周金華，袁 霞，武小娟，安玉良

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料學(xué)院 高分子材料研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

以脫鐵蛋白為模板控制合成CoO納米顆粒*

周金華，袁 霞，武小娟，安玉良**

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料學(xué)院 高分子材料研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

提出利用生物模擬化學(xué)原位合成納米顆粒的方法。利用馬脾鐵蛋白作為限制性反應(yīng)器控制金屬Co離子水解、氧化還原等反應(yīng)組裝成單分散的CoO納米粒子。在堿性條件下脫鐵鐵蛋白限制性合成磁性CoO納米顆粒，通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)和元素分析(EDX)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和組成分析表征，顆粒尺寸在3～8nm范圍。此外，采用紫外、可見(jiàn)吸收光譜分析對(duì)蛋白組裝過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)基于生物礦化的納米材料形成機(jī)理進(jìn)行了討論。

CoO納米材料；脫鐵蛋白；生物礦化組裝

Abstract:A novel route was presented for preparing nanoparticles by biosimulation chemical in-situ method.The monodisperse CoO nanoparticles were bio-mineralized by controlling the hydrolysis of metal Co ion and oxidation and reduction reaction with using horse spleen ferritin as controlled reactor.The magnetic CoO nanoparticles were obtained with apoferritin under the condition of alkalescence.The structure and compositions of the products were characterized by TEM and EDX,the particle size was 3～8 nm.In additional,the research on the mineralization process was carried out by UV spectrum.Furthermore,the formation mechanism of nanomaterials based on bio-mineralization was discussed briefly.

Key words:CoO nanoparticles;apoferritin;bio-mineralization

前 言

磁性是物質(zhì)的基本屬性，磁性材料是古老而用途十分廣泛的功能材料。納米磁性材料是20世紀(jì)70年代后逐步產(chǎn)生、發(fā)展、壯大而成為最富有生命力與寬廣應(yīng)用前景的新型磁性材料[1]。納米磁性材料的特性不同于常規(guī)的磁性材料，其原因是關(guān)聯(lián)于與磁相關(guān)的特征物理長(zhǎng)度恰好處于納米量級(jí)，例如：磁單疇尺寸、超順磁性臨界尺寸、交換作用長(zhǎng)度以及電子平均自由路程等大致處于1～100nm量級(jí)，當(dāng)磁性體的尺寸與這些特征物理長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)反常的磁學(xué)性質(zhì)。這些特性使納米磁性材料在磁流體、靶向藥物以及電子器件等領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力[2]。最近人們對(duì)于納米磁性材料CoO的研究興趣越來(lái)越大，有很多方法可以用來(lái)合成納米磁性材料。比較常用的方法有溶膠凝膠法[3]、聚合物還原法[4]、模板法[5]、氣相沉積法[6]以及仿生法如硅藻限制性合成納米硅球[7]等。其中仿生法是一種可靠的、環(huán)境友好的納米材料的合成方法，也是未來(lái)納米技術(shù)重要發(fā)展方向[8]。在自然界中許多生物組織能夠合成納米材料，如一些特殊植物病毒蛋白分子作為反應(yīng)模板合成納米金屬材料[9]。

本課題組以生物蛋白超分子為納米限制性反應(yīng)器對(duì)可控合成無(wú)機(jī)納米材料進(jìn)行了探索性研究。通過(guò)模擬生物礦化過(guò)程，以脫鐵鐵蛋白分子成功合成了MnO2納米材料[10]。本文進(jìn)一步采用此方法原位合成均一的CoO納米材料。并通過(guò)紫外可見(jiàn)吸收光譜對(duì)其礦化過(guò)程進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用蛋白原料和試劑

實(shí)驗(yàn)用蛋白分子為馬脾脫鐵蛋白(Apoferritin fromhorse spleen in 0.1MNaCl,SIGMA公司)；其他所用試劑均為分析純。

1.2 鈷的蛋白礦化組裝

取脫鐵蛋白 100μL（10-5mmol），加到 5.0mL pH為8.50的Na2B4O7（0.02M）緩沖溶液中，然后加入25 μL Co（NO3）2溶液（0.1M） 和 23μL H2O2溶液（3%），并間隔10 min加入上述當(dāng)量溶液，如此循環(huán)8次，Co/AF（物質(zhì)的量比）約為2000。上述反應(yīng)于恒溫震蕩器中進(jìn)行，溫度為25℃，并保持12h。

