CN105107464B - 一种可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，制备方法为，在羟基磁珠中加入碱液进行活化，得到含活化后羟基磁珠和碱液的混合物Ⅰ；所得混合物Ⅰ中加入二甲亚砜、环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液，混合后在60℃的温度下，缓慢搅拌12‑14小时，得到环氧活化磁珠；所得环氧活化磁珠中加入碳酸钠溶液、乙二胺二琥珀酸三钠和硼氢化钠，混合后在40‑60℃的温度下，缓慢搅拌10~15小时，即制备出可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠；该方法制备工艺简单，易于放大，将该磁珠加入溶液后可快速移除溶液及生物大分子中的重金属离子，方便对生物大分子的结构和功能进行分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属螯合磁珠，具体的说是一种可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法。
背景技术
在溶液中，金属离子往往和蛋白质、核酸、糖等生物大分子结合在一起，影响我们对这些生物大分子的结构和功能的分析。现有获得脱金属方法是通过加入高浓度的低分子量螯合剂，如EDTA和EGTA等，或者通过金属螯合琼脂糖凝胶。前者在移除螯合剂金属复合物的同时缓冲液中的金属离子会重新与大分子结合，影响脱金属效果。目前广泛使用琼脂糖凝胶来对生物大分子进行脱金属处理。琼脂糖的粒度均匀，表面有密度适宜的可反应的活性基团，便于连接金属螯合基团。中国专利申请“四配位体金属螯合层析填料乙二胺二乙酸琼脂糖凝胶制备方法”（申请号CN200910196910.0）和“一种金属螯合琼脂糖凝胶的制备方法及其应用”（申请号CN201110329239.X）公开的方法，采用结合了乙二胺二乙酸（EDDA）或乙二胺二琥珀酸（EDDS）的琼脂糖凝胶进行金属离子的螯合，由于EDDA提供4个金属配位体，EDDS提供6个金属配位体，制得的琼脂糖凝胶的金属螯合能力要比亚氨基二乙酸（IDA，金属配位数为3）的强。但是琼脂糖凝胶在较低压力下结构就会产生压缩破坏，为提高其机械强度，常采用增加交联度的办法，但交联后的琼脂糖凝胶吸附性大大下降；另一方面，琼脂糖凝胶的热稳定性也较差，50℃以上就开始水解，这些缺点使其不能完全满足目前的研究需要。
磁珠是近年来发展起来并已广泛应用于医学生物学领域的一种多功能试剂，它由磁性内核和核外包裹的高分子外壳两部分组成，利用磁核对外磁场的响应，可以将磁珠从周围介质中迅速分离出来。中国专利申请“一种金属螯合纳米磁珠，其制备方法及其应用”（申请号CN200610002030.1）公开了一种连接IDA的纳米磁珠，该磁珠与金属离子螯合后，金属离子（如六配位金属Ni、Cu、Co和Ca等）上还剩余三个空轨道可以与具有金属结合位点的蛋白质结合，因此以IDA为螯合基制成纳米磁珠吸附蛋白质能力较强，能较好地用于溶液中金属结合蛋白的分离和鉴定，但并不能从大分子中有效地移除金属离子。
发明内容
本发明的目的是提供一种可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，该方法可制备出金属结合能力强，结合容量大的金属螯合磁珠,用于移除溶液及生物大分子中的金属离子。
一种可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，包括以下步骤：
步骤一、羟基磁珠的活化：在羟基磁珠中加入碱液进行活化，得到含活化后羟基磁珠和碱液的混合物Ⅰ，备用；所述碱液的加入量为可使混合物Ⅰ的pH值达到12-14；
步骤二、环氧化：按照混合物Ⅰ、二甲亚砜、环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液的体积比为1:2:1: 4的比例，在上述步骤一所得混合物Ⅰ中加入二甲亚砜、环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液，混合后在60℃的温度下，缓慢搅拌12-14小时，使活化后羟基磁珠连接上环氧基，除去溶液，所得磁珠洗至中性，即得到环氧活化磁珠，备用；
