Här presenterar vi ett protokoll för att syntetisera bioinspired kiseldioxid material och immobilisera enzymer däri. Kiseldioxid syntetiseras genom att kombinera natriumsilikat och en Amin ’tillsatser’, som neutraliserar i en kontrollerad takt. Materialets egenskaper och funktion kan ändras antingen i situ enzym immobilisering eller efter syntetisk syra eluering av inkapslade tillsatser.
Målet med de protokoll som beskrivs häri är att syntetisera bioinspired kiseldioxid material, utföra enzym inkapsling däri och helt eller delvis rena samma genom syra eluering. Genom att kombinera natriumsilikat med en Polyfunktionella bioinspired additiv, bildas kiselsyra snabbt på omgivningsförhållanden vid neutralisering.
Effekten av neutralisering ränta och biomolecule tillägg punkt på silica avkastning undersöks och biomolecule immobilisering effektivitet redovisas för olika tillägg punkt. Till skillnad från andra porös kiseldioxid syntesmetoder visas det att de milda förhållanden som krävs för bioinspired kiseldioxid syntes är fullt kompatibla med inkapsling av känslig biomolekyler. Dessutom används milda förhållanden över alla syntes och modifiering steg, att göra bioinspired kiseldioxid en lovande måltavla för uppskalning och kommersialisering som både en bare material och aktivt stöd medium.
Syntesen är visat sig vara mycket känsliga för villkor, dvs andelen neutralisering och slutliga syntes pH, men tight kontroll över dessa parametrar kan påvisas med hjälp av automatisk titrering metoder, vilket leder till hög reproducerbarhet i reaktion progression väg och avkastning.
Bioinspired kiseldioxid är därför ett utmärkt aktiva materiellt stöd val, visar mångsidighet mot många aktuella program, inte begränsat till de visat här, och styrkan i framtida tillämpningar.
Användning av kiseldioxid som ett strukturellt stöd för industriella katalysatorer är väl etablerad, vilket möjliggör förbättrad katalysator aktivitet, stabilitet och processbarhet,1 därmed potentiellt minska driftskostnaden. Dessa fördelar förvärras när det gäller enzym immobilisering, som lagring inom kiseldioxid pore system kan ge betydande fördelar enzym livstid över dess gratis motsvarighet. Följaktligen har lagts ner mycket möda i att hitta den bästa metoden att fästa enzymer kiseldioxid arter, med flera recensioner jämföra utredningar med olika metoder av immobilisering på kiseldioxidhaltiga solid stöder. 2 , 3 , 4
Enzymer är vanligtvis kopplade via physisorption eller kovalent bindning, förutom inkapsling inom ett poröst material. 5 det finns dock betydande nackdelar med varje metod: physisorption bygger på övergående Ytinteraktioner mellan kiseldioxid och biomolecule, som mycket enkelt kan försvagas av de reaktionsbetingelser som leder till det oacceptabla enzymet urlakning. Mycket starkare kovalenta kvarstad resulterar vanligen i lägre aktivitet på grund av de aktiva arterna reducerade konfirmerande frihet. Inkapsling kan resultera i minskad aktivitet av enzymet otillgänglighet eller tröghetsseparation begränsningar. 6
Senaste utvecklingen inom fältet för mildare (ofta dubbat ‘ bioinspired’) kiseldioxid synteser har etablerat i situ inkapsling av biomolekyler och andra aktiva arter under materiella syntesen. 7 , 8 , 9 denna metod förnekar många av nackdelarna med konventionella immobilisering – till skillnad från chemisorption metoder biomolecule konfirmerande frihet upprätthålls av användningen av svagare noncovalent interaktioner men som formulären pore hålrummet runt biomolecule, urlakning fortfarande förhindras. Faktiskt, inkapsling har visat sig fungera för en rad biomolekyler och även hela celler,10 och genom inkapsling i bioinspired kiseldioxid effekter såsom avaktivering på grund av hårda process villkor kan undvikas. 7 , 11
Målet med den metod som beskrivs häri är att förbereda en porös kiseldioxid med kontrollerbara egenskaper, under omgivningsförhållanden, med hjälp av en bioinspired organisk tillsats. Metoden kan enkelt modifieras för att inkludera inkapsling av antingen oorganiska eller bioorganisk molekyler, ett urval som ska visas. Vi visar ytterligare en lättköpt metod för att ändra det som-syntetiskt framställda materialen för att uppnå önskad bulk egenskaper och rening genom att ta bort organiska mallen genom syra eluering.
