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CN118908268A - 组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法 - Google Patents

组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法 Download PDF

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CN118908268A
CN118908268A CN202411141178.8A CN202411141178A CN118908268A CN 118908268 A CN118908268 A CN 118908268A CN 202411141178 A CN202411141178 A CN 202411141178A CN 118908268 A CN118908268 A CN 118908268A
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解晶晶
李佳昕
靳柏铭
王荣杰
傅正义
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Wuhan University of Technology WUT
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Wuhan University of Technology WUT
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Abstract

本发明涉及一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,包括以下步骤:S1、向去离子水中加入十六烷基三甲基溴化铵、无水醋酸锌和组蛋白,充分缓慢搅拌,得到溶液A;S2、向去离子水中加入氢氧化钠,得到溶液B;S3、将溶液B逐滴缓慢加入到等体积溶液A中,并充分缓慢搅拌一段时间后,在室温下静置矿化得到矿化产物,将所述矿化产物经去离子水和酒精反复洗涤后离心,冷冻干燥得到纳米氧化锌粉末。本发明能够建立更简单、更方便的纳米氧化锌制备工艺,实现纳米结构的精确尺寸、形状调控和定向生长。

Description

组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法
技术领域
本发明涉及新材料及其应用领域,更具体地说,涉及一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法。
背景技术
生物体经过亿万年的进化已经可以有效的合成所需的生物结构来适应环境。这些生物材料的合成通常耗能低、效率高且无污染。受此启发,人们试图学习自然界中生物体内的组成-结构及合成过程来制备新材料,其中,天然生物矿物由于其具有精美的结构与优异的性能引起了科学家的注意。
最近关于无机材料的生物合成引起了材料科学者的广泛兴趣,尤其是生物分子矿化无机材料。研究表明,天然生物分子可以作为过程导向剂来调节无机材料定向生长。如Weiqin Sheng等人,利用丝素蛋白模板的生物矿化制备了具有分层橄榄状结构的磁铁矿/碳纳米复合材料,用于锂离子电池(ShengWeiqin,etal.Silk-regulated hierarchicalhollow magnetite/carbon nanocomposite spheroids for lithium-ion batteryanodes.[J].Nanotechnology,2015,26(11):115603.)。Huang Ying等用具有模板作用的丝素蛋白膜作为矿化基质,指导磷酸钙矿物的合成,在室温下成功制备出具有层状多级结构的丝素-磷酸氢钙复合物(Ying Huang,et al.Silk fibroin directs the formation ofmonetite nanocrystals and their assembly into hierarchical composites.[J].Journal of materials chemistry.B,2021,9(44):9136-9141.)。上述结果表明,晶体结构的大小、取向生长及晶体的结构变化都受到了生物分子的约束与调控。然而,目前研究生物分子调控无机材科的合成大多数以细胞外蛋白指导无机材料的合成,存在局限性和片面性。近年来,直接利用生物活体构建天然合成平台,实现无机材料的体内室温可控制备。如Jingjing Xie等人采用生产珍珠的淡水蚌作为矿化合成平台,室温下合成了具有等级孔结构的氮掺杂锐钛矿TiO2,且粉体具有优异的光降解和光产氢性能。