可控尺寸金纳米颗粒的绿色合成及抗菌应用

第一章绪论1.1引言1.1.1微生物简介微生物通常是指所有难以用肉眼直接看到的微小生物的统称，一般需要借助显微镜等手段观察。通常包括细菌、放线菌、原生动物、真菌和藻类等有细胞结构的生物，也包括病毒、支原体、衣原体等无完整细胞结构的生物。微生物的种类众多，与人类的日常生活及健康状况密切相关。绝大多数的微生物对人体是无害的，在人体表面和内部都生活着非常多的益生菌群，可以有效抑制有害菌的着落和生长。益生菌还可以帮助吸收和制造一些人体必需的营养物质，例如氨基酸等。抗生素的滥用等会使这些益生菌群失调，导致感染疾病的发生。此外，很多人类与动植物的疾病也是由微生物引起的，致病微生物在自然界中无处不在，空气、灰尘、水、食品以及人和动物的排泄物中都可以找到。总结主要的致病微生物及相关的疾病或症状，如下表1.1所示。表1.1常见致病菌及相关疾病疾病名称或症状致病原结核结核分支杆菌淋巴腺炎，败血症链球菌艾滋病人类免疫缺陷病毒痢疾志贺氏菌、痢疾杆菌、大肠埃希氏杆菌等肺炎金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌炭疽病炭疽杆菌胃炎幽门螺旋杆菌发烧、肌肉疼痛、腹泻等李斯特菌胃肠炎、伤寒沙门氏菌流行性脑脊髓膜炎脑膜炎奈瑟球菌淋病淋病奈瑟球菌组织感染，呼吸道及尿道感染等铜绿假单胞杆菌、鲍曼不动杆菌1.1.2抗生素的使用人类和与其共生的微生物一起进化了数千年，导致了在这一过程中以互利共生的作用形式存在ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Bik,2006#1"1-3]。通常由于生态或者生理条件变化，会使这种共生关系变成一种寄生关系，感染就可能发生在宿主体内。在这一过程中，从19世纪后期开始，人们意识到细菌是引起一些疾病的原因。从那时开始，人们尝试很多努力解决这一严重的问题，包括接种疫苗，改善卫生条件和使用抗生素等。自从抗生素被发现以来，抗菌药已经拯救了数百万人的生命，并缓解了一些慢性感染疾病。表1.2按时间顺序总结了从1935年至2004年间，食品和药物管理局对一些重要抗菌化合物的批准历史ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Powers</Author><Year>2004</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">7</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Powers,J.H.</author></authors></contributors><titles><title>Antimicrobialdrugdevelopment–thepast,thepresent,andthefuture</title><secondary-title>ClinicalMicrobiologyandInfection</secondary-title></titles><periodical><full-title>ClinicalMicrobiologyandInfection</full-title></periodical><pages>23-31</pages><volume>10</volume><keywords><keyword>Antimicrobialresistance</keyword><keyword>drugdevelopment</keyword><keyword>drugdesign</keyword><keyword>clinicaltrials</keyword></keywords><dates><year>2004</year></dates><publisher>BlackwellPublishingLtd</publisher><isbn>1469-0691</isbn><call-num>6</call-num><urls><related-urls><url>/10.1111/j.1465-0691.2004.1007.x</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1111/j.1465-0691.2004.1007.x</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Powers,2004#7"4]。表1.2主要抗生素的发现和批准史。年限批准的药物1935磺胺类药物1941青霉素类抗生素1944氨基糖苷类抗生素1945头孢菌素类抗生素1949氯霉素1950四环素类抗生素1952大环内酯类、林可酰胺类抗生素1956糖肽类抗生素1957利福平1959硝基咪唑胺1962喹诺酮类抗生素1968甲氧苄氨嘧啶2000恶唑烷酮类化合物2003脂肽在过去，医学界曾乐观地称抗生素为“特效药”，但是随后的证据凸显了其局限性ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Spellberg,2008#8"5,\o"Spellberg,2008#9"6]。事实上，随着时间的推移，细菌发展出几种抵抗抗生素的机制，从而使它们引起的感染很难治疗ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Andersson</Author><Year>2010</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7,8]</style></DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">13</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Andersson,DanI.</author><author>Hughes,Diarmaid</author></authors></contributors><titles><title>Antibioticresistanceanditscost:isitpossibletoreverseresistance?</title><secondary-title>NatRevMicro</secondary-title></titles><periodical><full-title>NatRevMicro</full-title></periodical><pages>260-271</pages><volume>8</volume><number>4</number><dates><year>2010</year><pub-dates><date>04//print</date></pub-dates></dates><publisher>NaturePublishingGroup</publisher><isbn>1740-1526</isbn><call-num>12</call-num><work-type>10.1038/nrmicro2319</work-type><urls><related-urls><url>/10.1038/nrmicro2319</url></related-urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Levin</Author><Year>2006</Year><RecNum>14</RecNum><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">14</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Levin,BruceR.