CN103205413B - 一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碳‑Fe3O4纳米细胞固定材料，即由Fe3O4和Ｃ的复合而成的粒径为50‑120nm的纳米材料，按摩尔比计算即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.18‑0.25。其制备方法即将对苯二甲酸、铁盐和二甲基甲酰胺混合后搅拌均匀进行油浴反应，反应后所得到的沉淀依次用二甲基甲酰胺、二氯甲烷洗涤3次后，放入二氯甲烷中老化，老化后的前驱体真空干燥、研磨、N2保护下煅烧，最终得到一种碳‑Fe3O4纳米细胞固定材料。本发明的碳‑Fe3O4纳米细胞固定材料在生物医药的发酵生产领域中将具有广阔的应用前景，所固定的细胞的活性高。细胞固定工艺,简化了分离过程，从而降低了对固定化细胞强度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种细胞固定材料，特别涉及一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料及其制备方法及其在细胞固定中的应用。
为一种用于细胞固定的新型材料及其大规模制备方法。利用该方法可以大规模地制备纳米细胞固定材料。所得到的纳米细胞固定材料为具有磁性的纳米材料，对于巧克力微杆菌等具有很强的吸附性，且细菌在其上可保持功能不变。利用磁场，可方便、高效地回收此材料，因而大大地简化了发酵生产中的产品分离过程，在生物医药的发酵生产领域中具有广阔的应用前景。
背景技术
生物医药在癌症、爱滋病、冠心病、贫血、骨质疏松、糖尿病、心力衰竭、血友病、囊性纤维变性和罕见遗传疾病等恶性病症的医治中显示出巨大的市场潜力和良好的发展前景，引起了世人的广泛关注。
目前，发酵工程已成为了生物医药的重要分支。它利用微生物自身代谢来产生相关药物，具有简便，易控，易扩大生产等优点，在降低生产成本、新药开发、昂贵药品的大规模生产等方面得到了广泛应用，有可能成为生物医药的主要生产方法。但是，发酵生产中的分离过程目前还比较繁琐，需要进一步改进。为此，人们进行了大量的研究，并取得了一些成果。尤其是利用纳米技术，通过将工程菌固定在磁性纳米材料上，可以使分离过程大大简化。
目前，文献报道的磁性纳米细胞固定材料主要是Fe3O4纳米粒子细胞固定材料，其应用时，即利用化学试剂如戊二醛等直接将细胞固定在Fe3O4纳米粒子细胞固定材料上，由于化学试剂有一定的毒性作用，因而导致所固定的细胞的活性并不理想。此外，制备Fe3O4纳米粒子细胞固定材料的方法大都存在着：产量较低、反应条件苛刻、反应时间长、成本较高等缺点，很难进行大规模生产。这限制了其在实际中的应用。
因此，开发一种新型纳米细胞固定材料，并建立一条操作简单、成本低廉、反应条件温和、可大规模制备的纳米细胞固定材料制备路线对于其应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的为了解决现有技术中的Fe3O4纳米粒子细胞固定材料固定的细胞的活性并不理想等技术问题而提供一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，该碳-Fe3O4纳米细胞固定材料对细胞无毒害，固定的细胞的活性高。
本发明的目的之二是为了提供上述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法。该制备方法具有产率高、反应条件温和、操作简便、生产成本低等特点。
本发明的目的之三在于提供上述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料在细胞固定方面的应用。
本发明的技术方案
一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，即由Fe3O4和Ｃ复合而成的纳米材料，其中Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.18-0.25。
上述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、将对苯二甲酸、铁盐、二甲基甲酰胺按摩尔比计算，即铁盐中的铁：对苯二甲酸：二甲基甲酰胺为2-4：1：392的比例混合后搅拌均匀，制得前驱体溶液；
所述的铁盐为硫酸亚铁、硝酸亚铁、氯化亚铁或醋酸亚铁；
（2）、将步骤（1）所得的前驱体溶液在搅拌下油浴反应，反应过程控制温度为90-120℃，时间为12-30h；
（3）、将步骤（2）反应后所得到的沉淀依次用二甲基甲酰胺、二氯甲烷洗涤3次后，放入二氯甲烷中老化10-15h，即得老化后的前驱体；
（4）、将步骤（3）所得的老化后的前驱体控制温度为40-70℃，时间为10-24h进行真空干燥；
（5）、将步骤（4）真空干燥后的固体研磨成粉末，置于管式炉内，N2保护下煅烧，煅烧过程控制温度400-600℃，时间为2-5h，最终得到粒径为50-120nm的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料。