1.3 測(cè)試分析

采用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)礦化蛋白材料進(jìn)行觀察、分析。將樣品溶液直接滴在覆有碳膜的銅網(wǎng)上，晾干后進(jìn)行電鏡分析和EDX（Energy Dispersive X-ray）元素分析。研究所用 TEM為 JEM 2000EX，工作電壓100kV；采用紫外、可見(jiàn)（UV-7500）來(lái)表征金屬離子的蛋白礦化樣品，將樣品溶液在石英比色皿中進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

在模擬生物條件下，將金屬粒子的前驅(qū)體材料組裝到脫鐵蛋白的孔腔內(nèi)部從而形成粒度均一的納米粒子，這個(gè)過(guò)程亦稱(chēng)之為脫鐵蛋白的生物模擬礦化。在鈷的礦化反應(yīng)中，加入雙氧水后，溶液顏色很快發(fā)生變化，經(jīng)9次循環(huán)后，反應(yīng)溶液由無(wú)色轉(zhuǎn)變成褐黃色；有時(shí)在實(shí)驗(yàn)中會(huì)觀察到微量絮狀沉淀產(chǎn)生，可能是發(fā)生非蛋白礦化反應(yīng)而導(dǎo)致沉淀的生成。TEM研究發(fā)現(xiàn)，鈷礦化脫鐵蛋白的核心是粒度比較均勻的納米粒子(見(jiàn)圖1)，從圖2顆粒尺寸分布圖可以看出多數(shù)顆粒介于5～7nm，這一粒度尺寸與蛋白分子的內(nèi)徑相比略小。說(shuō)明鈷的前驅(qū)體材料被填充到蛋白材料的內(nèi)部孔腔中。EDX元素分析證實(shí)了錳元素的存在（見(jiàn)圖3），說(shuō)明錳的前驅(qū)體材料被填充到蛋白材料的內(nèi)部孔腔中。

圖1 鈷礦化脫鐵蛋白所得到納米顆粒的TEM照片F(xiàn)ig.1 TEM images of mineralized apoferritin with cobalt cores

脫鐵蛋白礦化組裝過(guò)程是一種復(fù)雜的生物無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其礦化反應(yīng)的各種因素控制對(duì)其金屬離子的組裝效果有很大影響。為了考察各個(gè)反應(yīng)因素對(duì)蛋白礦化反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)中采用紫外可見(jiàn)吸收光譜對(duì)其進(jìn)行分析。由于金屬粒子在蛋白內(nèi)部形成的納米粒子是以一種水合金屬化合物的形式存在，所以在紫外、可見(jiàn)波段會(huì)有特種吸收。通過(guò)光譜分析，鈷的蛋白礦化樣品在350nm處有特征吸收。通過(guò)考察礦化反應(yīng)過(guò)程中在此特征吸收波長(zhǎng)處的吸收度的變化，來(lái)評(píng)價(jià)反應(yīng)條件的改變對(duì)礦化反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)通過(guò)紫外、可見(jiàn)光譜考察金屬離子與蛋白分子物質(zhì)的量對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響。圖4是金屬鈷與脫鐵蛋白的物質(zhì)的量的改變對(duì)其紫外可見(jiàn)光吸收的影響。從圖中可以看出，隨著加入金屬物質(zhì)的量的增加，溶液的的吸光度也隨著增加，但當(dāng)金屬/蛋白的物質(zhì)的量比增加到2000時(shí)，溶液的特征吸光度增加程度開(kāi)始減小，當(dāng)金屬/蛋白的物質(zhì)的量比達(dá)到2200時(shí)，溶液的吸收值幾乎沒(méi)有太大的變化。結(jié)果表明當(dāng)金屬離子對(duì)蛋白分子的物質(zhì)的量比達(dá)到2200時(shí)，礦化反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，生成氧化鈷的量已經(jīng)達(dá)到最大量，再加入金屬離子沒(méi)有必要，這個(gè)結(jié)果和文獻(xiàn)中所述的脫鐵蛋白所容納的金屬鈷的量是一致的[11]。

