（材料物理与化学专业论文）磷酸银酵母纳米复合材料和纳米银的生物合成及其机理和性能研究.pdf

ff卜a 簟 如0 i ， ， j i 奎 f ； at h e s i ss u b m i t t e df o rt h e a p p l i c a t i o no f t h em a s t e r sd e g r e eo f e n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ns y n t h e s i sm e c h a ni s ma n d p r o p e r t yo fs l i v e rp h o s p h a t e y e a s t n a n o c o m p o s i t e sa n d n a n o - s i l v e r c a n d i d a t e ： s p e c i a l t y ： s u p e r v i s o r ： h a nx i u x i u m a t e r i a l sp h y s i c sa n d c h e m i s t r y - p r o f e s s o rh ew e n s h a n d o n gi n s t i t u t eo fl i g h ti n d u s t r y , j i n a n ，c h i n a j u n e ，2 0 1 0 r 扭 t 皋；， 办 ，； ： i 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名：熟客鸯 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 鲤盔骛 导师签名： i 丐氐 日期：鲨! 年月丝日 日期：2 垒z 鱼年厶月三翌日 一 i 气 山东轻t 业学院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第l 章绪论1 1 2 纳米材料概述2 1 3 纳米空心球简介2 1 4 微生物催化合成背景4 1 4 1 纳米结构自组装技术4 1 4 2 生物矿化5 1 4 3 酵母茵5 1 5 本课题的研究内容及研究意义6 1 5 1 研究内容7 1 5 2 研究目的意义7 第2 章磷酸银酵母纳米复合材料的合成及其性能研究9 2 1 引言9 2 2 1 实验试剂1o 2 2 2 实验设备1 0 2 2 3 实验过程1o 2 2 4 测试表征技术1 1 2 3 测试结果分析与讨论1 2 2 3 1 合成优化实验1 2 2 3 2 结构形貌分析。1 4 2 3 3 性能研究2 1 2 4 本章小结2 5 第3 章磷酸银酵母纳米复合材料合成机理研究2 7 3 1 引言2 7 3 2 合成机理研究初探2 7 3 2 1 酵母细胞的培养2 7 3 2 2 酵母细胞对银离子的吸附2 8 3 2 3 酵母细胞生物矿化中的结晶原理3 5 目录 3 3 合成过程分析3 7 3 4 本章小结3 9 第4 章纳米银空心球的合成及其在光催化中的应用4 1 4 1 引一言4 1 4 2 实验部分4 2 4 2 1 实验试剂4 2 4 2 2 实验仪器4 2 4 2 3 实验过程4 2 4 2 4 样品测试表征和光催化性能测试4 3 4 3 结果与分析一4 3 4 3 1 结构表征4 3 4 3 2 形貌分析4 4 4 3 3 光催化降解甲基橙的结果分析：4 6 4 4 本章小结一4 7 第5 章载银羟基磷灰石的合成与银系抗菌性能初探一4 9 5 1 引言4 9 5 2 实验部分5 0 5 2 1 实验试剂5 0 5 2 2 实验仪器5 0 5 2 3 实验过程5 0 5 3 结果与分析一5 l 5 3 1 结构分析5 1 5 3 2 形貌分析51 5 3 载银羟基磷灰石抗菌性能分析5 4 5 3 1 金黄色葡萄球菌实验结果分析5 4 5 3 2 大肠杆菌实验结果分析5 5 5 4 银系样品抗菌实验分析一5 7 5 5 抗菌机理分析一5 8 5 6 本章小结6 0 第6 章结论展望及创新点6 1 6 1 结论6 1 6 2 创新点6 2 2 r 山东轻丁业学院硕十学位论文 6 3 展望6 2 参考文献一6 3 致谢7 3 在学期间主要科研成果7 5 一、发表学术论文7 5 二、其它科研成果。7 5 3 目录 4 l j 山东轻t 业学院硕i ：学位论文 摘要 纳米材料的研究是材料科学发展的i j 沿主导方向，由于其独特的光学和物理 特性，己得到广泛的应用。其中介孔材料作为纳米材料的一员，有着特殊的地位， 而纳米材料的发展也会推动介孔材料的发展。