CN109319842A - 一种牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法 - Google Patents

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王�琦
张羱
洪沙沙
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Abstract

本发明公开了一种牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法，采用牛血清蛋白同时作为生物模板和还原剂，与高锰酸钾发生原位氧化还原反应，在敞开的环境下，快速简便地制备出牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒，二氧化锰纳米颗粒的尺寸为2.70~7.53 nm。该二氧化锰纳米颗粒具有淬灭碳纳米点荧光的性能，在pH为4~7的条件下，淬灭效率为0.41~0.72。本发明方法通过简单地混合牛血清蛋白溶液和高锰酸钾溶液，在敞开环境下快速反应制备二氧化锰纳米颗粒，该过程避免了复杂仪器设备的使用，无需高温高压、强碱性等苛刻条件，操作简单、反应快速，具有绿色环保、节能简便的优点。

Description

一种牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法
技术领域
本发明涉及一种牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法，属于纳米材料制备领域。
背景技术
二氧化锰纳米材料由于其优异的物理、化学性能越来越引起人们的关注，它被广泛地应用于吸附氧化、非均相催化和电池材料等领域。常见的制备二氧化锰纳米材料的方法主要有水热法、电化学沉积法、熔盐法、溶胶凝胶法等，这些方法均使用了复杂昂贵的仪器设备、耗能高、操作复杂、反应条件苛刻，在一定程度上限制了二氧化锰纳米材料的制备。因此，寻求一种简单快速制备二氧化锰纳米材料的方法仍是一个亟待解决的问题。
生物模板法通过生物组织或生物大分子的特异性结构引导无机纳米粒子的生长，从而实现纳米材料在生物模板上的制备，该方法简单绿色、快速便捷，且生物模板可以很好地稳定纳米材料。牛血清蛋白是一种廉价的生物蛋白分子，它含有大量的巯基、羟基、氨基等活性基团赋予了其作为生物模板制备纳米材料的潜能。其中，已有利用牛血清蛋白与锰离子在强碱性条件下制备二氧化锰纳米颗粒的先例（Analyst, 2012, 137, 4552-4558），该方法通过外部加入氢氧化钠调节反应环境来实现二氧化锰的制备，然而强碱的存在有可能破坏生物模板，也会进一步限制其在生命科学领域的应用。目前，尚未报道牛血清蛋白作为生物模板通过高锰酸钾一步合成二氧化锰纳米材料的报道。
发明内容
本发明旨在提供一种牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法。
本发明原理：采用牛血清蛋白同时作为生物模板和还原剂，利用蛋白表面的还原型基团与高锰酸钾发生原位氧化还原反应，从而制备出牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒。该二氧化锰纳米颗粒具有淬灭碳纳米点荧光的性能。
本发明提供的快速制备方法，采用牛血清蛋白同时作为生物模板和还原剂，与高锰酸钾发生原位氧化还原反应，在敞开的环境下，快速简便地制备出牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒，二氧化锰颗粒尺寸在2.70~7.53 nm。
本发明提供了一种牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法，包括以下步骤：
（1）取牛血清蛋白粉末于烧杯中，加去离子水溶解，每mg牛血清蛋白需要去离子水0.1125~0.45 mL；
（2）在牛血清蛋白溶液中加入高锰酸钾溶液，在150~250 rpm持续搅拌的条件下反应3~5 min；此时混合溶液由紫红色变为浅棕色；
（3）将步骤（2）中反应后的混合溶液置于截留分子量2000的透析袋中，透析36~48 h；
（4）将步骤（3）中透析过后的试液进行离心分离，在10000~12000 rpm转速下离心10~20min，取上清液，得到牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒分散液。
上述步骤（2）中，牛血清蛋白与高锰酸钾的配比为：每mg牛血清蛋白使用0.0625~0.5 μmol高锰酸钾。