通过质谱分析,发现TiO2纳米粉体中的蛋白质几乎都为构成细胞组成的胞内蛋白,而不是传统细胞分泌的细胞外蛋白,其中构成细胞骨架的肌动蛋白(Actin)和构成细胞染色质的组蛋白(Histone)含量最为丰富,首次发现TiO2的室温晶化由细胞内蛋白控制,改变了传统观点中生物矿化仅由细胞外基质蛋白调控的认识(Jingjing Xie,et al.Mussel-Directed Synthesis ofNitrogen-Doped Anatase TiO2.[J].Angewandte Chemie,2016,55(9):3031-3035.)。基于上述的研究,表明了细胞内蛋白质可能在室温合成无机材料中存在重要的影响作用。然而,细胞内蛋白,尤其组蛋白对于指导无机材料的室温合成尚未报道。因此,需要研究细胞内蛋白与无机材料的作用机制,明确生物体指导无机材料室温合成的关键控制因素,对高性能无机材料的室温制备具有着重大价值。
纳米氧化锌材料近年来为科学界最为关注的半导体材料之一,因为其宽带隙(3.37eV)、高激子结合能(60meV)以及室温下的高热稳定性和机械稳定性使纳米氧化锌在光电子学和光催化方面具有广阔的应用前景。人们建立了多种制备方法来制备不同形貌的纳米氧化锌材料,其中利用生物分子合成的纳米氧化锌材料在形成过程、结构和性能上往往优于大多数传统方法上合成的材料。建立更简单、更方便的纳米氧化锌制备工艺,实现纳米结构的精确尺寸、形状调控和定向生长仍然是一个重大挑战。因此,结合细胞内蛋白,探索纳米氧化锌的生物合成方法对于更好地控制纳米氧化锌生产具有着重要的指导意义。
由于天然生物分子可以作为过程导向剂来调节无机材料定向生长,目前关于细胞蛋白指导无机材料合成的研究和观点主要为细胞外蛋白对无机材料的合成,而关于细胞内蛋白,尤其是组蛋白对于指导无机材料的合成机制尚未报道。因此,需要研究细胞内蛋白与无机材料的作用机制,明确生物体指导无机材料室温合成的关键控制因素,对高性能无机材料的室温制备具有重大意义。利用生物分子合成的纳米氧化锌材料在形成过程、结构和性能上往往优于大多数传统方法上合成的材料,建立更简单、更方便的纳米氧化锌制备工艺,实现纳米结构的精确尺寸、形状调控和定向生长仍然是一个重大挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,提供一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,其纳米氧化锌操作简单,节能环保,结构具有可调控性,在能源和催化领域具有潜在的应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,包括以下步骤:
S1、向去离子水中加入十六烷基三甲基溴化铵、无水醋酸锌和组蛋白,充分缓慢搅拌,得到溶液A;
S2、向去离子水中加入氢氧化钠,得到溶液B;
S3、将溶液B逐滴缓慢加入到等体积溶液A中,并充分缓慢搅拌一段时间后,在室温下静置矿化得到矿化产物,将所述矿化产物经去离子水和酒精反复洗涤后离心,冷冻干燥得到纳米氧化锌粉末。
按上述方案,所述步骤S1中,所述溶液A中,十六烷基三甲基溴化铵的摩尔浓度为:10mM/L,无水醋酸锌的摩尔浓度为:0.05~0.1M/L。
按上述方案,所述步骤S1中,所述溶液A中,组蛋白浓度为:8~10mg/mL。
按上述方案,所述步骤S1中,所述搅拌时间为30min。
按上述方案,所述步骤S2中,所述溶液B中氢氧化钠的摩尔浓度为:0.1~0.2M/L。
按上述方案,所述步骤S3中,所述搅拌时间为30min,室温陈化时间为24h。
按上述方案,所述步骤S3中,所述离心转速为9000rpm,离心时间为30min,反复洗涤6次,冷冻干燥时间为24h。
按上述方案,所述纳米氧化锌粉为纳米纺锤棒状结构的六方纤锌矿。
按上述方案,氧化锌晶体附着在组蛋白上,氧化锌晶体在组蛋白的调控下定向生长。
实施本发明的组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,具有以下
有益效果:
本发明成功利用组蛋白在室温下实现了对氧化锌生物矿化过程的调控,以结构导向剂调控的作用下定向生长制备了纺锤棒状氧化锌,为氧化锌的合成开拓了一条新的渠道;得到的氧化锌为纺锤棒状结构,通过改变组蛋白浓度可实现氧化锌纳米结构的调控性;制备方法简单易操作,反应条件温和。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1为本发明实施例1、实施例2、实施例3、对比例1及对比例2所制备的纳米氧化锌的XRD图谱;
图2为本发明实施例1、实施例2、实施例3、对比例1及对比例2所制备的纳米氧化锌的FTIR图谱;
图3为本发明实施例1所制备氧化锌的SEM图;
图4为本发明实施例2所制备氧化锌的SEM图;
图5为本发明实施例3所制备氧化锌的SEM图;
图6为本发明实施例1所制备氧化锌的TEM图和元素分布图;
图7为本发明实施例1所制备氧化锌的HRTEM图;
