石 杰，范淑敏，吳 靜，康小慧，尹瑜靜，王瑞勇

（鄭州大學(xué)化學(xué)系，河南鄭州 450001）

生物法合成納米金的研究進(jìn)展

石 杰，范淑敏，吳 靜，康小慧，尹瑜靜，王瑞勇

（鄭州大學(xué)化學(xué)系，河南鄭州 450001）

納米金以它獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)和催化性質(zhì)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注.目前，生物合成的納米金具有經(jīng)濟(jì)、無(wú)毒、環(huán)境友好等特點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn).綜述了利用細(xì)菌、真菌、放線菌、酵母菌以及各種植物材料合成納米金的方法，并將各種方法進(jìn)行了比較，討論了每種方法的特點(diǎn)、尺寸和形貌的控制以及合成機(jī)理.最后，展望了生物合成納米金的應(yīng)用以及未來(lái)的發(fā)展方向.

生物合成；納米金；研究進(jìn)展

納米金是直徑為1～100 nm的締合膠體，不僅具備納米微粒的通性，如表面效應(yīng)、量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等［1］，還具有自己獨(dú)特的物理、化學(xué)性能，在納米器件、生物醫(yī)學(xué)、信息科技、腫瘤治療、細(xì)胞成像和藥物載體等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.

傳統(tǒng)的制備納米金的方法主要是物理和化學(xué)方法，物理方法是指通過(guò)各種分散技術(shù)把金直接轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米粒子，化學(xué)方法是指由金的化合物通過(guò)還原反應(yīng)得到納米粒子.物理和化學(xué)方法需要嚴(yán)格的條件，耗能高，使用的試劑昂貴，還污染環(huán)境［2］.隨著綠色化學(xué)概念的普及，納米金的合成也向無(wú)毒、環(huán)境友好的方向發(fā)展，納米金的綠色合成采用微生物和植物等生物材料進(jìn)行合成，和傳統(tǒng)的物理和化學(xué)合成方法相比，生物合成方法清潔、無(wú)毒、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展，并且反應(yīng)條件溫和可控，產(chǎn)量高，成為納米金合成領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).表1總結(jié)了近年來(lái)生物合成納米金的研究進(jìn)展.2種方法各有優(yōu)勢(shì)：微生物廉價(jià)、易培養(yǎng)、繁殖快，合成的納米金尺寸和形貌可控，具有很好的生物相容性，適合大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)量高；植物反應(yīng)速度快，操作簡(jiǎn)便，不需要細(xì)胞培養(yǎng)的過(guò)程，原料來(lái)源廣，價(jià)格低，適合大規(guī)模生產(chǎn).

表1 合成納米金的微生物及植物類群

續(xù)表

1 微生物合成方法

微生物具有極強(qiáng)的生命力和適應(yīng)性，代謝類型多，在自然界分布廣，早在1989年就開始應(yīng)用于生物法合成納米材料的研究.目前，用來(lái)合成納米金的微生物主要有細(xì)菌，真菌，放線菌和酵母菌等.

微生物合成方法可分為細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外合成.細(xì)胞內(nèi)合成的納米金主要存在于細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)，需要聲波降解，或和細(xì)胞溶解劑反應(yīng)才能得到納米粒子，可以進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)合成納米金的微生物有短桿菌［3］、沙雷菌［4］等.和細(xì)胞內(nèi)合成方法相比，細(xì)胞外合成不需要復(fù)雜的處理過(guò)程，因而更加實(shí)用，可以進(jìn)行細(xì)胞外合成納米金的微生物有綠膿桿菌［5］，莢膜紅假單胞菌［6］等.

當(dāng)微生物和金的化合物共同孵育時(shí)，微生物的防衛(wèi)機(jī)能將試圖減少或消除離子的干擾，從而改變了金的氧化還原狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了納米金的合成.在細(xì)胞外合成納米金，微生物分泌的生物活性物質(zhì)包括蛋白質(zhì)、還原糖、還原性谷胱甘肽等對(duì)離子進(jìn)行富集、還原，組裝成典型的納米結(jié)構(gòu)粒子，生物活性物質(zhì)對(duì)納米金的穩(wěn)定也起著重要作用.細(xì)胞內(nèi)合成納米金是非常復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程.

