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生物基碳纳米材料的制各与性质研究 摘要 碳纳米材料具有独特的结构和众多奇异的物理化学性质，在诸多科学技术领域显示 出巨大的潜在应用价值，近1 0 年来逐渐成为国内外关注的一个研究热点。本论文以生 物材料为基质制备碳纳米材料，并对其结构、性质及制备过程进行了较系统的研究，主 要内容如下： 以一种具有空心结构的脱铁蛋白为纳米级限域性模板反应器合成碳包覆金属纳米 材料，即：以脱铁蛋白( 其空心结构由蛋白质肽链构成) 作为合成碳包覆纳米材料的纳 米级限域性模板反应器，首先采用化学组装技术方法将拟包覆金属的前驱体填充到蛋白 质肽链构成的空腔内，然后在温和可控的条件下进行热处理，使蛋白质肽链热分解，其 中生成的碳构成富勒烯类空心纳米壳体并将填充在蛋白质空心内部的金属材料包覆起 来，得到碳包覆的金属纳米材料。考察了蛋白矿化反应参数对脱铁蛋白矿化组装结果的 影响，并讨论了其矿化机理；分别采用真空炭化工艺、还原炭化工艺成功制备出粒度分 布均匀的碳包覆锰、钴纳米材料；采用t e m 和e d x 等对产品结构和组成进行了表征分 析，并初步讨论了碳包覆金属纳米材料的生长过程和机制。 以多糖( 淀粉、纤维素) 为基质通过控温还原炭化工艺成功制各出碳包覆金属纳米 材料，综合采用t e m 、h r t e m 、s e m 、e d x 、x r d 、r a n l a r l 、i r 光谱、u v v i s 光谱 等技术手段对产品的形态、结构、组成和性质进行了全面的分析研究。首先以淀粉为基 质在氢气气氛下炭化制备出大量的碳包覆铁纳米材料，通过改变金属前驱体中金属氧化 物的成分，成功制备出碳包覆f e c o 复合金属纳米材料；以纤维素为基质采用还原炭化 工艺亦成功地制备出碳包覆金属纳米材料；得到的碳包覆金属纳米颗粒呈准球形的核壳 结构，粒度比较均一。这些结果表明，淀粉和纤维素是制备碳包覆纳米材料的理想碳前 躯体。阐述了碳包覆金属纳米材料的形成机理；指出多糖基碳包覆纳米材料的形成过程 包括炭化过程和催化石墨化过程两个阶段。此外，以淀粉为前躯体采用电弧法成功制各 出形态规整的纳米碳球，其粒径分布均匀，石墨化程度高。 以铁蛋白为催化剂前躯体，采用化学气相沉积方法进行了碳纳米管的制备研究。以 煤气为碳源气相生长出大量碳纳米管，对产品形态、结构进行表征分析，并对其生长的 影响因素进行研究，优化了工艺参数；通过调节反应时间等参数成功制各出定向生长的 碳纳米管阵列。实验进一步以含硫有机化合物( 噻吩、二硫化碳) 为碳源制备出y 形碳 纳米管，结果表明硫是y 形碳纳米管生长的重要因素，并以此提出了y 形碳纳米管的 生长机理：为进一步考察催化剂对碳纳米管生长的影响，以二茂铁为催化剂热解煤气制 各出单壁碳纳米管，并对其形态、结构以及生长机理进行了研究。实验通过电化学测试 分析考察了碳纳米管作为电极材料的可行性，发现碳纳米管作为电容器的电极材料具有 良好的电化学性能和较高的稳定性。 关键词：生物材料，碳包覆金属纳米材料，碳纳米管，脱铁蛋白，淀粉，纤维素 + 生塑至型塑鲞翌型塑型墨皇竺星至塞 a b s t r a c t c a r b o nn a n o m a t e r i a l sa r ec u r r e n t l yt h ef o c u so f r e s e a r c ha r o u n dt h ew o r l db e c a u s eo ft h e i r u n i q u em i c r o s t r u c t u r e sa n de x t r a o r d i n a r yp r o p e r t i e sa sw e l la sg r e a tp o t e n t i a li nm a n yf i e l d s o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i st h ep o s s i b i l i t yf o rp r e p a r i n gc a r b o nn a n o m a t e r i a l s b a s e do nn a t u r a lb i o m a t e r i a l sh a sb e e n e x p l o r e d ，a n dt h em o r p h o l o g y , s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s o ft h eo b t a i n e dc a r b o nn a n o m a t e r i a l sa r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，o nt h eb a s i so fw h i c ht h e g r o w t hm e c h a n i s mo f c a r b o nn a n o m e t e r i a l sa r ca d d r e s s e d an o v e la p p r o a c hf o r p