生物模板法合成铁钴纳米材料的研究

谢银德，侯保森，赵占中，张 冰，赵 霞

(1．郑州大学 材料科学与工程学院，郑州450001;2．郑州大学 化工与能源学院，郑州450001)

0 引言

生物纳米材料的类天然性以及良好的生物相容性赋予了其更加优良的生物和物理化学方面的特性［1］，研究和利用这些纳米生物材料，在生物医学领域、微电子技术和电子元器件等领域具有非常广阔的发展前景［2］． 近些年来，采用脱铁铁蛋白法合成了多种纳米材料，如Douglas 等［3］以脱铁铁蛋白为生物模板，成功合成了CO3O4纳米颗粒;Kasivelu 等［4］以单细胞蛋白螺旋藻为生物模板合成了Ag 和Au 的纳米颗粒;Kenji 等［5］利用Dps 笼状蛋白腔作为生物模板合成了半导体材料CdS 纳米颗粒;黄保军等［6］利用生物模板法制备微纳米三氧化铁，用这种方法合成的纳米颗粒具有尺寸小、分布均匀等优点［7］．

铁钴纳米材料具有良好的生物相容性，再加上钴元素具有较好的铁磁性，使铁钴合金在磁性性能上有更进一步的提高，并扩大了其应用范围［8］．目前，铁钴材料主要通过液相合成法制成，颗粒直径较大，团聚较多并且尺寸不易控制［9］．

笔者通过脱铁铁蛋白生物模板法合成铁钴纳米材料，成功解决了上述问题，并为二元金属纳米材料的合成提供了参考．

1 实验部分

1．1 主要原料

马脾脱铁铁蛋白(Apoferritin)，Sigma 公司;硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)，天津市海晶精细化工厂;硼氢化钠(NaBH4)，天津傲然精细化工研究所;三羟甲基氨基甲烷Tris((CH2OH)3CNH2)，上海惠兴生化试剂有限公司;硫酸亚铁铵(Fe(NH4)2-(SO4)2·6H2O)，天津市北方化玻采购销售中心．

1．2 试样制备

硝酸钴和硫酸亚铁铵为主要材料．首先，在水浴缸中注满水，在60 ℃水浴加热和磁力搅拌的条件下，移取2．0 mL 的Tris 缓冲溶液于反应瓶的内层中，并通入氮气进行除氧［10］．其次，将20 μL 的脱铁铁蛋白溶液注入到反应瓶中，再分别吸取硝酸钴溶液、硫酸亚铁铵溶液和硼氢化钠溶液各100 μL［11］，以相同的速率加入到反应瓶中进行反应，并将反应液离心． 最后，取上清液进行分析表征．

1．3 样品表征

采用日本JEM-100CX-型透射电子显微镜、EVOLUTION600 紫外可见光分光光度计和能量色散X 射线能谱仪(EDS)对样品进行表征．

2 结果与讨论

2．1 铁钴样品TEM 分析

脱铁铁蛋白溶液用乙酸双氧铀染色后所拍摄的TEM 照片如图1 所示．从图1 可以看到脱铁铁蛋白分子．

图1 乙酸双氧铀染色后的纯脱铁铁蛋白的TEM 照片Fig．1 Pure apoferritin TEM photographs uranyl acetate stained

图2 为还原反应后的脱铁铁蛋白溶液在经过乙酸双氧铀染色后拍摄的TEM 照片．从图2 可以看到蛋白质的空腔，这些空腔的直径大概为8 nm，在这些白色斑点的中心都有一个直径约为5 nm 的黑色颗粒． 图3 是放大10 万倍的样品的TEM 图像．

图2 乙酸双氧铀染色后的铁钴样品TEM 照片Fig．2 TEM photograph of iron cobalt samples stained with uranyl acetate

图3 放大10 万倍的铁钴样品TEM 照片Fig．3 100 000 magnification TEM photograph of iron-cobalt samples

图3 中的黑色斑点即纳米尺寸的颗粒体，颗粒分布均匀，具有高度的分散性，其粒径约为5 ～7 nm，稍小于脱铁铁蛋白空腔的内径尺寸为8 nm．从选用的原材料来分析，这些黑色的颗粒可能是蛋白质包覆的、成分以Fe-Co 为主的纳米粒子，再结合图2 可断定样品颗粒被包裹在蛋白质内部中．

2．2 铁钴样品的EDS 能谱分析

对铁钴样品进行EDS 能谱分析，得到图4 和表1．

图4 铁钴样品的EDS 能谱Fig．4 EDS spectrum of Fe-Co samples

表1 能谱中各元素质量百分比含量Tab．1 Energy spectrum percentage content of each element

图4 所示是选区在微米级区域某个点的EDS能谱．从图谱中可以观测到铁元素和钴元素的能谱峰，这说明看到的那些黑色纳米颗粒是金属铁或者钴，亦或者是两者的混合体．并且图4 中还有很强的铜元素峰，这是由于样品在做TEM 表征时的衬物为铜网所致．另外，还存在杂质碳元素的峰值，原因可能是溶液中脱铁铁蛋白含碳量过高所致;此外，还有杂质硫元素和氧元素的峰值，这可能是因为加入的原材料硫酸亚铁铵和脱铁铁蛋白中都含有一定量的硫元素和氧元素．

