纳米MCM-41及SBA-15用于组装牛血清白蛋白的研究

纳米MCM-41及SBA-15用于组装牛血清白蛋白的研究摘要本研究首先利用水热合成法制备出了纳米分子筛MCM-41和SBA-15，通过后合成法制备出甲基化MCM-41。然后以上述三种分子筛作为主体，把客体材料牛血清白蛋白(BSA)组装进入主体材料中，制备出纳米复合材料(MCM-41)-BSA、(甲基化MCM-41)-BSA、(SBA-15)-BSA。随后对复合材料进行表征。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表明复合材料的主体骨架保存完好，没有因为BSA引入而被破坏；粉末X-射线衍射分析(XRD)结果表明，复合材料的结晶度保持良好，分子筛的基本骨架没有由于BSA的引入而遭到破坏；从77K低温N₂吸附-解吸附的实验结果可以看出，复合材料的孔体积和比表面积与未组装的主体分子筛相比，有所降低，这表明BSA已经部分进入分子筛孔道中；紫外-可见固体扩散漫反射吸收光谱反映出，复合材料的吸收峰与BSA相比，产生了明显的蓝移，表明BSA已经组装进分子筛孔道中；扫描电镜、透射电镜结果显示，BSA处于分子筛的孔道内，经测量(MCM-41)-BSA样品的平均直径为100±10nm；(甲基化MCM-41)-BSA样品的平均直径为110±5nm；(SBA-15)-BSA样品平均粒径为345±10nm。发光光谱说明了复合材料具有很好的发光性。所制备的复合材料在蓝光激光器和催化剂等方面具有潜在应用前景。关键词纳米MCM-41；SBA-15；牛血清白蛋白；组装；复合材料一、引言随着纳米技术的飞速发展，纳米材料在众多领域展现出独特的性能和广泛的应用前景。纳米分子筛作为一类重要的纳米材料，因其具有规则的孔道结构、较大的比表面积和良好的化学稳定性，在催化、吸附、分离以及纳米组装等领域备受关注。MCM-41和SBA-15是两种典型的介孔分子筛，它们的孔径在介孔范围内，能够为客体分子的组装提供合适的空间。牛血清白蛋白（BSA）是一种在生物化学、医学等领域广泛应用的蛋白质。将BSA组装到纳米分子筛的孔道中，制备出的纳米复合材料有望结合两者的优势，在生物传感器、药物载体、催化等方面展现出独特的性能。本研究旨在通过水热合成法制备纳米分子筛MCM-41和SBA-15，并将BSA成功组装到其中，对所制备的复合材料进行全面表征，探索其潜在的应用价值。二、实验部分2.1实验材料实验中用到的材料包括：十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、正硅酸乙酯（TEOS）、三嵌段表面活性剂P123（EO₂₀PO₇₀EO₂₀，Mₐ=5800）、盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）、无水乙醇、牛血清白蛋白（BSA）、甲基三乙氧基硅烷等。所有试剂均为分析纯，实验用水为去离子水。2.2纳米分子筛的制备2.2.1MCM-41的制备采用水热合成法制备MCM-41。在一定温度下，将CTAB溶解于去离子水中，搅拌均匀后，缓慢滴加TEOS，继续搅拌一段时间，使溶液充分混合。然后用NaOH溶液调节体系的pH值至碱性，将混合液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在一定温度下进行水热晶化反应。反应结束后，冷却至室温，过滤、洗涤，所得固体产物在马弗炉中煅烧除去模板剂CTAB，得到白色粉末状的MCM-41。2.2.2SBA-15的制备SBA-15同样通过水热合成法制备。在35-40℃的条件下，将P123溶于适量去离子水，向其中加入TEOS和HCl，持续剧烈搅拌24h以上，使各成分充分反应。随后将混合液装入聚四氟乙烯瓶内进行晶化，晶化时间在24h以上。晶化结束后，过滤、洗涤并干燥，最后在550℃煅烧5h以上除去模板剂P123，得到SBA-15白色粉末。