r e p a r i n gc a r b o ne n c a p s u l a t e dn a n o m a t e r i u l sw i t ha p o f e r r i t i na st h e s t a r t i n gn a n o s i z e dr e a c t o rh a sb e e nd e v e l o p e d ，i nw h i c ha p o f c r r i t i nm o l e c u l e s ，ak i n do f b i o m a t e r i a l 、i t l lh o l l o w c a g e s i su s e d t ot r a pt h e p r e c u r s o r s o f m e t a l st ob e e n c a p s u l a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h el l a n o s i z e dm e t a lp a r t i c l e sc a nb ee f f e c t i v e l ye n c a p s u l a t e di n s i d et h e c a r b o ns h e l l sr e s u l t i n gf r o mt h e p y r o l y s i sd e c o m p o s i t i o no f p r o t e i nm o l e c u l e su n d e rm i l da n d c o n t r o l l a b l ec o n d i t i o n s c a r b o ne n c a p s u l a t e dm na n dc on a n o m a t e r i a l sa r c p r e p a r e db y c a r b o n i z a t i o nu n d e rv a c u u mc o n d i t i o n so ri n n o w i n gh y d r o g e n ，r e s p e c t i v e l y t h e m e c h a n i s m so fm i n e r a l i z a t i o na n dc a r b o n i z a t i o na r ed i s c u s s e di nt e r m so ft h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f p r o t e i n ap r a c t i c a la n de f f i c i e n tr o u t ei s d e v e l o p e d f o rt h ef i r s tt i m ef o r m a k i n gc a r b o n e n c a p s u l a t e dm e t a ln a n o m a t e r i a l s 稍t l la m y l a s ef s t a r c ha n dc e l l u l o s e ) 晒t h es t a r t i n gm a t e r i a l i th a sb e e nf o u n dt h a tf ep a r t i c l e sc a nb ee f f e c t i v e l ye n c a p s u l a t e di n s i d ec a r b o ns h e l l sb y c a r b o n i z i n gm i x t u r e so f s t a r c ha n di r o no x i d ei nf l o w i n g h y d r o g e n f o l l o w i n g t h ea b o v e r o u t e ， c a r b o ne n c a p s u l a t e db i m e t a l l i c p a r t i c l e sa r ea l s os y n t h e s i z e ds u c c e s s f u l l y 髓ep r e p a r a t i o no f c a r b o ne n c a p s u l a t e dn a n o m a t e r i a l sw i t hc e l l u l o s ea st h es t a r t i n gm a t e r i a li sa l s os u c c e s s f u l w h i c hi sa t t r i b u t e dt ot h e s i m i l a r i t yi nc o m p o s i t i o na n d s t r u c t u r eo fs t a r c ha n dc e l l u l o s e t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tb o t