यहां, हम एक को प्रेरित सिलिका सामग्री और उसमें एंजाइमों को संश्लेषित करने के लिए प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । सिलिका सोडियम सिलिकेट और एक अमीन ‘ additive ‘ है, जो एक नियंत्रित दर पर बेअसर संयोजन द्वारा संश्लेषित है । सामग्री गुण और समारोह में सीटू एंजाइम स्थिरीकरण या के बाद-encapsulated additives के सिंथेटिक एसिड रेफरेंस द्वारा या तो बदला जा सकता है ।
यहां वर्णित प्रोटोकॉल के लक्ष्य को प्रेरित सिलिका सामग्री संश्लेषित करने के लिए है, उसमें एंजाइम encapsulation प्रदर्शन, और आंशिक रूप से या पूरी तरह से एसिड रेफरेंस द्वारा ही शुद्ध । एक polyfunctional के साथ सोडियम सिलिकेट के संयोजन से प्रेरित additive, सिलिका तेजी से बेअसर पर परिवेश की स्थिति पर गठन किया है ।
बेअसर दर और सिलिका उपज पर और अधिक अणु इसके अलावा बिंदु के प्रभाव की जांच कर रहे हैं, और एक अतिरिक्त अणु स्थिरीकरण क्षमता बदलती के अलावा बिंदु के लिए सूचित किया है । अन्य छिद्रित सिलिका संश्लेषण विधियों के विपरीत, यह दिखाया गया है कि हल्के से प्रेरित सिलिका संश्लेषण के लिए आवश्यक शर्तों नाजुक के encapsulation के साथ पूरी तरह से संगत कर रहे हैं । इसके अतिरिक्त, हल्के शर्तों सभी संश्लेषण और संशोधन चरणों में उपयोग किया जाता है, एक नंगे सामग्री और सक्रिय समर्थन माध्यम के रूप में स्केल-अप और व्यावसायीकरण के लिए प्रेरित सिलिका एक होनहार लक्ष्य बना रही है ।
संश्लेषण की स्थिति के लिए अत्यधिक संवेदनशील होने के लिए दिखाया गया है, यानी, बेअसर दर और अंतिम संश्लेषण पीएच, लेकिन इन मापदंडों पर तंग नियंत्रण ऑटो अनुमापन तरीकों के उपयोग के माध्यम से प्रदर्शन किया है, उच्च reproducibility में अग्रणी प्रतिक्रिया प्रगति मार्ग और उपज ।
इसलिए, प्रेरित सिलिका एक उत्कृष्ट सक्रिय सामग्री समर्थन पसंद है, कई वर्तमान अनुप्रयोगों के प्रति बहुमुखी प्रतिभा दिखा, उन तक सीमित नहीं यहां का प्रदर्शन किया, और भविष्य अनुप्रयोगों में शक्ति ।
औद्योगिक उत्प्रेरक के लिए एक संरचनात्मक समर्थन के रूप में सिलिका का उपयोग अच्छी तरह से स्थापित है, बेहतर उत्प्रेरक गतिविधि, स्थिरता और प्रक्रिया,1 इसलिए संभावित परिचालन लागत को कम करने के लिए अनुमति देता है । ये लाभ एंजाइम स्थिरीकरण के मामले में जटिल हैं, एक सिलिका ताकना प्रणाली के भीतर भंडारण के रूप में अपने मुक्त समकक्ष पर एंजाइम जीवनकाल पर महत्वपूर्ण लाभ प्रदान कर सकते हैं । तदनुसार, बहुत प्रयास सबसे अच्छा तरीका है सिलिका प्रजातियों के लिए एंजाइमों संलग्न खोजने में व्यय किया गया है, कई siliceous ठोस समर्थन करता है पर स्थिरीकरण के विभिंन तरीकों का उपयोग कर जांच की तुलना समीक्षाएं के साथ । 2 , 3 , 4
एंजाइमों आम तौर पर physisorption या आबंध संबंध के माध्यम से संलग्न कर रहे हैं, एक छिद्रित सामग्री के भीतर encapsulation के अलावा । 5 हालांकि, वहां महत्वपूर्ण कमियां है प्रत्येक विधि से संबंधित: physisorption सिलिका और परमाणु, जो बहुत आसानी से अस्वीकार्य करने के लिए अग्रणी प्रतिक्रिया की स्थिति से कमजोर हो सकता है के बीच क्षणिक सतह बातचीत पर निर्भर करता है एंजाइम नमकीन पानी । बहुत मजबूत आबंध लगाव आमतौर पर सक्रिय प्रजातियों के कम संरचना स्वतंत्रता के कारण कम गतिविधि में परिणाम है । encapsulation एंजाइम अप्राप्यता या diffusional सीमाओं के कारण कम गतिविधि में परिणाम कर सकते हैं । 6
