一种氧化多壁碳纳米管及其制备方法和应用

本发明属于生物工程和材料制备，具体涉及一种氧化多壁碳纳米管材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、酶是生命体内常见的生物催化剂，其具有对底物专一性强、催化活性高和催化效率高的优势，在生产、生活中被广泛应用。但是，酶在实际应用中还存在着很多不足：①酶由蛋白质组成，其高级构象对热、强酸、强碱、有机溶剂等因素均不稳定，在反应中易失活；②纯酶价格通常较昂贵；③游离态酶在使用过程中存在耗酶量大、难分离、易造成产物污染、难以重复使用等缺点，严重影响酶在生产中的广泛应用。因此，需要提高酶的利用率，从而使其大规模生产应用。

2、目前，用于改善酶稳定性和重复利用性的技术有很多，例如酶固定化、酶修饰、蛋白工程等，其中，酶固定化技术因对酶的破坏较小成为常用的方法。随着固定化材料的快速发展，各种有机和无机载体被用于固定化酶。与游离酶相比，固定化酶在使用过程中稳定性较高，大的比表面积为酶提供了更高的结合能力。而且固定化酶与反应液可以通过过滤离心等方法进行分离，有利于产物的纯化和酶的多次使用，反应条件容易控制，可实现连续自动化生产，降低成本，更有利于在工业中的大规模生产。

3、纳米管(cnt)是一类一维圆柱形碳同素异形体，由于其非凡的电学、热学和力学性能，具有重要的研究兴趣。然而，它们在储能、微电子、生物医学领域和其他工业目的中的应用受到限制，因为原始cnt是惰性的和不反应的，具有大比表面积和强的管间范德华吸引力，这导致cnt聚集成大的团簇，从而在溶液中表现出较差的分散性。此外，原始cnt是疏水的并且具有低表面能，使得cnt与极性溶剂不相容。因此，需要在cnt上引入表面官能团和表面缺陷来解决上述不足，从而固定化酶。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的一些不足，本发明提供了一种氧化多壁碳纳米管材料及其制备方法和应用。本发明通过氧化法合成了氧化多壁碳纳米管材料，其是由海绵状结构组成的多孔三维结构，其表面具有大量的羧基和羟基官能团；所述氧化多壁碳纳米管材料的表面积为137-140m2/g，总孔体积为0.45-0.50cm3/g，孔径为13.30-13.40nm；所述氧化多壁碳纳米管能够保护葡萄糖淀粉酶(glucoamylase，gll)在50-60℃下免受热变性、能够重复多次使用，所述氧化多壁碳纳米管材料可高效固定化gll，其最高的酶负载能力为211.28mg/g，固定化酶的gll酶活比游离的gll酶活增加4倍，具有很好的实用性。