hs t a r c ha n dc e l l u l o s ea r eo n eo ft h ei d e a lc a r b o np r e c u r s o r sf o r p r e p a r i n gc a r b o ne n c a p s u l a t e dn a n o m a t e r i a l s t h ep r o d u c t sa r ec h a r a c t e r i z e du s i n gan u m b e r o ft e c h n i q u e si n c l u d i n gt e m ，h i h e m ，s e m ，e d x ，己d ，r a n l a n ，i ra n du v v i s i th a s b e e nf o u n dt h a tc a r b o ne n c a p s u l a t e dn a n o m a t e r i a l sh a v ea l li d e a lc o r e - s h e l ls t r u c t u r ew i t ha n a r r o ws i z ed i s t r i b u t i o n i na d d i t i o n , p r e l i m i n a r yr e s u l t ss h o wt h a tc a r b o nn a n o b a l l s 、析ma n a r r o ws i z ed i s t r i b u t i o nc a l la l s ob em a d ef r o ms t a r c hv i aa r c d i s c h a r g em e t h o d 。t h e m e c h a n i s mi n v o l v e di nt h e g r o w t hp r o c e s so fc a r b o ne n c a p s u l a t e dn a n o m a t e r i a l si sa l s o a d d r e s s e d ，i nw h i c hi ti sb e l i e v e dt h a tt w os t e p s ，i e t h et h e r m o l y s i so f p r e c u r s o ra n dt h e c a t a l y t i cg r a p h i t i z a t i o no f c a r b o n i z e dm a t e r i a l s ，a r ei n v o l v e d t h ep o s s i b i l i 移o fm a k i n gc a r b o nn a n o t u b e s ( c n t s ) f r o md i f f e r e n t c a r b o n c o n t a i n i n g s o u r c e sv i ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o nm e t h o di sa l s oe x p l o r e d , i nw h i c hb i o m a t e r i a l so r - - i i - - 生物基碳纳米材料的制备与性质研究 o r g a n i cs u b s t a n c ea r eu s e da sc a t a l y s t s w i t hf e r r i t i na sc a t a l y s t ，c n t sa l ep r e p a r e df o rt h e f i r s tt i m ef r o mc o a lg a s ，w h i c hl e a d so n et ob e l i e v et h a tf e r r i t i ni sa ni d e a lc a t a l y s tp r e c u r s o r f o rc o n t r o l l i n gg r o w t ho f c a r b o nn a n o t u b e sa n dc o a lg a si so n ei d e a lc a r b o ns o u r c ef o rc n t s u n d e rt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n s ，i ti sa l s op o s s i b l et op r e p a r ea l i g n e dc n t s w i t ho r g a n i c s u l f u rc o m p o u n da sc a r b o ns o b i c e ，y - j u n c t i o nc n t sa r eo b t a i n e d ，o fw h i c ht h eg r o w t h m e c h a n i s mi sb d e f l