</author><author>Rozen,DanielE.</author></authors></contributors><titles><title>Non-inheritedantibioticresistance</title><secondary-title>NatRevMicro</secondary-title></titles><periodical><full-title>NatRevMicro</full-title></periodical><pages>556-562</pages><volume>4</volume><number>7</number><dates><year>2006</year><pub-dates><date>07//print</date></pub-dates></dates><isbn>1740-1526</isbn><call-num>13</call-num><work-type>10.1038/nrmicro1445</work-type><urls><related-urls><url>/10.1038/nrmicro1445</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/nrmicro/journal/v4/n7/suppinfo/nrmicro1445_S1.html</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Andersson,2010#13"7,\o"Levin,2006#14"8]。例如，青霉素在20世纪40年代初被引入，广泛的用于治疗金黄色葡萄球菌相关的感染，然而第一个耐青霉素金黄色葡萄球菌菌株在1942就被确定。在美国，估算感染性疾病每年的治疗成本已经超过1200亿美元）ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Rizzello</Author><Year>2014</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9]</style></DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">24</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Rizzello,Loris</author><author>Pompa,PierPaolo</author></authors></contributors><titles><title>Nanosilver-basedantibacterialdrugsanddevices:Mechanisms,methodologicaldrawbacks,andguidelines</title><secondary-title>ChemicalSocietyReviews</secondary-title></titles><periodical><full-title>ChemicalSocietyReviews</full-title></periodical><pages>1501-1518</pages><volume>43</volume><number>5</number><dates><year>2014</year></dates><publisher>TheRoyalSocietyofChemistry</publisher><isbn>0306-0012</isbn><call-num><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">前言1</style></call-num><work-type>10.1039/C3CS60218D</work-type><urls><related-urls><url>/10.1039/C3CS60218D</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1039/C3CS60218D</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Rizzello,2014#24"9]。然而，实际花费要远远高于这一预算，因为它忽略了疾病相关的开销（例如，长期护理费或慢性感染的治疗）。其中，耐药菌治疗的医疗费用每年约为50亿美元ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Boucher</Author><Year>2010</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[10]</style></DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">18</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Boucher,HelenW.</author></authors></contributors><titles><title>ChallengesinAnti-InfectiveDevelopmentintheEraofBadBugs,NoDrugs:ARegulatoryPerspectiveUsingtheExampleofBloodstreamInfectionasanIndication</title><secondary-title>ClinicalInfectiousDiseases</secondary-title></titles><periodical><full-title>ClinicalInfectiousDiseases</full-title></periodical><pages>S4-S9</pages><volume>50</volume><number>Supplement1</number><dates><year>2010</year><pub-dates><date>February1,2010</date></pub-dates></dates><call-num>16</call-num><urls><related-urls><url>/content/50/Supplement_1/S4.abstract</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1086/647937</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Boucher,2010#18"10]。然而，由于耐药菌株不断地、戏剧性地增加，这一预估可能还会上升。