图8为本发明对比例1所制备氧化锌的SEM图;
图9为本发明对比例2所制备氧化锌的SEM图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,包括以下步骤:(1)向去离子水中加入十六烷基三甲基溴化铵、无水醋酸锌和组蛋白,充分缓慢搅拌,其中,搅拌时间为30min,得到溶液A;十六烷基三甲基溴化铵的摩尔浓度为:10mM/L,无水醋酸锌的摩尔浓度为:0.05~0.1M/L。组蛋白浓度为:8~10mg/mL。(2)向去离子水中加入氢氧化钠,得到溶液B;溶液B中氢氧化钠的摩尔浓度为:0.1~0.2M/L。(3)将溶液B逐滴缓慢加入到等体积溶液A中,并充分缓慢搅拌一段时间后,其中,搅拌时间为30min,在室温下静置矿化得到矿化产物,将所述矿化产物经去离子水和酒精反复洗涤后离心,冷冻干燥得到纳米氧化锌粉末。室温陈化时间为24h。离心转速为9000rpm,离心时间为30min,反复洗涤6次,冷冻干燥时间为24h。纳米氧化锌粉为纳米纺锤棒状结构的六方纤锌矿。氧化锌晶体附着在组蛋白上,氧化锌晶体在组蛋白的调控下定向生长。
实施例1
一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,包括以下步骤:
(1)向10mL去离子水中加入0.036g十六烷基三甲基溴化铵、0.1835g无水醋酸锌和0.08g组蛋白,充分缓慢搅拌30min,得到溶液A;
(2)向10mL去离子水中加入0.08g氢氧化钠,得到溶液B;
(3)将溶液B逐滴缓慢加入到等体积溶液A中,在室温下充分缓慢搅拌30min后,在室温下静置矿化24h。将矿化产物在离心转速为9000rpm下离心30min,经去离子水和酒精反复洗涤6次,经过冷冻干燥24h后得到纳米氧化锌粉末。
通过XRD对矿化产物进行检测,XRD结果如图1中实施例1曲线所示,结果表明合成的氧化锌为六方纤锌矿结构。FTIR结果如图2中实施例1曲线所示,结果表明在1654cm-1、1558cm-1、1392cm-1处峰值对应了蛋白质的酰胺I、II和III的振动吸收峰,矿化产物中含有组蛋白。SEM结果如图3所示,结果表明合成的氧化锌为形貌均匀的纺锤棒状。TEM及元素分布结果如图6所示,结果表明所合成的纺锤棒状氧化锌棒长约为1μm,直径约为150nm。纺锤棒氧化锌中存在C、N、O、Zn元素,表明了组蛋白调控了氧化锌的定向生长。HRTEM结果如图7所示,结果表明组蛋白抑制了纺锤棒状氧化锌短轴方向的生长,所合成的氧化锌沿(100)晶面,即纺锤棒状的长轴方向定向生长。
实施例2
一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,包括以下步骤:
(1)向10mL去离子水中加入0.036g十六烷基三甲基溴化铵、0.0918g无水醋酸锌和0.08g组蛋白,充分缓慢搅拌30min,得到溶液A;
(2)向10mL去离子水中加入0.04g氢氧化钠,得到溶液B;
(3)将溶液B逐滴缓慢加入到等体积溶液A中,在室温下充分缓慢搅拌30min后,在室温下静置矿化24h。将矿化产物在离心转速为9000rpm下离心30min,经去离子水和酒精反复洗涤6次,经过冷冻干燥24h后得到纳米氧化锌粉末。
通过XRD对矿化产物进行检测,XRD结果如图1中实施例2曲线所示,结果表明合成的氧化锌为六方纤锌矿结构。FTIR结果如图2中实施例2曲线所示,结果表明在1654cm-1、1558cm-1、1392cm-1处峰值对应了蛋白质的酰胺I、II和III的振动吸收峰,矿化产物中含有组蛋白。SEM结果如图4所示,结果表明合成的氧化锌为纳米颗粒堆叠成的花状结构,颗粒大小约为200nm。
实施例3
一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,包括以下步骤:
(1)向10mL去离子水中加入0.036g十六烷基三甲基溴化铵、0.1835g无水醋酸锌和0.1g组蛋白,充分缓慢搅拌30min,得到溶液A;
(2)向10mL去离子水中加入0.08g氢氧化钠,得到溶液B;
(3)将溶液B逐滴缓慢加入到等体积溶液A中,在室温下充分缓慢搅拌30min后,在室温下静置矿化24h。将矿化产物在离心转速为9000rpm下离心30min,经去离子水和酒精反复洗涤6次,经过冷冻干燥24h后得到纳米氧化锌粉末。
通过XRD对矿化产物进行检测,XRD结果如图1中实施例3曲线所示,结果表明合成的氧化锌为六方纤锌矿结构。FTIR结果如图2中实施例3曲线所示,结果表明在1654cm-1、1558cm-1、1392cm-1处峰值对应了蛋白质的酰胺I、II和III的振动吸收峰,矿化产物中含有组蛋白。SEM结果如图5所示,结果表明合成的氧化锌为纺锤棒状,棒长约为1μm,直径约为150nm,且周围存在大量组蛋白与锌离子的络合物。
对比例1
以纯水溶液制备纳米氧化锌的方法,包括以下步骤:
