謝銀德，侯保森，趙占中，張 冰，趙 霞

(1．鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州450001;2．鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，鄭州450001)

0 引言

生物納米材料的類天然性以及良好的生物相容性賦予了其更加優(yōu)良的生物和物理化學(xué)方面的特性［1］，研究和利用這些納米生物材料，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、微電子技術(shù)和電子元器件等領(lǐng)域具有非常廣闊的發(fā)展前景［2］． 近些年來，采用脫鐵鐵蛋白法合成了多種納米材料，如Douglas 等［3］以脫鐵鐵蛋白為生物模板，成功合成了CO3O4納米顆粒;Kasivelu 等［4］以單細(xì)胞蛋白螺旋藻為生物模板合成了Ag 和Au 的納米顆粒;Kenji 等［5］利用Dps 籠狀蛋白腔作為生物模板合成了半導(dǎo)體材料CdS 納米顆粒;黃保軍等［6］利用生物模板法制備微納米三氧化鐵，用這種方法合成的納米顆粒具有尺寸小、分布均勻等優(yōu)點(diǎn)［7］．

鐵鈷納米材料具有良好的生物相容性，再加上鈷元素具有較好的鐵磁性，使鐵鈷合金在磁性性能上有更進(jìn)一步的提高，并擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍［8］．目前，鐵鈷材料主要通過液相合成法制成，顆粒直徑較大，團(tuán)聚較多并且尺寸不易控制［9］．

筆者通過脫鐵鐵蛋白生物模板法合成鐵鈷納米材料，成功解決了上述問題，并為二元金屬納米材料的合成提供了參考．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原料

馬脾脫鐵鐵蛋白(Apoferritin)，Sigma 公司;硝酸鈷(Co(NO3)2·6H2O)，天津市海晶精細(xì)化工廠;硼氫化鈉(NaBH4)，天津傲然精細(xì)化工研究所;三羥甲基氨基甲烷Tris((CH2OH)3CNH2)，上?；菖d生化試劑有限公司;硫酸亞鐵銨(Fe(NH4)2-(SO4)2·6H2O)，天津市北方化玻采購銷售中心．

1．2 試樣制備

硝酸鈷和硫酸亞鐵銨為主要材料．首先，在水浴缸中注滿水，在60 ℃水浴加熱和磁力攪拌的條件下，移取2．0 mL 的Tris 緩沖溶液于反應(yīng)瓶的內(nèi)層中，并通入氮?dú)膺M(jìn)行除氧［10］．其次，將20 μL 的脫鐵鐵蛋白溶液注入到反應(yīng)瓶中，再分別吸取硝酸鈷溶液、硫酸亞鐵銨溶液和硼氫化鈉溶液各100 μL［11］，以相同的速率加入到反應(yīng)瓶中進(jìn)行反應(yīng)，并將反應(yīng)液離心． 最后，取上清液進(jìn)行分析表征．

1．3 樣品表征

采用日本JEM-100CX-型透射電子顯微鏡、EVOLUTION600 紫外可見光分光光度計(jì)和能量色散X 射線能譜儀(EDS)對(duì)樣品進(jìn)行表征．

2 結(jié)果與討論

2．1 鐵鈷樣品TEM 分析

脫鐵鐵蛋白溶液用乙酸雙氧鈾染色后所拍攝的TEM 照片如圖1 所示．從圖1 可以看到脫鐵鐵蛋白分子．

圖1 乙酸雙氧鈾染色后的純脫鐵鐵蛋白的TEM 照片F(xiàn)ig．1 Pure apoferritin TEM photographs uranyl acetate stained

圖2 為還原反應(yīng)后的脫鐵鐵蛋白溶液在經(jīng)過乙酸雙氧鈾染色后拍攝的TEM 照片．從圖2 可以看到蛋白質(zhì)的空腔，這些空腔的直徑大概為8 nm，在這些白色斑點(diǎn)的中心都有一個(gè)直徑約為5 nm 的黑色顆粒． 圖3 是放大10 萬倍的樣品的TEM 圖像．

圖2 乙酸雙氧鈾染色后的鐵鈷樣品TEM 照片F(xiàn)ig．2 TEM photograph of iron cobalt samples stained with uranyl acetate

圖3 放大10 萬倍的鐵鈷樣品TEM 照片F(xiàn)ig．3 100 000 magnification TEM photograph of iron-cobalt samples

圖3 中的黑色斑點(diǎn)即納米尺寸的顆粒體，顆粒分布均勻，具有高度的分散性，其粒徑約為5 ～7 nm，稍小于脫鐵鐵蛋白空腔的內(nèi)徑尺寸為8 nm．從選用的原材料來分析，這些黑色的顆?？赡苁堑鞍踪|(zhì)包覆的、成分以Fe-Co 為主的納米粒子，再結(jié)合圖2 可斷定樣品顆粒被包裹在蛋白質(zhì)內(nèi)部中．