另一方面，虽然感染的治疗可能为药物研发公司提供一个诱人的机会，预估市场约为每年255亿美元）ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Kresse</Author><Year>2007</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">19</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Kresse,Hedwig</author><author>Belsey,MarkJ.</author><author>Rovini,Holger</author></authors></contributors><titles><title>Theantibacterialdrugsmarket</title><secondary-title>NatRevDrugDiscov</secondary-title></titles><periodical><full-title>NatRevDrugDiscov</full-title></periodical><pages>19-20</pages><volume>6</volume><number>1</number><dates><year>2007</year><pub-dates><date>01//print</date></pub-dates></dates><publisher>NaturePublishingGroup</publisher><isbn>1474-1776</isbn><call-num>19</call-num><work-type>10.1038/nrd2226</work-type><urls><related-urls><url>/10.1038/nrd2226</url></related-urls></urls></record></Cite></EndNote>[\o"Kresse,2007#19"11]，但是多数制药公司在药物研究和开发方面失去兴趣。这是因为这些药物对长期的利润并不是有益的，相比之下，用于治疗慢性疾病的药物利润更大（需要长期治疗）。抗生素的发展是昂贵的、耗时并且有风险的，而且它们的生命周期太短（由于细菌耐药性），因此也没有吸引力。所有这些因素都导致大型制药公司在研发投资上选择更多的生产方式，但是新的抗菌疗法明显枯竭。考虑到所有这些因素，抗生素耐药细菌的不断上升，并且在过去的几十年中，抗菌药物的批准显著减少，细菌感染再次引起世界各地的广泛关注，并成为人类最大的健康挑战之一ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Spellberg,2008#9"6,\o"Boucher,2009#20"12]。1.2抗菌材料概述1.2.1抗菌材料定义抗菌指的是在规定时间内能够抑制或者杀灭细菌等微生物，防止细菌增殖、生长的方法，它包括抗菌及抑菌两个方面。抗菌材料，是指本身具有能抑制或杀死细菌等微生物（尤其是致病性细菌）功能的材料的总称。抗菌材料的主要成分是抗菌剂，抗菌剂本身含有能抑制细菌、真菌等微生物生长的化学成分，在一定时间内能够使某些微生物的生长和繁殖保持在一定程度以下。1.2.2抗菌材料分类及特点根据抗菌材料的成分不同，抗菌材料可以分为天然类、无机类、有机类和复合类四个种类。天然的抗菌材料主要来自于自然界中，包括壳聚糖、鱼精蛋白、罗汉柏油等，它们的特点是安全无毒、生物可降解、耐候性较强等，但是存在耐热性较差、加工工艺复杂等缺点。其中，壳聚糖因为具有一定的抗菌效果及生物相容性，在化妆品、纺织品等领域有较大的应用前景，但是壳聚糖的脱乙酰化程度、溶解性等会影响到它的抗菌效果，这些限制了壳聚糖的应用。有机抗菌材料的主要成分为有机酸类、吡啶类、季铵盐类和酚类等，分为有机小分子类（吡啶类、季铵盐、噻唑类、有机金属类等）和高分子抗菌剂（高分子季铵盐、胍类、壳聚糖衍生物类、卤代胺等）两类有机小分子类与高分子抗菌剂的抗菌效果不同，其中，有机小分子类抗菌剂由于具有亲磷脂性，可以在细菌表面吸附，穿透细胞膜，致使细胞内容物流出，细菌坏死。高分子抗菌剂具有高效广谱抗菌、对人体刺激性较小、结构多样等优点，但它的抑菌机理还未明确。高分子抗菌剂中，壳聚糖改性后的季铵盐由于具有水溶性、抗菌高效广谱性等优点得到了极大地关注和研究无机抗菌材料包括银、锌及铜等金属材料，这些金属自身的抗菌能力决定了无机抗菌材料的抗菌性能，它们经过物理吸附或者离子交换等方式负载到载体上，从而应用于抗菌类产品中。无机抗菌材料具有高效广谱抗菌、耐热性能好、不容易产生耐药性及毒性低等优点，但也具有制备工艺繁琐、颜色易变等缺点。其中，银系抗菌剂由于抗菌性能佳、适用范围广、加工方法多样等优点在塑料、纤维、涂料等领域应用广泛。复合类抗菌材料是为了避免一种抗菌材料的不足，使它与另一种或几种抗菌材料复合，得到具有更佳抗菌性能的材料ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[13]。1.3纳米技术介绍1.3.1纳米技术定义纳米技术被定义为利用纳米粒子，即尺寸为1–100nm的材料。1.3.2纳米材料的应用及优点纳米材料研究领域日渐广泛使得纳米技术的发展极为迅速，对金纳米粒的研究也逐渐增多，因此充分了解金纳米粒的合成及属性有助于人们更好的开发利用金纳米材料，金纳米粒子在表面增强拉曼光谱，表面增强共振反射光谱，分子生物学光谱等研究领域占有极为重要的地位，是基础研究的重要材料。金纳米粒子因其特殊的性质如荧光性表面等离子体共振性电化学的性质等使其在光子学电子学和信息储存方面的应用。越来越受大家的重视金纳米粒子的优点有:性质稳定、制备简单、粒径均匀、亲和力强、生物相容性好，易于生物分子固定修饰，可以通过控制不同的合成条件和合成方法得到不同形状不同尺寸的金纳米粒子本文将综述金纳米材料的绿色合成性质及其抗菌应用。当尺寸小到纳米级时，金显示出了一系列本体材料所不具备的独特性能金纳米粒子有许多优点，独特的光学性能就是其中之一，比如表面等离子体共振对特定波长入射光的吸收及散射、光热转化、增强光学信号等，可应用于生物成像、生物传感器、疾病的诊断洽疗等领域其次，金是非常稳定的物质，甚至可以在空气中存放上百万年也不会被氧化或腐蚀。这种稳定性同时也说明了它“生物惰性”的本质，具有很好的生物相容性，极具生物医用领域应用的潜质。此外，金易于和巯基（－ＳＨ）或二硫键（Ｓ－Ｓ）反应，这就为金纳米粒子的修饰提供的便利、为材料的功能化设计提供了可能。1.4本论文的选题意义相对于大尺寸的同等材料来说，纳米材料经常被发现有新的物理和化学性质，如更高的化学反应活性，和更有用的光学特性。这样的特点已经被广泛开发并利用到新产品中，使纳米技术成为一个更有潜能的产业。纳米粒子尤其是金属纳米粒子也可以用于解决致病菌耐药的问题。一方面，某些金属纳米粒子自身就有抗菌活性，如钛、铜、锌、铁氧化物和银等；另一方面，粒子可以作为一种药物载体，实现对负载物的保护、控释等作用。在材料科学领域，贵金属纳米粒子的合成方法得到了广泛关注，因为超小纳米粒子已经被证明拥有独一无二的特性，并有极其广泛的应用。在它们之中，AuNPs表现出了巨大的潜力应用在催化、光电子学、传感、生物成像和药物释放等领域ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[14-16]。AuNPs可以通过各种常规的化学和物理方法合成ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[17-20]。