上述所得的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料可用于发酵过程中植物、动物或微生物细胞的固定，其固定率可达100%，在发酵结束后使用磁铁即可方便的使固定有植物、动物或微生物细胞的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料与发酵液进行分离，从而使发酵后期的植物、动物或微生物细胞菌体与发酵液的分离过程大大简化。
本发明的有益效果
本发明的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，由于利用碳作为细胞固定位点材料，避免了其它化学试剂的引入，即对细胞无毒害，因此最终用本发明所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料所固定的细胞的活性高，且固定过程简单。
进一步，本发明的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，由于利用Fe3O4作为磁性材料，因此最终用本发明所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料固定细胞后，在分离微生物细胞菌体时，利用磁铁可将最终用本发明所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料所固定的细胞和发酵液直接进行分离，避免了搅拌等操作对细胞和载体材料的破坏,简化了分离过程，从而降低了对固定化细胞强度的要求。
另外，本发明的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，具有产率高、反应条件温和、操作简便、成本低等特点，并且有可能在生物医药的大规模发酵生产中得到应用。
附图说明
图1、实施例1所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的TEM图；
图2、实施例1所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的XPS谱；
图3、实施例1所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的XRD图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
酶活单位(U)定义为：在测定条件下，每分钟催化生成1μmol单甲酯所需要的脂酶量。
实施例
1
一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，即由Fe3O4和Ｃ复合而成的纳米材料，其中Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.2。
上述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、将8.34g FeSO4·7H2O、1.66g对苯二甲酸加入到300mL二甲基甲酰胺中，搅拌，制得前驱体溶液；
其中的对苯二甲酸、FeSO4·7H2O、二甲基甲酰胺按摩尔比计算，即FeSO4·7H2O中的铁：对苯二甲酸：二甲基甲酰胺为3：1：392；
（2）、将步骤（1）所得的前驱体溶液油浴加热到105℃，保持该温度，搅拌下反应24h；
（3）、将步骤（2）油浴反应反应结束后，所得沉淀分离后，依次用二甲基甲酰胺、二氯甲烷洗涤3次，然后放入二氯甲烷中老化12h，即得老化后的前驱体；
（4）、将步骤（3）老化后的所得的老化后的前驱体置于真空干燥箱中控制温度60℃干燥24h；
（5）、将步骤（4）真空干燥后所得的固体研磨成粒度为60-80目的粉末后，置于管式炉中，在N2保护下，控制温度为550℃煅烧3h，即得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料。
上述所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的形貌由日本电子公司生产的JEM-1400型透射电子显微镜进行扫描，所得的TEM图如图1所示，从图1可以看出所得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料为粒径为50-100nm的纳米粒子。
上述所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的组成由日本PHI 5000 Versaprobe型X-射线光电子能谱仪进行测量，所得的XPS谱如图2所示，从图2中可以看出该产品为Fe3O4和Ｃ的复合材料。
上述所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的晶相由荷兰帕纳科公司生产的PANalytical Xpert Pro MRD型X-射线衍射仪进行测量，所得的XRD图如图3所示，从图3中可以看出该材料中含有Fe3O4纳米粒子。
实施例２
一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，即由Fe3O4和Ｃ复合而成的纳米材料，其中Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.2。