與物理化學(xué)合成方法相比，微生物合成納米金的形貌和尺寸同樣可以通過(guò)控制溫度、離子強(qiáng)度、溶液p H、基質(zhì)濃度以及孵育時(shí)間等來(lái)調(diào)控［12］.并且微生物具有廉價(jià)、易培養(yǎng)、繁殖快等優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模納米金的合成.

1.1 細(xì)菌

細(xì)菌合成納米金的研究較早，反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)量高，納米材料易純化，因而細(xì)菌被稱為“納米材料加工廠”.

當(dāng)活細(xì)菌與含金的離子共同孵育時(shí)，菌體吸收或吸附離子，利用生物活性分子自組裝成金納米粒子.Kalishwaralal等用乳酸短桿菌合成出10～50 nm的金粒子，并證實(shí)合成的納米金具有抗凝聚性，能夠抑制血塊的形成，有希望應(yīng)用于臨床治療［3］.Suresh等用沙雷菌還原氯金酸鹽制備單分散的球形納米金，粒徑分布范圍在2～50 nm，合成的納米金具有親水性，并且?guī)讉€(gè)月都不發(fā)生凝聚，為了研究沙雷菌的合成機(jī)理，該實(shí)驗(yàn)小組把細(xì)菌破壞，分成膜部分和溶劑部分，分別與氯金酸鹽反應(yīng)，最終在膜的部分得到了納米金，表明細(xì)菌細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)發(fā)揮了合成納米金的作用，納米金表面包裹著蛋白質(zhì)和縮氨酸，這層外殼很容易除去，從而可以應(yīng)用到其它方面［4］.Nangia等用單胞菌合成出分散良好的納米金，并推測(cè)是NADPH依靠的還原酶通過(guò)電子轉(zhuǎn)移將Au3＋轉(zhuǎn)變成Au0，為了證實(shí)該推測(cè)，該小組將細(xì)菌和不同濃度的NADPH分別和氯金酸共同孵育，得到了不同顏色的納米金，從而證實(shí)了該推測(cè)［7］.

1.2 真菌

印度普納國(guó)家化學(xué)實(shí)驗(yàn)室最早研究了真核生物在納米材料合成中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)2種真菌能夠合成納米粒子－輪枝菌屬和鐮刀菌屬［8］.和細(xì)菌相比，真菌合成納米金有更高的產(chǎn)量并且能夠分泌更多的蛋白質(zhì)，更適合用來(lái)合成納米金.

Mishra等用絲狀真菌瑞氏木霉細(xì)胞外合成穩(wěn)定的納米金，平均直徑為5～25 nm［8］.Liangwei Du等用青霉菌的細(xì)胞濾液和AuCl－4反應(yīng)，在1min內(nèi)進(jìn)行細(xì)胞外合成，合成出平均粒徑為45 nm的球形納米金.又用含有AuCl－4的溶液來(lái)孵育青霉菌8h，合成的納米金很好的分散在細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)，平均粒徑為50 nm.這是目前報(bào)道中最快的微生物合成納米金的方法，并且使用同一種真菌進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外合成，準(zhǔn)確的機(jī)理尚不清楚，推測(cè)原因可能是在細(xì)胞外合成中，由真菌釋放到溶液中的特殊的酶或媒介物發(fā)揮了作用，而在細(xì)胞內(nèi)合成中，是細(xì)胞內(nèi)的某種酶發(fā)揮了作用［9］.真菌的生長(zhǎng)條件能夠影響納米粒子的合成，當(dāng)單端孢霉屬真菌和金離子在穩(wěn)定的條件下孵育時(shí)，能夠細(xì)胞外合成納米金，而在震動(dòng)的條件下，則發(fā)生細(xì)胞內(nèi)合成.可能是對(duì)合成納米金起作用的酶或蛋白質(zhì)產(chǎn)生了作用，在穩(wěn)定條件下，這些酶和蛋白質(zhì)由真菌分泌到基質(zhì)當(dāng)中，因此納米粒子出現(xiàn)在細(xì)胞外，而在震動(dòng)的情況下，真菌不分泌這些物質(zhì)，不能進(jìn)行細(xì)胞外合成［11］.

