生物基纳米碳包覆纳米材料(Mn,Co)的制备研究

生物基纳米碳包覆纳米材料(Mn,Co)的制备研究 生物基纳米碳包覆纳米材料(Mn,Co)的制备研究 生物基纳米碳包覆纳米材料Mn, Co的制备研究 1,2 1,2 1,2 1,2 3 邱介山 安玉良 李杞秀 周颖 杨青 1 大连理工大学材料化工系炭素材料研究室 大连 116012 2 大连理工大学三束材料改性国家重点实验室 大连 116023 3 大连理工大学环境与生命科学学院 大连 116023 摘要 碳包 覆纳米金属材料作为一种新型的纳米材料在磁记录介质 癌症诊断与治疗 吸波 材料和静电印刷等诸多领域有着巨大的潜在应用前景 本文提出一种制备碳包覆纳米材料的 一种新方法 即 以生物蛋白为前驱体材料 以蛋白质肽链构成的空心结构作为合成碳包覆 纳米材料的纳米级模板反应器 然后经热处理使肽链分解 肽链分解后残留的碳作为碳源形 成富勒烯类空心纳米材料的壳体并将填充在蛋白质空心结构内部的金属材料包覆起来 这是 一个介于生物工程和纳米材料科学学科领域的新方向 本文将详细介绍以此技术方法制备碳 包覆的纳米级锰 钴铁磁性材料的实验结果 关键词 碳包覆纳米材料 铁蛋白 矿化组装 炭化 1 前言 [1] [2] [3] 自 1985 年发 现富勒烯以来 相继发现了各种形态的碳纳米材料如碳纳米管 碳葱 [4-6] 和它们的填充各种金属的纳米结构材料 其中碳包覆金属纳米粒子是在具有类似富勒烯 结构的碳葱的空心处填充金属颗粒得到的一种纳米材料 由于其特殊的结构和奇特的性质使 其在电磁学 医学 化学 及微电子学等领域均显示出广泛的应用前景 迄今为止 文献报道 [7] [8] [9] 的制备碳包覆纳米材料的方法有多种 包括电弧法 激光法 微孔碳热解法 和爆炸法 [10] 等 这些技术方法各有特点 但不管用哪种方法 得到的碳包覆金属纳米材料产品中通 常含有大量的杂质 且产品的形态和结构难于控制 有鉴于此 有必要发展一种能够克服上 述不足之处的合适的技术方法以实现碳包覆纳米金属材料的可控制备 本文提出 一 种以生物 蛋 白分子为 限 域性纳米 模 板反应器 来 制备 碳包 覆 纳米材料 的新 方 法 首先通过生物模拟矿化组装将金属离子填充到蛋白分子的空腔内部 然后通过控温炭化 来合成粒度均匀的碳包覆金属纳米粒子 这是一种控制碳包覆纳米材料的形态和结构的理想 方法 将为碳包覆金属纳米材料的制备 性能和结构研究提供一种新途径 2 实验部分 2 1 脱铁蛋白的金属矿化组装 1 锰的蛋白矿化组装 -5 取脱铁蛋白Apoferritin, AF100?l10 mmol, 加到 5.0ml pH 为 8.50 的 Tris-HCl 0.01M 缓冲溶液中 然后于上述缓冲体系中加入 50mL 的 MnCl 溶液0.1M 并每间隔 30min 加 2 入当量 MnCl 溶液 如此循环进行 4 次 Mn/AF 摩尔比 约为 2200 上述反应在恒温震 2 荡器中进行 温度为 25 并保持 12h 2 钴的蛋白矿化组装 基金项目 国家自然科学基金 20173007 和教育部科学技术重点项目 作者简介 邱介山 男 山东人 大连理工大学化工学院教授 博士生导师 主 要从事炭素 材料 等离子体化工 多相催化等方面的教学和科研工作 E-mail: jqiu@//0>. -5 取脱铁蛋白 100?L10 mmol 加到 5.0ml pH 为 8.50 的 Na Ba O 0.02M 缓冲溶液中 2 4 7 然后加入 25ml CoNO 溶液0.1M 和 23ml H O 溶液 3% 并间隔 10 min 加入上述 当量 3 2 2 2 溶液 如此循环 8 次 Co/AF 摩尔比 约为 2000 上述反应 于恒温震荡器中进行 温度为 25 并保持 