步骤三、在每10mg上述步骤二所得环氧活化磁珠中加入4ml 浓度为1~5mol/L 的碳酸钠（Na2CO3）溶液、0.1~1 g的乙二胺二琥珀酸三钠（EDDS-Na3）和1~5 mg 的硼氢化钠（NaBH4），混合后在40-60℃的温度下，缓慢搅拌10~15小时，除去溶液，将所得磁珠洗至中性后吸干，即制备出可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠，将其保存于质量浓度为30%乙醇水溶液中，置于4℃下保存，备用。
步骤一中所述羟基磁珠的优选为，表面功能基团为硅羟基的硅羟基磁珠，粒径为400-600nm，在碱液中的浓度为10mg/ml；所述碱液优选为氢氧化钠溶液或氨水的浓度优选为为5-10 mol/L；
步骤二中所述氢氧化钠溶液和环氧氯丙烷优选为在12-14小时内分5次缓慢加入处于搅拌状态的含有活化后羟基磁珠的混合物中；所述氢氧化钠溶液的浓度为1 mol/L。
步骤二和步骤三中洗至中性的方法优选为，先采用蒸馏水洗，再用稀醋酸洗，最后用蒸馏水洗至中性。
有益效果是：
1、本发明可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，以羟基磁珠为基质，经环氧活化后，与EDDS-Na3偶联，制得连接有EDDS的金属螯合磁珠。该方法制备工艺简单，易于放大，使用方便，将该磁珠加入溶液后可快速移除溶液及生物大分子中的重金属离子，方便对生物大分子的结构和功能进行分析。
2、本发明的所制备的金属螯合磁珠连接的EDDS可以提供四个羧基和二个氮原子形成六配位体，可以与过渡金属稳定螯合，为Ni、Cu、Co和Zn等配位层上的所有空轨道提供孤对电子，形成的配合物更稳定。能移除蛋白质溶液中95%以上的Cu2+、Zn2+、Mn2+、Cd2+等金属离子，尤其适合复合重金属污染环境下生长的植物蛋白质中重金属离子的移除。
具体实施方式
一种可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，包括以下步骤：
步骤一、羟基磁珠的活化：在羟基磁珠中加入碱液进行活化，得到含活化后羟基磁珠和碱液的混合物Ⅰ，备用；所述碱液的加入量为可使混合物Ⅰ的pH值达到12-14；
步骤二、环氧化：按照混合物Ⅰ、二甲亚砜、环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液的体积比为1:2:1: 4的比例，在上述步骤一所得混合物Ⅰ中加入二甲亚砜、环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液，混合后在60℃的温度下，缓慢搅拌12-14小时，使活化后羟基磁珠连接上环氧基，除去溶液，所得磁珠洗至中性，即得到环氧活化磁珠，备用；
步骤三、在每10mg上述步骤二所得环氧活化磁珠中加入4ml 浓度为1~5mol/L 的碳酸钠（Na2CO3）溶液、0.1~1 g的乙二胺二琥珀酸三钠（EDDS-Na3）和1~5 mg 的硼氢化钠（NaBH4），混合后在40-60℃的温度下，缓慢搅拌10~15小时，除去溶液，将所得磁珠洗至中性后吸干，即制备出可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠，将其保存于质量浓度为30%乙醇水溶液中，置于4℃下保存，备用。
步骤一中所述羟基磁珠为单分散粒径纳米微球，优选为，表面功能基团为硅羟基的硅羟基磁珠，粒径为400-600nm，在碱液中的浓度为10mg/ml；所述碱液优选为氢氧化钠溶液或氨水的浓度优选为为5-10 mol/L；
步骤二中所述氢氧化钠溶液和环氧氯丙烷优选为在12-14小时内分5次缓慢加入处于搅拌状态的含有活化后羟基磁珠的混合物中；所述氢氧化钠溶液的浓度为1 mol/L。
步骤二和步骤三中洗至中性的方法优选为，先采用蒸馏水洗，再用稀醋酸洗，最后用蒸馏水洗至中性。
以下实施例用于说明本发明的技术方案，并不对本发明的保护范围有任何形式的限定；实施例中所述羟基磁珠购买于洛阳惠尔纳米科技有限公司。
实施例1