मामूली के क्षेत्र में हाल ही में घटनाक्रम (अक्सर ‘ प्रेरित ‘ डब) सिलिका syntheses सामग्री संश्लेषण के दौरान और अन्य सक्रिय प्रजातियों के बीच में सीटू encapsulation की स्थापना की है । 7 , 8 , 9 यह विधि पारंपरिक स्थिरीकरण की खामियों के कई नकारती है-chemisorption दृष्टिकोण के विपरीत-विरोधी अणु के गठन की स्वतंत्रता कमजोर noncovalent बातचीत के उपयोग के द्वारा बनाए रखा है, लेकिन के रूप में ताकना गुहा रूपों के आसपास अब भी इस पर रोक लगाई गई है । दरअसल, encapsulation के लिए एक सीमा के लिए काम करने के लिए प्रदर्शन किया गया है और यहां तक कि पूरे कोशिकाओं,10 और इस तरह की कठोर प्रक्रिया शर्तों के कारण निष्क्रियण के रूप में प्रेरित सिलिका प्रभाव में encapsulation के माध्यम से बचा जा सकता है । 7 , 11
यहां वर्णित विधि का लक्ष्य नियंत्रणीय गुणों के साथ एक छिद्रपूर्ण सिलिका तैयार करना है, परिवेशी स्थितियों के तहत, एक जैव प्रेरित कार्बनिक additive का उपयोग करके । विधि आसानी से या तो अकार्बनिक या जैविक अणुओं, जिनमें से एक चयन दिखाया जाएगा के encapsulation शामिल करने के लिए संशोधित किया जा सकता है । हम आगे एसिड रेफरेंस के माध्यम से कार्बनिक टेम्पलेट को हटाकर वांछित थोक संपत्तियों और शुद्धिकरण को प्राप्त करने के लिए यथा-संश्लेषण सामग्री को संशोधित करने के लिए एक सतही विधि दिखाते हैं.
टेंपलेट छिद्रित सिलिका के पारंपरिक संश्लेषण की तुलना में समर्थन करता है (जैसे,सिलिका सामग्री एमसीएम-४१ या SBA-15 की तरह supramolecular surfactant सभाओं के माध्यम से खाके)12 इस विधि काफी तेजी से और मामूली है, सक्षम करने सिलवाया, कई स्थिरीकरण कदम और श्रमसाध्य शुद्धिकरण के लिए की आवश्यकता के बिना सीटू encapsulation में . इसके अलावा, एसिड रेफरेंस के इस्तेमाल के बजाय calcination से जैविक सतह functionalization की संभावना खुलती है.
यह विधि अत्यधिक सक्रिय प्रजातियों में काम करने वालों के लिए लागू है जो physisorption या आबंध स्थिरीकरण के लिए अप्रभावी पाया है । यह भी प्रक्रिया पैमाने पर शोध उन के लिए उपयोगी है के रूप में-प्रेरित संश्लेषण पारंपरिक औद्योगिकीकरण सिलिका सामग्री की तुलना में विशिष्ट रूप से तैनात है । 13 , 14 इस विधि के अनुप्रयोगों के लिए अनुशंसित नहीं है जो एक आदेश दिया सरणी सामग्री के भीतर pores जैसे,फोटॉनिक्स के लिए, सामग्री संरचना के रूप में थोक संपत्तियों में किसी भी समानता के बावजूद परिक्रमा की है ।
वर्तमान कार्य में, हम तेजी से प्रेरित सिलिका सामग्री और उसमें मौजूद अणुओं के encapsulation के लिए एक विधि प्रस्तुत करते हैं । हम प्रक्रिया के भीतर महत्वपूर्ण कदम का प्रदर्शन, अर्थात् प्रतिक्रिया की शुरुआत करने के लिए एसिड जोड़ा जा करने के लिए, और encapsulant के अलावा के समय । हम दोनों की प्रतिक्रिया प्रगति और उपज (चित्रा 4 और चित्रा 5, क्रमशः) पर एसिड इसके अलावा राशि के प्रभाव दिखाने के लिए, और संश्लेषण की स्थिति पर तंग नियंत्रण के लिए एक विधि का प्रदर्शन किया, इस संवेदनशीलता के बावजूद निरंतरता के लिए अनुमति देता है । के बारे में सक्रिय प्रजातियों encapsulation, हालांकि प्रक्रिया के संदर्भ में सीधा, encapsulation के प्रयोग की शर्तों के प्रति संवेदनशील होना दिखाया गया है (के अलावा के आदेश, इसके अलावा के पीएच, पर्यावरण की स्थिति), तथापि, सामग्री में निरंतरता गुण फिर से प्राप्त है ।
संश्लेषण की स्थिति अलग additives के उपयोग के माध्यम से संशोधित किया जा सकता है, जिनमें से कई कहीं प्रकाशित किया गया है,15 morphologies और porosities की एक सीमा प्रदान. इसके अलावा, बाद सिंथेटिक तकनीक को संशोधित करने और रासायनिक दर्जी प्रेरित सिलिका सामग्री हल्के शुद्धि13 और सतह अमीन सजावट के रूप में इस तरह की सूचना दी गई है । 20 अंत में, संश्लेषण की हल्के, जलीय प्रकृति के कारण, सीटू encapsulation में उन का प्रदर्शन किया से सब्सट्रेट्स की एक व्यापक रेंज के लिए संभव है, एंजाइमों से लेकर17,18 पूरे कोशिकाओं के लिए,21 धातु लवण,22 सक्रिय दवा सामग्री,23 और क्वांटम डॉट्स । 24