yd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts u l f u rm a yp l a yak e yr o l ef o rt h e g r o w t ho f j u n c t i o n s f u r t h e r m o r e ，s i n g l ew a l l e dc n t s a r es y n t h e s i z e df r o mc o a lg a sw h e n f e r r o c e n ei su s e da sc a t a l y s t , i n d i c a t i n gt h a tc a t a l y s th a sa ni m p o r t a n te f f e c to nm o r p h o l o g i e s a n ds t r u c t u r e so fc n t s i na d d i t i o n ，t h ep o t e n t i a lo fc n t si nt h ef i e l do fe l e c t r o c h e m i s t r yi s e x p l o r e d ，o f w h i c ht h ep r e l i m i n a r yr e s u l t sl e a do n et ob e l i e v et h a tc h i t si sa ni d e a le l e c t r o d e m a t e r i a l sf o rs u p e r o c a p a c i t o r s k e y w o r d s ：b i o m a t e r i a l s ，c a r b o ne n c a p s u l a t e d n a n o p a r t i c l e s ，c a r b o n n a n o t u b e s ， a p o f e r r i t i n ，s t a r c h ，c e l l u l o s e - - l l i 生物基碳纳米材料的制各与性质研究 月i j吾 进入富有挑战性的2 1 世纪，人们面临一场正在兴起并蓬勃发展的以信息、材料和 生命科学技术为支柱的新工业革命。正像2 0 世纪的电子信息技术一样，纳米技术将成 为新世纪又一主导技术。社会的发展、经济的振兴和国家安全对高技术的需求越来越迫 切，元器件的超微化、高密度集成和空间高分辨要求材料的尺寸越来越小，纳米材料将 首充为重要角色。纳米材料是纳米科技领域中最富有活力、研究内涵的学科分支，随着 时代的发展，纳米材料研究内涵不断扩大，从纳米颗粒( 如纳米晶、纳米相等) 以及由 他们组成的薄膜与块体，发展到纳米丝、纳米管和介孔材料等，这些结构极大地扩大了 纳米材料的研究领域，这其中碳纳米材料是近些年来研究的热点。 1 9 8 5 年笼型碳分子c 6 0 的发现及1 9 9 0 年c 6 0 的宏观量制各引发了国际性富勒烯的 研究热潮，这直接导致了数种具有特殊结构的新型纳米碳材料的发现，其中包括被认为 巨型富勒烯的碳纳米管和巴基葱等。这些具有独特结构和性质的新型纳米碳材料的发现 开辟了全新的科学研究领域，已在凝聚态物理、材料科学、化学及纳米电子元器件等领 域形成众多有重要科学价值和潜在应用前景的研究热点。碳纳米管是一种新型单质碳结 构，它是由碳原子形成的石墨烯片层构成的无缝、中空的管体。一般可分为单壁碳纳米 管和多壁纳米碳管。由于碳纳米管具有优良的电学、力学、化学以及磁学等性能，使其 在众多领域具有广阔的应用前景。除了上述纯碳形式的碳纳米管等是目前研究热点外， 其他碳纳米复合材料也由于其具有奇特的物化性质在某些领域有著巨大的研究价值。如 1 9 9 3 年碳包覆金属纳米材料的发现，在全世界范围内引起了众多科学家对此类纳米材料 的极大关注，近些年来，人们对这种与富勒烯笼型结构类似的碳包覆金属纳米材料的兴 趣与曰俱增。由于碳包覆金属纳米材料同时具有碳纳米材料和金属纳米材料双重的结构 和性质，赋予此类纳米材料在磁记录介质、癌症诊断和治疗、靶向用药等专门领域有着 重要潜在应用。 能够获得结构完美、性质良好的碳纳米材料是其应用研究的基础，而适合的制各技 术是其研究与应用的前提；因此研究开发制备这些纳米材料的新技术具有重要的学术价 值和潜在的应用前景。本文主要探索以生物材料为基质来制备碳包覆金属纳米材料和碳 纳米管的可能性及其主要的影响因素。选择具有空心结构的脱铁蛋白为纳米级限域性模 板反应器，经矿化组装，然后经热处理制备碳包覆金属纳米材料：以淀粉和纤维素为基 质，通过控温还原炭化工艺制备碳包覆铁和碳包覆铁钴复合金属纳米材料：并以铁蛋白 为催化荆，采用c v d 方法制各碳纳米管。课题的实旌有助于促进生物化工和富勒烯类 碳纳米材料科学的有机融合。同时，期望为碳纳米材料的合成开辟了全新的技术途径。 生物基碳纳米材料的制各与性质研究 第一章文献综述 引言 碳元素广泛存在于茫茫的宇宙，其独特的性质和多种多样的形态随人类文明进步而 逐渐被发现、认识和利用。碳是地球上含量最丰富的元素之一，它是组成多数无机物质 的重要元素，更是形成有机物质的必要元素。碳的原子序数为6 ，原子量为1 2 ，它以其 特有的成键方式形成了丰富多彩的碳家族。