CN114015065A - Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料、其制备方法及应用 - Google Patents

Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了Fmoc‑氨基酸‑ZIF‑8纳米材料、其制备方法及应用，属于纳米材料制备技术领域。本发明所述Fmoc‑氨基酸‑ZIF‑8纳米材料是由Fmoc‑氨基酸粉末溶解于乙酸锌溶液，并添加到2‑甲基咪唑溶液中，经静置、离心、洗涤等步骤制备而成。本发明所述Fmoc‑氨基酸‑ZIF‑8纳米材料可以催化CO2高效转化，从而解决了碳酸酐酶等作为蛋白质催化CO2转化时对环境变化极为敏感，以及在过热、强碱等环境中不稳定的问题，具有广阔的应用前景。

Description

Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料、其制备方法及应用
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料、其制备方法及应用。
背景技术
大气中的温室气体能够吸收地面反射的长波辐射，将热量截留并加热大气，使地表变得温暖。自工业革命以来，人类对化石燃料的需求量越来越大，导致排放的温室气体日益增多，引发越来越严重的全球环境问题。为了实现减排，需要研发出高效、低耗的碳捕集技术。现有的针对燃煤电厂CO2的捕集技术可根据燃烧阶段分为三大类，分别为燃烧前捕集、富氧燃烧、燃烧后捕集。燃烧前捕集投资成本极高，且只适用于新建燃煤电厂，不适用于传统燃煤电厂；富氧燃烧的制氧技术投资及能耗过高；燃烧后捕集方法主要有膜吸收法、物理吸附法、化学吸收法等，其缺点有：(1)膜吸收法是由于电厂烟气CO2分压低，造成操作能耗大，应用具有一定限制性；(2)物理吸附法的吸附容量有限，需要大量的吸附剂，且吸附解析频繁，自动化程度要求高；(3)化学吸收法吸收剂再生能耗较大，再循环过程中吸收剂的损失较大，吸收剂对设备有腐蚀等。
与化学添加剂相比，生物催化剂不会改变气液平衡过程，是理想的强化化学反应添加剂，因此研究者们找到了另一条解决途径：基于酶促反应的碳捕集，例如，碳酸酐酶(一种锌酶)能高效地催化CO2的可逆水合反应，从而减少温室气体CO2的排放。但是，作为蛋白质成分，酶对环境变化极为敏感，在过热、强酸、强碱环境中存在不稳定的问题，从而限制了其在CO2减排中的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料，其能够对CO2进行高效催化转化，从而能够在温室气体减排领域具有广阔的应用前景。
本发明所述的Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料，是由如下方法制备而成：
将Fmoc-氨基酸粉末溶解于乙酸锌溶液中，形成溶解液，然后将溶解液加入到2-甲基咪唑溶液中，搅拌均匀，然后将混合溶液在室温下静置24h，获得Fmoc-氨基酸-ZIF-8悬浊液，将悬浊液离心，去上清液，洗涤反应物，得到Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料。
上述制备方法中，凡是可以调控合成ZIF-8纳米材料的Fmoc-氨基酸都在本发明的可实施范围之内，包括但不限于Fmoc-Gly粉末、Fmoc-Ala粉末、Fmoc-Val粉末、Fmoc-Ile粉末以及Fmoc-Leu粉末。
上述制备方法中，可以采用超声辅助Fmoc-氨基酸粉末在乙酸锌溶液中的溶解过程。
上述制备方法中，乙酸锌溶液选自将乙酸锌溶解于水中所形成的溶液，溶液浓度为0.012mM。在一个具体的实施方案中，乙酸锌为二水合乙酸锌，水为超纯水。
不同浓度的Fmoc-氨基酸可调控ZIF-8生长成形状(例如立方体、菱形十二面体)和大小均不同(粒径在80～380nm之间)的纳米颗粒。因此，在具体实施过程中，可以根据对ZIF-8尺寸的不同需求，调整Fmoc-氨基酸粉末的用量，以配制含有不同浓度Fmoc-氨基酸的乙酸锌溶液(上述制备方法中的溶解液)。优选地是，Fmoc-氨基酸在溶解液中的浓度范围为0.1～2.0mM。
上述制备方法中，2-甲基咪唑溶液选自将2-甲基咪唑溶解于水中所形成的溶液，溶液浓度为0.12mM。
上述制备方法中，对反应物的洗涤是指，采用超纯水重悬反应物，以达到洗去未反应的氨基酸、Zn2+等杂质的目的。
由上述方法制备的Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料，具有催化功能，能够有效催化CO2的转化，促进温室气体的减排。
除了上述催化功能，本发明制备的Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料还具有吸附以及载药等多重功能，因此，能够在分离膜的制备、药物载体(例如癌症治疗药物DOX、Ce6等)的制备等领域存在重要应用价值。