使用HAuCl4作为前体，用柠檬酸钠和硼氢化钠作为还原剂的化学还原方法是目前制备AuNPs最普遍的方法ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Bethell</Author><Year>1996</Year><RecNum>418</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[273]</style></DisplayText><record><rec-number>418</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">418</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Bethell,D.</author><author>Brust,M.</author><author>Schiffrin,D.J.</author><author>Kiely,C.</author></authors></contributors><titles><title>Frommonolayerstonanostructuredmaterials:anorganicchemist'sviewofself-assembly</title><secondary-title>JournalofElectroanalyticalChemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofElectroanalyticalChemistry</full-title></periodical><pages>137-143</pages><volume>409</volume><number>1–2</number><keywords><keyword>Colloidalgold</keyword><keyword>Thiols</keyword><keyword>Nanostructuredmaterials</keyword><keyword>Thinfilms</keyword></keywords><dates><year>1996</year><pub-dates><date>6/7/</date></pub-dates></dates><isbn>1572-6657</isbn><call-num>7</call-num><urls><related-urls><url>/science/article/pii/0022072896045330</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1016/0022-0728(96)04533-0</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[20]。尽管如此，在AuNPs的合成方法领域内仍然有一些亟待解决的问题，例如能量损失、环境影响和安全等。因此，发展清洁、无毒、环境友好的合成过程是目前的大势所趋。一些关键因素，例如环境相容性、还原剂和无毒的配体应该在考虑范围内。最近，一些尺寸小于3nm的AuNPs表现出很高的固有的类过氧化物酶活性ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[21-23]。尤其是和其他的基于纳米材料的过氧化物酶相比时，AuNPs的效果更加突出，这是由于他们具有优良的生物相容性。作为人工模拟酶，AuNPs已经被应用到了诸多领域，例如生物检测、催化和抗菌药物的应用等等。尽管人们已经取得了很大的进步，但是由于其较低的催化活性和稳定性，而使得它们作为一种模拟酶在应用上被限制。这主要因为在催化过程中，它们的不均匀分布和聚集引起的。除此之外，AuNPs在中性条件的催化活性低也是其限制因素之一。因此，下一代金模拟酶需要解决的问题是在广泛pH范围内的酶活性。1.5创新点纳米技术和生物科学之间的学科交叉可以解决这个问题ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[24,25]。有机生物体被视为环保工厂，因为生物系统是自然的、高效率的。细菌细胞有抗环境压力的能力，并且可以在金属浓度很高的环境中生存。由于它们通常暴露在极端环境中，迫使它们进化出特定的防御机制来对抗这种压力，包括非金属或外来金属离子的毒性等。因此，与化学合成纳米粒子相比，纳米粒子的生物合成是一个更加合适的过程，因为它的制造成本低，并且具有良好的生物相容性和纳米粒子稳定性ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[26,27]。1.6本文的主要内容我们通过使用活细菌细胞作为生物合成器,可控合成AuNPs，并解决其中的一些化学合成带来的问题ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Sun</Author><Year>2015</Year><RecNum>443</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[286]</style></DisplayText><record><rec-number>443</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">443</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Sun,Hanjun</author><author>Zhao,Andong</author><author>Gao,Nan</author><author>Li,Kai</author><author>Ren,Jinsong</author><author>Qu,Xiaogang</author></authors></contributors><titles><title>DecipheringaNanocarbon-BasedArtificialPeroxidase:ChemicalIdentificationoftheCatalyticallyActiveandSubstrate-BindingSitesonGrapheneQuantumDots</title><secondary-title>AngewandteChemieInternationalEdition</secondary-title></titles><periodical><full-title>AngewandteChemieInternationalEdition</full-title></periodical><pages>7176-7180</pages><volume>54</volume><number>24</number><keywords><keyword>catalysis</keyword><keyword>graphenequantumdots</keyword><keyword>nanoparticles</keyword><keyword>peroxidaseactivity</keyword><keyword>reactionmechanisms</keyword></keywords><dates><year>2015</year></dates><publisher>WILEY-VCHVerlag</publisher><isbn>1521-3773</isbn><call-num>25</call-num><urls><related-urls><url>/10.1002/anie.201500626</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1002/anie.201500626</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[28]。