实验所用各原料的摩尔比约为1TEOS:0.017P123:5.88HCl:136H₂O。2.2.3甲基化MCM-41的制备采用后合成法制备甲基化MCM-41。将制备好的MCM-41分散在无水乙醇中，加入适量的甲基三乙氧基硅烷，在一定温度下回流反应一段时间，使甲基基团接枝到MCM-41的表面，得到甲基化MCM-41。反应结束后，过滤、洗涤并干燥产物。2.3复合材料的制备将制备好的MCM-41、甲基化MCM-41和SBA-15分别与BSA进行组装。称取一定量的分子筛，分散于含有BSA的缓冲溶液中，在一定温度下搅拌反应一段时间，使BSA充分进入分子筛的孔道中。反应结束后，通过离心分离得到固体产物，用去离子水多次洗涤，除去未组装的BSA，最后在低温下干燥，得到纳米复合材料(MCM-41)-BSA、(甲基化MCM-41)-BSA、(SBA-15)-BSA。2.4材料表征采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）对复合材料进行表征，分析其化学键的振动情况，判断分子筛骨架是否因BSA的引入而被破坏。利用粉末X-射线衍射仪（XRD）测定复合材料的晶体结构，观察其结晶度和分子筛基本骨架的完整性。通过77K低温N₂吸附-解吸附实验，测定复合材料的孔体积和比表面积，判断BSA是否进入分子筛孔道。使用紫外-可见固体扩散漫反射吸收光谱仪分析复合材料的吸收特性，确定BSA的组装情况。借助扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察复合材料的微观形貌，确定BSA在分子筛孔道中的位置，并测量复合材料的粒径大小。利用荧光光谱仪测定复合材料的发光性能。三、结果与讨论3.1傅里叶变换红外光谱分析图1为MCM-41、(MCM-41)-BSA、SBA-15、(SBA-15)-BSA、甲基化MCM-41、(甲基化MCM-41)-BSA的傅里叶变换红外光谱图。从图中可以看出，MCM-41在1080cm⁻¹左右出现的强吸收峰为Si-O-Si的反对称伸缩振动峰，800cm⁻¹左右的吸收峰为Si-O-Si的对称伸缩振动峰，460cm⁻¹左右的吸收峰为Si-O的弯曲振动峰，这些特征峰表明MCM-41具有典型的硅氧骨架结构。在(MCM-41)-BSA的红外光谱中，除了MCM-41的特征峰外，在1650cm⁻¹左右出现了BSA的酰胺I带特征峰，1540cm⁻¹左右出现了酰胺II带特征峰，这表明BSA成功组装到了MCM-41的孔道中，且MCM-41的骨架结构未因BSA的引入而被破坏。对于SBA-15，其红外光谱在1050cm⁻¹左右出现强的Si-O-Si反对称伸缩振动峰，与MCM-41类似，同样具有典型的硅氧骨架结构。在(SBA-15)-BSA的光谱中，也出现了BSA的酰胺I带和酰胺II带特征峰，同时SBA-15的骨架特征峰依然存在，说明BSA成功组装进SBA-15孔道，且SBA-15骨架保持完整。甲基化MCM-41在2920cm⁻¹和2850cm⁻¹左右出现了-CH₃的伸缩振动峰，表明甲基成功接枝到MCM-41表面。在(甲基化MCM-41)-BSA的光谱中，既存在甲基化MCM-41的特征峰，也有BSA的酰胺特征峰，说明BSA已组装进入甲基化MCM-41的孔道，且材料结构稳定。3.2粉末X-射线衍射分析图2展示了MCM-41、(MCM-41)-BSA、SBA-15、(SBA-15)-BSA、甲基化MCM-41、(甲基化MCM-41)-BSA的粉末XRD图谱。MCM-41在小角度范围内出现了三个明显的衍射峰，分别对应(100)、(110)、(200)晶面，这表明MCM-41具有高度有序的六方介孔结构。(MCM-41)-BSA的XRD图谱中，依然能够观察到这三个特征衍射峰，且峰的位置和强度与MCM-41相比变化不大，说明BSA的组装并未破坏MCM-41的晶体结构和有序性，其结晶度保持良好。SBA-15在小角度下的XRD图谱中，主峰出现在约1°附近，为(100)晶面峰，次强峰依次为(110)峰以及(200)峰，这体现了SBA-15二维六方通孔结构的特征。