介孔材料的种类很多，空心球由于 具有分层的核壳结构和独特的形态吸引人们的许多关注。空心球应用非常广泛， 例如在药物释放，吸附以及催化剂等方面。 本文在常温常压下以酵母细胞为模板合成出磷酸银酵母纳米复合材料，利用 正交试验对合成条件进行了优化，并对其合成机理和性能进行了比较系统的研究。 整个反应过程条件温和、工艺简单、产物结构重复性好。采用x 射线衍射、红外 光谱、透射电镜等对磷酸银酵母纳米复合材料进行了分析表征，并对其电化学性 能和荧光标识性能进行了研究，表明以酵母为模板合成的纳米材料具有一定荧光 性能和高效的电催化性能，在光、电等领域有着重要的应用。根据软硬酸碱理论， 离子交换和氧化还原机制，生物矿化和晶体成核生长等原理对酵母模板合成过程 进行了详细的分析和证明，说明了酵母细胞对磷酸银酵母纳米材料合成起到的催 化和模板作用。 以酵母为模板合成了尺寸均匀的纳米银空心球，利用x r d 、t e m 、s e m 和紫 外可见吸光光谱进行了表征，研究了纳米银空心球修饰介孔二氧化钛对甲基橙的 光催化降解性能。说明其对二氧化钛的光催化降解有增效作用。 合成了载银羟基磷灰石介孔材料，对其结构进行了表征。研究了载银羟基磷灰 石的抗菌性能。可以证明羟基磷灰石本身没有抗菌性，而载银羟基磷灰石能够有 效地杀灭革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌。我们进一步对磷酸 银和纳米银的抗菌性能作了进一步表征。说明银系材料具有良好的抗菌效果。 关键词：磷酸银酵母纳米复合材料，酵母细胞模板，生物合成，纳米银空心球， 载银羟基磷灰石 摘要 i l ，一 - f 山东轻工业学院硕上学位论文 _ 一 a b s t r a c t n a n o 。m a t e r i a l sp o s s e s su n i q u eo p t i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c hh a v ea l r e a d v b e e nw i d e l yu s e df o ral e a d i n gd i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l s s c i e n c e m e s o p o r o u sm a t e r i a l sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ea so n em e m b e ro fn a n o m a t e r i a l s w h i l e t h ed e v e l o p m e n to fn a n o - m a t e r i a l sc a na l s op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f m e s o p o r o u s m a t e r i a l s t h e r ea r em a n yd i f f e r e n tt y p e so f m e s o p o r o u sm a t e r i a l s h o l l o ws p h e r e sh a v e c a u g h tm o r ea t t e n t i o nb e c a u s eo ft h e i rc o r e s h e l ls t r u c t u r ea n du n i q u es h a p e t h e yc a n b ew i d e l ya p p l i e di nd r u gd e l i v e r y , a d s o r p t i o n ，c a t a l y s ta n ds oo n i nt h i sp a p e r , w eu s e dy e a s tc e l la sat e m p l a t et os y n t h e s i z es i l v e rp h o s p h a t e y e a s t n a n o c o m p o s i t e su n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e t h eo r t h o g o n a lt e s tw a su s e d t o o p t i m i z et h es y n t h e s i sc o n d i t i o n s f u r t h e r m o r e ，t h es y n t h e s i sm e c h a n i s