进一步地，步骤（2）中，在牛血清蛋白溶液中加入1 mL高锰酸钾溶液中，高锰酸钾溶液的浓度为5~10 mmol L-1。
本发明提供了采用上述制备方法制得的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒。
本发明提供了上述牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒在荧光淬灭中的应用。
具体的应用过程为：3 g柠檬酸和3 g尿素溶解于10 mL的去离子水中，置于750 W的家用微波炉中反应5 min后，在60 oC下真空干燥处置1 h；最后将产品溶解后在3000 rpm转速下离心20 min，取上清液，得到碳纳米点溶液，稀释300倍后待用。取0.2 mol L-1的醋酸钠溶液，分别用同等浓度的氢氧化钠溶液和醋酸溶液滴定，配制pH为2~7的醋酸-醋酸钠缓冲液。取碳纳米点溶液稀释于pH为2~7的缓冲液中，加入制备得到的二氧化锰纳米颗粒分散液，其中碳纳米点溶液和二氧化锰纳米颗粒溶液的体积比为：0.25~1。混合溶液在360 nm的激发下，检测碳纳米点荧光强度F，对比未加入二氧化锰纳米颗粒的荧光强度F0，计算荧光淬灭率：
荧光淬灭率= (F0-F)/F0。
该二氧化锰纳米颗粒具有淬灭碳纳米点荧光的性能，在pH为4~7的条件下，淬灭效率为0.41~0.72。
本发明的有益效果：
本发明方法利用牛血清蛋白同时作为生物模板和还原剂，在敞开环境下快速反应制备，该过程避免了复杂仪器设备的使用，无需高温高压、强碱性等苛刻条件，操作简单、反应快速，具有绿色环保、节能简便的优点；本发明制备得到的二氧化锰纳米颗粒具有作为荧光淬灭剂淬灭碳纳米点荧光的性能。
附图说明
图1是实施例1中，牛血清蛋白和高锰酸钾溶液混合搅拌反应不同时间时体系pH值的变化图；
图2是实施例1中，牛血清蛋白和高锰酸钾溶液混合搅拌反应3 min得到的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米材料的透射电子显微镜图（A）和高分辨透射电子显微镜图（B），标尺分别是10 nm和2 nm；
图3是实施例1中，牛血清蛋白和高锰酸钾溶液混合搅拌反应3 min得到的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米材料的纳米粒度表征图；
图4是实施例1中，牛血清蛋白和高锰酸钾溶液混合搅拌反应3 min得到的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米材料的X射线光电子能谱全谱图（A）、Mn分谱图（B）和氧分谱图（C）；
图5是实施例1中，牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米材料对碳纳米点荧光光谱的淬灭情况图；
图6是实施例1中，牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米材料在不同pH条件下对碳纳米点荧光光谱的淬灭情况图；
图7是实施例2中，牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米材料对碳纳米点荧光光谱的淬灭情况图；
图8是实施例4中，牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米材料对碳纳米点荧光光谱的淬灭情况图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
（1）取50 mg牛血清蛋白粉末于烧杯中，加9 mL去离子水溶解；
（2）在牛血清蛋白溶液中加入1 mL 10 mmol L-1的高锰酸钾溶液，在250 rpm持续搅拌的条件下反应3 min，每10 s取样测量反应体系的pH值。反应之后，紫红色的高锰酸钾溶液变为棕黄色。
图1为体系pH值随时间变化，pH值随着反应进行逐渐升高，最终在3 min后保持在8.5左右。
（3）将步骤（2）中混合溶液置于截留分子量2000的透析袋中，透析48 h；
（4）将步骤（3）中透析过后的试液进行离心分离，在12000 rpm转速下离心10 min，取上清液，得到二氧化锰纳米颗粒分散液。
图2为采用透射电子显微镜（Tecnai-G20, 美国FEI）对二氧化锰纳米材料进行形貌表征，A、B分别代表不同放大倍率下的照片，A图标尺为10 nm，B图标尺为2 nm。结果表明得到的二氧化锰纳米材料为颗粒状，存在明显的晶格，晶面间距为3.5 Å，它对应于α-MnO2晶体的220面。
