1 Bradford法
• 2.5.4.2 荧光标记法
• 2.5.5 酶活性测定
• 2.5.5.1 过氧化氢酶活性测定
• 2.5.5.2 辣根过氧化物酶活性测定
• 2.5.6 过氧化氢酶稳定性测定
• 2.5.6.1 操作稳定性
• 2.5.6.2 热稳定性
• 2.5.6.3 反应温度敏感性
• 2.5.6.4 反应pH敏感性
• 2.5.6.5 储存稳定性
• 2.6 生物传感器
• 2.6.1 酶电极制备
• 2.6.2 电极性能测定
• 2.7 常规表征方法
• 2.7.1 红外光谱
• 2.7.2 元素分析
• 2.7.3 粘均分子量测定
• 2.7.4 表观粘度测定
• 2.7.5 场发射扫描电子显微镜
• 2.7.6 透射电子显微镜
• 2.7.7 原子力显微镜
• 2.7.8 表面水接触角测试
• 2.7.9 圆二色谱
• 第3章 丙烯腈共聚物不对称膜的结构与性能
• 3.1 引言
• 3.2 丙烯腈共聚物的合成与表征
• 3.3 水等非溶剂对PANCAA不对称膜结构与性能的影响
• 3.3.1 水等非溶剂对PANCAA膜断面结构的影响
• 3.3.2 水等非溶剂对PANCAA膜分离性能和表面形貌的影响
• 3.4 表面活性剂对PANCAA膜结构的影响
• 第4章 静电纺纤维膜的仿生修饰和酶固定化
• 4.1 引言
• 4.2 静电纺丝条件对纤维膜形态结构的影响
• 4.2.1 纺丝溶液浓度的影响
• 4.2.2 纺丝液组成的影响
• 4.3 BSA和胶原蛋白在纤维膜上的修饰
• 4.3.1 BSA和胶原蛋白简介
• 4.3.2 EDC/NHS法固定蛋白质
• 4.3.3 蛋白浓度的测定
• 4.3.4 纤维膜上蛋白质覆盖密度
• 4.4 过氧化氢酶的固定化探索
• 4.4.1 过氧化氢酶简介
• 4.4.1.1 过氧化氢酶的结构特点和功能
• 4.4.1.2 过氧化氢酶活性的测定
• 4.4.2 过氧化氢酶在纤维膜上固定化条件的探索
• 4.4.2.1 EDC浓度对酶固定化的影响
• 4.4.2.2 过氧化氢酶固定化时间的影响
• 4.5 蛋白质修饰对固定化过氧化氢酶活性的影响
• 4.6 固定化过氧化氢酶的反应动力学参数
• 4.7 固定化过氧化氢酶的稳定性研究
• 4.7.1 操作稳定性
• 4.7.2 热稳定性
• 4.7.3 储存稳定性
• 4.8 结论
• 第5章 PANCAA/碳纳米管复合纤维膜制备及酶固定化
• 5.1 引言
• 5.2 碳纳米管的纯化与分散
• 5.3 PANCAA/多壁碳纳米管复合纤维膜的制备
• 5.4 固定化酶活性和动力学参数
• 5.4.1 过氧化氢酶
• 5.4.2 辣根过氧化物酶
• 5.5 酶的稳定性研究
• 5.5.1 操作稳定性
• 5.5.2 热稳定性
• 5.5.3 反应pH敏感性
• 5.6 结论
• 第6章 PANCAA静电纺纤维在生物传感器中的应用探索
• 6.1 引言
• 6.2 葡萄糖氧化酶
• 6.3 纤维形态
• 6.4 生物传感器的响应特性
• 6.4.1 电极制备工艺的探索
• 6.4.1.1 纺丝时间
• 6.4.1.2 碳纳米管/聚合物比例
• 6.4.2 响应电流曲线
• 6.4.3 溶液pH影响
• 6.4.4 电极的使用稳定性
• 6.5 葡萄糖氧化酶与碳纳米管的相互作用
• 6.6 结论
• 全文总结
• 论文主要创新点
• 不足与展望
• 参考文献
• 作者简历