CN102671850A - 冷等离子体条件下生物分子自组装制备膜材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷等离子体条件下生物分子自组装制备膜材料的方法。将生物分子溶解在三次蒸馏水中配成溶液，溶液浓度为20～200mol/L；将生物分子溶液直接装入等离子体放电器中；将等离子体放电器内部抽真空，然后通入等离子体放电气体，气体压力在50～200Pa；利用高压电源在电极两端施加100～3000V的直流或交流电使放电气体放电，形成等离子体，处理时间为1～15min；将等离子体处理后的溶液放在恒温摇床中培养5～240小时。本发明通过将冷等离子体融合到生物分子自组装过程中，生物分子自组装的产物由纳米纤维、纳米棒、纳米管或者纳米颗粒变为生物膜。操作简便，耗时少，效率高，能耗低，对环境友好。

Description

冷等离子体条件下生物分子自组装制备膜材料的方法

技术领域

本发明涉及等离子体物理、化学、生物科学和材料科学等技术领域。尤其是一种冷等离子体条件下生物分子自组装制备膜材料的方法。

背景技术

分子自组装是自然界，特别是生命体系内，最普遍的一种现象，是生命科学最本质的内容之一，多肽、DNA、蛋白质、细胞乃至生命的形成都是通过自组装来实现的。所谓分子自组装，就是分子通过短程作用力，比如范德华力、氢键、静电相互作用、疏水作用等，排列组装成为纳米或微米尺度的有序结构。开展分子自组装的研究具有重要意义，它有助于人们从分子水平上认识自然界中生命的形成和演变过程，并为人们提供新的思路，帮助人们开展生物医学基础研究、新材料合成及分子器件研制等。

近年来生物分子自组装逐渐成为材料学和生物医学等领域的研究热点。生物分子自组装制备的材料既保持了生物分子的生物功能，同时又可为催化、生物传感器、信息电子、药物控制释放和组织工程支架材料等领域的发展提供了微型化和智能化的材料。控制材料的形貌可以满足不同应用对于材料的要求。另外，生物分子自组装被认为是许多疾病的病源，例如老年痴呆症、帕金森病以及疯牛病。探索新的技术以控制生物分子自组装材料的形貌有助于寻找更好的治疗这些疾病的方法。目前已有的控制生物分子自组装材料形貌的方法主要包括：改变生物分子的结构、改变生物分子溶液的浓度和pH值以及向生物分子溶液中添加其他助剂。例如，Mehta等在Journal of American Chemical Society，130(2008)，9829-9835一文中提到，当溶液pH值为2的时候，多肽自组装的产物是纳米管，但是当溶液pH值为6～7的时候，其产物为纤维。又如，Santoso等在Nano Letters，2(2002)，687-691一文中提到生物分子自组装材料的形貌可以由生物分子链的长度来控制。这些方法虽然能够有效的控制材料的形貌，但是他们或是非常复杂或是需要有毒化学品。现在急需寻找简单、有效而又环境友好的技术来控制生物分子自组装材料的形貌。

