一種SiO₂整體塊材料及其制備方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明屬于納米多孔材料的制備及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種SiO2整體塊材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明采用水熱調(diào)節(jié)對SiO2凝膠整體塊進行處理，在保持SiO2凝膠整體塊中大孔結(jié)構(gòu)不被破壞的基礎(chǔ)上，SiO2凝膠整體的有序介孔孔道的孔徑可以被有效的擴大了4nm左右。將本發(fā)明制備所得的SiO2整體塊材料作為固定酶載體，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實際操作方便簡單，便于器件化，固定酶使用/收回/利用方便等優(yōu)點，且由于SiO2整體塊材料中分級孔結(jié)構(gòu)的存在，大孔結(jié)構(gòu)較完整，介孔孔徑較大，有利于提高酶反應(yīng)過程中反應(yīng)物質(zhì)的傳輸與擴散，提高酶促反應(yīng)速率，實現(xiàn)快速檢測。
【專利說明】
一種S i 〇2整體塊材料及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于納米多孔材料的制備及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種SiO2整體塊材料及其 制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 介孔SiO2材料由于具有高的比表面積、較大的孔容、窄的孔徑分布、介孔孔徑可調(diào) 節(jié)等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用在分離、吸附、催化、傳感、藥物釋放等領(lǐng)域。
[0003] 自1992年Mobil公司的Kresge等首次制備出具有有序介孔結(jié)構(gòu)的MCM-41分子篩以 來，這種材料由于具有有序的介孔孔道、窄的孔徑分布、較厚的壁厚和高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu) 異的特性，引起了研究者們的大量關(guān)注。此后用其他反應(yīng)條件和模板劑制備介孔SiO 2材料 得到迅速發(fā)展，最常見的有MCM-n、MSU-n和FDU-n等系列介孔二氧化硅材料。
[0004] 介孔SiO2作為良好的生物相容性的固定酶載體，其巨大的比表面積以及和酶分子 尺度相當(dāng)?shù)慕榭祝転槊阜肿犹峁┮粋€良好的負(fù)載與催化環(huán)境同時也有助于物質(zhì)的傳遞與 擴散，此外介孔SiO 2的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且形貌控制、孔徑和孔型調(diào)節(jié)、表面官能團修飾以及與其 他物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合都比較簡單且可行。
[0005] 1996年Diaz和Balkus首次報道用這種有序孔道的MCM-41分子篩來固定酶，之后用 介孔SiO 2固定酶成為酶固定化領(lǐng)域里面蓬勃發(fā)展的方向。如采用不同的結(jié)構(gòu)如介孔薄膜、 介孔小球、空心球殼、介孔整體塊等，采用不同的孔型如二維六方孔道結(jié)構(gòu)、三維籠狀孔結(jié) 構(gòu)、泡沫介孔和蠕蟲狀孔等，以及加入高分子聚合物的層層封裝、有機官能團化學(xué)修飾和摻 入納米金屬顆粒等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種SiO2整體塊材料及其制備方法和 應(yīng)用。
[0007] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種SiO2整體塊材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0009] (1)將P123(聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物)和1，3,5_三甲基 苯溶解在HNO 3溶液里，加入適量四甲氧基硅烷，得到SiO2的前驅(qū)體溶膠，將溶膠封裝，再進行 凝膠化并老化，得到SiO 2凝膠整體塊；
[0010] (2)將SiO2凝膠整體塊表面殘留的HNO3漂洗干凈，然后將SiO2凝膠整體塊浸泡在水 或低濃度的氨水溶液中，置于反應(yīng)釜內(nèi)進行水熱調(diào)節(jié)；
