洪秋林，郭必泛，朱佳妮，陳世良

(杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310036)

金屬酞菁(metallophthalocyanine，MPc)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與天然金屬卟啉類似，是一種重要的芳香雜環(huán)化合物，廣泛應(yīng)用于染料、太陽能電池和液晶等領(lǐng)域[1-2].MPc分子含有獨(dú)特的離域18π電子結(jié)構(gòu)，催化性能優(yōu)異，能用于制備多種用途的高效催化劑[3-5].然而，平面結(jié)構(gòu)的MPc容易受分子間作用和靜電作用等因素的影響[6]，形成低活性聚集體，大大降低其使用性能.將MPc固定在惰性、難溶的載體材料上，能較好地解決MPc易團(tuán)聚的問題.常用的負(fù)載方法有物理法與化學(xué)法，其中物理法主要通過物理吸附和介孔包覆的方式進(jìn)行固定，化學(xué)法主要通過靜電作用、共價(jià)鍵作用和配位鍵作用等方式進(jìn)行固定[7-8].這些方法通常需要用到特殊的有機(jī)物質(zhì)，且制備過程較為復(fù)雜.另一方面，基體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)對MPc的分散性也具有一定的影響.在所有可用于MPc固定化的基體中，細(xì)菌纖維素(bacterial cellulose，BC)具有非常大的表面體積比、獨(dú)特的三維(3D)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，是一種很有前途的分散MPc的基體材料[9-10].

本研究嘗試采用操作簡便的原位生物合成技術(shù)，在無須使用其他試劑的條件下，將磺化酞菁鈷(CoPcS)直接分散到BC中，一步法制備磺化酞菁鈷-細(xì)菌纖維素復(fù)合材料(CoPcS/BC).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

木醋桿菌，BNCC336985，北京北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究所；磺化酞菁鈷(98.0%)，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；酵母浸膏，分析純，生工生物股份有限公司；葡萄糖，分析純，生工生物股份有限公司；蛋白胨，分析純，生工生物股份有限公司；無水乙醇，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸(99%)，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；磷酸氫二鈉(98%)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；磷酸二氫鉀，優(yōu)級純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；CoPcS/BC，實(shí)驗(yàn)室自制.

手提式壓力蒸汽滅菌器，YXQ-G46-280S，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9146A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；壓片機(jī)，HY-12型，天津天光光學(xué)儀器有限公司；紅外線快速干燥箱，WS70-1，杭州齊威儀器有限公司；超聲波清洗器，KQ-250DE，昆山市超聲儀器有限公司；半微量天平，EX1035A，天津市德安特傳感技術(shù)有限公司；傅立葉變換紅外光譜儀，IR Affinity-S，日本島津制作所；掃描電子顯微鏡，Hitachi S-4200，日本Hitachi公司；原子吸收光譜儀，AA6810系列，上海精密儀器儀表有限公司.

1.2 樣品的制備

1.2.1 BC膜的制備

配制含葡萄糖2.4%、酵母浸膏0.3%、蛋白胨0.3%、磷酸二氫鉀0.1%、磷酸氫二鈉0.2%、乙醇0.6%的培養(yǎng)液[11-12]，調(diào)節(jié)pH為6.8[13]，在121 ℃下高溫滅菌20 min，待其冷卻后接入木醋桿菌.在28 ℃恒溫的條件下靜置培養(yǎng)7 d.將所得BC膜用乙醇浸泡一段時(shí)間，再用去離子水清洗3次，置于50 ℃烘箱中干燥至恒重，保存在樣品袋中.

1.2.2 CoPcS/BC復(fù)合材料的制備

配制含葡萄糖2.4%、酵母浸膏0.3%、蛋白胨0.3%、磷酸二氫鉀0.1%、磷酸氫二鈉0.2%、乙醇0.6%的培養(yǎng)液，加入適量的CoPcS(0～225 mg/L).調(diào)節(jié)pH為6.8，在121 ℃下高溫滅菌20 min，待其冷卻后接入木醋桿菌.在28 ℃恒溫的條件下靜置培養(yǎng)7 d.將所得復(fù)合膜用乙醇浸泡一段時(shí)間，再用去離子水清洗3次，置于50 ℃烘箱中干燥至恒重，保存在樣品袋中.

1.3 材料表征

1.3.1 場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)測試

剪取面積約1 cm×1 cm的CoPcS/BC樣品，經(jīng)液氮冷凍干燥后，用導(dǎo)電膠將CoPcS/BC固定于樣品臺上進(jìn)行噴金處理，設(shè)置加速電壓為15 kV，觀察CoPcS/BC復(fù)合材料的表面形貌.