ma n d p r o p e r t i e sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h ep r e s e n tt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s i n c l u d i n gt h em i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n ，t h es i m p l ep r o c e s s ，a n dag o o ds t r u c t u r e r e p e t i t i o n t h es i l v e rp h o s p h a t e y e a s tn a n o c o m p o s i t e sa r ec h a r a c t e r i z e d b yx r a y d i f f r a c t i o n ，i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p ya n ds oo n t h e i r e l e c t r o c h e m i c a l p r o p e r t i e sa n df l u o r e s c e n c ei d e n t i f i c a t i o np e r f o r m a n c ea r es t u d i e d w h i c hs h o wt h a t t h es i l v e r p h o s p h a t e y e a s tn a n o c o m p o s i t e sh a v ee f f i c i e n t e l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n ds p e c i f i cf l u o r e s c e n c e p e r f o r m a n c e t h e ya l s oh a v e i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si no p t i c a l ，e l e c t r i c a la n do t h e rf i e l d s ad e t a i l e da n a l y s i sa n d a r g u m e n t a t i o na leg i v e no nt h es y n t h e s i sm e t h o db yu s i n go fy e a s ta sat e m p l a t e a c c o r d i n gt ot h eh a r da n ds o f ta c i db a s et h e o r y , i o ne x c h a n g ea n dr e d o xm e c h a n i s m s ， b i o m i n e r a l i z a t i o na n dc r y s t a ln u c l e a t i o na n dg r o w t ht h e o r y , w h i c hs u g g e s tt h a ty e a s t c e l l sa c ta s c a t a l y s t a n d t e m p l a t e i nt h e s y n t h e s i so fs i l v e rp h o s p h a t e y e a s t n a n o c o m p o s i t e s i no u rw o r k ，u n i f o r ms i z e dn a n o s i l v e rh o l l o ws p h e r e sw e r ep r e p a r e du s i n g y e a s t c e l l sa st h et e m p l a t ea n dc h a r a c t e r i z e db yx r d ，t e m ，s e ma n du v - v i s i b l ea b s o r p t i o n s p e c t r a w ea l s os t u d i e dt h ep h o t o c a t a l y t i cd e g r a d a t i o np r o p e r t i e so fm e s o p o r o u s t i t a n i u