本发明的有益效果为：
本发明制备的Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料，其形状及大小均可调控，使其适合应用于不同领域，包括但不限于与催化、吸附以及载药等功能相关的应用领域。尤其在催化领域，由Fmoc-氨基酸调控合成的Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料会形成一个疏水口袋，能够提高催化转化CO2的效率，从而解决了酶(例如碳酸酐酶等)作为蛋白质催化CO2转化时对环境变化极为敏感，以及在过热、强碱等环境中不稳定的问题。除此之外，本发明的制备方法还具有简单、合成速度快、安全无毒、对环境友好等优点。
附图说明
图1为实施例1～5制备的Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料的TEM图像；
图2为高温水浴后的Fmoc-Gly-ZIF-8纳米材料的TEM图像；
图3为pH值随CO2吹入时间的变化图。
具体实施方式
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细的描述本发明。以下实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
试验所需溶液的配制：
乙酸锌溶液的配制：将0.1068g二水合乙酸锌完全溶解于40mL超纯水中，配制成浓度为0.012mM的乙酸锌溶液。2-甲基咪唑溶液的配制：将4g 2-甲基咪唑溶解于40mL超纯水中，配制成浓度为0.12mM的2-甲基咪唑溶液。
实施例1
Fmoc-Gly-ZIF-8纳米材料的制备，步骤如下：
分别将0.03mg、0.15mg、0.30mg、0.60mg Fmoc-Gly粉末超声(40KHz)溶解于0.5mL乙酸锌溶液中，形成Fmoc-Gly浓度为0.1mM、0.5mM、1.0mM、2.0mM的溶解液，然后将溶解液分别缓慢加入到0.5mL 2-甲基咪唑溶液中，边加入边搅拌，搅拌10min，然后将混合溶液在室温下静置24h，获得四种Fmoc-Gly-ZIF-8悬浊液，将悬浊液12000rpm离心10min，去上清液，将反应物采用超纯水重悬，洗去未反应的氨基酸、Zn2+等杂质，获得四种Fmoc-Gly-ZIF-8纳米材料。
实施例2
Fmoc-Ala-ZIF-8纳米材料的制备，步骤如下：
分别将0.03mg、0.16mg、0.31mg、0.62mg Fmoc-Ala粉末超声(40KHz)溶解于0.5mL乙酸锌溶液中，形成Fmoc-Ala浓度为0.1mM、0.5mM、1.0mM、2.0mM的溶解液，然后将溶解液分别缓慢加入到0.5mL 2-甲基咪唑溶液中，边加入边搅拌，搅拌10min，然后将混合溶液在室温下静置24h，获得四种Fmoc-Ala-ZIF-8悬浊液，将悬浊液12000rpm离心10min，去上清液，将反应物采用超纯水重悬，洗去未反应的氨基酸、Zn2+等杂质，获得四种Fmoc-Ala-ZIF-8纳米材料。
实施例3
Fmoc-Val-ZIF-8纳米材料的制备，步骤如下：
分别将0.03mg、0.17mg、0.34mg、0.66mg Fmoc-Val粉末超声(40KHz)溶解于0.5mL乙酸锌溶液中，形成Fmoc-Val浓度为0.1mM、0.5mM、1.0mM、2.0mM的溶解液，然后将溶解液分别缓慢加入到0.5mL 2-甲基咪唑溶液中，边加入边搅拌，搅拌10min，然后将混合溶液在室温下静置24h，获得四种Fmoc-Val-ZIF-8悬浊液，将悬浊液12000rpm离心10min，去上清液，将反应物采用超纯水重悬，洗去未反应的氨基酸、Zn2+等杂质，获得四种Fmoc-Val-ZIF-8纳米材料。
实施例4
Fmoc-Leu-ZIF-8纳米材料的制备，步骤如下：
分别将0.04mg、0.18mg、0.35mg、0.70mg Fmoc-Leu粉末超声(40KHz)溶解于0.5mL乙酸锌溶液中，形成Fmoc-Leu浓度为0.1mM、0.5mM、1.0mM、2.0mM的溶解液，然后将溶解液分别缓慢加入到0.5mL 2-甲基咪唑溶液中，边加入边搅拌，搅拌10min，然后将混合溶液在室温下静置24h，获得四种Fmoc-Leu-ZIF-8悬浊液，将悬浊液12000rpm离心10min，去上清液，将反应物采用超纯水重悬，洗去未反应的氨基酸、Zn2+等杂质，获得四种Fmoc-Leu-ZIF-8纳米材料。
实施例5
Fmoc-Ile-ZIF-8纳米材料的制备，步骤如下：