在1ml 10mg/ml羟基磁珠中加入6 mol/L氢氧化钠溶液充分活化后，得到含活化后羟基磁珠和碱液的混合物Ⅰ；6 mol/L氢氧化钠溶液加入量为可使混合物Ⅰ的pH值达到12；在混合物加Ⅰ中加入2ml 二甲亚砜、1 ml环氧氯丙烷和4ml 1 mol/L氢氧化钠溶液（1 ml环氧氯丙烷和4ml氢氧化钠在缓慢搅拌下，14小时内分5次加入，每次间隔2.8小时），于60℃下缓慢搅拌过夜后过夜，除去溶液，所得磁珠先水洗、在稀醋酸洗、最后水洗，得到的环氧活化磁珠。然后在环氧活化磁珠中加入4ml 浓度为1mol/L碳酸钠溶液、0.1g的 EDDS-Na3和1mgNaBH4，在50℃下缓慢搅拌14小时，除去溶液，得到连接EDDS的羟基磁珠，将其先用水洗，再用稀醋酸洗，最后水洗至中性，即得到可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠，将其保存于4℃下30%的乙醇溶液中。该实施例制得的金属螯合磁珠在0.5mol/L 硫酸铜溶液中每毫克能吸收0.012mmol Cu2+。
实施例2
在1ml 10mg/ml羟基磁珠中加入5 mol/L氢氧化钠溶液充分活化后，得到含活化后羟基磁珠和碱液的混合物Ⅰ；5mol/L氢氧化钠溶液加入量为可使混合物Ⅰ的pH值达到14；在混合物加Ⅰ中加入2ml 二甲亚砜、1 ml环氧氯丙烷和4ml 1 mol/L氢氧化钠溶液（1 ml环氧氯丙烷和4ml氢氧化钠溶液在缓慢搅拌下，13小时内分5次加入，每次间隔2.6小时），于60℃下缓慢搅拌过夜后过夜，然后水洗、稀醋酸洗、水洗，得到的环氧活化磁珠。然后再加入4ml浓度5mol/L碳酸钠溶液、0.5 g EDDS-Na3、3mg NaBH4，在40℃下缓慢搅拌15小时。将连接了EDDS的磁珠先用水洗，然后稀醋酸洗，最后水洗至中性，即得到可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠，保存于4℃下30%的乙醇溶液中。该实施例制得的金属螯合磁珠在0.5mol/L 硫酸锌溶液中每毫克能吸收0.011mmol Zn2+。
实施例3
在1ml 10mg/ml羟基磁珠中加入10 mol/L氢氧化钠溶液充分活化后，得到含活化后羟基磁珠和碱液的混合物Ⅰ；10mol/L氢氧化钠溶液加入量为可使混合物Ⅰ的pH值达到13；在混合物加Ⅰ中加入2ml 二甲亚砜、1 ml环氧氯丙烷和4ml 浓度为1.5 mol/L氢氧化钠溶液（1 ml环氧氯丙烷和4ml氢氧化钠溶液在缓慢搅拌下，12小时内分5次加入，每次间隔2.4小时），于60℃下缓慢搅拌过夜后过夜，然后水洗、稀醋酸洗、水洗，得到的环氧活化磁珠。然后再加入4ml 2mol/L碳酸钠溶液、1 g EDDS-Na3、5mg NaBH4，在60℃下缓慢搅拌12小时。将连接了EDDS的磁珠先用水洗，然后稀醋酸洗，最后水洗至中性，即得到可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠，保存于4℃下30%的乙醇溶液中。该实施例制得的金属螯合磁珠在含0.5mol/L Cd2+的溶液中每毫克能吸收0.010mmol Cd2+。
实施例4
在1ml 10mg/ml羟基磁珠中加入5 mol/L的氨水充分活化后，得到含活化后羟基磁珠和碱液的混合物Ⅰ；5 mol/L的氨水加入量为可使混合物Ⅰ的pH值达到12；在混合物加Ⅰ中加入2ml 二甲亚砜、1 ml环氧氯丙烷和4ml 浓度为1 mol/L氢氧化钠溶液（1 ml环氧氯丙烷和4ml氢氧化钠溶液在缓慢搅拌下，12小时内分5次加入，每次间隔2.4小时），于60℃下缓慢搅拌过夜后过夜，然后水洗、稀醋酸洗、水洗，得到的环氧活化磁珠。然后再加入4ml 浓度为2mol/L碳酸钠溶液、0.5 g 的EDDS-Na3、5mg 的NaBH4，在50℃下缓慢搅拌13小时。将连接了EDDS的磁珠先用水洗，然后稀醋酸洗，最后水洗至中性，即得到可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠，保存于4℃下30%的乙醇溶液中。该实施例制得的金属螯合磁珠在0.5mol/L 硫酸锰溶液中每毫克能吸收0.010mmol Mn2+。本实施例中采用的羟基磁珠为硅羟基磁珠，粒径为400-600nm。
相关实验
利用本发明提供的可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法制得的金属螯合磁珠，金属螯合力强，结合容量大，可移除蛋白质中的Cu2+、Zn2+、Mn2+、Cd 2+ 等金属离子，相对于同类产品具有更优秀的重金属移除效果。下面通过对比试验来进行证明。
取实施例2制得的可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠（简称磁珠-EDDS）作为试验组，与Sepharose-EDDS和磁珠-IDA 进行对比，验证对蛋白中重金属离子Cu2+、Zn2 +、Mn2+、Cd 2+的移除能力。