[0011] (3)水熱調(diào)節(jié)后，用去離子水將SiO2凝膠整體塊漂洗干凈，然后置于室溫干燥一段 時間，隨后真空干燥一段時間，直至完全被干燥；
[0012] (4)通過焙燒除去模板劑，焙燒后得到結(jié)構(gòu)完整的白色S i〇2整體塊材料。
[0013] 上述方案中，步驟（1)所述P123、l，3,5-三甲基苯和四甲氧基硅烷的質(zhì)量比1: 0 · 15:1·3〇
[0014] 上述方案中，步驟(2)所述水熱調(diào)節(jié)的溫度為120°C~130°C，水熱調(diào)節(jié)的時間為6 ~24h〇
[0015] 上述方案中，步驟（3)所述室溫干燥的時間為12h~24h，所述真空干燥的時間為 12h~24h。
[0016] 上述方案中，所述焙燒的工藝為:從室溫以TC/min升溫速率升溫，300°C和400°C 下各保溫Ih，500 C下保溫4h。
[0017] 上述制備方法制備得到的SiO2整體塊材料，所述SiO2整體塊材料上分布著均勻的 微米尺度的大孔和規(guī)則的介孔陣列，所述介孔的孔徑為5.4~9.5nm。
[0018] 上述制備方法制備得到的Si〇2整體塊材料在固化葡萄糖氧化酶方面的應(yīng)用。
[0019] 本發(fā)明的有益效果:一般當(dāng)SiO2凝膠整體塊成型后，其介孔孔徑將難以被改變，本 發(fā)明中制備所得SiO 2凝膠整體塊的大孔孔壁較厚，采用后續(xù)的水熱調(diào)節(jié)對SiO2凝膠整體塊 進行處理后，在保持SiO 2凝膠整體塊中大孔結(jié)構(gòu)不被破壞的基礎(chǔ)上，SiO2凝膠整體塊的有序 介孔孔道的孔徑可以被有效的擴大了 4nm左右。將本發(fā)明制備所得的SiO2整體塊材料作為 固定酶載體，特別是用于固定葡糖糖氧化酶，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實際操作方便簡單，便于器件 化，固定酶使用/收回/利用方便等優(yōu)點，且由于SiO 2整體塊材料中分級孔結(jié)構(gòu)的存在，大孔 結(jié)構(gòu)較完整，介孔孔徑較大，有利于提高酶反應(yīng)過程中反應(yīng)物質(zhì)的傳輸與擴散，提高酶促反 應(yīng)速率，實現(xiàn)快速檢測。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明所述SiO2整體塊材料的實物圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明所述SiO2整體塊材料的電鏡圖，（a)為掃描電鏡圖，（b)為透射電鏡 圖。
[0022]圖3為本發(fā)明所述SiO2整體塊材料的小角X射線衍射圖。
[0023]圖4為本發(fā)明所述SiO2整體塊材料的壓汞儀孔分布圖。
[0024]圖5為本發(fā)明所述SiO2整體塊材料的N2等溫吸附脫附曲線及孔徑分布圖。
[0025]圖6為本發(fā)明中水熱處理不同時間所得SiO2整體塊材料的N2等溫吸附脫附曲線。 [0026]圖7為本發(fā)明中水熱處理不同時間所得SiO2整體塊材料的孔徑分布圖。
[0027] 圖8為本發(fā)明中葡萄糖濃度與吸光值的線性曲線。
[0028] 圖9為本發(fā)明中加入葡萄糖前后溶液的吸光曲線變化圖。
【具體實施方式】
[0029] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的 內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
[0030] 實施例1
[0031] 一種SiO2整體塊材料，通過如下方法制備得到：
[0032] (1)將Ig P123(聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物)和0.15gl，3， 5-三甲基苯溶解在HNO3溶液里，加入1.3g四甲氧基硅烷，得到SiO2的前驅(qū)體溶膠，將溶膠封 裝，放入60°C烘箱中凝膠化并老化I Oh，得到SiO2凝膠整體塊；
[0033] (2)用去離子水將SiO2凝膠整體塊表面殘留的HNO3漂洗干凈，然后將SiO 2凝膠整體 塊浸泡體積約為其IO倍的O. OImo 1/L的氨水中，置于反應(yīng)爸內(nèi)在120°C下水熱IOh;
[0034] (3)水熱調(diào)節(jié)后，用去離子水將SiO2凝膠整體塊漂洗干凈，然后置于室溫干燥12h， 隨后在40 °C下真空干燥12h，直至完全被干燥；
[0035] (4)通過焙燒除去模板劑:從室溫以l°C/min升溫速率升溫，在300 °C和400 °C下各 保溫Ih，在500°C下保溫4h，焙燒后得到結(jié)構(gòu)完整的白色SiO2整體塊材料。