在我们的设计中，使用的是一种嗜热细菌菌株CaldicellulosiruptorchangbaiensisCBS-ZT，这是一种从热泉中分离得到的产氢菌，我们用它合成AuNPs。最重要的是，AuNPs在嗜热菌细胞上可以很好地分散，并且AuNPs的尺寸容易控制。而最令人兴奋的特征是：最小的AuNPs在广泛pH内表现出了最高的过氧化物酶活性，甚至是中性。并且随着AuNPs尺寸的变大，中性条件下的B-AuNPs过氧化物酶活性不断降低。由于AuNPs其优良的生物相容性和高过氧化物酶活性，我们设计了一种基于B-AuNPs且包含低剂量H2O2的抗菌系统。B-AuNPs的存在使H2O2分解成ROS，因此提高了H2O2的抗菌能力。B-AuNPs抗菌系统拥有的广谱抗菌活性，其对革兰氏阴性大肠杆菌（E.coli）和革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌（S.aureus）都有着抗菌能力。B-AuNPs有类似于过氧化物酶的活性，这种抗菌活性也同样取决于AuNPs尺寸的大小。

第二章金纳米的可控合成2.1引言贵金属纳米材料的绿色制备20世纪90年代初，与传统的治理污染不同的绿色化学的概念被化学家们提上了议程。近十几年来，人们已经明确了关于绿色化学的定义、目的、基本理论和研究领域等，一个多学科交叉的新的研究领域也已开始形成。绿色化学研究的重要组成部分是正确使用无毒性化学品、具有生态相容性的溶剂和可再生材料。绿色化学作为一个多学科交叉的研究领域，其有许多科学问题需要进一步探索，而一个迫切需要解决而又富有挑战性的工作是关于贵金属纳米材料的绿色合成及其应用。绿色纳米合成技术就是将绿色化学的原理运用在纳米材料的设计、生产以及应用中，对纳米材料毒性的认识进一步提高，尽量减少或消除在纳米材料设计中对人类和环境的危害，使纳米材料的制备具有“原子经济性”，实现废物的“零排放”，使纳米技术力求达到用最少的生态代价换取最大的社会利益。大家都知道，高聚物模板具有粒径可控，其分子间、分子内具有纳米反应器等优点，所以是用来合成具有特殊形貌和功能的纳米材料的重要方法之一。但制备纳米材料过程中，所用的这些高聚物往往不能被大自然所降解，有些还具有毒性，大多数高聚物不溶于水，所以还需要采用一些容易挥发的有机溶剂来溶解，这些有机物在使用过程中有的会引起水源的污染，为了人类的健康和社会的可持续性发展，需要采用可再生、无毒性的高分子物质和采用无毒无害的溶剂代替挥发性有机化合物做溶剂，这就成为绿色化学的重要研究方向。金属纳米粒子的合成与保护有三个关键因素：反应介质、还原剂、保护剂，要实现纳米粒子制备过程的绿色化，应从这三方面的“绿色化”和“环保化”进行改进ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[29]。2.2实验所需试剂表2.1实验试剂试剂名称化学式来源氯金酸HAuCl4·3H2O国药集团化学试剂有限公司（中国上海）过氧化氢H2O2北京化学品公司（中国北京）大肠杆菌，金黄色葡萄球菌E.coli、S.aureus川翔生物技术有限公司（中国上海）标准菌株CBS-ZT吉林大学张作明教授免费提供2,2’-连氮基-双-(3-乙基苯并二氢噻唑啉-6-磺酸）ABTS阿拉丁化学股份有限公司（中国上海）结晶紫C25H31N3阿拉丁化学股份有限公司（中国上海）2.2.1实验所需仪器和表征荧光测量测定使用JASCOFP-6500分光光度计（JASCO国际有限公司、日本）。紫外/可见吸收光谱的测量使用JASCOV550紫外/可见分光光度计（JASCO国际股份有限公司，日本东京），配有一个半导体致冷器的温度控制配件。扫描电镜（SEM）图像是在HitachiS-4800场发射扫描电镜上完成。扫描电镜样品通过沉积到硅晶片上的稀释水分散体样品制备。透射电镜（TEM）图像是在FEITECNAIG220透射电子显微镜上完成的，场发射电压为200kV。在300WAlKα辐射的条件下，使用从VG科学获取的ESCALab220iXL电子能谱仪进行了X射线光电子能谱（XPS）的测量。2.2.2用CBS-ZT可控制备AuNPsAuNPs的生物合成使用了从长白山获得的一种嗜热菌菌株CBS-ZT，属于热解纤维素杆菌属（Caldicellulosiruptor）。经过一天的孵育，浓度为200μM或者500μM的HAuCl4·3H2O被添加到细菌培养液中。培养12h，颜色分别变为浅黄色（200μM）和黄色（500μM）。然而，500μM的HAuCl4·3H2O在细菌培养三天后添加，在75℃培养12h后，溶液颜色变为深红色。细胞悬液的颜色从白色到浅黄色、黄色和红色变化，证明了AuNPs的生成。在以前的报道中，知道微生物的细胞壁可以和贵金属纳米粒子前体相互作用，这在纳米粒子的合成过程中起着主要的作用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Duran</Author><Year>2011</Year><RecNum>429</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[288]</style></DisplayText><record><rec-number>429</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">429</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>MahendraRailNelsonDuran</author></authors><secondary-authors><author>MahendraRailNelsonDuran</author></secondary-authors></contributors><titles><title>MetalNanoparticlesinMicrobiology</title><secondary-title>MetalNanoparticlesinMicrobiology</secondary-title></titles><pages>305</pages><section>53</section><dates><year>2011</year></dates><pub-location>BerlinHeidelberg</pub-location><publisher>Springer</publisher><call-num>20</call-num><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31]。