生物膜在生命发展中发挥着重要作用。如植物叶绿素的光合作用，太阳光的光电子由细胞膜承载、传递、实现细胞中的能量转换，从而调制植物的生长发育。生物膜是具有信息识别、信包储存、信息转移和催化功能的新型功能材料，在生物传感器、分子器件、医用生物材料、高效多功能催化材料、微反应器等方面具有广阔的应用前景。例如，Caruso等在Langmuir，16(2000)，1485-1489一文中在酶晶体表面组装制备了聚电解质膜，他们发现包裹后的酶胶囊的外壁具有可渗透性，小分子底物可以自由出入，这为微反应器的开发和药物缓释体系的研究提供了新思路。目前应用最为广泛的制取生物膜的方法是连续沉积法。在连续沉积法中，除了生物分子之外，还要选取一种带有与生物分子所带电荷符号相反的电荷的试剂或者聚合物材料，将该试剂或者聚合物材料与生物分子进行交替连续的沉积。连续沉积法在很大程度上依赖于正负电荷之间的静电作用，这使得试剂或者聚合物材料的选取以及生物分子溶液的pH值、浓度等的调节变得非常的不方便。另外，还有一些其他的制备生物分子膜的方法，但是这些方法也是极其复杂。例如，Anzai等在Langmuir，16(2000)，2851-2856一文中叙述了酶自组装制备膜的方法。他们首先选取一个石英片，接着用硫酸和铬酸清洗石英片，清洗过的石英片再用双氯双甲基硅烷的甲苯溶液在室温下处理12小时，然后依次用甲苯、丙酮和蒸馏水清洗石英片，接下来将清洗过的石英片在异硫氰酸荧光素改进的刀豆球蛋白A(FITC-Con A)溶液中浸渍1个小时，然后用PBS缓冲溶液清洗，最后将石英片在酶溶液中浸渍1个小时，如此重复10次，可制得膜材料。又如，Lang等在Journal of Physical Chemistry，103(1999)，11393-11397中叙述了DNA分子自组装制备膜材料的过程。他们首先选取一个用铬酸清洗过的石英片，将清洗后的石英片在聚乙烯亚氨溶液中浸渍2分钟，干燥，接下来将石英片在DNA溶液中浸渍1分钟，取出石英片，用蒸馏水清洗，干燥，然后再将石英片浸渍在聚丙烯胺盐酸盐溶液中1分钟，取出石英片，用蒸馏水清洗，干燥，如此重复，可制得DNA膜。可见这些方法过程繁琐，操作复杂，条件苛刻且不易控制，且使用有机溶剂，所使用的有机溶剂中有些具有很高的毒性。

等离子体是一种电离气体，其含有电子、正负离子、自由基、原子和分子等。等离子体具有与气体、液体和固体完全不同的性质，因此通常被称作是物质的第四态。等离子体已经广泛的应用在材料形貌控制、疾病治疗、催化剂制备、金属纳米颗粒制备、照明和刻蚀等领域。另外，等离子体是宇宙中最常见的物质，它存在于星球以及星球之间的空间，研究等离子体条件下生物分子自组装行为可以为探索生命起源和外星生命提供一些有意义的帮助。

本专利所使用的制备生物膜的冷等离子体技术装置简单、操作方便、耗时少、效率高、节省能耗且对环境友好，在制备生物膜材料领域有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的，冷等离子体条件下生物分子自组装制备膜材料的方法；技术装置简单、操作方便、耗时少、效率高、节省能耗且对环境友好，所制得的膜材料厚度分布均匀，具有良好的方向均一性。采用的冷等离子体形式包括电晕放电等离子体、辉光放电等离子体、射频放电等离子和低气压介质阻挡气体放电。

在本发明专利中，我们利用冷等离子体技术来控制生物分子自组装材料的形貌。在等离子体处理的过程中，除了使用惰性气体作为等离子体的发生气之外，没有使用其他任何化学试剂。等离子体处理过程用时不长于15分钟。通过将这种简单而又环境友好的等离子体技术融合到生物分子自组装过程中，生物分子自组装的产物由纳米纤维、纳米棒、纳米管或者纳米颗粒变为厚度均匀的生物膜。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的一种冷等离子体条件下生物分子自组装制备膜材料的方法，步骤如下：

(1).将生物分子溶解在三次蒸馏水中配成溶液，溶液浓度为20～200mol/L；

(2).将生物分子溶液直接装入等离子体放电器中；

(3).将等离子体放电器内部抽真空，然后通入等离子体放电气体，气体压力在50～200Pa；利用高压电源在电极两端施加100～3000V的直流或交流电使放电气体放电，形成等离子体，处理时间为1～15min；

(4).将等离子体处理后的溶液放在恒温摇床中培养5～240小时。

所述的等离子体放电气体为惰性气体。所述的惰性气体为氩气和氦气。

所述的气体放电等离子体形式为电晕放电等离子体、辉光放电等离子体、射频放电等离子或低气压介质阻挡气体放电。

所述的生物分子为多肽、酶、蛋白质或DNA。所述的恒温摇床内的温度在10～50℃。

本发明的优点和有益效果是：

1.本发明利用冷等离子体技术控制生物分子自组装材料的形貌，通过将冷等离子体融合到生物分子自组装过程中，生物分子自组装的产物由纳米纤维、纳米棒、纳米管或者纳米颗粒变为生物膜。