碳除了以化合物的形式存在外，自然界中还 存在大量的单质碳。碳单质中成键方式的不同不仅确立了碳分子的空间结构也决定了碳 质的性质。根据s p n ( 1 n 3 ) 成键方式，以s p 2 杂化的碳原子形成的是二维的石墨平 面结构。碳原子在s p 3 杂化时，4 个0 键形成一个规则的四面体，构成三维的金刚石晶 体。而s p 杂化是两个0 键形成一维的链状结构，由其形成的分子晶体即所谓的卡宾。 过渡形态的碳包括无定形碳和中间形态的碳。无定形碳由任意排列的不同杂化的碳混合 丽成。其中主要是s p 2 和s p 3 杂化的碳原子，如类金剐石、玻璃碳、活性碳以及各种碳黑、 烟灰、焦碳等。中间形态碳的杂化程度也能用s p * ( 1 n 1 9 9 9 9 。均来自大连光 明特种气体有限公司。 2 1 2 实验过程 2 1 2 1 蛋白的矿化 ( 1 ) 锰的蛋白矿化组装 取a f1 0 0 v l 0 0 m m 0 1 ) ，加到5 0 m lp h 为8 5 0 的t r i s ( 三羟甲基氨基甲烷) h c l ( o 0 1 m o l l 。1 ) 缓冲溶液中，然后每间隔3 0 r a i n 加入5 0 1 t l 的m n c l 2 溶液( o 1t o o l l 。1 ) 于上 述缓冲体系，如此循环4 次，m n a f ( 摩尔比) 约为2 2 0 0 。上述反应在恒温振荡器中进 行，温度为2 5 口。 ( 2 ) 钴的蛋白矿化组装 取a f1 0 0 9 l ( 1 0 4 m m 0 1 ) 加到5 0 m lp h 为8 5 0 的n a 2 b a 4 0 7 ( 0 0 2m o l l 1 ) 缓冲溶液的 中，然后每间隔1 0 m i n 加入2 5 9 l c o ( n 0 3 h 溶液( 0 1 m o l l ) 和2 3 9 l h 2 0 2 溶液( 3 ) 于 上述缓冲体系，如此循环8 次，c o a f ( 摩尔比) 约为2 0 0 0 。上述反应在恒温振荡器中 - - 2 5 - - 生物基碳纳米材料的制备与性质研究 进行，温度为2 5 口。 2i 2 2 矿化蛋白的炭化 将上述矿化的蛋自溶液样品进行离心分离，除去少量絮凝物，然后在真空条件下对 其进行真空抽蒸，经过数小时抽蒸后，得到少量凝积物于石英管内壁。分别采用真空炭 化( o 0 6 7 p a ) 和氢气保护气氛下炭化( 气体流量2 0 c m a ，m i n ) 工艺对上述所得到锰和钴的 矿化蛋白样品进行炭化实验( 实验装置分别见图2 2 ，2 3 ) 。锰的矿化样品真空炭化的程 序升温过程如下： 哦；j 墅警：4 0 6 鸯垫氅枷垫嗡诵颟氅氅凄辍j 对于钴的矿化蛋白采用氢气气氛下炭化制备碳包覆纳米材料，氢气流2 0 c m 3 m i n ， 其程序升温过程如下； 攀憩二! 垡每参颟蠹：善! 氅i 3 0 酾：堕! 譬i 酾雯；! 里粤$ j 6 崦 ，：i i ! 詈k 瓷抽话i i 璺璺譬西嘶：复鍪鎏量差溢 矿化蛋白材料经过上述炭化处理后，即得到黑色碳包覆的锰或钴纳米材料，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收集。由于上述 实验过程比较繁琐，为明晰其过程，通过如下流程图( 见图2 1 ) 对其简化说明。 图2 1 以a f 为基质制备碳包覆金属纳米材料的实验工艺流程图 f i g 2 1s c h e m a t i ce x p e r i m e n t a lp r o c e s s f l o wc h a r tf o rp r e p a r a t i o no f c a r b o ne n c a p s u l a t e d m e t a ln a n o m a t e r i a l sb a s e do i lp r o t e i n - a p o f e r r i t i n 2 1 2 3 表征分析 采用透射电子显微镜( t e m ) 分别对炭化处理前的矿化蛋白材料和炭化后的碳包覆 纳米材料进行观察分析。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， 侉参申母基 生物基碳纳米材料的制备与性质研究 晾干后进行电镜分析；对于炭化产品，先将少量样品置于乙醇中超声处理l o m i n ，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。研究所用t e m 为j e m2 0 0 0 e x ， 工作电压l o o k v 。此外，还对样品进行e d x ( e n e r g yd i s p e r s i v ex - r a y ) 元素分析。 