12h 2 2 碳包覆纳米材料的制备 将上述矿化处理的蛋白溶液进行离心分离 除去絮凝物 然后在真空条件下干燥 经过 -2 数小时干燥后 留下的固体凝积物沉积于石英管内壁 之后 分别采用真空炭化 1 10 torr 3 和氢气气氛下炭化 流量 20cm /min 工艺对所得到的锰和钴的矿化蛋白材料进行炭化处理 对锰的矿化蛋白材料 采用真空炭化方式进行处理 其程序升温过程如下 对钴的矿化蛋白材料 采用氢气气氛保护下的炭化方式处理 其程序升温过程如下 蛋白材料经过上述炭化处理后 即得到碳包覆的锰或钴纳米材料 这些产物呈黑色 附 着在石英管的内壁上 在石英管中加入少量乙醇并辅以超声震荡即可以顺利回收 2 3 测试 采用透射电子显微镜 TEM 分别对炭化处理前的矿化蛋白材料和炭化后的碳包覆纳 米进行观察 分析 对于 蛋白矿化材料 是将样品溶液直接滴在覆有碳膜的铜网上 晾干后 进行电镜分析和 EDX Energy Dispersive X-ray 元素分析 对于炭化后的蛋白材料 先将 少量样品置于乙醇中超声处理 10min 之后取几滴产品溶液于碳膜的铜网上 晾干后进行电 镜观察 采用的 TEM 型号为 JEM 2000EX 工作电压 10kV 3 结果与讨论 在模拟生物条件下 金属离子与脱铁蛋白进行生物模拟矿化反应 将金属粒子的前驱体 材料组装到脱铁蛋白的孔腔内部从而形成粒度均一的纳米粒子 加入 Mn 盐溶 液于脱铁 蛋白的 Tris-HCl 缓冲液 中 溶液颜色由无色变成棕黄色 Mn 离子 在脱 铁蛋白作用下和 空气中的氧发生氧化还原反应 生成 Mn 氧 化物并被组装到脱铁蛋白的空腔内 TEM 研 究证实 填 充锰得到的 蛋白材料具 有球形的核 见图 1 呈单分散状 态 颗粒尺 寸大约为 5-7nm 左右 这一粒度尺寸与蛋白分子的内径相比略小 EDX 元素分析证实了锰元素的存 在 见图 2 说明锰的前驱体材料被填充到蛋白材料的内部孔腔中 在钴的矿化反应中 加入双氧水后 溶液颜色很快发生变化 经 9 次 循环后 反应溶 液 有无色转变成褐黄色 有时在实验中会观察到微量絮状沉淀产生 可能是发生非蛋白矿化反 应而导致沉淀的生成 TEM 研究发现 钴矿化脱铁蛋白的核心是粒度比较均匀的纳米粒子 见图 3 EDX 分析同样证实有钴的存在 见图 4 说明 钴的前驱体材料被填充到蛋白材 料的内部孔腔中 图 1 锰矿化脱铁蛋白的 TEM 照片 图 2 锰矿化脱铁蛋白的 EDX 谱图 Fig. 1 TEM images of mineralizedFig. 2 EDX spectrum of mineralized Apoferritin with manganese coresapoferritin containing Mn图 3 钴矿化脱铁蛋白的 TEM 照片 图 4 钴矿化脱铁蛋白的 EDX 谱图 Fig. 3 TEM images of mineralized Fig. 4 EDX spectrum of mineralized apoferritin with cobalt cores apoferritin containing Co 金属离子的蛋白矿化组装反应是一种特殊的生物矿化过程 脱铁蛋白是由 24 个亚单元 组成的一种蛋白质分子 是一种结构十分稳定的储存铁的蛋白材料 这些由多肽所组成的亚 [11] 单元构成了内径为 6-8nm 球状空腔 结构 能够容纳数千金属原子 根据侧链基团的不同 这些亚单元可分为两类 H Heavy 单元和 LLight 单元 在 H L 单元上 含有各种功能 基团的侧链 这些侧链能提高蛋白的矿化速率 此外 存在于蛋白的亚基中的螺旋结构能包 容很多水分子 这些水分子在蛋白矿化过程中的电荷转移过程中起到了至关重要的作用 