另外，通过使用氢、乳酸或醋酸作为电子供体，超嗜热细菌有可能从溶液中还原出金元素ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Kashefi</Author><Year>2001</Year><RecNum>431</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[289]</style></DisplayText><record><rec-number>431</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">431</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Kashefi,Kazem</author><author>Tor,JasonM.</author><author>Nevin,KellyP.</author><author>Lovley,DerekR.</author></authors></contributors><titles><title>ReductivePrecipitationofGoldbyDissimilatoryFe(III)-ReducingBacteriaandArchaea</title><secondary-title>AppliedandEnvironmentalMicrobiology</secondary-title></titles><periodical><full-title>AppliedandEnvironmentalMicrobiology</full-title></periodical><pages>3275-3279</pages><volume>67</volume><number>7</number><dates><year>2001</year><pub-dates><date>01/08/received 04/08/accepted</date></pub-dates></dates><publisher>AmericanSocietyforMicrobiology</publisher><isbn>0099-2240 1098-5336</isbn><accession-num>PMC93011</accession-num><call-num>21</call-num><urls><related-urls><url>/pmc/articles/PMC93011/</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1128/AEM.67.7.3275-3279.2001</electronic-resource-num><remote-database-name>PMC</remote-database-name></record></Cite></EndNote>[32]。因此，在本次仿生合成报告中，我们使用嗜热产氢菌菌株CBS-ZT可控合成了一系列AuNPs，如图3-4所示。通过调节金离子的摩尔浓度以及添加时间，溶液颜色分别从白色渐变为浅黄色、黄色和红色，该颜色指示了所合成AuNPs的尺寸大小ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Dong</Author><Year>2011</Year><RecNum>428</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[290]</style></DisplayText><record><rec-number>428</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">428</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Dong,Wenjie</author><author>Li,Yongsheng</author><author>Niu,Dechao</author><author>Ma,Zhi</author><author>Gu,Jinlou</author><author>Chen,Yi</author><author>Zhao,Wenru</author><author>Liu,Xiaohang</author><author>Liu,Changsheng</author><author>Shi,Jianlin</author></authors></contributors><titles><title>FacileSynthesisofMonodisperseSuperparamagneticFe3O4Core@hybrid@AuShellNanocompositeforBimodalImagingandPhotothermalTherapy</title><secondary-title>AdvancedMaterials</secondary-title></titles><periodical><full-title>AdvancedMaterials</full-title></periodical><pages>5392-5397</pages><volume>23</volume><number>45</number><keywords><keyword>goldnanoshells</keyword><keyword>superparamagneticmaterials</keyword><keyword>photothermaltherapy</keyword><keyword>magneticresonanceimaging</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><publisher>WILEY-VCHVerlag</publisher><isbn>1521-4095</isbn><call-num>22</call-num><urls><related-urls><url>/10.1002/adma.201103521</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1002/adma.201103521</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[33]（图2-1）。图2-1照片显示得到悬浮液的颜色变化，说明B-AuNPs纳米复合材料的形成我们用透射电子显微镜（TEM）对AuNPs进行鉴定和尺寸分析。透射电镜图像显示，AuNPs在细菌的细胞壁上能够很好的分散（图2-2）。图2-2在不同的放大倍数下，B-AuNPs-small（a1,a2）和B-AuNPs-moderate（b1,b2）的TEM成像图，表明纳米粒子均匀分散在细菌表面粒径分布表明，我们合成了两种类型的B-AuNPs，分别命名为B-AuNPs-small,B-AuNPs-moderate，并且它们的平均尺寸分别是1.03nm、2.43nm,（图2-3）。图2-3B-AuNPs-small和B-AuNPs-moderate的尺寸分布高分辨率的透射电子显微镜（HRTEM）图像显示，B-AuNPs的晶格大小为0.235nm，与金的111晶面一致（图2-4）。图2-4不同放大倍数下B-AuNPs-big的TEM图像。