上述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、将３.54g Fe(NO3)2、1.66g对苯二甲酸加入到300mL二甲基甲酰胺中，搅拌，制得前驱体溶液；
其中的对苯二甲酸、Fe(NO3)2、二甲基甲酰胺按摩尔比计算，即Fe(NO3)2中的铁：对苯二甲酸：二甲基甲酰胺为3：1：392；
（2）、将步骤（1）所得的前驱体溶液油浴加热到105℃，保持该温度，搅拌下反应24h；
（3）、将步骤（2）油浴反应反应结束后，所得沉淀分离后，依次用二甲基甲酰胺、二氯甲烷洗涤3次，然后放入二氯甲烷中老化12h，即得老化后的前驱体；
（4）、将步骤（3）老化后的所得的老化后的前驱体置于真空干燥箱中控制温度60℃干燥24h；
（5）、将步骤（4）真空干燥后所得的固体研磨成粒度为60-80目的粉末后，置于管式炉中，在N2保护下，控制温度为550℃煅烧3h，即得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料。
上述所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的形貌由日本电子公司生产的JEM-1400型透射电子显微镜进行扫描，可以看出所得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料为粒径为60-110nm的纳米粒子。
实施例３
一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，即由Fe3O4和Ｃ的复合而成的纳米材料，其中Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.2。
上述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、将３．81g FeCl2、1.66g对苯二甲酸加入到300mL二甲基甲酰胺中，搅拌，制得前驱体溶液；
其中的对苯二甲酸、FeCl2、二甲基甲酰胺按摩尔比计算，即FeCl2中的铁：对苯二甲酸：二甲基甲酰胺为3：1：392；
（2）、将步骤（1）所得的前驱体溶液油浴加热到105℃，保持该温度，搅拌下反应24h；
（3）、将步骤（2）油浴反应反应结束后，所得沉淀分离后，依次用二甲基甲酰胺、二氯甲烷洗涤3次，然后放入二氯甲烷中老化12h；
（4）、将步骤（3）老化后的所得的老化后的前驱体置于真空干燥箱中控制温度60℃干燥24h；
（5）、将步骤（4）真空干燥后所得的固体研磨成粒度为60-80目的粉末后，置于管式炉中，在N2保护下，控制温度为550℃煅烧3h，即得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料。
上述所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的形貌由日本电子公司生产的JEM-1400型透射电子显微镜进行扫描，可以看出所得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料为粒径为80-120nm的纳米粒子。
实施例
4
一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，即由Fe3O4和Ｃ复合而成的纳米材料，其中Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.2。
上述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、将6.06g醋酸亚铁、1.66g对苯二甲酸加入到300mL二甲基甲酰胺中，搅拌，制得前驱体溶液；
其中的对苯二甲酸、醋酸亚铁、二甲基甲酰胺按摩尔比计算，即醋酸亚铁中的铁：对苯二甲酸：二甲基甲酰胺为3：1：392；
（2）、将步骤（1）所得的前驱体溶液油浴加热到105℃，保持该温度，搅拌下反应24h；
（3）、将步骤（2）油浴反应反应结束后，所得沉淀分离后，依次用二甲基甲酰胺、二氯甲烷洗涤3次，然后放入二氯甲烷中老化12h，即得老化后的前驱体；
（4）、将步骤（3）老化后的所得的老化后的前驱体置于真空干燥箱中控制温度60℃干燥24h；
（5）、将步骤（4）真空干燥后所得的固体研磨成粒度为60-80目的粉末后，置于管式炉中，在N2保护下，控制温度为550℃煅烧3h，即得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料。
上述所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的形貌由日本电子公司生产的JEM-1400型透射电子显微镜进行扫描，可以看出所得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料为粒径为50-110nm的纳米粒子。
实施例
5
一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，即由Fe3O4和Ｃ复合而成的纳米材料，其中Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.18。