在蛋白的矿化组装反应过程中 金属离子是通过蛋白分子之外壳上的孔道进入蛋白空腔 的 连接蛋白内侧与外侧的通道有两种 即三重叠通道和四重叠通道 四重叠通道排列有疏 水残基 而三重叠通道排列有亲水性的残基 这些贯穿蛋白壳体的亲水性孔道为离子或分子 [12] 的进出提供了通道 在这些孔道内 存在一些活性基 金属离子可与这些活性 基进行络 合 同时这些活性基进一步将金属离子转移到蛋白空腔内 最后 金属离子和蛋白内部的残基相互作用成核于其空腔内部 蛋白壳体内侧排列有大量的亲水残基 这些内部残基对于络 合 氧化和聚集金属离子有决定性的作用 在生物矿化反应过程中 脱铁蛋白内表面的残基 组成高密度电荷区和金属离子产生电子静电作用促进矿化核种的形成 其金属离子进一步在 核种上聚集 成长 直 至形成一定大小的纳米粒子 如图 1 和图 3 所示 脱铁蛋白的矿化 反应是个自催化过程 脱铁蛋白通过内表面的成核基补充静电 这个过程促进了低价金属离 2+ 2+ 子 Mn 或 Co 氧化 水解反应 这个过程和铁的矿化过程相似 其 区别在于矿化过程 发 生的在不同成核基上 二价金属离子通过蛋白壳上发生氧化水解反应生成均相产品 即使在 过量的氧化剂存在下也没有沉淀产生 这意味着具有空腔结构的蛋白分子能够控制金属离子 的氧化水解反应完成蛋白的矿化填充过程 这种空间限域性反应是动力学控制的结果 蛋白 分子本身的催化功能促使无机纳米离子在其空腔内部发生反应 从而有效地 阻止了大颗粒沉 淀物的生成 纳米粒子在蛋白空腔内部的形成是空间选择矿化过程和没有蛋白分子存在下的 [13] 沉淀反应之竞争的结果 正是上述这些复杂的生物无机化学反应的综合影响 最终使 无 机金属离子组装成纳米颗粒并填充在限域性的蛋白空腔内 在金属离子的整个矿化组装过程 中 蛋白的壳体起到了决定性的作用 整个过程是通过蛋白壳体上有关单元上的各种残基的 协同作用下完成的 将锰金属离子矿化组装得到的蛋白 材料进一步 炭化即可制 备出准球形 的碳包覆金属 纳米粒子 在锰蛋白炭化之前 首先将处于溶液中的蛋白材料在真空的状态下进行干燥 以 防止蛋白的 四级结构发 生变化 随后 对矿化 蛋白的固体 材料进行炭 化处理以制 备碳包覆 纳米材料 从图 5 可以看出 的确 制得了大量 的碳包覆的 锰纳米颗粒 所得到的 碳包覆锰 金属纳米粒子的粒度比较均匀的 其大小在几 nm 十几 nm 左右 TEM 研究发现 在产 物 中有少量的大的金属颗粒存在 意味着在真空炭化过程中, 小 颗粒的金属 粒子可能发生了熔 并 从而形成大的颗粒 从钴填充的蛋白材料的炭化产物 碳包覆纳米钴颗粒来看 图 6A 和 6B 来看 除了得到粒度比较均一的球形的碳包覆钴纳米颗粒外 还发现了较大的的囊 状的炭化物生成 图 5 由锰矿化脱铁蛋白所得到的碳包覆锰纳米颗粒的 TEM 照片 Fig. 5 TEM images of carbon encapsulated Mn nanoparticles by carbonizing manganese mineralized apoferritin 图 6 由钴矿化脱铁蛋白所得到的碳包覆钴纳米颗粒的 TEM 照片 Fig. 6 TEM images of carbon encapsulated Co nanoparticles by carbonizing manganese mineralized apoferritin 大量的实验研究表明 炭化过程的工艺参数对炭化产品的结构和形态有较大的影响 对锰的组装蛋白材料 我们采用真空炭化工艺来制备碳包覆纳米材料 实验探索了各种升温 过程对其产品质量的影响 发现 升 温速率过快 所得到的产品发生凝结形成大的金属颗粒 其原因可能是由于升温速率过快 对蛋白的结构破坏较大并导致蛋白空腔内所包容的金属粒 