(1)向10mL去离子水中加入0.036g十六烷基三甲基溴化铵和0.0918g无水醋酸锌,充分缓慢搅拌30min,得到溶液A;
(2)向10mL去离子水中加入0.04g氢氧化钠,得到溶液B;
(3)将溶液B逐滴缓慢加入到等体积溶液A中,在室温下充分缓慢搅拌30min后,在室温下静置矿化24h。将矿化产物在离心转速为9000rpm下离心30min,经去离子水和酒精反复洗涤6次,经过冷冻干燥24h后得到纳米氧化锌粉末。
通过XRD对矿化产物进行检测,XRD结果如图1中对比例1曲线所示,结果表明合成的氧化锌为六方纤锌矿结构。FTIR结果如图2中对比例1曲线所示,结果表明在416cm-1处出现了Zn-O的特征吸收峰,无蛋白质的特征吸收峰。SEM结果如图8所示,结果表明合成的氧化锌为片状,片状大小约为500nm。在此条件下氧化锌不能定向生长得到纺锤棒状结构。
对比例2
以纯水溶液制备纳米氧化锌的方法,包括以下步骤:
(1)向10mL去离子水中加入0.036g十六烷基三甲基溴化铵和0.1835g无水醋酸锌,充分缓慢搅拌30min,得到溶液A;
(2)向10mL去离子水中加入0.08g氢氧化钠,得到溶液B;
(3)将溶液B逐滴缓慢加入到等体积溶液A中,在室温下充分缓慢搅拌30min后,在室温下静置矿化24h。将矿化产物在离心转速为9000rpm下离心30min,经去离子水和酒精反复洗涤6次,经过冷冻干燥24h后得到纳米氧化锌粉末。
通过XRD对矿化产物进行检测,XRD结果如图1中对比例2曲线所示,结果表明合成的氧化锌为六方纤锌矿结构。FTIR结果如图2中对比例2曲线所示,结果表明在416cm-1处出现了Zn-O的特征吸收峰,无蛋白质的特征吸收峰。SEM结果如图9所示,结果表明合成的氧化锌为球状颗粒,颗粒大小约为100nm。在此条件下氧化锌不能定向生长得到纺锤棒状结构。
综上所述,本发明首次利用组蛋白在室温下调控了氧化锌的合成及定向生长,制备出了纳米纺锤棒状结构氧化锌,长约为1μm,直径约为150nm,而未加蛋白的情况下无法得出纺锤状结构氧化锌,只能得到大小为500nm的片状结构或大小为100nm的球形颗粒。结果表明组蛋白对氧化锌的合成具有调控作用,通过改变组蛋白浓度可实现为对氧化锌矿化产物微观结构的调控。这一工作为氧化锌材料的生物矿化合成开拓了一条新的渠道。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、向去离子水中加入十六烷基三甲基溴化铵、无水醋酸锌和组蛋白,充分缓慢搅拌,得到溶液A;
S2、向去离子水中加入氢氧化钠,得到溶液B;
S3、将溶液B逐滴缓慢加入到等体积溶液A中,并充分缓慢搅拌一段时间后,在室温下静置矿化得到矿化产物,将所述矿化产物经去离子水和酒精反复洗涤后离心,冷冻干燥得到纳米氧化锌粉末。
2.根据权利要求1所述的组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述溶液A中,十六烷基三甲基溴化铵的摩尔浓度为:10mM/L,无水醋酸锌的摩尔浓度为:0.05~0.1M/L。
3.根据权利要求2所述的组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述溶液A中,组蛋白浓度为:8~10mg/mL。
4.根据权利要求3所述的组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述搅拌时间为30min。
5.根据权利要求1所述的组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,其特征在于,所述步骤S2中,所述溶液B中氢氧化钠的摩尔浓度为:0.1~0.2M/L。
6.根据权利要求1所述的组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,其特征在于,所述步骤S3中,所述搅拌时间为30min,室温陈化时间为24h。
7.根据权利要求1所述的组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,其特征在于,所述步骤S3中,所述离心转速为9000rpm,离心时间为30min,反复洗涤6次,冷冻干燥时间为24h。
8.根据权利要求1所述的一种组蛋白室温矿化制备纳米纺锤棒状氧化锌的方法,其特征在于,所述纳米氧化锌粉为纳米纺锤棒状结构的六方纤锌矿。
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陈萌: ""蛋白质共轭氧化锌纳米复合物和二维薄膜的制备及功能研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊) 工程科技I辑》, no. 04, 15 April 2017 (2017-04-15), pages 1 - 3 *

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