2.本发明涉及的冷等离子体条件下生物分子自组装制备膜材料充分利用了等离子体内部的电子以及水合电子。电子或者水合电子被生物分子俘获，使得生物分子之间的相互作用增强，促进了生物分子在空间不同方向上的组装，从而形成膜结构。利用冷等离子体制备的生物膜材料厚度均匀，具有均一的方向性。这些性质要远远优于利用传统的连续沉积法制备的生物膜材料。传统的连续沉积法制备的膜材料有序性及其差，薄厚差异较大，不能满足生物医药和生物传感器等领域对于生物膜材料有序性和厚度均一程度的要求。

3.本发明采用的冷等离子体，操作简便，耗时少，效率高，能耗低，对环境友好

附图说明

图1是多肽分子经冷等离子体处理后的原子力显微镜图像；

图2是蛋白质分子经冷等离子体处理后的原子力显微镜图像。

具体实施方式

本发明通过以下实施例结合附图进一步详述，但本实施例所叙述的技术内容是说明性的，而不是限定性的，不应依次来局限本发明的保护范围。

实施例1

将多肽分子溶解在三蒸水中配成浓度分别为20μmol/L，50μmol/L，100μmol/L，150μmol/L和200μmol/L的溶液，将溶液置于真空室内放电管的两个电极板之间，密闭，将真空室抽真空，然后充入氩气或者氦气作为放电气体，在电极上施加直流电压，采用冷等离子体处理。为了考察真空室内压力对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别使用了50Pa，100Pa，150Pa和200Pa的压力。为了考察施加不同直流电压对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别施加了五种不同的电压：100V，500V，1000V，2000V和3000V。为了考察等离子体处理时间对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别进行了1min，3min，5min，8min，10min，12min和15min的等离子体处理。等离子体处理后的溶液放在恒温摇床中培养24～120h。摇床内的温度分别考察了10℃，30℃，40℃和50℃。培养后的样品利用原子力显微镜观察，可以得到以下分析结果：

不同浓度的样品在等离子体处理后，多肽分子自组装得到的产物均为膜；

等离子体处理设备的真空室内压力不同，多肽分子自组装得到的产物均为膜；

施加不同的直流电压，多肽分子自组装得到的产物均为膜；

等离子体处理时间不同，多肽分子自组装得到的产物均为膜；

不同的摇床内温度，等离子体处理后的样品中多肽分子自组装得到的产物均为膜；

如图1a所示的图，对于没有用等离子体处理的样品，其自组装得到的是纳米颗粒(24h)和纳米纤维(72h和120h)；

如图1b所示的图，等离子体处理后的样品，其自组装得到的膜材料是厚度均匀(厚度在1.2nm左右)，具有均一方向性的；

从厚度的均匀性和结构的有序性来看，等离子体制备的生物膜材料要远远优于利用传统的连续沉积法制备的生物膜材料。传统的连续沉积法制备的膜材料有序性及其差，薄厚差异较大，不能满足生物医药和生物传感器等领域对于生物膜材料有序性和厚度均一程度的要求。

实施例2

将蛋白质分子溶解在三蒸水中配成浓度分别为20μmol/L，50μmol/L，100μmol/L，150μmol/L和200μmol/L的溶液，将溶液置于真空室内放电管的两个电极板之间，密闭，将真空室抽真空，然后充入氩气或者氦气作为放电气体，在电极上施加直流电压，采用冷等离子体处理。为了考察真空室内压力对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别使用了50Pa，100Pa，150Pa和200Pa的压力。为了考察施加不同直流电压对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别施加了五种不同的电压：100V，500V，1000V，2000V和3000V。为了考察等离子体处理时间对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别进行了1min，3min，5min，8min，10min，12min和15min的等离子体处理。等离子体处理后的溶液放在恒温摇床中培养24～120h。摇床内的温度分别考察了10℃，30℃，40℃和50℃。培养后的样品利用原子力显微镜观察，可以得到以下分析结果：