md i o x i d em o d i f i e db yn a n o - s i l v e rh o l l o ws p h e r e si nd e g r a d i n gm e t h y lo r a n g e t h er e s u l t ss h o wt h a tn a n o - s i l v e rh o l l o ws p h e r e sh a v e as y n e r g yt op h o t o c a t a l y t i c d e g r a d a t i o np r o p e r t i e so ft i t a n i u md i o x i d e w eh a v ea l s op r e p a r e dh y d r o x y a p a t i t e c a r r y i n gs i l v e rm e s o p o r o u sm a t e r i a l i t s s t r u c t u r ea n da n t i b a c t e r i a lp r o p e r t ya r ec h a r a c t e r i z e d e x p e r i m e n t ss h o w h y d r o x y a p a t i t e h a dn oa n t i b a c t e r i a lp r o p e r t y ，w h i l eh y d r o x y a p a t i t ec a r r y i n gs i l v e rc a ne f f e c t i v e l yk i l l g r a m p o s i t i v es t a p h y l o c o c c u sa u r e u sa n dg r a m n e g a t i v ee s c h e r i c h i ac o l i n t i b a c t e r i a l a c t i v i t yo fs i l v e rp h o s p h a t ea n dn a n o s i l v e rw e r ef u r t h e rc h a r a c t e r i z e d ，w h i c hr e v e a l e d t h a ts i l v e rm a t e r i a l sp r o s s e s sg o o da n t i b a c t e r i a le f f e c t s k e yw o r d s ：s i l v e rp h o s p h a t e y e a s tn a n o c o m p o s i t e s ，y e a s tc e l lt e m p l a t e ，b i o s y n t h e s i s ， n a n o - s i l v e rh o l l o ws p h e r e ，h y d r o x y a p a t i t ec a r r y i n gs i l v e r i l 、 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着2 l 世纪的到来，材料的研究也越来越深入。由于材料性能依赖于原子结 构、组成、显微结构、缺陷和界面，而这些是通过合成和加工中热力学和动力学 来控制的。所以材料的制备方法，特别是使材料具有特殊的原子和分子结构，使 其性能独特的方法已经引起了越来越多人的兴趣。而纳米材料，通常是颗粒大小 或晶粒尺寸小于1 0 0n n l 的材料，由于比传统材料独特的性能引起很大的兴趣。纳 米材料其特有的量子效应、尺寸效应和表面效应等，具有令人振奋的前景。 现在，材料科学家和工程师致力于纳米材料的制备和纳米技术的探索。其中， 更多的研究主要集中在纳米材料的应用方面。一般来说，具有独特性能的纳米粒 子这是有别于块体材料的，由于量子尺寸效应和大量的不饱和表面原子；微生物 体使纳米粒子的合成具有相容性、同质性以及系统的热稳定性。因此，通过合成 纳米粒子与微生物的复合体，形成复合纳米材料将拥有新的潜在催化、导电、磁 性或光学特性。为了克服不足从传统的制备技术，它是要制定综合的可行技术来 合成功能纳米复合材料。创造先进的复合材料，导致对在生物矿化领域的兴趣与 日俱增。许多微生物能够合成无机基结构【啦】。例如，硅藻使用的无定形硅结构材 料【3 1 ，细菌合成磁铁矿( f e 3 0 4 ) 粒子和形成纳米银粒子【4 1 ，和酵母细胞合成硫化镉纳 米粒子【5 】。由这些合成的灵感，以有机物或生物为模板合成与组建纳米结构引起了 科学家的关注【6 。