圖2 CoO納米顆粒的尺寸分布圖Fig.2 Size distribution of CoO nanoparticles

圖3 鈷礦化AF樣品的EDX元素分析譜圖Fig.3 EDX of Co mineralized apoferritin sample

圖4 吸光度隨鈷物質(zhì)的量的變化關(guān)系Fig.4 The variety of absorbance with molar ratio of Co/AF

金屬離子的蛋白礦化組裝反應(yīng)是一種特殊的生物礦化過(guò)程。脫鐵蛋白是由24個(gè)亞單元組成的一種蛋白質(zhì)分子，是一種結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定的儲(chǔ)存鐵的蛋白材料，這些由多肽所組成的亞單元構(gòu)成了內(nèi)徑為8nm左右的球狀空腔結(jié)構(gòu)，能夠容納數(shù)千金屬原子[12]。在蛋白的礦化組裝反應(yīng)過(guò)程中，Co2+是通過(guò)蛋白分子之外殼上的孔道進(jìn)入蛋白分子的空腔內(nèi)。連接蛋白內(nèi)側(cè)與外側(cè)的通道有兩種，即三重疊通道和四重疊通道。四重疊通道排列有疏水殘基，而三重疊通道排列有親水性的殘基，這些貫穿蛋白殼體的親水性孔道為Co2+的進(jìn)出提供了通道[13]。在這些孔道內(nèi)，存在一些活性基，Co2+可與這些活性基進(jìn)行絡(luò)合，同時(shí)這些活性基進(jìn)一步將Co2+轉(zhuǎn)移到蛋白空腔內(nèi)。最后，Co2+和蛋白內(nèi)部的殘基相互作用成核于其空腔內(nèi)部。蛋白殼體內(nèi)側(cè)排列有大量的親水殘基，這些內(nèi)部殘基對(duì)于絡(luò)合、氧化和聚集金屬離子有決定性的作用。在生物礦化反應(yīng)過(guò)程中，脫鐵蛋白內(nèi)表面的殘基組成高密度電荷區(qū)和Co2+產(chǎn)生電子靜電作用促進(jìn)礦化核種的形成，之后，Co2+進(jìn)一步在核種上聚集、成長(zhǎng)，直至形成如圖1所示的、具有一定大小的納米粒子。脫鐵蛋白的礦化反應(yīng)是個(gè)自催化過(guò)程；脫鐵蛋白通過(guò)內(nèi)表面的成核基補(bǔ)充靜電，這個(gè)過(guò)程促進(jìn)Co2+氧化水解反應(yīng)；這個(gè)過(guò)程和金屬Fe、Mn離子的礦化過(guò)程相似，其區(qū)別在于礦化過(guò)程發(fā)生的在不同成核基上。因此，在Co2+的整個(gè)礦化組裝過(guò)程中，蛋白的殼體起到了決定性的作用，整個(gè)過(guò)程是通過(guò)蛋白殼體上有關(guān)單元上的各種殘基的協(xié)同作用完成的[14]。

3 結(jié)論

超分子蛋白—脫鐵蛋白是一種理想的合成CoO納米材料的限制性反應(yīng)的生物模板，蛋白內(nèi)表面的高電荷密度基為CoO粒子的聚集成核提供前提。透射電鏡證實(shí)所得到的CoO納米顆粒尺寸分布與蛋白內(nèi)徑相當(dāng)；元素分析所得CoO納米粒子為金屬氧化物。超分子蛋白是一種理想的合成無(wú)機(jī)納米材料限制反應(yīng)器，所制備的CoO納米顆粒具有良好的形狀和粒度分布使其在高密度磁盤(pán)、磁性共振成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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Controlled Synthesis of CoO Nano-materials with Using Apoferritin as Template

ZHOU Jin-hua,YUAN Xia,WU Xiao-Juan and AN Yu-liang

(College of Material Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110168,China)

TQ 710.6

A

1001-0017（2011）01-0012-03

2010-08-05 *基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳青年計(jì)劃基金（編號(hào)：2009A615）和遼寧科技攻關(guān)計(jì)劃（編號(hào)：2009222006）。

周金華(1967-)，女，吉林省長(zhǎng)春人，工程師，研究方向：材料化學(xué)及納米材料研究。