真菌合成納米金的過(guò)程非常復(fù)雜，真菌釋放出來(lái)的還原糖、蛋白質(zhì)或酶在還原AuCl－4的過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，不同真菌利用的還原物質(zhì)不同.青霉菌主要利用細(xì)胞還原糖為活性物質(zhì)細(xì)胞內(nèi)合成納米金，鐮刀菌利用細(xì)胞蛋白質(zhì)為活性組分細(xì)胞內(nèi)合成組裝納米金，溶液同時(shí)存在AuCl－4及Ag＋時(shí)，枯萎病菌分泌以NADH為輔酶的蛋白酶還原AuCl－4及Ag＋，并細(xì)胞外組裝Au－Ag復(fù)合納米顆粒［11］.酶上含有氨基，疏基和羧基，AuCl－4依靠這些官能團(tuán)和酶結(jié)合.研究表明，真菌分泌的NADH和NADH依賴的酶可能起到把Au3＋轉(zhuǎn)化為Au0并形成納米粒子的作用［12－13］.

1.3 放線菌

目前，放線菌中只有紅球菌和高溫單孢菌用于納米金的合成.在堿性、高溫的極端條件下，高溫單孢菌與氯金酸溶液孵育后可以合成出單分散的納米金，金離子的還原及穩(wěn)定可能依靠某種酶發(fā)揮作用［14］.同樣，在極端條件下紅球菌也可以合成出單分散性良好的納米金，并且主要集中在細(xì)胞膜和細(xì)胞壁上，這可能是由于起還原作用的酶主要存在于細(xì)胞膜和細(xì)胞壁上.

1.4 酵母菌

酵母菌主要用來(lái)合成量子點(diǎn)納米材料，但也有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道了納米金的合成，Pimprikar等利用熱帶海洋酵母菌合成出納米金，并通過(guò)改變細(xì)胞數(shù)目和金鹽的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)納米金形貌和尺寸的控制，合成的納米金主要存在細(xì)胞壁上，通過(guò)低溫孵育的方式可以將納米金釋放到水相中，紅外光譜分析顯示細(xì)胞表面的羧基、羥基和酰胺基可能在納米金的形成中起到關(guān)鍵作用［15］.

2 植物合成方法

植物合成技術(shù)是近幾年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的納米合成技術(shù)，和微生物合成相同，它也可以分為細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外合成.Gardea－Torresday等研究發(fā)現(xiàn)Au3＋在瓊脂中還原為Au0，然后能被苜蓿的根吸收，并轉(zhuǎn)移到其它部位，成核最后形成金納米粒子［16］.應(yīng)用比較廣泛的是細(xì)胞外合成方法，一般采用植物的葉子、花瓣、果實(shí)等的提取物作為還原劑來(lái)進(jìn)行納米金的合成.

植物合成納米金的方法和微生物合成相比優(yōu)點(diǎn)在于不需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)培養(yǎng)微生物，并且反應(yīng)速率快，可以和化學(xué)合成方法相媲美，甚至比化學(xué)合成方法更快.該方法無(wú)污染，原料來(lái)源廣，價(jià)格低，并且產(chǎn)量大，更適合大規(guī)模的生產(chǎn).

2.1 植物葉子、花瓣

目前，采用植物的葉子、花瓣來(lái)合成納米金的研究比較廣泛.主要是依靠其中含有的能產(chǎn)生還原作用的物質(zhì)，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)的p H、溫度以及提取物的濃度可以控制合成的粒徑大小.納米金上包裹的生物分子起到穩(wěn)定的作用，并且使納米金具有很好的生物相容性，有希望應(yīng)用于醫(yī)藥，化妝，食品和生活消費(fèi)等各個(gè)方面.

Song等人采用日本辛夷和柿子的葉子成功合成了形狀可控的納米金，反應(yīng)溫度為95℃時(shí)，幾分鐘就使90%以上的金離子轉(zhuǎn)化為球形的納米粒子，而在低溫、低的葉子提取物濃度時(shí)，合成出混合形狀的納米粒子，包含三角形、五角形、六角形和球形.紅外光譜顯示合成的納米金被蛋白質(zhì)和一些萜類化合物包裹著，含有胺類，醇類，酮類，醛類和羧酸類等官能團(tuán)［17］.Khalil等采用橄欖葉子在室溫下20分鐘合成了不同形狀的納米金，在較高p H和較低提取物濃度條件下，形成混合形狀（三角形，六角形和球形）的納米結(jié)構(gòu)，而在較低p H和較高提取物濃度條件下形成較小的球形結(jié)構(gòu)［18］.Noruzia等用玫瑰花瓣的提取物合成了納米金，反應(yīng)速度很快，在5min內(nèi)完成反應(yīng)，可能是花瓣中的蛋白質(zhì)和一些糖類物質(zhì)發(fā)揮了還原作用，紅外光譜顯示金納米顆粒上包裹著生物分子［19］.目前天竺葵［20］，印度楝［21］，樟樹［22］，胡荽［23］，芒果樹［24］等葉子的提取物都可以細(xì)胞外合成納米金.

