CN107227509A - 一种以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维及其制备方法 - Google Patents

一种以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维及其制备方法，包括S1、霉菌菌丝的培养：将活化后的霉菌菌种接种至培养基中培养，并分离培养液中菌丝体；S2、纳米材料前躯体在菌丝表面的吸附：将所述步骤S1中得到的菌丝体分散于纳米材料前躯体溶液，搅拌适当时间，使得所述前躯体在菌丝表面发生吸附，得到菌丝悬浮液；S3、菌丝表面纳米材料的生成和生长：向所述步骤S2中的菌丝悬浮液中加入氧化剂或沉淀剂，将所述前躯体转化为纳米材料，得到以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维。本发明以霉菌菌丝为模板，制备多种纳米材料修饰的功能性微纤维，证明霉菌菌丝可以作为功能性微纤维合成的通用模板，该法具有操作简单、成本低、绿色环保等优点。

Description

一种以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于材料科学领域，尤其涉及一种以霉菌菌丝为模板的纳米微纤维及其制备方法。
背景技术
近年来，纳米材料的合成和应用在各个领域受到了广泛的关注。相关学者尝试采用各种物理、化学或生物法制备具有不同成分、形貌和结构的纳米材料。而在许多应用场景当中，比如微传感器制备、微型电机设计、柔性太阳能电池等，都需要功能性微纤维的制备。这类微纤维一般由一至数层纳米材料包覆，包覆层尺寸应控制在纳米级以保证其优异的功能性，纤维整体尺寸应控制在微米级以保证其在光学显微镜下的可装配性。为了制备满足要求的微纤维材料，许多学者尝试采用棉花纤维、氧化铝等作为模板进行微纤维的合成。在这些模板当中，由于生物模板具有绿色环保、可再生且便于批量生产等优点表现出了较大的应用潜力。
霉菌是一类以菌丝体形式生长的真菌，其菌丝直径约为1～10μm，长度可超过100μm。此外，霉菌的细胞壁主要由几丁质、葡聚糖和蛋白质组成，因此包含大量的羟基、羧基和氨基等官能团。这些官能团为霉菌菌丝表面的功能性修饰提供了便利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以霉菌菌丝为通用模板制备功能性微纤维的方法，以霉菌菌丝为模板，制备多种纳米材料修饰的功能性微纤维，证明霉菌菌丝可以作为功能性微纤维合成的通用模板，该法具有操作简单、成本低、绿色环保等优点。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法，包括以下步骤：
S1、霉菌菌丝的培养：将活化后的霉菌菌种接种至液态察氏培养基，于26～28℃以50-200rpm转速培养48-240h，采用抽滤法分离培养液中菌丝体，并使用蒸馏水清洗3～5次；
S2、纳米材料前躯体在菌丝表面的吸附：将上述菌丝体分散于纳米材料前躯体溶液，搅拌适当时间，使得该前躯体在菌丝表面发生吸附，得到菌丝悬浮液；
S3、菌丝表面纳米材料的生成和生长：向上述菌丝悬浮液中加入一定的氧化剂或沉淀剂，将所述前躯体转化为纳米材料，得到以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维，并通过控制反应时间和反应物的剂量控制纳米材料尺寸及形貌。
所述纳米材料可以为ZnO纳米材料、Fe3O4纳米材料、Cu(OH)2纳米材料、聚吡咯纳米材料或聚苯胺纳米材料等纳米材料中的任意一种。
所述氧化剂可以为过硫酸铵等。
所述沉淀剂可以为氢氧化钠、氨水或三乙醇胺等中的任意一种。
一种利用上述以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法制备的纳米材料微纤维，所述纳米材料微纤维以霉菌菌丝为模板。