插入：对单个的金纳米粒子的高分辨图像X射线衍射光谱（XPS）分析证明，在83.7eV和87.5eV上分别清楚地观察到了金的4f峰ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Wang</Author><Year>2011</Year><RecNum>448</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[276]</style></DisplayText><record><rec-number>448</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">448</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Wang,Xian-Xiang</author><author>Wu,Qi</author><author>Shan,Zhi</author><author>Huang,Qian-Ming</author></authors></contributors><titles><title>BSA-stabilizedAuclustersasperoxidasemimeticsforuseinxanthinedetection</title><secondary-title>BiosensorsandBioelectronics</secondary-title></titles><periodical><full-title>BiosensorsandBioelectronics</full-title></periodical><pages>3614-3619</pages><volume>26</volume><number>8</number><keywords><keyword>Auclusters</keyword><keyword>Xanthine</keyword><keyword>Peroxidase</keyword><keyword>Detection</keyword></keywords><dates><year>2011</year><pub-dates><date>4/15/</date></pub-dates></dates><isbn>0956-5663</isbn><call-num>10</call-num><urls><related-urls><url>/science/article/pii/S095656631100100X</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>/10.1016/j.bios.2011.02.014</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[22](图2-5），验证了B-AuNPs的成功。此外，在这三份样品中，X射线衍射图谱（XRD）进一步验证了AuNPs的组成（图2-6）。根据电感耦合等离子体发射光谱（ICP-MS）的结果，B-AuNPs中金的含量分别约为0.033g/g、0.045g/g图2-5（a）B-AuNPs-small，（b）B-AuNPs-moderate和（c）B-AuNPs-big的XPS分析图谱。图2-6B-AuNPs的广角粉末XRD图谱。广角X射线衍射图可以分为五个峰，分别为晶体Au0的（111），（200），（220），（311）和（222）面心立方反射峰。2.3B-AuNPs的稳定性众所周知，模拟酶在生物医学上的适用性程度依赖于它们的稳定性和在生理pH值溶液中的催化活性ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Tao</Author><Year>2013</Year><RecNum>445</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[275]</style></DisplayText><record><rec-number>445</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">445</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Tao,Yu</author><author>Lin,Youhui</author><author>Huang,Zhenzhen</author><author>Ren,Jinsong</author><author>Qu,Xiaogang</author></authors></contributors><titles><title>CancerTreatment:IncorporatingGrapheneOxideandGoldNanoclusters:ASynergisticCatalystwithSurprisinglyHighPeroxidase-LikeActivityOveraBroadpHRangeanditsApplicationforCancerCellDetection(Adv.Mater.18/2013)</title><secondary-title>AdvancedMaterials</secondary-title></titles><periodical><full-title>AdvancedMaterials</full-title></periodical><pages>2510-2510</pages><volume>25</volume><number>18</number><keywords><keyword>catalyst</keyword><keyword>enzymemimetic</keyword><keyword>goldnanoclusters</keyword><keyword>grapheneoxide</keyword><keyword>broadpHranges</keyword><keyword>cancercelldetection</keyword></keywords><dates><year>2013</year></dates><publisher>WILEY-VCHVerlag</publisher><isbn>1521-4095</isbn><call-num>9</call-num><urls><related-urls><url>/10.1002/adma.201370115</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1002/adma.201370115</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[22]。上述实验结果已经证明，B-AuNPs-small在广泛pH内有很高的催化活性。纳米粒子的稳定性对于其维持活性具有极其重要的作用，一旦纳米粒子发生聚集，其催化活性要受到明显的影响，在很大程度上降低酶活性。因此，探讨了在恶劣条件下，B-AuNPs的稳定性。分别在强酸性或高浓度盐溶液介质这样的恶劣条件下存储12h后，通过TEM成像分析B-AuNPs的状态。从图2-7，2-8中可以看到，在高盐或强酸溶液中，AuNPs能够保持它们的大小稳定性及其分散性，这可能是由于细菌的存在阻碍了AuNPs之间的相互作用，使得AuNPs的聚沉被抑制。图2-7在盐溶液中的稳定性分析。A：（1）B-AuNPs在0MNaCl；（2）B-AuNPs在0.1MNaCl；（3）B-AuNPs在0.5MNaCl。（4）B-AuNPs在1MNaCl中存储12h。B：B-AuNPs-small在1MNaCl中孵育后的TEM成像。C：B-AuNPs-small在1MNaCl中孵育后的尺寸分布。图2-8在强酸溶液中的稳定性分析。A：（1）B-AuNPs在0MHCl；（2）B-AuNPs在0.1MHCl；（3）B-AuNPs在0.5MHCl；（4）B-AuNPs在1MHCl中存储12h。B：B-AuNPs-small在1MHCl中孵育后的TEM成像。C：B-AuNPs-small在1MHCl中孵育后的尺寸分布。