2 13 炭化装置图 图2 2 制各碳包覆金属( 1 ) 纳米材料的真空炭化装置示意图 f i g 2 2s c h e m eo f a p p a r a t u sf o rp r e p a r i n gc a r b o ne n c a p s u l a t e dm e t a l ) n a n o m a t e f i a l si n v a c c u m ：f i i m 幽 u u u 毒旨耐 翮离喇玎 豢l 曹誊1 一 c “黜啤9 图2 3 制备碳包覆金属( c o ) 纳米材料的还原炭化装置示意图 f i g 2 3s c h e m eo f a p p a r a t u sf o rp r e p a r i n gc a r b o ne n c a p s u l a t e dm e t a l ( c o ) n a n o m a t e d a l s i n h y d r o g e n 2 - 2 结果与讨论 2 21 a f 的金属离子矿化组装 2 2 1 1 矿化产品表征分析 在缓冲介质中a f 与金属离子进行模拟生物矿化反应，得到粒度分布较窄的纳米粒 子。在锰的蛋白矿化过程，加入v l n ( i i ) 盐溶液于含有a f 的t r i s - h c l 缓冲液中，溶液 生塑薹堡丝鲞塑整塑型鱼兰丝堕堑塞 图2 4 锰矿化a f 得到的纳米颗粒t e m 照片 f i g 2 4t e mi m a g e so f m i n e r a l i z e da p o f e r r i t i nw i t hm a n g a n e s e c o r e s 图2 5 锰纳米颗粒的粒度分布 f i g 2 5s i z ed i s t r i b u t i o no f m a n g a n e s e o x i d ec o r e si nt h em i n e r a l i z e da p o f e r r i t i n 图2 6 锰矿化a f 样品的e d x 元素分析谱图 f i g 2 6e d xs p e c t r u mo f m n m i n e r a l i z e da p o f e r r i t i n _ 2 8 生物基碳纳米材料的制备与性质研究 颜色由无色逐渐变成棕黄色，表明溶液中发生了蛋白矿化反应。通过t e m 对其分析，产 品中含有大量的纳米颗粒( 见图2 4 ) ，这些颗粒尺寸分布为3 7 n m ( 见图2 5 ) ，最大颗粒 尺寸与a f 内径相一致，表明蛋白限制性合成了纳米颗粒。进步对产品元素组成e d x 分析( 见图2 6 ) ，分析结果证实了锰的存在。 在钴的蛋白矿化组装体系中，以无机盐硼酸钠为缓冲液，体系p h 值保持在85 左 右。相对于金属锰的矿化反应过程，钴的矿化比较困难，因为在此反应条件下，二价钴 的还原眭比二价锰的还原性弱，所以空气中的氧难以有效地将其氧化，阻碍其在蛋白空 腔内成核形成纳米颗粒。通过对比实验，实验采用双氧水为氧化剂进行氧化反应。在钴 的矿化反应中，加入双氧水后，反应溶液由无色转变成褐黄色，有时在个别实验中会观 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。图2 7 为钴的 蛋白矿化产品的t e m 照片，从图中可以看出，纳米颗粒粒度均匀，粒径的分布主要在 4 - 7 n m ( 见图2 8 ) 。样品的e d x 元素分析证实了钴的存在( 见图2 9 ) 。 在蛋白矿化反应中，氧化剂将金属从低价态氧化到高价态，以氧化物形式成核于蛋 白空腔内部。金属氧化过程可用如下反应方程式表示： 2 m n 。+ ( a q ) + 0 2 + 21 - 1 2 0 。吨l 讧n ( o ) o h ( s ) + 2 i 旷 ( 1 ) c 0 2 。( a q ) + h 2 0 2 ( a q ) - - - - - 一c o ( o ) o h ( s ) + h ( a q )( 2 ) 但这些反应方程式( 1 、2 ) 并不代表金属离子矿化反应整个过程，因为蛋白矿化过 程是个复杂的生物无机化学反应【”。 同时对上述两实验过程进行空白实验，结果对比发现在相同的反应条件下，没有蛋 白质的存在，反应体系很快就生成大量的沉淀，没能形成纳米颗粒。这为蛋白质限制性 合成纳米颗粒提供了佐证。 图2 7 钴矿化a f 所得到纳米颗粒的t e m 照片 f i g 2 7t e mi m a g e so f m i n e r a l i z e da p o f e r r i t i nw i t hc o b a l tc o r e s - - 2 9 - ；塑垩燮塑鲞塑型塑型鱼兰丝星堡窭 图2 8 钴纳米颗粒的尺寸分布图 f i g2 , 8s i z ed i s t r i b u t i o no f c oo x i d ec o r e si nt h em i n e r a l i z e da p o f c r r i f i n 图2 9 钴矿化a f 样品的e d x 元素分析谱图 f i g 2 9e d xs p e c t r u mo f c o m i n e r a l i z e da p o f e r r i t i n 2 2 1 2 蛋白矿化反应因素的影响 蛋白矿化反应是一种比较复杂的生物无机化学反应过程，影响金属矿化组装结果的 反应因素较多，其中主要因素包括缓冲液的种类、体系的p 8 值、反应温度、反应时间 等。下面分别讨论反应参数对结果的影响。 1 ) 缓冲液种类的影响 实验中选用比较常见的缓冲溶液进行对比实验。