2.2 其他合成方法

目前利用植物的葉子或花瓣來(lái)合成納米金的研究比較成熟，也有少量文獻(xiàn)報(bào)道其它的合成方法.Dubey等用菊蒿果實(shí)的提取物還原氯金酸鹽合成出平均粒徑為16 nm的金粒子，紅外光譜分析顯示其中所含萜類物質(zhì)的羰基官能團(tuán)可能發(fā)揮了還原作用［25］.另外，梨的提取物也可以合成納米金［26］.Bankar等利用香蕉皮合成出平均粒徑為300 nm的金粒子，通過(guò)改變p H、濃度以及溫度可以控制粒徑大小，實(shí)驗(yàn)證明合成出的納米金具有抗真菌和抗細(xì)菌活性.香蕉皮主要是由果膠、纖維素和半纖維素組成，這些高分子物質(zhì)可能起到了還原金鹽和穩(wěn)定納米金的作用［27］.

海藻也可以用來(lái)合成納米金，Singaravelu等第一次報(bào)道了利用馬尾藻的提取物細(xì)胞外合成8～12 nm的金粒子，并且分散好，十分穩(wěn)定，在海藻中占35%的多糖可能起到了還原氯金酸鹽和穩(wěn)定納米金的作用［28］.目前，利用藻類植物合成納米金的報(bào)道還比較少，有待科研工作者進(jìn)一步研究.

3 展望

重點(diǎn)闡述了幾種納米金的生物合成技術(shù)，近年來(lái)，利用不同生物合成納米金的研究已經(jīng)取得初步的進(jìn)展，應(yīng)用前景廣泛.然而準(zhǔn)確的合成機(jī)理目前還不能確定，有關(guān)還原的酶或蛋白質(zhì)及納米金的形成、穩(wěn)定機(jī)制，需要進(jìn)一步探索.另外通過(guò)改變合成條件來(lái)合成多種形貌的納米金仍是今后的研究重點(diǎn).隨著研究工作的進(jìn)行，相信今后會(huì)有更多的物種用于納米金的合成，從而建立更多的生物合成新方法，使合成出來(lái)的納米金更好地應(yīng)用在生物物質(zhì)分離、生物醫(yī)學(xué)、疾病檢測(cè)和預(yù)防以及環(huán)境問(wèn)題處理等方面，更好地幫助及改善人類的生活.

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Research Progress in Biosynthesis of Gold Nanoparticles

SHI Jie，F(xiàn)AN Shu－min，WU Jing，KANG Xiao－h(huán)ui，YIN Yu－jing，WANG Rui－yong
（Department of Chemistry，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Gold nanoparticles are attracting great attention due to their unique optical，electronic and catalytic properties.Recently，biosynthesis of gold nanoparticles has become a research hotspot due to its economic，non－toxic and eco－friendly characteristics.This article provides an overview of current research methods of biosynthesis of gold nanoparticles using bacteria，fungi，actinomycetes，yeast and various plant materials.Different methods are compared，and the characteristics，control of size and shape，and the synthesis mechanisms are discussed.Finally，the application of biosynthesis of gold nanoparticles and the developing trend in the future are also prospected.

biological synthesis；gold nanoparticles；research progress

book=0,ebook=13

Q503；TN304.180

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.03.017

（責(zé)任編輯 陳炳權(quán)）

1007－2985（2012）03－0071－05＊

2012－02－16

石 杰（1950－），男，河南商丘人，鄭州大學(xué)化學(xué)系教授，博士，主要從事分析化學(xué)研究

范淑敏（1988－），女，湖南新鄉(xiāng)人，鄭州大學(xué)化學(xué)系碩士研究生，主要從事生物化學(xué)研究.