9 1 。最近的理论争议点【1 0 , 1 1 1 有自组装基体的自还原无机离子和一定 生物模板的基体材料的相互作用引导出功能分层材料。在此，在生物矿化和无机 纳米粒子组装成层次结构导致了各种方法的产生，由此在矿化和特殊生物成核的 基础上合成出纳米复合材料【1 2 。1 4 1 。 分子生物学和材料工程可认为“二十一世纪的前沿科学 ，自组装和生物矿 化生物复合材料的制备中，起到了重要作用。生物矿化是生物的矿化过程，目前 对其研究兴趣日益增加【”。1 引。生物矿化过程的优点是，他们不仅合成材料的环境 温和，而且还能控制无机晶体的相、大小、形态和晶体取向。此外，生物矿化是 一个典型的在周围环境中自组装形成的分层结构。在论文中，矿化组装的概念的 基础上，我们证明了一个简易、可控和普遍的仿生分层合成纳米粒子的方法，使 用低成本的微生物，即酵母细胞为模板。酵母细胞的外部是粗糙、坚硬的细胞壁 环绕着，占细胞干重2 0 2 5 。细胞壁的重要组成部分是蛋白质，占细胞干重的 2 5 嘣1 9 捌】。大多的细胞壁由甘露糖聚合物高度糖基化，从而分子聚集体广泛延伸， 大多从2 0 到2 0 0k d a ，有些甚至超过了这个范围【2 2 2 6 】。被称为m a n n o p r o t e i n s ，这 第l 章绪论 些分子在酵母吸附过程发挥重要作用，它就像人体组织，是一个形成各种细胞结 构和生物膜先决条件2 7 之8 1 。 1 2 纳米材料概述 纳米是一个长度单位，ln m = 1 0 一h i l l ，而纳米材料一般是指1 1 0 0a m 。科学家 纳米尺寸粒子的最早研究是在在十九世纪，但直到二十世纪六十年代才对纳米粒 子进行研究，而详细的介绍纳米粒子是在1 9 8 6 年由g l e i t e r 等1 2 卅分析说明，从而纳 米科学技术于1 9 9 0 年在第一届纳米科学技术会议中正式诞生。纳米材料的显著特 点就是纳米材料进入纳米尺度范围时就会具有小尺寸效应、表面效应、尺寸效应 和介电限域效应等纳米效应1 3 2 1 ，使得它们在材料的各方面特性与普通材料不同， 因此纳米材料在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、 传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。纳米材料的制备方法分为物理制备方 法和化学制备方法，其中，物理制备方法包括：物理气相沉积法【3 3 1 、高能球磨法 0 4 , 3 5 1 、机械粉碎法【3 6 3 7 】等；化学制备方法有化学气相沉积法( 3 8 】、化学沉淀法【3 9 】、 微乳液法【加1 、溶胶凝胶法【4 l 】、水热澍4 2 1 等。 纳米材料的分类最常见的是按照空间纳米尺度，可分为零维纳米材料( 如纳 米颗粒) 、一维纳米材料( 如纳米线) 、二维纳米材料( 如量子井) 和三维纳米材料( 如 介孔材料) 。这里我们主要研究的是纳米颗粒。纳米颗粒的合成在基础研究和应用 方面有着广泛的兴趣，因为它是连接纳米级和微米级世界之间的桥梁。由于其独 特的光、电、磁性能以及催化性能，零维纳米颗粒引起了科学家的注意。纳米颗 粒的形态并不限于球形，还有板状、棒状和海绵状等。纳米颗粒材料在医药、催 化、光吸收、磁介质及复合材料等方面有广阔的应用前景。而纳米磷酸银是抗菌 材料的最佳选择，纳米银则可以作为燃料电池、化学电池和光化学电池中的电极， 可增大接触面积，提高电池效率。但纳米材料目前主要集中的纳米粉体的合成上， 一般适合于小规模的实验室模式制备，现在还难以实现大规模的工业化生产。随 着科技的进步，定会加速纳米材料在实际应用和开发过程中的发展。 1 3 纳米空心球简介 t _ 无机纳米粒子，如碳纳米管、纳米壳量子点和金纳米外壳，由于其独特的光 学和物理特性，已得到广泛的应用。相比传统材料，无机纳米材料制备有许多优 点，如简单制备流程和精确控制它们的形状、大小和组成。此外，无机多孔纳米 材料由于其独特的内、外表面是发展多功能纳米材料的方向。纳米材料的研究是 材料科学发展的前沿主导方向，其中介孔材料作为纳米材料的一员，有着特殊的 地位，而纳米材料的发展也会推动介孔材料的发展。介孔材料的种类很多，空心 球由于具有分层的核壳结构和独特的形态吸引人们的许多关注。空心球应用广泛 2 山东轻工业学院硕士学位论文 4 3 - 4 8 1 具有潜在的意义，例如在吸附、药物释放以及催化剂 4 9 - 5 1 】等方面。纳米核壳 结构的空心球在用作低介电常数材料、轻质填料、可控药物运输和缓释、疾病诊 断和生物纳微容器、物质分离、微腔体振荡和组装新型阵列体系等方面具有重要 应用价值。而多层壳空心球结构有望在载体和催化方面实现新的功能和应用。