上述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、将5.56g FeSO4·7H2O、1.66g对苯二甲酸加入到300mL二甲基甲酰胺中，搅拌，制得前驱体溶液；
其中的对苯二甲酸、FeSO4·7H2O、二甲基甲酰胺按摩尔比计算，即FeSO4·7H2O中的铁：对苯二甲酸：二甲基甲酰胺为2：1：392；
（2）、将步骤（1）所得的前驱体溶液油浴加热到120℃，保持该温度，搅拌下反应12h；
（3）、将步骤（2）油浴反应反应结束后，所得沉淀分离后，依次用二甲基甲酰胺、二氯甲烷洗涤3次，然后放入二氯甲烷中老化10h，即得老化后的前驱体；
（4）、将步骤（3）老化后的所得的老化后的前驱体置于真空干燥箱中控制温度40℃干燥18h；
（5）、将步骤（4）真空干燥后所得的固体研磨成粒度为60-80目的粉末后，置于管式炉中，在N2保护下，控制温度为400℃煅烧5h，即得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料。
上述所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的形貌由日本电子公司生产的JEM-1400型透射电子显微镜进行扫描，可以看出所得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料为粒径为60-110nm的纳米粒子。
实施例
6
一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，即由Fe3O4和Ｃ复合而成的纳米材料，其中Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.25。
上述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、将11.12g FeSO4·7H2O、1.66g对苯二甲酸加入到300mL二甲基甲酰胺中，搅拌，制得前驱体溶液；
其中的对苯二甲酸、FeSO4·7H2O、二甲基甲酰胺按摩尔比计算，即FeSO4·7H2O中的铁：对苯二甲酸：二甲基甲酰胺为4：1：392；
（2）、将步骤（1）所得的前驱体溶液油浴加热到90℃，保持该温度，搅拌下反应30h；
（3）、将步骤（2）油浴反应反应结束后，所得沉淀分离后，依次用二甲基甲酰胺、二氯甲烷洗涤3次，然后放入二氯甲烷中老化15h，即得老化后的前驱体；
（4）、将步骤（3）老化后的所得的老化后的前驱体置于真空干燥箱中控制温度70℃干燥10h；
（5）、将步骤（4）真空干燥后所得的固体研磨成粒度为60-80目的粉末后，置于管式炉中，在N2保护下，控制温度为600℃煅烧2h，即得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料。
上述所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的形貌由日本电子公司生产的JEM-1400型透射电子显微镜进行扫描，可以看出所得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料为粒径为70-120nm的纳米粒子。
上述实施例2-6中所得碳-Fe3O4纳米细胞固定材料均经XPS、XRD检测，所得结果与实施例1中的结果基本一致。
应用实施例
1
利用实施例1所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料对巧克力微杆菌 (SIT101CGMCC No.4436)细胞进行固定化，步骤如下：
（1）、产酯酶细胞培养
培养基为葡萄糖2%、蛋白胨0.5%，酵母膏0.5%，水97%，pH7.0，在250mL三角瓶中装液50mL，121℃灭菌30min，灭菌后冷却接种巧克力微杆菌 (SIT101CGMCC No.4436)斜面种子，30℃培养48h；
（2）、细胞固定化
取一定量巧克力微杆菌(SIT101CGMCC No.4436)细胞溶于10ml 0.1M，pH7.0的磷酸盐缓冲液中，即得含有一定巧克力微杆菌细胞的磷酸盐缓冲溶液，室温下测定OD为A0；
将200mg碳-Fe3O4纳米细胞固定材料置于锥形瓶，用0.1M，pH7.0的磷酸盐缓冲充分溶胀12h，先用0.1M，pH7.0的缓冲液，再用去离子水洗涤干净，然后将上述的含有一定巧克力微杆菌细胞的磷酸盐缓冲溶液10ml加入其中，震荡吸附4h，即得含有吸附巧克力微杆菌细胞的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的磷酸盐缓冲溶液，用磁铁吸附除去固定有巧克力微杆菌细胞的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，剩余液室温下测定OD为A1；
碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的吸附率AD=(A0一A1)/A0x100%，AD值越大，说明吸附后的剩余液中含巧克力微杆菌细胞越少，吸附效果越好，将吸附有巧克力微杆菌细胞的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料置于4℃冰箱内，备用；