[0036]本實施例制備得到的SiO2整體塊材料具有較好的機械強度，外觀上是整塊柱體 (實物圖件圖1)，從圖2可以看到，在低倍掃描電鏡下可以看到材料整體上分布著均勻的微 米尺度的大孔(圖a)，在透射電鏡下能看到材料大孔壁上是規(guī)則的介孔陣列（圖b)。小角X射 線衍射圖在〇. 96°、1.58°和1.82°有較強的衍射峰，通過計算可知其衍射晶面與二維六方介 孔陣列的（1〇〇)、（11〇)和(200)晶面對應(yīng)(圖3)。通過壓汞儀測試，可以看出整體塊材料分布 著尺寸約為〇.2μπι的大孔（圖4)，通過犯等溫吸附-脫附曲線測試，可以看出所述SiO 2整體塊 材料具有典型的IV型等溫吸附曲線和Hl型回滯環(huán)，說明材料含有尺寸均一的圓筒形介孔， 從孔徑分布圖可以看到，介孔孔徑約在7.4nm左右（圖5)。
[0037] 實施例2
[0038] 一種SiO2整體塊材料，通過如下方法制備得到：
[0039] (1)將Ig P123(聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物)和0.15g 1， 3,5_三甲基苯溶解在HNO3溶液里，加入1.3g四甲氧基硅烷，得到SiO2的前驅(qū)體溶膠，將溶膠 封裝，放入60°C烘箱中凝膠化并老化I Oh，得到SiO2凝膠整體塊；
[0040] (2)用去離子水將SiO2凝膠整體塊表面殘留的HNO3漂洗干凈，然后將SiO 2凝膠整體 塊浸泡體積約為其I〇倍的水中，置于反應(yīng)釜內(nèi)在120°C下水熱Oh、6h、12h、18h;
[0041] (3)水熱調(diào)節(jié)后，用去離子水將SiO2凝膠整體塊漂洗干凈，然后置于室溫干燥12h， 隨后在40 °C下真空干燥12h，直至完全被干燥；
[0042] (4)通過焙燒除去模板劑:從室溫以l°C/min升溫速率升溫，在300 °C和400 °C下各 保溫Ih，在500°C下保溫4h，焙燒后得到結(jié)構(gòu)完整的白色SiO2整體塊材料。
[0043]對本實施例不同水熱處理時間制備所得SiO2整體塊材料的孔徑、比表面積和孔容 進行測定分析和比較，結(jié)果見圖6、圖7和下表1:
[0044] 表1不同水熱處理時間對SiO2整體塊材料的影響
[0046]通過調(diào)節(jié)水熱處理的時間，從水熱他、611、1211、1811時間來看，在保持大孔結(jié)構(gòu)不被 破壞的前提下，水熱處理能在一定程度有效調(diào)節(jié)有序介孔孔道的孔徑，延長水熱時間能增 加擴孔的范圍，最大能增加4nm左右，且比表面積和孔容也都有大幅度提高（圖6、7、表1)。 [0047] 實施例3
[0048]利用SiO2整體塊材料作為固定酶載體，在快速酶標(biāo)測定葡萄糖中的應(yīng)用：
[0049] (1)葡萄糖濃度與吸光值線性曲線：
[0050] 配制0. lmol/L pH = 5.5的NaAc-HAc緩沖溶液，將規(guī)格為>180U/mg的葡萄糖氧化酶 凍
[0051] 干粉溶解在該緩沖溶液里并配制成lmg/mL葡萄糖氧化酶溶液，將配制好的葡萄糖 氧化酶溶液冰凍在-20 °C下備用。將規(guī)格為>200U/mg的辣根過氧化物酶凍干粉也溶解在該 緩沖溶液里并配制成lmg/mL辣根過氧化物酶溶液，將配制好的辣根過氧化物酶溶液冰凍 在-20 °C下備用。將顯色劑ABTS溶解在去離子水中并配制成lmg/mL溶液，避光放置備用。稱 取0.1663g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過氧化氫溶液，用去離子水稀釋至5L，得到0.2934mmol/L的過 氧化氫溶液。用移液器依次取5yL、10yL、20yL"_60yL的0.2934mmol/L的過氧化氫溶液，加入 到含50yL lmg/mL ABTS溶液、5yL的lmg/mL的辣根過氧化物酶溶液以及相應(yīng)體積的NaAc-HAc緩沖溶液，使最終體積為ImU催化反應(yīng)在37°C環(huán)境下進行5min，最后將變?yōu)榫G色的反應(yīng) 溶液轉(zhuǎn)移至ImL石英比色皿中，通過紫外-可見分光光度計檢測波長415nm吸收峰處的吸光 值，每組測試反應(yīng)重復(fù)操作3次，由此得到過氧化氫濃度與吸光值的線性曲線，通過過氧化 氫濃度(被氧化的顯色劑ABTS的濃度)與葡萄糖濃度之間的兩倍關(guān)系，推算得到葡萄糖濃度 與吸光值的線性曲線。該體系下得到的葡萄糖濃度與吸光值的線性曲線為:Y = -0.00738+ 0.06468X，其中Y表示待測溶液在催化反應(yīng)結(jié)束后在415nm處的吸光值，X表示待測溶液中葡 萄糖的濃度，線性擬合相關(guān)系數(shù)R = 〇. 9994(見圖8)。
[0052] (2)Si02整體塊材料固定葡萄糖氧化酶及葡萄糖濃度的檢測：