分别选用t r i s - h c i 缓冲液、混合磷 酸盐缓冲液和四硼酸钠缓冲液进行对比实验，对于锰的蛋白矿化而言，选用 i r i s h c i 缓 冲液为反应介质进行矿化反应，所得到矿化溶液呈橙黄色透明状，长时间放置没有沉淀 生成，而其他两种缓冲液矿化反应有沉淀的产生，对比可知以t r i s - h c l 缓冲液为反应介 质比较理想，并且通过t e m 分析所得到锰纳米颗粒比较均匀；而对于钴的蛋白矿化，以 t r i s - h c 缓冲液时，反应有沉淀生成，说明金属离子没有充分地组装到a f 内部，此缓冲 生物基碳纳米材料的制各与性质研究 液不适合金属钴的蛋白矿化。进一步对混合磷酸盐和硼酸盐作为反应缓冲介质进行对比 实验，结果表明前者的实验效果不十分理想，而后者反应所锝到产品溶液呈澄清黄褐色 溶液，放置2 4 h 后也没有任何沉淀生成，通过t e m 分析表明以硼酸盐为缓冲介质所得到 的钴纳米颗粒是比较可行的。因此实验确定硼酸盐缓冲液为钴的矿化反应介质。通过上 述缓冲液种类对比实验，说明缓冲介质对矿化反应有一定的影响，可能是由于金属离子 和缓冲介质发生络合作用而引起的，但真正的原因还不完全清楚。 2 ) p h 值的影响 从以前实验经验得知，在蛋白矿化过程中体系的酸碱度对矿化效果的好坏起到至关 重要的作用。由于蛋白模拟矿化反应通常是在弱碱性( p h 85 ，2 ) 环境中进行，所以实 验中选定p h 值8 4 ，8 5 ，8 6 ，8 7 ，8 9 ，9 2 进行对比实验，通过实验结果比较，随着反 应体系的p h 值的升高，反应溶液的颜色变化加快，说明矿化反应比较快，但当p h 超过 8 7 时，反应产品开始有沉淀的产生，说明在高的p h 值条件下( 8 7 ) ，伴随矿化反应 的同时，还可能伴随其它副反应，导致金属离子在蛋白外部生成沉淀。相对p h 值较低( 8 4 ) 的情况下，反应结果也不十分理想，可能在低的p h 值条件下，不利于金属离子在蛋白内 的氧化水解反应，对矿化效果也不利，所以实验选择p h 值在8 5 8 6 之间较适合，而且 此值远离脱铁蛋白的等电点( p i = 4 8 ) 。此外，实验对矿纯反应后的溶液p h 值变化进行 分析，随着矿化反应的进行，反应中不断有氢离子的产生，矿化反应体系的p h 值有所降 低。为保持体系的p h 值更稳定，实验设计加入适量的碱性溶液( n a o h ) 来中和上述产 生的酸，而加入碱液后，导致絮状沉淀的产生，说明蛋白矿化过程是个复杂的生物无机 化学反应过程，不是用单一的反应方程式所能表明的。 3 ) 温度的影响 对于通常的生化反应来说，一般都在室温范围条件下进行的，且多数反应对温度的 变化相当敏感。本实验考察了温度变化对反应效果的影响。实验选择1 5 、2 0 ( 2 、2 5 c 、 3 0 c 、4 0 。c 进行实验对比研究，在低温1 5 c 条件下时，反应溶液逐渐变浑浊，表明在此 温度下蛋白矿化效果不理想；但温度过高( 3 0 1 2 和4 0 c ) 时，反应活性过高，将引起其 它副反应的发生，所以实验所得到产品溶液中含有少量的絮状不透明物。由于蛋白矿化 过程中蛋白需要保持相当的活性，完成一系列的生化反应过程，把金属离子组装到蛋白 空腔内，而温度是影响其活性的关键因素，所以蛋白矿化反应在温度过高或过低的条件 下都不太适合，所以实验通常选择在室温( 2 5 ) 范围进行矿化反应。 4 ) 时闻的影响 为考察时间对蛋白矿化反应的影响，实验通过紫外、可见吸收光谱对其过程表征分 析。由予金属粒子在蛋白内部形成的纳米粒子是以一种水合金属化合物的形式存在，所 以在近紫外、可见波段会有特定吸收峰。对于a f 溶液，在2 8 0 n m 处有明显的吸收，这 是蛋白的特征峰，而对于矿化蛋白会在可见光波段存在特征吸收：钴的蛋白矿化样品在 3 5 0 n m 处有特征吸收，而锰的蛋白矿化产品的特征吸收为4 5 0 n m 【2 翻。通过考察矿化反 一3 卜一 生物基碳纳米材料的制备与性质研究 应过程中在此特征吸收波长处的吸收度的变化，来评价反应时间的改变对矿化反应影 响e 图2 1 0 是锰的蛋白矿化反应的在4 5 0 r i m 处吸收度随反应时问的变化曲线，从图中 可以看出，在反应初始阶段，曲线斜率比较大说明反应速度比较快，当反应超过9 0 m i n 后，曲线基本趋向平坦，反应速度降低，随着反应的继续进行，反应溶液的吸收度不在 变化，矿化反应达到平衡。此结果表明以紫外、可见吸收光谱来跟踪蛋白矿化反应是可 行的，也说明蛋白矿化反应是个多元反应，反应速率是非线性的。而钴的蛋白矿化反应 加入的双氧水为强氧化剂，矿化反应进行很快，可通过改变加入氧化剂的量来控制矿化 反应程度。 图2 1 0 吸收度随锰矿化蛋白反应时间的变化曲线图。 f i g 2 1 0t h er e a c t i o nt i m em o n i t o r e db yt h ec h a n g ei na b s o r b a n c ea t4 5 0 n m 5 ) 浓度的影响 对于蛋白矿化反应而言，一般要求在低浓度下进行，如果溶液浓度过高的话，蛋白 将会发生盐析，所以实验中所选的缓冲液浓度尽量低一些( 实验中一般选定为0 ，0 1 m o l l ) ； 对于所加的金属离子浓度( 在对蛋白配量一定的条件下) 主要由蛋白摩尔量所决定，所 以所加的蛋白量不能太高，但又由于实验所合成的蛋白矿化产品将进一步炭化来制备碳 包覆纳米材料，所以蛋白量将尽量达到最大值。