第三章金纳米粒子活性测定及抗菌性能研究最近，如铁磁性纳米颗粒（Fe3O4）、V2O5、AuNPsADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Tao</Author><Year>2013</Year><RecNum>445</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[275]</style></DisplayText><record><rec-number>445</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">445</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Tao,Yu</author><author>Lin,Youhui</author><author>Huang,Zhenzhen</author><author>Ren,Jinsong</author><author>Qu,Xiaogang</author></authors></contributors><titles><title>CancerTreatment:IncorporatingGrapheneOxideandGoldNanoclusters:ASynergisticCatalystwithSurprisinglyHighPeroxidase-LikeActivityOveraBroadpHRangeanditsApplicationforCancerCellDetection(Adv.Mater.18/2013)</title><secondary-title>AdvancedMaterials</secondary-title></titles><periodical><full-title>AdvancedMaterials</full-title></periodical><pages>2510-2510</pages><volume>25</volume><number>18</number><keywords><keyword>catalyst</keyword><keyword>enzymemimetic</keyword><keyword>goldnanoclusters</keyword><keyword>grapheneoxide</keyword><keyword>broadpHranges</keyword><keyword>cancercelldetection</keyword></keywords><dates><year>2013</year></dates><publisher>WILEY-VCHVerlag</publisher><isbn>1521-4095</isbn><call-num>9</call-num><urls><related-urls><url>/10.1002/adma.201370115</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1002/adma.201370115</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[22]和石墨烯量子点等人工模拟酶在抗菌应用方面受到了广泛的关注。H2O2，作为医疗试剂，已被广泛应用于细菌感染的治疗与防止。然而，H2O2的抗菌活性是低于ROS的，导致用来消毒的H2O2浓度较高，高浓度的H2O2对正常的人体组织是有害的。因此，在防止细菌感染的治疗应用中，提高H2O2的抗菌活性并且降低用于杀菌的有效浓度是目前的需求。在H2O2存在的情况下，Fe3O4的类过氧化物酶活性可以氧化裂解细菌生物被膜中的组成成分。然而，在体内Fe3O4和V2O5被认为是有毒的和不适当的，除非通过精心设计，而达到表面功能化。此外，这些类过氧化物酶在中性条件下表现出较弱的酶活性，导致它们的抗菌效果相对较低。由于我们发现了ROS有着优良的抗菌能力，并且B-AuNPs在中性条件下可以将H2O2转化生成•OH和O2−，因此，基于B-AuNPs的高过氧化物酶活性抗菌系统被设计了出来。本章主要通过测定B-AuNPs的过氧化物酶活性及活性氧种类，探讨B-AuNPs的抗菌性能及机理。3.1B-AuNPs的过氧化物酶活性和动力学研究通过监测在417nm的吸光度变化，进行动力学测量。以2.5mMABTS作为底物，在500μL磷酸盐缓冲液中反应（25mMNa2HPO4，pH4.0，37oC），使用5μg/mL的B-AuNPs（金的含量）进行试验。离心去除B-AuNPs，以防止B-AuNPs吸光度对比色反应产生影响。使用莱恩威弗伯克方程1/v=(Km/Vmax)/C+1/Vmax来计算米氏常数，v是初始速度，Vmax是它的最大反应速度，C是底物浓度ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[28,30]。由于催化活性受纳米粒子尺寸的影响很大ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Lin</Author><Year>2013</Year><RecNum>433</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[278]</style></DisplayText><record><rec-number>433</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="efzepzpdeavwzpeed5wxd52qz5rfwtwv9zx2">433</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Lin,Youhui</author><author>Li,Zhenhua</author><author>Chen,Zhaowei</author><author>Ren,Jinsong</author><author>Qu,Xiaogang</author></authors></contributors><titles><title>Mesoporoussilica-encapsulatedgoldnanoparticlesasartificialenzymesforself-activatedcascadecatalysis</title><secondary-title>Biom