Jämfört med traditionella syntesen av mallade porös kiseldioxid stöder (t.ex.kvarts material mallade genom supramolekylär tensid församlingar som MCM-41 eller SBA-15)12 metoden är betydligt snabbare och mildare, aktivera «««skräddarsydda, i situ inkapsling utan behov av många immobilisering steg och mödosamma rening. Dessutom, användning av syra eluering i stället för på kalcinering öppnar möjligheten att organiska ytan funktionalisering.
Denna metod är mycket gäller för dem som arbetar i aktiva arter immobilisering som har hittat physisorption eller kovalent immobilisering ineffektiva. Det är också användbart för dem forska processen skala upp som bioinspired syntesen är unikt positionerat för industrialisering jämfört med konventionella mallade kiseldioxid material. 13 , 14 den här metoden inte rekommenderas för program som kräver en ordnad mängd porer inom den materiella t.ex.fotonik, som materialstrukturen är störda trots någon likhet i bulk egenskaper.
I det nuvarande arbetet presenterar vi en metod för snabbt utfällning bioinspired kiseldioxid material och inkapsling av biomolekyler däri. Vi visar kritiska steg i förfarandet, nämligen mängden reaktion-inleda syra tillsättas, och tidpunkten för tillägg av den biomolecule encapsulant. Vi visar effekten av syra utöver beloppet på både reaktion progression och avkastning (figur 4 och figur 5, respektive), och visat en metod för tight kontroll över syntes förhållanden, vilket möjliggör konsistens trots denna känslighet. Angående aktiva arter inkapsling, även om okomplicerad när det gäller förfarandet, inkapsling är visat sig vara känsliga för villkoren för experimentet (ordning dessutom pH-värdet i tillägg, miljöförhållanden), dock konsekvens i material egenskaper uppnås igen.
Syntes villkor kan ändras med hjälp av olika tillsatser, varav många har publicerats på annat håll,15 som tillhandahåller en rad morfologier och porositeter. Ytterligare, efter syntetiska tekniker för att ändra och kemiskt skräddarsy bioinspired kiseldioxid material har rapporterats såsom mild rening13 och ytan amine dekoration. 20 slutligen pågrund mild, vattenlösning av syntesen, i situ inkapsling är möjligt för ett bredare utbud av substrat än de visat här, alltifrån enzymer17,18 hela celler,21 metall salter,22 aktiva farmaceutiska substanser,23 och quantum dots. 24
Till skillnad från andra organiska-medierad kiseldioxid synteser (såsom MCM-41 eller SBA-15 familjen av material) beställde Polyfunktionella beskaffenhet bioinspired tillsatser inte kan producera pore strukturer, inte heller mycket monodisperse partikelstorlek distributioner kännetecken av Stöber-typ kisel. 25 detta är på grund av bristen på väl definierade micellization beteende av bioinspired tillsatser (utanför specialfall)26 tillsammans med deras ökade katalytisk aktivitet över monofunktionella amine-innehållande tillsatser. 26
Å andra sidan, möjliggör denna Polyfunktionella tillsatsen natur användning av kortare reaktionstider och mildare temperatur & Tryck jämfört med andra organiska-medierad kiseldioxid synteser. Detta leder också till möjligheten att rumstemperatur additiv eluering som beskrivits ovan, som ännu inte uppnått för dessa andra kiseldioxid familjer på grund av detaljerna av deras ytkemi. 27 , 28 , 29 följaktligen bioinspired kiseldioxid material har visat sig vara både mer ekonomiskt och praktiskt att producera i större skala, vilket leder till enklare kommersialisering och utveckling. 14
Sammanfattningsvis representerar bioinspired kiseldioxid syntes en snabb, facile metod för att producera aktiva arter stöder eller gas sorbent media. Genom sträng kontroll av pH under och efter reaktionen, kan ett brett utbud av kiseldioxid-Amin kompositer syntetiseras med varierande egenskaper, som kompletteras ytterligare av möjligheten att i situ inkapsling av en rad olika ekologiska, oorganiska eller bio-organiska material. Även om oberoende efter syntetiska ändring av bioinspired additiv och encapsulant koncentration har ännu inte uppnås, representerar dessa metoder ett lovande steg mot miljövänlig kemiska processer.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka de ekonomiskt stödet från den avdelning av kemiska och biologiska Engineering (University of Sheffield) och EPSRC (EP/L017059/1 och EP/P006892/1).
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 |