（3）、酶活测定
取固定有干重10mg巧克力微杆菌细胞的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料，以950 μL 磷酸盐缓冲液(0.2M, pH8.0)重新悬浮，加入50μL二酸二酯/二甲基亚砜(DMSO)溶液，使反应体系中二酸二酯/DMSO溶液最终浓度为10 mM，涡旋振荡，反应条件为180 rpm,30℃, 30 min，加入2mL甲醇终止反应，涡旋震荡30s，取1mL混合液离心(常温,120000rpm,10min)，使用高效液相色谱测定二酸二酯转变为单酯的转化速度，进一步计算比酶活为1.26U/g；
上述的高效液相色谱条件，流动相为甲醇：水为65：35，流速：1.0ml/min，C18柱。
最终测定的结果如下表：
从上表中可以看出，本发明制备的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料对于细胞具有强的固定性能，固定率即吸附率为100%。并且，细胞在碳-Fe3O4纳米细胞固定材料上可基本保持原有的活性，固定后的比酶活可达1.26U/g，是未固定细胞的90%。
使用实施例2-6所得的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料分别对巧克力微杆菌进行固定化时，固定率即吸附率均约100%，比酶活分别为未固定细胞的87%、85%、85%、83%、88%。
此外，每升发酵液中按1g碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的量将其分散于发酵液时，可形成均匀的悬浮液。如将一磁铁放在容器中，碳-Fe3O4纳米细胞固定材料可被吸引到磁铁上。即将磁铁取出即可方便地使固定有细胞的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料与发酵液分离，分离率约100%，从而使细胞与发酵液的分离过程大大简化。
本发明仅以巧克力微杆菌在该碳-Fe3O4纳米细胞固定材料上的固定进行举例，但并不限制其他植物、动物或微生物细胞在该碳-Fe3O4纳米细胞固定材料上的固定的应用。
综上所述，本发明制备的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料将具有良好的应用前景。
上述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，所述的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料即由Fe3O4和Ｃ复合而成纳米材料，其中Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.18-0.25，其特征在其制备过程具体包括如下步骤：
（1）、将对苯二甲酸、铁盐、二甲基甲酰胺按摩尔比计算，即铁盐中的铁：对苯二甲酸：二甲基甲酰胺为2-4：1：392的比例混合后搅拌均匀，制得前驱体溶液；
所述的铁盐为硫酸亚铁、硝酸亚铁、氯化亚铁或醋酸亚铁；
（2）、将步骤（1）所得的前驱体溶液在搅拌下油浴反应，反应过程控制温度为90-120℃，时间为12-30h；
（3）、将步骤（2）反应后所得到的沉淀依次用二甲基甲酰胺、二氯甲烷洗涤3次后，放入二氯甲烷中老化10-15h，即得老化后的前驱体；
（4）、将步骤（3）所得的老化后的前驱体控制温度为40-70℃，时间为10-24h进行真空干燥；
（5）、将步骤（4）真空干燥后的固体研磨成粉末，置于管式炉内，N2保护下进行煅烧2-5h，最终得到一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料；
所述的煅烧控制温度为400-600℃。
2.如权利要求1所述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，其特征在于Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.18；
步骤（5）中所述的煅烧控制温度为400℃。
3.如权利要求1所述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，其特征在于Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.2；
步骤（5）中所述的煅烧控制温度为550℃。
4.如权利要求1所述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，其特征在于Fe3O4和Ｃ的量按摩尔比计算，即Fe3O4中的Fe：Ｃ为1：0.25；
步骤（5）中所述的煅烧控制温度为600℃。
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的制备方法，其特征在于所述的碳-Fe3O4纳米细胞固定材料的粒径为50-120nm。
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