[0053] 將規(guī)格為>180U/mg的葡萄糖氧化酶凍干粉溶解在0. lmol/L pH = 5.5的NaAc-HAc 緩沖溶液里并配制成lmg/mL濃度的葡萄糖氧化酶溶液，將配制好的葡萄糖氧化酶溶液冷凍 在-20°C下備用。將SiO2整體塊材料浸泡在lmg/mL葡萄糖氧化酶溶液里面，在4°C下緩慢震 蕩24h。取出吸附了葡萄糖氧化酶的SiO 2整體塊材料，用NaAc-HAc緩沖溶液沖洗3次除去吸 附在SiO2整體塊材料表面的葡萄糖氧化酶，然后放入4°C下備用。取未知濃度的葡萄糖溶液 300yL，加入到含150yL lmg/mL ABTS溶液、15yL的lmg/mL的辣根過氧化物酶溶液以及相應(yīng) 體積的NaAc-HAc緩沖溶液，使最終體積為3mL，將吸附了葡萄糖氧化酶的SiO 2整體塊材料浸 泡在反應(yīng)體系里，催化反應(yīng)在37°C環(huán)境下進行5min，最后將變?yōu)榫G色的反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)移至ImL 石英比色皿中，通過紫外-可見分光光度計檢測波長415nm吸收峰處的吸光值（圖9)。將吸光 值帶入葡萄糖濃度與吸光值的線性曲線方程，將計算得到的濃度值除以10即得到所求葡萄 糖濃度。
[0054]由此說明，本發(fā)明制備所得SiO2整體塊材料作為固定酶載體，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作 方便簡單，使用/收回/利用方便等優(yōu)點，且由于SiO2整體塊材料中分級孔結(jié)構(gòu)的存在，大孔 結(jié)夠較完整，介孔孔徑較大，有利于提高酶反應(yīng)過程中反應(yīng)物質(zhì)的傳輸與擴散，提高酶促反 應(yīng)速率，實現(xiàn)快速檢測。
[0055]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的實例，而并非對實施方式的限制。對 于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或 變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變 動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種Si02整體塊材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 將P123和1，3，5-三甲基苯溶解在HN〇3溶液里，加入適量四甲氧基硅烷，得到Si〇2的 前驅(qū)體溶膠，將溶膠封裝，再進行凝膠化并老化，得到Si0 2凝膠整體塊； (2) 將Si02凝膠整體塊表面殘留的HN03漂洗干凈，然后將Si02凝膠整體塊浸泡在水或低 濃度的氨水溶液中，置于反應(yīng)釜內(nèi)進行水熱調(diào)節(jié)； (3) 水熱調(diào)節(jié)后，用去離子水將Si02凝膠整體塊漂洗干凈，然后置于室溫干燥一段時間， 隨后真空干燥一段時間，直至完全被干燥； (4) 通過焙燒除去模板劑，焙燒后得到結(jié)構(gòu)完整的白色Si02整體塊材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（1)所述P123、l，3,5-三甲基苯和 四甲氧基硅烷的質(zhì)量比1:0.15:1.3。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述水熱調(diào)節(jié)的溫度為120°C ~130 °C，水熱調(diào)節(jié)的時間為6~24h。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述室溫干燥的時間為12h~ 24h，所述真空干燥的時間為12h~24h。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述焙燒的工藝為:從室溫以TC/min 升溫速率升溫，300 °C和400 °C下各保溫1 h，500 °C下保溫4h。6. 權(quán)利要求1~5任一所述制備方法制備得到的Si02整體塊材料，其特征在于，所述Si02 整體塊材料上分布著均勻的微米尺度大孔和規(guī)則的介孔陣列，所述介孔的孔徑為5.4~ 9.5nm〇7. 權(quán)利要求1~5任一所述制備方法制備得到的Si02整體塊材料作為固化酶載體的應(yīng)用。
【文檔編號】C01B33/12GK106006650SQ201610331083
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】陽曉宇, 王永, 趙小芳, 姚瑤, 耿偉, 肖灑, 李昱, 陳麗華, 蘇寶連
【申請人】武漢理工大學(xué)