比 如，各层壳体之间可能填充同一种或不同种的药物制剂等，进入生物体正常代谢 过程后，外层壳体先被代谢，释放出其中的药剂，随后备层被逐一代谢，药剂也 逐渐释放，从而使药效持续时间增长。不但如此，由于这种原理与，“胶囊”相似 的药物载体是纳米尺度的，它们可更有效地在分子细胞层面发生反应。 图1 1 模板法制备空心球的过程示意图 到目前为止，已经有许多方法合成出不同壳结构和直径的空心球。其中最常 使用的是模板法，如图1 1 所示。利用的是可牺牲性模板，主要包括，如液滴、树 脂球、硅球、聚苯乙烯球、二氧化硅粒子、囊泡和微乳液滴等作为核制备空心球。 c a r u s o 5 2 】和b o u r l i n o s 5 3 】等，在聚苯乙烯珠或二氧化硅球上通过层与层自组装制各 出预成型的纳米粒子，它们作为模板使用。然而，这过程中涉及多个沉积和洗涤 步骤非常费时。此外，由此产生的壳结构主要有片状组成。一种更简单的方法合 成完整的无机球壳是利用软模板，这种方法主要是以囊泡和乳化液滴作为模板 5 4 , 5 5 】。s c h a c h t 等【5 6 】首先合成中空二氧化硅球，其表面形态是放射性介孔壳，合成 利用的是油水乳液的界面反应。l i n 等【5 7 】将乳液的方法扩展到制备的空心球的球 壳是按纬度方向的排列。刘等【5 8 】合成空心球壳表面通道时随机分布的。t a n e v 和 p i n n a v a i a 5 9 】囊泡表面形成近球形二氧化硅粒子呈层状有序结构。此外，喷雾干燥 技术也是一个制备中空、球形或倒塌不规则颗粒的有效方法 6 0 , 6 1 】。模板法主要是 选择合适的模板为核心。这种方法是在核心的表面沉积一个涂层，使溶液中的无 机分子的前驱物沉淀到表面或直接从表面反应，随后，核心可经加热( 焙烧) 、溶 剂溶解或化学反应而去除，即得到空心球。空心球的大小是由模板控制的，但在 某些情况下，壳的结构以及壳厚度是难以控制的。 此外，有模板法发展而来的l a y e r - b y - l a y e r ( l b l ) 组装技术。是德国胶体研究所 3 第1 章绪论 提出的，l b l 方法是通过带相反电荷的聚电解质，在胶体微粒表面的液固界面上， 通过静电作用在交替沉积形成多层膜，然后去掉核的方法得到大量组成可控的中 空微球，这种方法得到的中空球的壁厚要通过多次沉积来控制。而生物模板法具 有模板法的特点，也具有自组装的优势。众所周知，生物膜表面活性基团和特殊 蛋白，它们可运输离子并能诱导生物矿化。生物膜的外表面和内部结构不同，其 表面具有如羟基、羧基、氨基和特殊运输蛋白，所以可以自组装成具有不同形态 的特殊结构的材料，同时成核和生长都是由生物系统诱导而形成的。自从d a v i s l 6 z 】 用硅成功地复制了丝状细菌之后，通过复制自然物质的不同有序结构受到极大关 注。相对于传统模板，生物模板具有货源充足、价格低廉、可再生利用和环境友 好等一系列优点。j a e w o o k i m 6 3 】等以铁蛋白为模板，首次制备出氧化钴纳米空心 球，它是利用了蛋白质表面的功能团和金属离子的相互作用，通过控制反应条件， 来调节金属中的铁蛋白的增长机制，从而制备出了特殊形貌的空心材料。可利用 的生物模板还包括各种细菌和病毒等。 1 4 微生物催化合成背景 生物材料和无机材料从表面看来在材料世界中是两个截然相反的方面，生物 材料包括多糖、蛋白质、核酸和脂肪，具有柔软和灵活的特性，并且具有令人难 以置信的功能，人造材料很难对其进行重组或复制。因此，生物材料听起来像高 度复杂的功能系统。而制备与生物相关的高功能性和稳定性的材料应用到实际的 唯一的方式就是将生物体和无机材料复合。简单的机械混合不是一个明智的选择， 如今材料研究的方向就是生物大分子的自组装技术和生物矿化来实现无机有机材 料复合。 1 4 1 纳米结构自组装技术 纳米材料比块体材料具有许多特性，但科学家在纳米材料合成与加工方面已 走了漫长的道路，已有的成果有半导体单分散纳米晶合成、制备单壁和多壁碳纳 米管技术、以及树枝状聚合物方面等。目前在实现一维到三维纳米级结构技术上 有很大突破，那就是自组装技术【6 4 , 6 5 】。自组装是指在没人为干预的情况下各组分 自动组装成各种形貌和结构。自组装过程在自然界是常见的技术，它包括从分子 到宇宙行星，以及不同种类之间的相互作用。自组装的概念被应用到许多领域， 但每个领域都有自己的侧重点。相比传统的自上而下的制备过程，这种自组装技 术具有许多的优势，其中重要的一点就是它的制备过程是自下而上。这种方法还 具有三维组装的可能性、制备过程简单并能达到原子尺寸的优点。其自组装有许 多机理，例如静电作用、化学作用、疏水和亲水性作用以及生物分子自组装。 