子发生熔并 所以 炭 化时宜采用低的升温速率 当升温速率低于 3 /min 时 炭 化得到的 碳包覆纳米颗粒的形貌和组成变化不大 对于锰的矿化蛋白的炭化研究表明 炭化温度不宜 超过 650 当温度超过 650 时 所 得到的碳包覆锰纳米粒子的外观形貌不是太理想 具 体的原因有待进一步查明 除真空炭 化 外 我们 亦 对矿化蛋 白 在不同气 氛 下 Ar H , N 的炭化 行为进行 了 研 2 2 究 对于钴的组装蛋白 采用真空炭化和惰性气体保护炭化的方法 均未得到理想的均匀的 碳包覆纳米钴材料 而采用氢气气氛下的炭化方法 则制得了碳包覆钴的纳米颗粒 上述结 果表明 不同的炭化方法及炭化过程中采用的气氛对矿化蛋白的炭化均有一定的影响 以氢 气为保护气时 在蛋白的炭化过程中 氢气有可能参与炭化反应 使其反应过程和上述锰的 矿化蛋白之真空炭化过程有所不同 在炭化产品中发现大的囊状物可能就是两者之差别的反 [14] 映 此外 钴是一种有助于促进碳结构生长的催化剂 在此炭化过程中也有可 能起到一 定催化作用众所周 知 蛋白质是由各种氨基酸所组成的 氨基酸通过氨基和羧基连接起来进一步构 成肽链 后者按照一定的空间构象组成蛋白的亚单元 在加热炭化过程中 组成蛋白的有机 质将逐步发生热分解析出 CO CO NH NOx 等气体而 残留的部分将逐渐向类富勒烯的 2 3 炭转化 通常构成蛋白除了 C 和 H 之外 还含有大量的 O 和 N 以及少量的 S 和 P 等元素 在加热时 O 和 N 等元 素大部分将 H O 和 NH 等小分子等形式挥发出去 剩余的 C 和 H 2 3 在进一步热处理时将转化成各种类石墨烯结构 这些类石墨烯结构进一步发生重构 最终形 成类石墨片层包覆在纳米金属粒子的表面 形成准球形的碳包覆纳米材料 换言之 在蛋白 材料的炭化过程中 蛋白的壳体发生热解生成低分子量的小分子化合物挥发出去 剩下大分 [15] 子量的炭质固体包覆在金属粒子的表面形成碳包覆材料 应当指出 生物蛋白材料的炭 化热解过程是个极其复杂的生物有机质分解 重构化并形成炭基材料的过程 有关这方面的研究 在文献中基本没有报道 其反应机理目前还不是十分清楚 还需大量实验工作对其深 入研究 图 7 以脱铁蛋白为纳米级限域性反应器制备碳包覆金属纳米材料的示意图 Fig. 7 Schematic diagram of preparing carbon encapsulated nanoparticles with apoferritin as constrained nano-sized reactor 综上所述 基于生物蛋白分子的生物模拟矿化组装和控温炭化, 成功地制备出碳包覆的 纳米级金属 Mn Co 材料 此方法将生物无机化学和炭纳米技术有机的融合在一起 相 信随着蛋白质工程的发展 这种新的技术方法将为高质量碳包覆纳米材料的大量制备提供一 种可能的新途径 4 结论 以生物材料 脱铁蛋白 为纳米级限 域性模板反 应器 通过 矿化组装填 充金属前 驱 体 材 料 然后 经控温炭化制得了粒度均一的准球形的碳包覆金属纳米材料 通过控制蛋白矿化 反应的参数 可以有效地将 Mn 和 Co 金属离子组 装到蛋白分子的空腔内部 并通过采用真 空炭化和氢气保护炭化工艺分别合成了碳包覆的 Mn 和 Co 纳米材料 文中 讨论了相关的蛋 白矿化组装和蛋白炭化反应机理 本文介绍的这种制备碳包覆金属纳米材料 的新方法开辟了 全新的交叉研究领域 为碳包覆纳米材料的发展提供了更广阔的空间 参考文献 [1] Kroto H W, Heath J R, Brien S C O, et al. 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