2、为了实现上述技术目的，本发明采用了以下技术手段。

3、本发明首先提供了一种氧化多壁碳纳米管材料，所述氧化多壁碳纳米管材料是由海绵状结构组成的多孔三维结构，所述氧化多壁碳纳米管材料表面具有大量的羧基和羟基官能团。

4、优选地，所述氧化多壁碳纳米管材料的表面积为137-140m2/g，总孔体积为0.45-0.50cm3/g，孔径为13.30-13.40nm。

5、本发明还提供了上述氧化多壁碳纳米管材料的制备方法，具体包括如下步骤：

6、将多壁碳纳米管均匀分散在硫酸中，然后在搅拌条件下依次加入氧化剂然后逐渐加入蒸馏水，得到混合液，将混合液搅拌并升温反应，反应结束后冷却至室温，得到反应液；

7、向反应液中加入去离子水和第二氧化剂，然后分离、洗涤、干燥，得到所述氧化多壁碳纳米管材料。

8、优选地，所述多壁碳纳米管、硫酸、氧化剂和蒸馏水的用量比为1g：90ml：4g：50ml。

9、优选地，所述氧化剂包括硝酸盐、高锰酸盐、高氯酸盐、.重铬酸盐、次氯酸盐、过硫酸盐、亚硝酸盐、过氧化物中的一种或多种。

10、优选地，所述氧化剂为硝酸钠和高锰酸钾的混合物；所述混合物中，硝酸钠和高锰酸钾的摩尔浓度比为1:5--6，

11、优选地，所述第二氧化剂包括硝酸盐、高锰酸盐、高氯酸盐、.重铬酸盐、次氯酸盐、过硫酸盐、亚硝酸盐、过氧化物中的一种或多种。

12、优选地，所述第二氧化剂为过氧化氢。

13、优选地，所述升温反应的条件为在95～100℃下反应30-90分钟。

14、优选地，所述反应液中加入的去离子水和第二氧化剂的体积比为5-6ml:1ml。

15、本发明还提供了上述氧化多壁碳纳米管在固定化酶中的应用。

16、优选地，所述固定化酶包括固定化葡萄糖淀粉酶。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

18、(1)本发明所述氧化多壁碳纳米管材料由多壁碳纳米管在h2so4、h2o2、氧化剂(nano3和kmno4)的混合物溶液中经过氧化处理，溶液的强氧化能力增加了碳原子之间强共价键和范德华吸引力的破坏，导致纳米管外壁的部分纤维剥离及其随后的羟基化和羧化。本发明所述氧化多壁碳纳米管材料制备过程中，通过氧化在多壁碳纳米管表面引入大量羧基和羟基，形成海绵状结构，从而具有较高的固载酶的能力，固载量达到211.28mg/g。

19、(2)本发明所述氧化多壁碳纳米管材料表面的羟基和羧基是有活性的，并且与酶的游离氨基和羧基以及某些活性基团形成强共价键，如苏氨酸和丝氨酸的羟基和酚基，以及组氨酸的咪唑。这为具有受控活性位点取向的酶提供了稳定性，从而提高了活性。固定化酶的gll酶活比游离的gll增加4倍。

20、(3)与游离gll相比，本发明所述氧化多壁碳纳米管材料omw-cntβ固定化gll表现出更好的热稳定性和储存稳定性。所述氧化多壁碳纳米管材料omw-cntβ可以重复多次使用，多次使用仍然保持完整的海绵状多孔结构，保留酶的活性，重复实用性好。

技术特征：

1.一种氧化多壁碳纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

2.根据权利要求1所述的氧化多壁碳纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管、硫酸、氧化剂和蒸馏水的用量比为1g：90ml：4g：50ml。

3.根据权利要求1所述的氧化多壁碳纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述氧化剂包括硝酸盐、高锰酸盐、高氯酸盐、.重铬酸盐、次氯酸盐、过硫酸盐、亚硝酸盐、过氧化物中的一种或多种；

4.根据权利要求3所述的氧化多壁碳纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述氧化剂为硝酸钠和高锰酸钾的混合物；所述混合物中，硝酸钠和高锰酸钾的摩尔浓度比为1:5～6；

5.根据权利要求1所述的氧化多壁碳纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述升温反应的条件为在95～100℃下反应30-90分钟。

6.根据权利要求1所述的氧化多壁碳纳米管材料的制备方法，其特征在于，所述反应液中，加入的去离子水和第二氧化剂的体积比为5-6ml:1ml。

7.权利要求1～6任一项所述方法制备的氧化多壁碳纳米管，其特征在于，所述氧化多壁碳纳米管材料是由海绵状结构组成的多孔三维结构，所述氧化多壁碳纳米管材料表面具有大量的羧基和羟基官能团。

8.根据权利要求7所述的氧化多壁碳纳米管，其特征在于，所述氧化多壁碳纳米管材料的表面积为137-140m2/g，总孔体积为0.45-0.50cm3/g，孔径为13.30-13.40nm。

9.权利要求7所述的氧化多壁碳纳米管在固定化酶中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述固定化酶包括固定化葡萄糖淀粉酶。

技术总结本发明提供了一种氧化多壁碳纳米管及其制备方法和应用，属于生物工程和材料制备技术领域；本发明通过氧化法合成了氧化多壁碳纳米管材料，其是由海绵状结构组成的多孔三维结构，其表面具有大量的羧基和羟基官能团；所述氧化多壁碳纳米管材料的表面积为137‑140m<supgt;2</supgt;/g，总孔体积为0.45‑0.50cm<supgt;3</supgt;/g，孔径为13.30‑13.40nm；所述氧化多壁碳纳米管能够保护葡萄糖淀粉酶在50‑60℃下免受热变性、能够重复多次使用，所述氧化多壁碳纳米管材料可高效固定化GLL，其最高的酶负载能力为211.28mg/g，固定化酶的GLL酶活比游离的GLL酶活增加4倍，具有很好的实用性。技术研发人员：周阳,朱怡颖,陈金萍,夏珍珠,刘岳霖,高伏康受保护的技术使用者：江苏大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2