अंय कार्बनिक-मध्यस्थता सिलिका syntheses के विपरीत (जैसे एमसीएम-४१ या SBA-15 सामग्री के परिवार के रूप में), जैव प्रेरित additives के polyfunctional प्रकृति आदेश ताकना संरचनाओं का उत्पादन नहीं कर सकते, न ही अत्यधिक monodisperse कण आकार वितरण Stöber-प्रकार सिलिका की विशेषता । 25 यह अच्छी तरह से प्रेरित additives के micellization व्यवहार की कमी के कारण है (विशेष मामलों के बाहर) monofunctional अमीन-additives से अधिक उनके बढ़ उत्प्रेरक गतिविधि के साथ मिलकर26 । 26
दूसरी ओर, इस polyfunctional additive प्रकृति के अंय कार्बनिक मध्यस्थता सिलिका syntheses की तुलना में कम प्रतिक्रिया समय और हल्के तापमान और दबाव के उपयोग में सक्षम बनाता है । यह भी कमरे के रूप में ऊपर वर्णित है, जो अभी तक इन अंय सिलिका उनकी सतह रसायन विज्ञान के विशेष के कारण परिवारों के लिए प्राप्त किया जाना है के रूप में कमरा तापमान additive रेफरेंस की संभावना की ओर जाता है । 27 , 28 , 29 नतीजतन, प्रेरित सिलिका सामग्री दोनों और अधिक किफायती और एक बड़े पैमाने पर उत्पादन करने के लिए व्यावहारिक होना दिखाया गया है, आसान व्यावसायीकरण और विकास के लिए अग्रणी. 14
सारांश में, प्रेरित सिलिका संश्लेषण सक्रिय प्रजातियों का समर्थन करता है या गैस sorbent मीडिया के उत्पादन के लिए एक तेजी से, सतही विधि का प्रतिनिधित्व करता है । के दौरान पीएच के तंग नियंत्रण के माध्यम से और प्रतिक्रिया के बाद, सिलिका-अमीन कंपोजिट की एक विस्तृत सरणी अलग गुण है, जो आगे विभिंन कार्बनिक की एक सरणी के सीटू encapsulation में की संभावना से पूरित है के साथ संश्लेषित किया जा सकता, अकार्बनिक, या जैव जैविक सामग्री । हालांकि स्वतंत्र पोस्ट-प्रेरित additive और encapsulant एकाग्रता के सिंथेटिक संशोधन अभी तक प्राप्त किया जाना है, इन तरीकों पर्यावरण की दृष्टि से सौम्य रासायनिक प्रक्रियाओं की दिशा में एक आशाजनक कदम का प्रतिनिधित्व करते हैं ।
The authors have nothing to disclose.
लेखक रासायनिक और जैविक अभियांत्रिकी विभाग (शेफील्ड विश्वविद्यालय) और EPSRC (ep/L017059/1 और ep/P006892/1) से वित्तीय सहायता का धंयवाद ।
Silica synthesis | |||
Sodium silicate pentahydrate | Fisher scientific | 10070470 | |
Pentaethylene hexamine (PEHA) | Sigma-Aldrich | 292753 | |
Diethylenetriamine (DETA) | Sigma-Aldrich | D93856 | Toxic |
Triethylenetetraamine (TETA) | Sigma-Aldrich | 90460 | |
Poly(ethyleneimine) (PEI) | Polysciences | 6088 | 1.2K MW |
Poly(allylamine hydrochloride) (PAH) | Sigma-Aldrich | 283215 | 17.5k MW |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A2153 | |
Hydrochloric acid (HCl) 1M | Fisher Scientific | 10487830 | |
Silicomolybdic acid assay | |||
Ammonium molybdate tetrahydrate | Sigma-Aldrich | A7302 | Product replaced by M1019 |
Hydrochloric acid (HCl) 37.0%wt | Fluka Analytical | 84436 | |
Anhydrous oxalic acid | Sigma-Aldrich | 75688 | |
Para-aminophenol sulphate | Fisher Scientific | 10446880 | |
Sodium sulphite | Fisher Scientific | 10234400 | |
Sulphuric acid | Sigma-Aldrich | 84727 | |
Bradford assay | |||
Bradford reagent | Sigma-Aldrich | B6916 | |
Equipment | |||
Autotitrator Titrando 902 | Metrohm | 2.902.0010 | |
801 magnetic stirrer plate | Metrohm | 2.801.0040 | For use with above |
800 Dosino | Metrohm | 2.800.0010 | For use with above |
Aquatrode Plus | Metrohm | 6.0253.100 | For use with above |
Centrifuge Sorvall ST16 | Thermo Scientific | 11814243 | Code is for Fisher scientific |
UV-Vis spectrophotometer Genesys 10A | Thermo scientific | 12104972 | Code is for Fisher scientific |