1.3.2 CoPcS/BC復(fù)合材料的產(chǎn)率計(jì)算

1.3.3 原子吸收光譜(AAS)的測定

圖1 氯化鈷溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of CoCl2 solution

配制6組(1、2、3、4、5、6 mg/L)氯化鈷標(biāo)準(zhǔn)溶液.稱取適量的CoPcS/BC樣品，加入適量的濃HNO3溶液，在超聲條件下使其完全消解后稀釋至適宜的濃度.由原子吸收光譜測定所得樣品溶液中Co2+的含量，并換算成CoPcS的含量.圖1所示為利用原子吸收光譜擬合的Co2+線性曲線.

1.3.4 CoPcS/BC中CoPcS負(fù)載量的計(jì)算

1.3.5 傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)的測定

取一定量的樣品，加入適量溴化鉀，研缽磨成細(xì)粉，用模具和壓片器制成薄膜，放于傅立葉變換紅外光譜儀中掃描，得到樣品參數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 CoPcS/BC復(fù)合材料的培養(yǎng)過程

圖2為CoPcS/BC復(fù)合材料的制備過程示意圖.BC的培養(yǎng)過程需經(jīng)歷如下步驟：木醋桿菌首先吸收培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行自身新陳代謝作用的同時(shí)產(chǎn)生少量的纖維短絲，然后逐步形成長纖維，纖維分子間再通過范德華力和氫鍵相互作用構(gòu)建成獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).一定時(shí)間后，木醋桿菌離開已形成的三維網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)產(chǎn)生新的纖維素，重復(fù)這個(gè)循環(huán)最終得到較為結(jié)實(shí)的BC膜.相應(yīng)地，在CoPcS/BC復(fù)合材料制備過程中，部分CoPcS小分子通過范德華力被吸附到已形成的BC上，新形成的細(xì)菌纖維素納米纖維將堆積到吸附CoPcS的BC上，將CoPcS包裹于其中.通過這種方式，CoPcS被均勻分散在BC的三維網(wǎng)絡(luò)中而形成CoPcS/BC納米復(fù)合材料.

圖2 負(fù)載CoPcS對培養(yǎng)過程的影響Fig.2 The influence of the incorporated CoPcS on the cultivation process

2.2 CoPcS/BC復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)

圖3為不同CoPcS負(fù)載量的CoPcS/BC復(fù)合膜光學(xué)照片.圖3A為未摻入CoPcS的BC膜，其整體呈乳白色.隨著CoPcS負(fù)載量的增加，經(jīng)原位生物合成的CoPcS/BC復(fù)合膜顏色逐漸加深(圖3B-3E)，宏觀上由淡青色逐漸變?yōu)樯钏{(lán)色.當(dāng)CoPcS加入量為150 mg/L時(shí)，可觀察到CoPcS/BC復(fù)合膜呈現(xiàn)明顯的深藍(lán)色，且顏色分布較為均勻，因此在宏觀水平上證明了CoPcS在BC中有良好的分散性.

注：培養(yǎng)液中CoPcS的加入量自左向右分別為0、37.5、75、112.5、150 mg/L.

CoPcS/BC復(fù)合材料的性能很大程度上取決于CoPcS在BC聚合物基體中的分散程度.筆者通過FESEM探究了CoPcS/BC復(fù)合材料的形貌，并將其與未摻入CoPcS的BC膜相比較.由圖4a可見，細(xì)菌纖維素納米纖維之間堆疊形成明顯的三維網(wǎng)絡(luò)孔洞結(jié)構(gòu)，纖維直徑約為數(shù)十納米.當(dāng)CoPcS摻雜到纖維素時(shí)，可觀察到CoPcS分散在納米纖維的表面及三維網(wǎng)絡(luò)的空隙之中，使得纖維之間的堆疊更加緊密(圖4b).同時(shí)，CoPcS/BC中CoPcS的分散較為均勻，從微觀角度進(jìn)一步證實(shí)了BC可作為CoPcS理想的載體材料.此外，還可觀察到CoPcS已形成了連續(xù)的結(jié)構(gòu)，這對于制備具有良好催化性能的聚合物基復(fù)合材料是非常重要的.

圖4 BC和CoPcS/BC的場發(fā)射掃描電鏡圖Fig.4 FESEM images of BC and CoPcS/BC

2.3 CoPcS/BC膜的紅外光譜分析

(a)BC;(b)CoPcS;(c)CoPcS/BC.