自组装常用的模板有单分子膜模板、简单有机分子模板、固态高分子膜模板、 4 山东轻工业学院硕上学位论文 生物分子模板、混合模板等。若要使制得的纳米结构能够稳定地存在，必须要满 足以下两个条件：第一，要有足够数量和强度的非共价键存在以保持体系的稳定： 第二是分子之间这种以非共价键相结合的力要大于它们与溶剂之间的作用力，以 保证聚集体不会解离成无序结构。目前许多科学家在研究生物分子模板，如d n a 和蛋白质等将其仿生合成纳米结构材料。生物系统的特点是体系复杂但具有高度 的选择性和非共价键相互作用，如氢键和范德华力。核苷酸比非生物分子的连接 的优势是其序列的长度可以根据周围环境离散不同长度，从而诱导分子识别进行 自组装。蛋白质和其他生物分子，如赖氨酸和生物素，都被应用到纳米粒子的自 组装中，能合成出具有复杂精美结构的材料。 1 4 2 生物矿化 生物矿化是在生物体中形成矿物的过程，它从周围超饱和溶液中在细胞分泌 有机基质上成核和长大【鲫。生物矿化分为四个阶段，第一阶段是超分子的预组装， 在矿物成核之前有机基质通过自组装适应周围无机物的环境。自组装的有机基质 和无机溶液之间的，因有机基质( 胶原质和多聚糖等等) 的表面有许多官能团， 如- o h ，- n h 2 ，o p o e h ，s 0 3 h 等等，从而使有机基质具有功能化的表面。第二 阶段是界面分子识别，无机溶液中的无机矿物按有机超分子自组装的方向在界面 形成晶核。矿物晶核和有机表面之间的分子预组装引导无机晶核的取向，基质和 矿物晶核的预组织与抗原和抗体之间的相互作用是部分相似的。分子预组织的可 能机理包括晶格几何匹配、静电作用、极性、立体化学和空间定位。第三阶段是 矢量调节，矿物晶核按矢量方向长成晶体，然后晶体组装成矿物。在这阶段，生 长趋势、取向、结构、晶粒尺寸和形状都是由有机基质来控制。第四阶段是细胞 处理加工过程，伴有一系列的结构调整。具有特性的高度有序的结构是在细胞参 与下加工而成的。这个阶段显示了人造材料和生物材料的不同。通过这四个阶段 的分析可以利用生物矿化来模拟生物体内矿化【6 7 】。将生物模拟矿化引入材料合成 中，是材料科学中出现的新颖的合成方法，称为生物矿化合成。到目前为止，许 多无机材料通过这种方法合成，如纳米粒子、薄膜、涂层、介孔材料和一些复杂 形貌材料。这个方法最重要的一步是选择或制备功能团丰富的有机基质。在生物 矿化中，功能团丰富的有机基质是有机基质预组装得到的。在生物矿化合成过程 中，官能团的组装是指液体系统中( 微乳液或液晶等) 利用两性表面活性剂( 油 脂和硬脂酸等) 的自组装，或者固态基质上的官能团以及有机分子的吸附。前个 过程适合于制备纳米粒子、介孔材料和复杂形貌的材料，而后个过程通常应用于 薄膜和涂层的矿化过程。 1 4 3 酵母菌 酵母细胞在细胞大小、形状和颜色表现出极大的多样性，即使单一菌株的单 第l 章绪论 个细胞也可以显示出形态和色彩的异质性。这主要是由于环境中物理和化学条件 的改变。其中不同的酵母菌种，细胞的大小差异也很大。酵母细胞一般呈椭圆形， 大小为5 1 0 “m 1 7 岬，单倍体和二倍体细胞的平均体积分别为是2 9 和5 5p m 3 随着细胞年龄增加，细胞大小也相应增加。 图1 2 酵母细胞的结构示意图 酵母大分子由糖蛋白、多糖、多聚磷酸盐、血脂和核酸组成t 6 8 , 6 9 】。酵母细胞 的结构示意图见图1 2 。首先酵母的最外面是个保护层，从外到内有细胞壁、外周 胞质和细胞膜三部分组成，占细胞总体积的1 5 ，主要是保持细胞的渗透压平衡。 细胞壁的厚度为0 1 0 3t t m ，重量占细胞干重的1 5 一2 5 ，主要由d 葡聚糖和 d 甘露聚糖两类多糖组成，含有少量的蛋白质、脂肪、矿物质。大约等量的葡聚 糖和甘露聚糖占细胞壁干重的8 5 。当细胞衰老后，细胞壁重量会增加一倍。它 虽然有一定韧性，从而使酵母保持特殊的形状，其化学成分较特殊，主要由酵母 纤维素组成。结构类似于三明治，外层为甘露聚糖，约占细胞壁干重的4 0 4 5 ； 中间层是一层蛋白质分子，约占细胞壁干重的l o ，其中有些是以与细胞壁相结 合的酶的形式存在；内层为葡聚糖，酵母葡聚糖是一种不溶性的有分支聚合物， 主链以b 1 ，6 糖苷键结合，支链以p 1 ，3 糖苷键结合。 细胞膜约为7n l t l 厚，上面有一些进入细胞质的内陷，像其他膜一样是一种双 层膜，具有功能不同的蛋白质分子穿插或跨越这层膜。胞脂主要有卵磷脂和固醇 等组成；而蛋白质分子主要有以下几种类型：细胞骨架蛋白、细胞壁合成所需的 酶、跨膜信号传导蛋白和溶质运输蛋白等。因此，酵母细胞膜的主要职能是提供 选择性的渗透，即控制离开或进入细胞质的物质。最重要的是膜蛋白的作用，如 摄取的碳水化合物，含氮化合物或离子酵母营养，以及排除细胞内的有害物质。 