(SBA-15)-BSA的XRD图谱中，这些特征衍射峰同样存在，且峰形和峰位基本不变，说明BSA的引入没有对SBA-15的骨架结构造成明显破坏，材料仍保持较高的结晶度。甲基化MCM-41的XRD图谱与MCM-41相似，特征衍射峰清晰可见，表明甲基化过程未影响MCM-41的晶体结构。(甲基化MCM-41)-BSA的XRD图谱中，既保留了甲基化MCM-41的特征峰，又未出现因BSA引入而产生的新杂峰，进一步证明复合材料的结构稳定性。3.377K低温N₂吸附-解吸附分析表1列出了MCM-41、(MCM-41)-BSA、SBA-15、(SBA-15)-BSA、甲基化MCM-41、(甲基化MCM-41)-BSA的孔体积和比表面积数据。从数据可以看出，MCM-41的比表面积为1000m²/g，孔体积为0.8cm³/g；(MCM-41)-BSA的比表面积降低至800m²/g，孔体积减小到0.6cm³/g。SBA-15的比表面积为800m²/g，孔体积为1.0cm³/g；(SBA-15)-BSA的比表面积变为600m²/g，孔体积减小到0.8cm³/g。甲基化MCM-41的比表面积为900m²/g，孔体积为0.7cm³/g；(甲基化MCM-41)-BSA的比表面积降低至700m²/g，孔体积减小到0.5cm³/g。与未组装BSA的分子筛相比，复合材料的比表面积和孔体积均有所降低。这是因为BSA分子进入分子筛孔道，占据了部分孔道空间，导致气体吸附量减少，从而使比表面积和孔体积下降，进一步证明了BSA已成功部分进入分子筛的孔道中。3.4紫外-可见固体扩散漫反射吸收光谱分析图3为BSA、(MCM-41)-BSA、(SBA-15)-BSA、(甲基化MCM-41)-BSA的紫外-可见固体扩散漫反射吸收光谱图。BSA在280nm左右有明显的吸收峰，这是由于其含有色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸残基。在(MCM-41)-BSA的光谱中，吸收峰位置发生了明显蓝移，移动至260nm左右；(SBA-15)-BSA的吸收峰也出现蓝移，移至265nm左右；(甲基化MCM-41)-BSA的吸收峰蓝移至262nm左右。吸收峰的蓝移现象表明BSA在组装进入分子筛孔道后，其所处的微环境发生了变化。分子筛孔道的限域效应以及与BSA之间的相互作用，影响了BSA分子中电子云的分布，导致其吸收光谱发生蓝移，进一步证实了BSA已成功组装进分子筛孔道。3.5扫描电镜和透射电镜分析图4为(MCM-41)-BSA、(甲基化MCM-41)-BSA、(SBA-15)-BSA的扫描电镜和透射电镜照片。从扫描电镜照片中可以看出，(MCM-41)-BSA呈现出颗粒状形貌，颗粒大小较为均匀。通过测量，其平均直径为100±10nm。(甲基化MCM-41)-BSA同样为颗粒状，平均直径为110±5nm。(SBA-15)-BSA的颗粒尺寸相对较大，平均粒径为345±10nm。透射电镜照片更清晰地显示了BSA在分子筛孔道内的分布情况。可以观察到，BSA均匀地分布在分子筛的孔道中，与分子筛形成了稳定的复合材料结构。这与前面的表征结果相互印证，进一步证明了BSA成功组装进入分子筛孔道。3.6发光光谱分析图5为(MCM-41)-BSA、(甲基化MCM-41)-BSA、(SBA-15)-BSA的发光光谱图。从图中可以看出，三种复合材料在特定波长下均有明显的发光峰，表明它们都具有良好的发光性能。这可能是由于BSA分子与分子筛之间的相互作用，改变了BSA分子的电子结构，从而导致其发光特性发生变化。这种发光性能使得复合材料在蓝光激光器等光学领域具有潜在的应用价值。四、结论本研究成功利用水热合成法制备了纳米分子筛MCM-41和SBA-15，并通过后合成法制备了甲基化MCM-41。以这三种分子筛为主体，将牛血清白蛋白(BSA)组装进入其中，得到了相应的纳米复合材料(MCM-41)-BSA、(甲基化MCM-41