2.4 制備條件對CoPcS/BC產(chǎn)率的影響

圖6為培養(yǎng)時(shí)間和CoPcS初始濃度對CoPcS/BC復(fù)合材料產(chǎn)率的影響.前4天，木醋桿菌基本不合成CoPcS/BC復(fù)合材料(圖6a)，主要原因在于酞菁的苯環(huán)結(jié)構(gòu)對細(xì)菌具有抑制作用，延長了木醋桿菌的產(chǎn)膜期.木醋桿菌從第5天開始快速生產(chǎn)CoPcS/BC，第7天時(shí)CoPcS/BC的產(chǎn)量可達(dá)1.27 g/L.進(jìn)一步延長培養(yǎng)時(shí)間并不會提高CoPcS/BC的產(chǎn)量，這主要是由于后期培養(yǎng)過程中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的降低和酮酸物質(zhì)的累積，使得培養(yǎng)液的環(huán)境不利于木醋桿菌的繼續(xù)生產(chǎn)，從而抑制了CoPcS/BC的合成[19].因此，確認(rèn)7 d為CoPcS/BC復(fù)合材料的最佳培養(yǎng)時(shí)間.

在較低濃度時(shí)，隨著CoPcS濃度的增加，CoPcS/BC的產(chǎn)量基本保持不變.當(dāng)CoPcS質(zhì)量濃度達(dá)到150 mg/L以上時(shí)，進(jìn)一步提高CoPcS濃度將導(dǎo)致CoPcS/BC產(chǎn)率明顯下降(圖6b).一方面，CoPcS的芳環(huán)結(jié)構(gòu)對木醋桿菌的生長具有抑制作用，在CoPcS濃度較高的情況下，抑制效果明顯，致使細(xì)菌失活，膜產(chǎn)率顯著降低.另一方面，高濃度時(shí)CoPcS可能大量覆蓋在木醋桿菌表面，阻礙其與營養(yǎng)物質(zhì)接觸，使得部分木醋桿菌無法正常合成細(xì)菌纖維素，從而導(dǎo)致CoPcS/BC復(fù)合膜產(chǎn)率大幅下降.當(dāng)CoPcS質(zhì)量濃度達(dá)到150 mg/L以上時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯，嚴(yán)重影響CoPcS/BC復(fù)合膜產(chǎn)量.當(dāng)CoPcS添加量達(dá)到225 mg/L以上時(shí)，CoPcS/BC復(fù)合膜無法正常形成.

圖6 培養(yǎng)時(shí)間和CoPcS濃度對CoPcS/BC產(chǎn)率的影響Fig.6 Influence of culture period and initial CoPcSconcentration on productivity of CoPcS/BC圖7 CoPcS添加量對CoPcS/BC中酞菁負(fù)載量的影響Fig.7 Influnence of CoPoS addition on CoPcSloading in CoPcS/BC

2.5 制備條件對CoPcS/BC負(fù)載量的影響

圖7是CoPcS初始濃度對CoPcS/BC復(fù)合膜中CoPcS包覆率的影響.通過原子吸收光譜對樣品進(jìn)行測定，證明復(fù)合膜中含有Co2+，進(jìn)一步確定了CoPcS能成功負(fù)載在BC上.由圖7可見，隨著CoPcS溶液濃度的增加，CoPcS/BC復(fù)合膜中CoPcS負(fù)載量逐漸上升.但進(jìn)一步增加CoPcS濃度，將使CoPcS負(fù)載量顯著下降.如前文所述，當(dāng)CoPcS加入量達(dá)到一定值后，CoPcS的團(tuán)聚作用明顯加劇，此時(shí)CoPcS難以被均勻摻入BC中；同時(shí)，高濃度的CoPcS將使木醋桿菌難以接觸培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)，從而導(dǎo)致BC無法正常生產(chǎn).本文選擇最佳的培養(yǎng)液中CoPcS的質(zhì)量濃度為150 mg/L，此時(shí)所得的CoPcS/BC復(fù)合膜中CoPcS負(fù)載量可達(dá)110.9 mg/g以上.

3 結(jié)論

將CoPcS加入到含有葡萄糖、酵母浸膏、蛋白胨、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、乙醇的培養(yǎng)液中，采用原位生物合成技術(shù)，經(jīng)木醋桿菌發(fā)酵培養(yǎng)后制備得到磺化酞菁鈷-細(xì)菌纖維素復(fù)合膜(CoPcS/BC).當(dāng)培養(yǎng)液中CoPcS的質(zhì)量濃度為150 mg/L時(shí)，經(jīng)過7 d培養(yǎng)后，CoPcS/BC復(fù)合膜的產(chǎn)率可達(dá)到1.27 g/L，復(fù)合膜中CoPcS負(fù)載量約為110.9 mg/g.