酵母细胞胞质是一种酸性( r h - - - 5 2 5 ) 胶状液体，主要含有离子和低中等分子量 的有机化合物，可溶性大分子( 如酶、蛋白质和糖原等) 。其他的细胞器主要是维 持细胞基本生命特征，其中含有各种各样的酶，包括有：糖解酶、脂肪酸合成酶 和蛋白质合成的一些酶等。 1 5 本课题的研究内容及研究意义 6 山东轻工业学院硕士学位论文 1 5 1 研究内容 本课题在生物矿化、仿生合成以及自组装的基础上，以酵母为模板，制备出 磷酸银酵母纳米复合材料，利用正交试验法对酵母用量、前驱物的种类、陈化时 间、煅烧温度、保温时间等工艺参数进行优化研究，寻找最佳的工艺参数。根据 对合成样品的形貌表征和结构分析，利用生物细胞学、生物矿化原理和配位化学 的理论，探讨金属离子和酵母细胞的吸附特性以及在合成反应过程中的作用机理， 从而探讨酵母细胞在磷酸银合成过程中的结晶、成核和生长作用。 根据磷酸银酵母纳米复合材料的特点，我们对最优合成样品进行的电化学和 荧光标识性能测试，探讨了合成样品的电化学性能和荧光标识性能，为开发新的 荧光标识材料和磷酸盐的电化学应用提供理论依据。 在合成磷酸银的基础上，我们利用酵母为模板合成了纳米银空心球以及载银 羟基磷灰石，利用测试技术对其显微结构和物理化学性能进行了研究，特别是银 修饰二氧化钛的光催化性能和载银羟基磷灰石的抗菌性能，并进一步探讨分析了 了银对二氧化钛光催化的增效作用，以及载银羟基磷灰石和银系化合物对革兰氏 阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌的杀菌效果，说明银系材料具有良好 的抗菌效果。 1 5 2 研究目的意义 纳米结构磷酸盐材料热稳定性差、难以合成、无法调变其结构仍是其大规模 工业化应用前需要突破的瓶颈。因此，寻找廉价、无毒、简便、快速、易于产业 化的绿色合成方法，研究合成具有实用价值的磷酸盐纳米材料具有重要理论和实 际应用意义。开发新的合成体系和合成路线，合成新型纳米结构材料，特别是利 用生物体系仿生合成结构组成多样化的磷酸盐纳米材料，并开发其在生物、医药、 环保和能源等领域中的应用将是自主创新的热门研究课题。另外，通过微生物发 酵原理、细胞结构学、生物矿化原理、配位化学、超分子化学和生物无机化学多 学科交叉，研究揭示微生物催化合成纳米无机材料的机制，不但可为利用微生物 催化仿生合成纳米无机材料的研究与应用提供理论基础，而且对促进我国的纳米 磷酸盐材料应用，并取得显著经济效益具有重要的实际意义。 7 第l 章绪论 8 山东轻工业学院硕。 ：学位论文 第2 章磷酸银酵母纳米复合材料的合成及其性能研究 2 1 引言 纳米技术的一个关键问题是利用简单技术来合成复杂技术所合成的相同的纳 米级结构。常规“自上而下 的制造技术都是能源密集和浪费型，而天然的自上 而下的结构是“自下而上”的方法，通过自组装构建原子和分子成分的纳米结构。 这种方法依赖于分子间相互作用，是所有生物的结构原则。由此我们在寻找一些 生物的天然结构可以用来作为模板，来自组装模拟生物结构合成纳米结构。 近年来，生物分子是合成金属【7 0 。7 6 1 和无机【7 7 7 9 1 复合纳米结构最有吸引力的模 板。它具有非常精美的化学结构，因此可以进去控制材料纳米结构的形成。传统 模板定向的方法总是需要一些步骤来合成模板，这是高成本、费时和不利于环保 的 8 0 , 8 1 】。因此，一个使用廉价的、高效的和环保的模板合成各种纳米粒子的方法 是十分有吸引力。微生物及微生物死亡细胞因细胞壁上的生物大分子都有能力诱 导合成无机材料晶体。不仅所有活细胞具有生物官能团而且死亡细胞的活性生物 分子仍可以保持细胞的生物官能团。微生物包括细菌【8 2 1 、病毒【8 3 , 8 4 1 和酵母【8 5 1 被用 来作为模板依靠直接沉积，组装形成无机纳米粒子的形状和微观结构。大多数酵 母菌为单细胞，通常以出芽方式进行无性繁殖，繁殖速度快，不能进行光合作用， 有坚韧的细胞壁；与细菌相比，酵母菌体大且形态复杂。酵母菌体含有丰富的维 生素和蛋白质，被广泛应用于发酵面团、酿酒、调味和生化制品等，在生物化学、 分子生物学、遗传学等的研究中发挥了很大作用【8 6 】。因此，酵母是制备纳米粒子 的良好选择，与其他方法相比有明显的优势：首先，细胞壁具有丰富的官能团能 结合金属离子或通过极性分子配位或静电相互作用，没有表面改性和激活等步骤， 减少加工步骤。其次，酵母是来源丰富，可以很容易在很短的时间内获得，不污 染环境。相对于其他模板，酵母是经济、环保、安全和省时的。 磷酸盐由于其p o 配位多面体，使其化学结构独特、多样，从而也表现出的 性能，被广泛应用于催化剂、离子交换剂、载酶和载药等领域。在生物体，磷酸 盐最普遍是以一