2．3 铁钴样品的选区电子衍射分析

采用透射电子显微镜观察样品的外观形貌，发现有许多粒径为5 ～7 nm 的黑色纳米颗粒，选定其中一个具有代表性的、典型的黑色颗粒区域，进行选区电子衍射，其选区电子衍射结果如图5所示．

图5 铁钴样品的电子衍射Fig．5 Electron diffraction of Fe-Co samples

从图5 中未能发现明显的电子衍射斑点，推测这些包覆在蛋白质内部的纳米颗粒没有形成晶体，而是以无定形态存在．在室温下，单质Fe 的空间各质点呈体心立方的排列结构，属于立方晶系的布拉菲结构，其晶格常数是a =0．286 3 nm;单质Co 的空间各质点呈密排六方结构，晶格常数是a=0．250 7 nm，c=0．407 0 nm．由于铁钴的晶格结构不同，晶格常数也有一定的差别，导致了其在蛋白腔内不能形成晶体结构，而是以无定形态存在．

2．4 铁钴样品的紫外可见光谱分析

对还原反应前后的脱铁铁蛋白纳米颗粒进行紫外可见光谱分析，紫外可见光吸收光谱图如图6 所示．

图6 铁钴样品还原反应前后的UV－vis 谱Fig．6 The UV－vis spectroscopy of Fe-Co sample before and after reduction reaction

图6 中实线表示脱铁铁蛋白纳米颗粒在只加入Fe2+、Co2+溶液而不加入还原剂情况下的UVvis 谱线，虚线则表示同时加入Fe2+、Co2+溶液和还原剂情况下的UV -vis 谱线． 从图6 中峰位的变化来看，还原反应前的脱铁铁蛋白和Fe2+、Co2+的混合液在610 nm 左右处出现了一个弱的吸收峰，这个位置是Fe2+、Co2+的典型特征吸收峰位;在同时加入Fe2+、Co2+溶液和还原剂NaBH4后，在此位置附近的吸收峰明显变弱，说明溶液中的Fe2+、Co2+被还原剂NaBH4还原成为Fe、Co 金属原子;而在280 nm 附近的脱铁铁蛋白的峰位则没有发生明显变化，说明还原反应前后脱铁铁蛋白的浓度没有发生变化，表明在整个反应过程中脱铁铁蛋白只是起到了一个载体模板的作用，对金属颗粒进行约束，并不参加反应．

通过紫外可见光谱分析进一步证实了组成黑色纳米颗粒的成分是金属铁和钴，这和透射电子显微观察分析的结果是一致的．

3 结论

以马脾脱铁铁蛋白(Apoferritin)为基体生物模板，以硝酸钴和硫酸亚铁铵为原材料，采用生物模板法合成Fe-Co 纳米材料．通过对样品的表征，说明制备的样品为铁钴纳米材料，颗粒直径在5 ～7 nm 左右，非晶体结构分布均匀，具有高度的分散性，无明显团聚体;并且，脱铁铁蛋白在反应前后成分未发生变化，只是起到了一个约束颗粒成长的载体模板的作用．

［1］ DIAS A M G C，HUSSAIN A，MARCOS A S，et al． A biotechnological perspective on the application of iron oxide magnetic colloids modified with polysaccharides［J］． Biotechnology Advances，2011，29 (1):142-155．

［2］ 张文毓． 新型仿生材料的研究进展［J］． 传感器世界:技术综述，2009，25(6):6 -9．

［3］ DOUGLAS T，STARK V T． Nanophase cobalt oxyhydroxide mineral synthesized within the protein cage of ferritin［J］． Inorganic Chemistry，2000，39(8):1828 -1830．

［4］ KASIVELU G，SABJAN K B．Silver gold and bimetallic nanoparticles production using single-cell protein geitler［J］． Journal of Materials Science，2008，43(15):5115 -5122．

［5］ KENJI I，TAKAHIRO E，FURUSHO H，et al．Cadmium sulfide nanoparticle synthesis in dps protein from listeria innocua［J］．Chemistry of Materials，2007，19(13):3105 -3111．

［6］ 黄保军，何琴，郭少凡，等．生物模板法制备微纳米三氧化铁［J］．化学世界，2012，76(3):133 -135．

［7］ CHIU C Y，LI Yujing，HUANG Yu． Size-controlled synthesis of Pd nanocrystals using a specific multifunctional peptide［J］． The Royal Society of Chemistry，2010，2(6):927 -930．

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