通过多次实验考察，蛋白的摩尔浓度一 般不能超过1 0 。6 m o l l ，当超过此浓度时，矿化反应中蛋白容易发生沉淀等副反应。 通过上述对反应因素影响实验考察，确定矿化实验的最佳矿化反应条件：蛋白浓度 为1 0 7 1 0 6 m o l l ；介质p h 值范围为8 5 8 7 ：反应温度为2 0 2 5 c ：反应时间为2 3 h 。 就矿化反应过程而言，取决于在反应中各个因素之间的反应动力学平衡的建立，从 而完成蛋白对金属离子的吸收、氧化及粒子凝聚成核等一系列反应过程，所以严格地控 制各种反应因素如浓度、p h 值、温度等对反应结果是至关重要的。 2 2 13 蛋白矿化反应机理讨论 水溶性的离子转化成蛋白内的固体氧化物是一种特殊的生物矿化过程，是由脱铁蛋 姜蔓留 生物基碳纳米材料的制备与性质研究 白指导的转变过程。a f 是由铁蛋白除去铁核而得到空心球状蛋白，由2 4 个亚基组成， 这些多肽所组成空腔内径为6 - g r i m 球状结构，能够容纳数千个金属原子f 4 l 。正如a f 的 x 射线结构测定所揭示的那样，蛋白质的整体结构是高度对称的。在这个结构中对称的 元素是由1 7 5 个氨基酸组成的亚基，整个蛋白结构大体上是球形的。这些组成a f 的亚 基在结构上是相同的，但对金属离子的矿化速率是不同的，是由于侧链上基团不同雨导 致的。根据侧链基团的不同，这些亚基可分为两类：h ( h e a v y ) 基和l ( l i g h t ) 基。h 链上含有能和金属离子形成络合物的酪氨酸侧链，它的存在将和离子的快速矿化相关， 这些侧链主要分布在亚基的外表面。在h 、l 基内表面都含有羧基基团的侧链，这些侧 链也能提高蛋白的矿化速率p 】。这些侧链残基根据对矿化作用的不同，可分为非束缚基， 如甲基c h 3 ；成核基，如- c o o h ；和络合基，如酪氨酸基。此外，亚基螺旋结构中包 容很多水分子，这些水分子在蛋白矿化的电荷转移过程中起到了至关重要的作用【6 】。总 而言之，蛋白在蛋白矿化过程中起到了决定性的作用即，通过亚基上各种残基的协同作 用共同地完成了金属离子的矿化过程。 在蛋白的矿化组装反应过程中，金属离子是通过蛋白外壳上的孔道进入蛋白分子的 空腔内。连接蛋白内侧与外侧的通道有两种，三重叠通道和四重叠通道脚。四重叠通道 排列有疏水残基，三重叠通道排列有亲水性残基。这些三重叠通道为金属进入最可靠的 部位，这些亲水性孔道为离子或分子提供进出的通道，金属离子通过这些孔道进入蛋白 壳内聚集起来。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。蛋白壳体内侧也排列有大量的亲水 残基，这些内部残基对于络合、氧化金属离子起到决定作用【9 l 。二价金属离子通过蛋白 壳内发生氧化水解反应生成纳米颗粒，即使在过量的氧化剂存在下也没有沉淀产生。纳 米粒子的形成是这种空间选择矿化反应和没有蛋白存在下的沉淀反应竞争的结果f l “。 在生物矿化过程中，a f 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，由此可以说明a f 的内表面的成核基起到了一定的催化作用。 这个矿化反应是个自催化过程，a f 通过内表面的成核基的补充静电作用促进低价金属 离子( m n 2 + 或c 0 2 + ) 氧化水解反应，这个过程和铁的矿化过程是一致的，只是反应发 生在不同的成核基上【1 1 l 。上述的金属离子的矿化组装过程可以用如下示意图进行说明 ( 见下图2 1 1 ) ，从图中可以看出，金属离子进入蛋白内部后，在蛋白的控制下氧化成 核种，并逐渐形成纳米颗粒于蛋白空腔内。 金属离子之所以能够成功的组装到蛋白内部，取决于它的氧化还原过程与蛋白残基 协同作用密切相关。图2 1 2 为金属离子在残基的参与下从还原态( 图a ) 转变成氧化态 ( 图b ) 的示意图1 1 2 】，从图中可以看出，在金属离子的氧化过程中，蛋白残基一羧基 在其转变过程中起到重要作用，在其参与下金属离子被氧化成高价态，进一步聚合成氧 化核于蛋白空腔内。 兰望苎些丝鲞盟整塑垄! 鱼兰丝壁型塞 图2 1 l 金属离子的a f 矿化组装过程示意图 f i g 2 1 1s c h e m a t i cd r a w i n go f m i n e r a l i z a t i o no f a p o f e r r t i nb ym e t a li o n s 图2 1 2 蛋白亚基内活性氧化酶催化金属离子氧化过程示意图：由二价态( a ) 转化为三价 态( b ) f i g 2 1 2o x i d a t i o np r o c e s so f m e t a li o n sc x u a l y z e db yo x i d a s ei ns u b u n i t so f f e r r i t i n ： t r a n s f o r m a t i o no f b i v a l e