优选的，所述纳米材料微纤维的直径为5～20μm。
现有技术相比本发明的有益效果：
1、本发明利用利用霉菌菌丝作为微纤维制备的模板，具有通用性好、成本低、绿色环保、可再生、便于批量制备等优点。
2、本发明所制备微纤维尺寸适中，直径约5～20μm，便于借助光学显微镜进行微装配，且可方便地通过调节反应时间和反应物浓度控制表面纳米材料鞘层厚度从而保证微纤维功能性。
3、本发明所述方法经改进后可用于复杂多层结构微纤维制备，具有极大开发和应用潜力。
附图说明
图1为扩展青霉菌丝扫描电镜图像和能量散射图谱；
图2为ZnO/菌丝微纤维扫描电镜图像和能量散射图谱；
图3为Fe3O4/菌丝微纤维扫描电镜图像和能量散射图谱；
图4为Cu(OH)2/菌丝微纤维扫描电镜图像和能量散射图谱；
图5为PPy/菌丝微纤维扫描电镜图像和能量散射图谱；
图6为PANI/菌丝微纤维扫描电镜图像和能量散射图谱；
图7为扩展青霉菌丝、ZnO/菌丝微纤维、Fe3O4/菌丝微纤维和Cu(OH)2/菌丝微纤维的X射线衍射图谱；
图8为扩展青霉菌丝、PANI、PANI/菌丝微纤维、PPy和PPy/菌丝微纤维的FT-IR图谱。
具体实施方式
本发明实施例以扩展青霉为模板，下面分别制备由ZnO，Fe3O4，Cu(OH)2，聚吡咯(PPy)和聚苯胺(PANI)纳米材料包覆菌丝构成的核壳结构微纤维并结合附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
(1)扩展青霉菌丝体培养：取硝酸钠3g，硫酸镁0.5g，氯化钾0.5g，七水合硫酸亚铁0.01g，蔗糖30g溶于500mL去蒸馏水，取磷酸氢二钾1g溶于500mL蒸馏水，于121℃高压灭菌20min。冷却至室温后，混合配成察氏培养基，分装至三角瓶。无菌条件下，使用接种针挑取扩展青霉菌种接种，于27℃、150rpm转速下培养96h。采用抽滤法分离培养液中菌丝体，并使用蒸馏水清洗3次。
(2)ZnO/菌丝微纤维制备：将上述菌丝体2.5g分散于100mL醋酸锌溶液(1g/L)，搅拌20min。加入100mL浓度为1.2M的三乙醇胺(TEA)溶液，混匀。90℃水浴搅拌5分钟，静置2h，抽滤分离，并使用蒸馏水清洗3次，冷冻干燥24h。
图1和图2显示了原始菌丝和ZnO/菌丝微纤维的扫描电子显微镜(SEM)图片及其能量散射(EDS)图谱，Zn元素的出现初步说明了ZnO鞘层的成功制备。图7显示了其X射线衍射(XRD)图谱，相应的特征峰及其归属总结于表1。ZnO/PE微纤维在2θ值为31.7(100)，34.4(002)，36.3(101)，47.6(102)，56.5(110)，62.7(103)，68.0(112)和68.9(201)处的峰与六角纤锌矿ZnO的晶型相一致(JCPDS No.89-0511)，从而证实了微纤维中ZnO的存在，进一步证实了ZnO/菌丝微纤维的成功制备。
表1不同样本的XRD或FT-IR图谱的特征峰及其归属
实施例2
(1)扩展青霉菌丝体培养：取硝酸钠3g，硫酸镁0.5g，氯化钾0.5g，七水合硫酸亚铁0.01g，蔗糖30g溶于500mL去蒸馏水，取磷酸氢二钾1g溶于500mL蒸馏水，于121℃高压灭菌20min。冷却至室温后，混合配成察氏培养基，分装至三角瓶。无菌条件下，使用接种针挑取扩展青霉菌种接种，于26℃、50rpm转速下培养48h。采用抽滤法分离培养液中菌丝体，并使用蒸馏水清洗4次。
(2)Fe3O4/菌丝微纤维制备：将上述菌丝体2.5g分散于100mL蒸馏水，水浴60℃，通氮气10min以排除氧气。依次加入1.1928g FeCl2·4H2O和3.2436g FeCl3·6H2O，混匀，搅拌20min。然后使用氨水调节pH至10，持续搅拌反应1h。最后，利用磁铁吸附分离，并使用蒸馏水反复清洗，冷冻干燥24h。