生长10天的小麦幼苗采用20μmol/L Cd 2+处理三天，取小麦根，用液氮充分研磨，然后加入4 倍体积含1mmol/LPMSF 的20mmol/L 磷酸钠，pH 5.8。充分混匀后4℃下、15000g离心30min，收集上清，蛋白浓度测定参照Bradford(1976) 方法，以BSA 作为标准。
准确称取0.2g吸干过的上述三种金属螯合材料，置于1.5ml 离心管中，加入1ml20mmol/L 磷酸钠平衡 4min，弃上清，随后加入1 ml 提取的蛋白，不断混悬，然后收集上清，测定其金属和蛋白含量。金属含量的测定用原子吸收分光光度法。
结果显示，经20μmol/L Cd2+ 处理的小麦根蛋白溶液中Cd为12.68μg/mg蛋白，Cu为2.26μg/mg蛋白，Zn为4.51μg/mg蛋白，Mn为4.33μg/mg 蛋白。磁珠-EDDS、Sepharose-EDDS和磁珠-IDA都能显著去除蛋白溶液中的Cd2+，移除率分别为98.72、93.43和89.55％，效果最好的是磁珠-EDDS；磁珠-EDDS、Sepharose-EDDS和磁珠-IDA对蛋白溶液中的Cu2+，移除率分别为99.01、96.23、84.47％，效果最好的是磁珠-EDDS；磁珠-EDDS、Sepharose-EDDS和磁珠-IDA对蛋白溶液中的Zn2+，移除率分别为95.12％、92.03％、86.53％，效果最好的是磁珠-EDDS；磁珠-EDDS、Sepharose-EDDS和磁珠-IDA对蛋白溶液中的Mn2+，移除率分别为96.33％、93.21％、66.25％，效果最好的是磁珠-EDDS，即本发明所制备的可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠。
Claims (7)
1.一种可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、羟基磁珠的活化：在羟基磁珠中加入碱液进行活化，得到含活化后羟基磁珠和碱液的混合物Ⅰ，备用；所述碱液的加入量为可使混合物Ⅰ的pH值达到12-14；
步骤二、环氧化：按照混合物Ⅰ、二甲亚砜、环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液的体积比为1:2:1: 4的比例，在上述步骤一所得混合物Ⅰ中加入二甲亚砜、环氧氯丙烷和氢氧化钠溶液，混合后在60℃的温度下，搅拌12-14小时，使活化后羟基磁珠连接上环氧基，除去溶液，所得磁珠洗至中性，即得到环氧活化磁珠，备用；
步骤三、在每10mg上述步骤二所得环氧活化磁珠中加入4mL 浓度为1~5mol/L 的碳酸钠溶液、0.1~1 g的乙二胺二琥珀酸三钠和1~5mg 的硼氢化钠，混合后在40-60℃的温度下，搅拌10~15小时，除去溶液，将所得磁珠洗至中性后吸干，即制备出可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠；
步骤一中所述羟基磁珠的表面功能基团为硅羟基。
2.如权利要求1所述可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，其特征在于：所述碱液为氢氧化钠溶液或氨水。
3.如权利要求2所述可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，其特征在于：所述氢氧化钠溶液或氨水的浓度为5-10 mol/L。
4.如权利要求1所述可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，其特征在于：步骤二中所述氢氧化钠溶液和环氧氯丙烷在12-14小时内分5次加入处于搅拌状态的含有活化后羟基磁珠的混合物中。
5.如权利要求1所述金属螯合磁珠的制备方法，其特征在于：所述羟基磁珠的粒径为400-600nm，在碱液中的浓度为10mg/mL。
6.如权利要求1所述可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，其特征在于：步骤二和步骤三中洗至中性的方法为，先采用蒸馏水洗，再用稀醋酸洗，最后用蒸馏水洗至中性。
7.如权利要求1所述可从大分子中移除金属离子的金属螯合磁珠制备方法，其特征在于：步骤二中所述氢氧化钠溶液的浓度为1 mol/L。
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