2．2 鐵鈷樣品的EDS 能譜分析

對(duì)鐵鈷樣品進(jìn)行EDS 能譜分析，得到圖4 和表1．

圖4 鐵鈷樣品的EDS 能譜Fig．4 EDS spectrum of Fe-Co samples

表1 能譜中各元素質(zhì)量百分比含量Tab．1 Energy spectrum percentage content of each element

圖4 所示是選區(qū)在微米級(jí)區(qū)域某個(gè)點(diǎn)的EDS能譜．從圖譜中可以觀測(cè)到鐵元素和鈷元素的能譜峰，這說明看到的那些黑色納米顆粒是金屬鐵或者鈷，亦或者是兩者的混合體．并且圖4 中還有很強(qiáng)的銅元素峰，這是由于樣品在做TEM 表征時(shí)的襯物為銅網(wǎng)所致．另外，還存在雜質(zhì)碳元素的峰值，原因可能是溶液中脫鐵鐵蛋白含碳量過高所致;此外，還有雜質(zhì)硫元素和氧元素的峰值，這可能是因?yàn)榧尤氲脑牧狭蛩醽嗚F銨和脫鐵鐵蛋白中都含有一定量的硫元素和氧元素．

2．3 鐵鈷樣品的選區(qū)電子衍射分析

采用透射電子顯微鏡觀察樣品的外觀形貌，發(fā)現(xiàn)有許多粒徑為5 ～7 nm 的黑色納米顆粒，選定其中一個(gè)具有代表性的、典型的黑色顆粒區(qū)域，進(jìn)行選區(qū)電子衍射，其選區(qū)電子衍射結(jié)果如圖5所示．

圖5 鐵鈷樣品的電子衍射Fig．5 Electron diffraction of Fe-Co samples

從圖5 中未能發(fā)現(xiàn)明顯的電子衍射斑點(diǎn)，推測(cè)這些包覆在蛋白質(zhì)內(nèi)部的納米顆粒沒有形成晶體，而是以無定形態(tài)存在．在室溫下，單質(zhì)Fe 的空間各質(zhì)點(diǎn)呈體心立方的排列結(jié)構(gòu)，屬于立方晶系的布拉菲結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)是a =0．286 3 nm;單質(zhì)Co 的空間各質(zhì)點(diǎn)呈密排六方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)是a=0．250 7 nm，c=0．407 0 nm．由于鐵鈷的晶格結(jié)構(gòu)不同，晶格常數(shù)也有一定的差別，導(dǎo)致了其在蛋白腔內(nèi)不能形成晶體結(jié)構(gòu)，而是以無定形態(tài)存在．

2．4 鐵鈷樣品的紫外可見光譜分析

對(duì)還原反應(yīng)前后的脫鐵鐵蛋白納米顆粒進(jìn)行紫外可見光譜分析，紫外可見光吸收光譜圖如圖6 所示．

圖6 鐵鈷樣品還原反應(yīng)前后的UV－vis 譜Fig．6 The UV－vis spectroscopy of Fe-Co sample before and after reduction reaction

圖6 中實(shí)線表示脫鐵鐵蛋白納米顆粒在只加入Fe2+、Co2+溶液而不加入還原劑情況下的UVvis 譜線，虛線則表示同時(shí)加入Fe2+、Co2+溶液和還原劑情況下的UV -vis 譜線． 從圖6 中峰位的變化來看，還原反應(yīng)前的脫鐵鐵蛋白和Fe2+、Co2+的混合液在610 nm 左右處出現(xiàn)了一個(gè)弱的吸收峰，這個(gè)位置是Fe2+、Co2+的典型特征吸收峰位;在同時(shí)加入Fe2+、Co2+溶液和還原劑NaBH4后，在此位置附近的吸收峰明顯變?nèi)?，說明溶液中的Fe2+、Co2+被還原劑NaBH4還原成為Fe、Co 金屬原子;而在280 nm 附近的脫鐵鐵蛋白的峰位則沒有發(fā)生明顯變化，說明還原反應(yīng)前后脫鐵鐵蛋白的濃度沒有發(fā)生變化，表明在整個(gè)反應(yīng)過程中脫鐵鐵蛋白只是起到了一個(gè)載體模板的作用，對(duì)金屬顆粒進(jìn)行約束，并不參加反應(yīng)．

通過紫外可見光譜分析進(jìn)一步證實(shí)了組成黑色納米顆粒的成分是金屬鐵和鈷，這和透射電子顯微觀察分析的結(jié)果是一致的．

3 結(jié)論

以馬脾脫鐵鐵蛋白(Apoferritin)為基體生物模板，以硝酸鈷和硫酸亞鐵銨為原材料，采用生物模板法合成Fe-Co 納米材料．通過對(duì)樣品的表征，說明制備的樣品為鐵鈷納米材料，顆粒直徑在5 ～7 nm 左右，非晶體結(jié)構(gòu)分布均勻，具有高度的分散性，無明顯團(tuán)聚體;并且，脫鐵鐵蛋白在反應(yīng)前后成分未發(fā)生變化，只是起到了一個(gè)約束顆粒成長(zhǎng)的載體模板的作用．

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