图3显示了Fe3O4/菌丝微纤维的SEM图片及其EDS图谱，Fe元素的存在初步说明了Fe3O4鞘层的成功制备。图7显示了其XRD图谱，相应的特征峰及其归属总结于表1。Fe3O4/PE微纤维在2θ值为30.6(220)，35.7(311)，43.4(400)，57.5(333)和62.9(440)处的峰与JCPDS89-4319所述Fe3O4的晶型相一致，进一步证实了Fe3O4/菌丝微纤维的成功制备。
实施例3
(1)扩展青霉菌丝体培养：取硝酸钠3g，硫酸镁0.5g，氯化钾0.5g，七水合硫酸亚铁0.01g，蔗糖30g溶于500mL去蒸馏水，取磷酸氢二钾1g溶于500mL蒸馏水，于121℃高压灭菌20min。冷却至室温后，混合配成察氏培养基，分装至三角瓶。无菌条件下，使用接种针挑取扩展青霉菌种接种，于28℃、200rpm转速下培养240h。采用抽滤法分离培养液中菌丝体，并使用蒸馏水清洗3次。(2)Cu(OH)2/菌丝微纤维制备：将上述菌丝体2.5g分散于100mL CuCl2溶液(1.25％),搅拌20min。快速搅拌的同时缓慢加入0.704％的氢氧化钠溶液100mL，反应2h。最后，利用抽滤法分离，并使用蒸馏水反复清洗3次，冷冻干燥24h。
图4显示了Cu(OH)2/菌丝微纤维的SEM图片及其EDS图谱，Cu元素的存在初步说明了Cu(OH)2鞘层的成功制备。图7显示了其XRD图谱，相应的特征峰及其归属总结于表1。Cu(OH)2/PE微纤维在2θ值为24.0(021)，34.3(002)，36.3(111)，38.6(041)，40.2(130)和53.7(150)处的峰与JCPDS 13-420所述Cu(OH)2晶型相一致，进一步证实了Cu(OH)2/菌丝微纤维的成功制备。
实施例4
(1)扩展青霉菌丝体培养：取硝酸钠3g，硫酸镁0.5g，氯化钾0.5g，七水合硫酸亚铁0.01g，蔗糖30g溶于500mL去蒸馏水，取磷酸氢二钾1g溶于500mL蒸馏水，于121℃高压灭菌20min。冷却至室温后，混合配成察氏培养基，分装至三角瓶。无菌条件下，使用接种针挑取扩展青霉菌种接种，于27℃、150rpm转速下培养96h。采用抽滤法分离培养液中菌丝体，并使用蒸馏水清洗3次。(2)PPy/菌丝微纤维制备：将上述菌丝体2.5g分散于100mL吡咯溶液(0.04M,使用0.5M H2SO4配制),搅拌20min。快速搅拌的同时缓慢加入0.04M的过硫酸铵溶液100mL，反应10min。最后，利用抽滤法分离，并使用蒸馏水反复清洗3次，冷冻干燥24h。所有溶液使用前预冷至0℃，并使用冰水浴控制反应液温度在0℃。
图5显示了PPy/菌丝微纤维的SEM图片及其EDS图谱，初步说明了PPy鞘层的成功制备。图8显示了其傅立叶变换红外(FT-IR)图谱，相应的特征峰及其归属总结于表1。由图8可见，所制备霉菌菌丝FT-IR图谱表现出多个典型的红外特征峰，如3271和1636cm-1处的羟基，2926cm-1处的CH基，1635(I型氨基)和1540(II型氨基)cm-1处的肽键，1026cm-1处的多糖基，位于1500-1200cm-1间由多个峰交叠形成的吸收带被认为是真菌菌丝的典型吸收[158]。而在菌丝表面包覆PPy和聚苯胺后，上述特征峰依然存在，但发生轻微偏移。PPy/PE微纤维的FT-IR图谱中位于1456和1166处的峰分别对应于PPy分子中的吡咯环振动和＝C-H键的面振动[157-160]。这些结果证实了PPy/菌丝微纤维的成功制备。
实施例5
(1)扩展青霉菌丝体培养：取硝酸钠3g，硫酸镁0.5g，氯化钾0.5g，七水合硫酸亚铁0.01g，蔗糖30g溶于500mL去蒸馏水，取磷酸氢二钾1g溶于500mL蒸馏水，于121℃高压灭菌20min。冷却至室温后，混合配成察氏培养基，分装至三角瓶。无菌条件下，使用接种针挑取扩展青霉菌种接种，于27℃、150rpm转速下培养96h。采用抽滤法分离培养液中菌丝体，并使用蒸馏水清洗3次。