不同浓度的样品在等离子体处理后，蛋白质分子自组装得到的产物均为膜；

等离子体处理设备的真空室内压力不同，蛋白质分子自组装得到的产物均为膜；

施加不同的直流电压，蛋白质分子自组装得到的产物均为膜；

等离子体处理时间不同，蛋白质分子自组装得到的产物均为膜；

不同的摇床内温度，等离子体处理后的样品中蛋白质分子自组装得到的产物均为膜；

如图2a所示的图，对于没有用等离子体处理的样品，其自组装得到的是纳米棒(24h)，纳米纤维(72h和120h)或者纳米管(72h和120h)；

如图2b所示的图，等离子体处理后的样品，其自组装得到的膜材料是厚度均匀(厚度在1nm左右)，具有均一方向性的；

实施例3

将胰蛋白酶分子溶解在三蒸水中配成浓度分别为20μmol/L，50μmol/L，100μmol/L，150μmol/L和200μmol/L的溶液，将溶液置于真空室内放电管的两个电极板之间，密闭，将真空室抽真空，然后充入氩气或者氦气作为放电气体，在电极上施加直流电压，采用冷等离子体处理。为了考察真空室内压力对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别使用了50Pa，100Pa，150Pa和200Pa的压力。为了考察施加不同直流电压对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别施加了五种不同的电压：100V，500V，1000V，2000V和3000V。为了考察等离子体处理时间对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别进行了1min，3min，5min，8min，10min，12min和15min的等离子体处理。等离子体处理后的溶液放在恒温摇床中培养24～120h。摇床内的温度分别考察了10℃，30℃，40℃和50℃。尽管样品的浓度不同、等离子体处理设备的真空室内压力不同、施加的直流电压不同、等离子体处理时间不同、摇床内的温度不同，但是等离子体处理后，胰蛋白酶分子自组装得到的产物均为膜，膜厚度在1.5nm左右。

实施例4

将DNA分子溶解在三蒸水中配成浓度分别为20μmol/L，50μmol/L，100μmol/L，150μmol/L和200μmol/L的溶液，将溶液置于真空室内放电管的两个电极板之间，密闭，将真空室抽真空，然后充入氩气或者氦气作为放电气体，在电极上施加直流电压，采用冷等离子体处理。为了考察真空室内压力对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别使用了50Pa，100Pa，150Pa和200Pa的压力。为了考察施加不同直流电压对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别施加了五种不同的电压：100V，500V，1000V，2000V和3000V。为了考察等离子体处理时间对结果的影响，我们对每种浓度的溶液分别进行了1min，3min，5min，8min，10min，12min和15min的等离子体处理。等离子体处理后的溶液放在恒温摇床中培养24～120h。摇床内的温度分别考察了10℃，30℃，40℃和50℃。尽管样品的浓度不同、等离子体处理设备的真空室内压力不同、施加的直流电压不同、等离子体处理时间不同、摇床内的温度不同，但是等离子体处理后，DNA分子自组装得到的产物均为膜，膜厚度在1.1nm左右。

Claims (6)

1.一种冷等离子体条件下生物分子自组装制备膜材料的方法，其特征在于步骤如下：

(1).将生物分子溶解在三次蒸馏水中配成溶液，溶液浓度为20～200mol/L；

(2).将生物分子溶液直接装入等离子体放电器中；

(3).将等离子体放电器内部抽真空，然后通入等离子体放电气体，气体压力在50～200Pa；利用高压电源在电极两端施加100～3000V的直流或交流电使放电气体放电，形成等离子体，处理时间为1～15min；

(4).将等离子体处理后的溶液放在恒温摇床中培养5～240小时。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的等离子体放电气体为惰性气体。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的惰性气体为氩气和氦气。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的气体放电等离子体形式为电晕放电等离子体、辉光放电等离子体、射频放电等离子或低气压介质阻挡气体放电。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的生物分子为多肽、酶、蛋白质或DNA。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的恒温摇床内的温度在10～50℃。

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