分别将0.04mg、0.18mg、0.35mg、0.70mg Fmoc-Ile粉末超声(40KHz)溶解于0.5mL乙酸锌溶液中，形成Fmoc-Ile浓度为0.1mM、0.5mM、1.0mM、2.0mM的溶解液，然后将溶解液分别缓慢加入到0.5mL 2-甲基咪唑溶液中，边加入边搅拌，搅拌10min，然后将混合溶液在室温下静置24h，获得四种Fmoc-Ile-ZIF-8悬浊液，将悬浊液12000rpm离心10min，去上清液，将反应物采用超纯水重悬，洗去未反应的氨基酸、Zn2+等杂质，获得四种Fmoc-Ile-ZIF-8纳米材料。
通过透射电子显微镜对上述实施例制备的Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料的形貌进行表征，结果如图1所示，从横向来看，随着氨基酸浓度增加，晶体尺寸减小，Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料的形状由菱形十二面体变为正方体，其中，Fmoc-Gly-ZIF-8纳米材料、Fmoc-Ile-ZIF-8纳米材料最终趋近于球体。从纵向来看，随着氨基酸中疏水基团增加，晶体尺寸呈减小趋势。
粒径越小的纳米材料，其比表面积越大。因此，在合理的粒径范围内，粒径越小的Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料，其催化效果也越好。
耐热性能测试
将实施例1中在1mM的Fmoc-Gly浓度下制备的Fmoc-Gly-ZIF-8纳米材料水浴(80℃)5min。通过透射电子显微镜对高温水浴后纳米材料的形貌进行观察，结果如图2所示，纳米材料的结构没有发生改变，说明由本发明制备的纳米材料具有较好的耐高温性能。
CO2的催化转化试验
准备6个玻璃管，分别加入20mL 100mM HEPES缓冲液(pH＝8.3)。将其中1个玻璃管设置为空白对照组，将其它5个玻璃管中分别加入Fmoc-Gly-ZIF-8纳米材料(实施例1中在1mM的Fmoc-Gly浓度下制备的纳米材料)、Fmoc-Ala-ZIF-8纳米材料(实施例2中在1mM的Fmoc-Ala浓度下制备的纳米材料)、Fmoc-Val-ZIF-8纳米材料(实施例3中在1mM的Fmoc-Val浓度下制备的纳米材料)、Fmoc-Leu-ZIF-8纳米材料(实施例4中在1mM的Fmoc-Leu浓度下制备的纳米材料)、Fmoc-Ile-ZIF-8纳米材料(实施例5中在1mM的Fmoc-Ile浓度下制备的纳米材料)，使上述纳米材料的最终浓度均为1mg/mL。将二氧化碳气体以30mL/min的速度吹入50mL玻璃管中，每15s测量一次pH值，持续测量5min。pH值随CO2吹入时间的变化，如图3所示。
由图3可知，与空白组相比，添加Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料的pH值均显著降低。尤其是添加了Fmoc-Ala-ZIF-8纳米材料的实验组，pH值降低明显，在CO2连续注入5min后，pH值由8.30下降至6.70(空白组的pH值为7.05)。这表明上述Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料的存在加速了CO2的交换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
将Fmoc-氨基酸粉末溶解于乙酸锌溶液中，形成溶解液，然后将溶解液加入到2-甲基咪唑溶液中，搅拌均匀，然后将混合溶液在室温下静置24h，获得Fmoc-氨基酸-ZIF-8悬浊液，将悬浊液离心，去上清液，洗涤反应物，得到Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，Fmoc-氨基酸粉末为Fmoc-Gly粉末、Fmoc-Ala粉末、Fmoc-Val粉末、Fmoc-Ile粉末、Fmoc-Leu粉末中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用超声辅助Fmoc-氨基酸粉末在乙酸锌溶液中溶解。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，乙酸锌溶液为乙酸锌的水溶液，溶液浓度为0.012mM。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，Fmoc-氨基酸在溶解液中的浓度为0.1～2.0mM。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，2-甲基咪唑溶液为2-甲基咪唑的水溶液，溶液浓度为0.12mM。
7.权利要求1～6任一项所述方法制备的Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料。
8.权利要求7所述Fmoc-氨基酸-ZIF-8纳米材料在CO2催化转化、分离膜的制备以及药物载体的制备中的应用。
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