(2)PANI/菌丝微纤维制备：将上述菌丝体2.5g分散于100mL苯胺溶液(0.04M,使用0.5M H2SO4配制),搅拌20min。快速搅拌的同时缓慢加入0.04M的过硫酸铵溶液(使用0.5MH2SO4配制)100mL，反应4h。最后，利用抽滤法分离，并使用蒸馏水反复清洗5次，冷冻干燥24h。所有溶液使用前预冷至0℃，并使用冰水浴控制反应液温度在0℃。
图6显示了PANI/菌丝微纤维的SEM图片及其EDS图谱，初步说明了PANI鞘层的成功制备。图8显示了其FT-IR图谱，相应的特征峰及其归属总结于表1。PANI/PE微纤维的FT-IR图谱中位于1584，1497，1312cm-1的峰分别对应于聚苯胺醌环C＝N键振动、芳香环C＝C键和C-H键的伸缩振动[165]。此外，位于830cm-1处新出现的峰对应于构成分子间氢键的胺基，说明了聚苯胺与菌丝表面多糖基之间的相互结合，证实了PANI/菌丝微纤维的成功制备。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、霉菌菌丝的培养：将活化后的霉菌菌种接种至培养基中培养，并分离培养液中菌丝体；
S2、纳米材料前躯体在菌丝表面的吸附：将所述步骤S1中得到的菌丝体分散于纳米材料前躯体溶液，搅拌适当时间，使得所述前躯体在菌丝表面发生吸附，得到菌丝悬浮液；
S3、菌丝表面纳米材料的生成和生长：向所述步骤S2中的菌丝悬浮液中加入氧化剂或沉淀剂，将所述前躯体转化为纳米材料，得到以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维。
2.根据权利要求1中所述以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法，其特征在于，所述步骤S1中培养基为液态察氏培养基。
3.根据权利要求2中所述以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法，其特征在于，所述步骤S1中活化后的霉菌菌种接种至液态察氏培养基的培养条件为：26～28℃以50～200rpm转速培养48～240h。
4.根据权利要求1所述以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法，其特征在于，采用抽滤法分离培养液中菌丝体，并使用蒸馏水清洗3～5次。
5.根据权利要求1中所述以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法，其特征在于，所述纳米材料为ZnO纳米材料、Fe3O4纳米材料、Cu(OH)2纳米材料、聚吡咯纳米材料或聚苯胺纳米材料中的任意一种。
6.根据权利要求1中所述以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法，其特征在于，所述氧化剂为过硫酸铵。
7.根据权利要求1中所述以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法，其特征在于，所述沉淀剂为氢氧化钠、氨水或三乙醇胺中的任意一种。
8.根据权利要求1中所述以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法，其特征在于，所述步骤S3中得到的纳米材料微纤维的直径为5～20μm。
9.一种利用权利要求1所述以霉菌菌丝为模板的纳米材料微纤维制备方法制备的纳米材料微纤维，其特征在于，所述纳米材料微纤维以霉菌菌丝为模板。
10.根据权利要求9中所述的纳米材料微纤维，其特征在于，所述纳米材料微纤维的直径为5～20μm。
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