一种PDA表面修饰的双金属ZIF-8材料及其制备方法和应用

本发明涉及酶固定化，具体地，涉及一种pda表面修饰的双金属zif-8材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、全球化石燃料日益枯竭，并引发环境污染等问题，追求绿色可再生能源成为实现可持续发展目标的重要战略。木质纤维素生物质（lcb）作为一种资源丰富且可再生的材料，其在生物燃料和化学品生产中的潜在应用被认为是替代化石资源、构建可持续生物经济的有前景途径。利用纤维素酶将纤维素和半纤维素水解为葡萄糖等可发酵糖（如葡萄糖），是影响木质纤维素生物质生物精炼效率的关键过程。然而，游离纤维素酶在苛刻条件下易于失活，以及高昂的生产成本且缺乏可重复使用性，阻碍了木质纤维素生物精炼工业的产业化进程。利用固定化技术将纤维素酶负载到载体材料上，可以保持酶固有催化性能的同时有效地提升稳定性，更轻易地回收且可以在多个反应循环后利用，从而降低总的酶消耗和相关成本。

2、近年来，金属有机框架（mof）是一种杂化有机无机材料，具有独特的内在特性，例如明确的孔结构、优异的化学热稳定性和极高的表面积，使其成为酶固定的合适支架。mof家族成员众多，不同mof材料在孔径、孔道结构、配位不饱和位点及水稳定性等方面存在显著差异。例如，mil-101具有超大的比表面积和介孔孔径；hkust-1则因富含不饱和金属位点而表现出较强的酶亲和力；而zif-8则以其简便的合成和良好的生物相容性广泛应用。然而，对于纤维素酶的固定化，究竟何种mof骨架能够提供最适的微环境以维持酶活性构象，目前尚无明确结论。

3、另一方面，近年来研究表明，在mof骨架中引入第二金属离子构建双金属mof，可有效调控材料的孔道结构和电子性质，从而提升其作为酶载体的性能，但不同金属离子（如co、cu、fe、ni、zn等）的组合究竟如何影响载体与酶之间的相互作用及固定化效果，目前仍缺乏明确指导。

4、此外，表面修饰策略可以改善mof材料在水介质中的稳定性和生物相容性并降低酶浸出率，如二氧化硅（sio2）包覆可增强材料结构稳定性，聚乙二醇（peg）修饰可改善材料的亲水性和生物相容性，有效提升酶的催化活性和稳定性，而聚多巴胺（pda）则凭借其优异的黏附性和丰富的官能团成为界面修饰的另一选择。然而，上述修饰策略在zif基纤维素酶固定化体系中的适用性和优劣尚不清晰。

技术实现思路

1、为克服现有技术中存在的上述缺陷与不足，本发明提供一种pda表面修饰的双金属zif-8材料及其制备方法和应用。

2、本发明的第一个目的是提供一种pda表面修饰的双金属zif-8材料的制备方法。

3、本发明的第二个目的是提供利用所述制备方法制备得到的pda表面修饰的双金属zif-8材料。

4、本发明的第三个目的是提供所述pda表面修饰的双金属zif-8材料在固定纤维素酶中的应用。

5、本发明的第四个目的是提供所述pda表面修饰的双金属zif-8材料固定的固定化纤维素酶。

6、本发明的第五个目的是提供所述固定化纤维素酶在催化纤维素类底物中的应用。

7、本发明的第六个目的是提供所述固定化纤维素酶在制备生物燃料中的应用。

8、为了实现上述目的，本发明是通过以下方案予以实现的：

9、本发明要求保护以下内容：

10、一种pda表面修饰的双金属zif-8材料的制备方法，在反应溶剂存在下，利用锌盐、第二金属的盐和2-甲基咪唑制备掺杂有第二金属的zif-8，将掺杂有第二金属的zif-8和盐酸多巴胺分散于tris缓冲液中，搅拌，即得；

11、所述第二金属选自co、cu或fe中的一种；所述锌与第二金属的摩尔比为1.5～2.5：1；所述搅拌的时间为3.5～6.5 h；所述盐酸多巴胺在tris缓冲液中的浓度为1.5～2.5 g/l。

12、优选地，所述第二金属为co或fe。

13、更优选地，所述第二金属为co。

14、优选地，所述锌与第二金属的摩尔比为2：1。

15、优选地，所述搅拌的时间为5 h。

16、优选地，所述盐酸多巴胺的浓度为2 g/l。

17、优选地，所述tris缓冲液的ph为7.5～9.5。

18、利用所述制备方法制备得到的pda表面修饰的双金属zif-8材料。

19、所述pda表面修饰的双金属zif-8材料在固定纤维素酶中的应用。

20、优选地，所述纤维素酶为葡聚糖外切酶、葡聚糖内切酶、β-葡萄糖苷酶中的一种或几种。

21、所述pda表面修饰的双金属zif-8材料固定的固定化纤维素酶。

22、优选地，其制备方法为，所述pda表面修饰的双金属zif-8材料与纤维素酶在20～30℃，120～180 r/min震荡2～8 h。

23、所述固定化纤维素酶在催化纤维素类底物中的应用。

24、优选地，所述纤维素类底物为羧甲基纤维素钠。

25、所述固定化纤维素酶在制备生物燃料中的应用。

26、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

27、本发明通过第二金属掺杂与pda界面修饰相结合的策略，制备的具有中空层级多孔结构的双金属zif-8材料，为纤维素酶的固定提供了坚实和高效空间。采用第二金属（co、cu或fe）掺杂的方法使zif-8骨架刚性增强，pda的涂覆可显著增强内部双金属zif-8材料在水相中的结构稳定性，有效抑制骨架水解反应，从而克服zif-8材料在水介质中存在稳定性差的缺陷，还可以为酶提供大量的结合位点，减少酶浸出的同时抑制蛋白质展开和变性，进一步提高固定化酶的活性。

28、pda表面修饰的双金属zif-8材料通过提供稳定的微环境提升了固定化纤维素酶的活性，固定化酶可以在比游离酶更宽的ph和温度范围内保持稳定性，这有效提高了纤维素酶的利用率，进而提高生产效率，降低生产成本，克服纤维素酶在生物质精炼等苛刻工业条件下的应用瓶颈。

1.一种pda表面修饰的双金属zif-8材料的制备方法，其特征在于，在反应溶剂存在下，利用锌盐、第二金属的盐和2-甲基咪唑制备掺杂有第二金属的zif-8，将掺杂有第二金属的zif-8和盐酸多巴胺分散于tris缓冲液中，搅拌，即得；

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述第二金属为co或fe。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述第二金属co。

4.利用权利要求1～3任一项所述制备方法制备得到的pda表面修饰的双金属zif-8材料。

5.权利要求4所述pda表面修饰的双金属zif-8材料在固定纤维素酶中的应用。

6.根据权利要求5所述应用，其特征在于，所述纤维素酶为葡聚糖外切酶、葡聚糖内切酶、β-葡萄糖苷酶中的一种或几种。

7.利用权利要求4所述pda表面修饰的双金属zif-8材料固定的固定化纤维素酶。

8.根据权利要求7所述固定化纤维素酶，其特征在于，其制备方法为，所述pda表面修饰的双金属zif-8材料与纤维素酶在20～30℃，120～180 r/min震荡2～8 h。

9.权利要求7或8所述固定化纤维素酶在催化纤维素类底物中的应用。

10.权利要求7或8所述固定化纤维素酶在制备生物燃料中的应用。