图3为采用马尔文纳米粒度仪（Nano-ZS90, Malvern）对二氧化锰纳米材料分散液的测试结果。结果表明，材料的粒径在2.70~7.53 nm。
图4为采用X射线光电子能谱仪（K-Alpha, 美国赛默飞）对上述材料进行表征的结果，A图是材料的XPS全谱，B图是Mn 2p分谱，C图是O 1s分谱。结果表明该材料由C 1s、O 1s、N 1s、Mn 2p等元素组成，其中Mn 2p分谱中在654.0和642.5 eV处的分峰分别对应于Mn2p1/2和Mn 2p3/2，O 1s分谱中在532.9、531.6和529.8 eV处的峰分别对应于H-O-H、Mn-O-H、Mn-O-Mn的结合形式。
（5）3 g柠檬酸和3 g尿素溶解于10 mL的去离子水中，置于750 W的家用微波炉中反应5 min后，在60 oC下真空干燥处置1 h；最后将产品溶解后在3000 rpm转速下离心20min，取上清液，得到碳纳米点溶液，稀释300倍后待用。取0.2 mol L-1的醋酸钠溶液，分别用同等浓度的氢氧化钠溶液和醋酸溶液滴定，配制pH为2~7的醋酸-醋酸钠缓冲液。
取荧光碳纳米点溶液50 μL于pH为4的缓冲液中，加入200 μL步骤（4）中的二氧化锰纳米颗粒分散液，保持最终体积为1 mL。在360 nm的激发下，检测碳纳米点荧光强度F，对比未加入二氧化锰纳米颗粒的荧光强度F0，计算荧光淬灭率：
荧光淬灭率= (F0-F)/F0。
图5为采用分子荧光分光光度计（F-7000，日本日立）对碳纳米点在加入二氧化锰纳米材料分散液前后的荧光光谱测试结果。结果表明，碳纳米点在360 nm的激发下，在450nm处发出强烈的荧光，在加入二氧化锰纳米材料后，出现荧光淬灭现象。
（6）各取荧光碳纳米点溶液50 μL于pH为2~7的缓冲液中，加入200 μL步骤（4）中的二氧化锰纳米颗粒分散液，保持最终体积为1 mL。测试二氧化锰纳米颗粒在不同pH条件下的碳纳米点淬灭前后的荧光强度。
图6为二氧化锰纳米材料在不同的pH条件下对碳纳米点的荧光淬灭效率图。结果表明，二氧化锰纳米材料在pH为4~7的范围内显现出了强烈的荧光淬灭能力。
实施例2：
（1）取20 mg牛血清蛋白粉末于烧杯中，加9 mL去离子水溶解；
（2）在牛血清蛋白溶液中加入1 mL 10 mmol L-1的高锰酸钾溶液，在250 rpm持续搅拌的条件下反应3 min；
（3）将步骤（2）中混合溶液置于截留分子量2000的透析袋中，透析48 h；
（4）将步骤（3）中透析过后的试液进行离心分离，在10000 rpm转速下离心20 min，取上清液，得到二氧化锰纳米颗粒分散液。
（5）取荧光碳纳米点溶液50 μL于pH为4的缓冲液中，加入100 μL步骤（4）中的二氧化锰纳米颗粒分散液，保持最终体积为1 mL。在360 nm的激发下测试加入二氧化锰纳米颗粒前后的碳纳米点的荧光光谱。
图7为采用分子荧光分光光度计（F-7000，日本日立）对碳纳米点在加入二氧化锰纳米材料分散液前后的荧光光谱测试结果。结果表明，二氧化锰纳米颗粒对碳纳米点的荧光淬灭效率为0.55。
实施例3：
（1）取80 mg牛血清蛋白粉末于烧杯中，加9 mL去离子水溶解；
（2）在牛血清蛋白溶液中加入1 mL 5 mmol L-1的高锰酸钾溶液，在150 rpm持续搅拌的条件下反应5 min；
（3）将步骤（2）中混合溶液置于截留分子量2000的透析袋中，透析48 h；
（4）将步骤（3）中透析过后的试液进行离心分离，在12000 rpm转速下离心10 min，取上清液，得到二氧化锰纳米颗粒分散液。
实施例4：
（1）取50 mg牛血清蛋白粉末于烧杯中，加9 mL去离子水溶解；
（2）在牛血清蛋白溶液中加入1 mL 5 mmol L-1的高锰酸钾溶液，在250 rpm持续搅拌的条件下反应5 min；
（3）将步骤（2）中混合溶液置于截留分子量2000的透析袋中，透析36 h；
（4）将步骤（3）中透析过后的试液进行离心分离，在12000 rpm转速下离心20 min，取上清液，得到二氧化锰纳米颗粒分散液。
（5）取荧光碳纳米点溶液50 μL于pH为4的缓冲液中，加入50 μL步骤（4）中的二氧化锰纳米颗粒分散液，保持最终体积为1 mL。在360 nm的激发下测试加入二氧化锰纳米颗粒前后的碳纳米点的荧光光谱。
图8为采用分子荧光分光光度计（F-7000，日本日立）对碳纳米点在加入二氧化锰纳米材料分散液前后的荧光光谱测试结果。结果表明，二氧化锰纳米颗粒对碳纳米点的荧光淬灭效率为0.41。

Claims (9)

1. 一种牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法，其特征在于：采用牛血清蛋白同时作为生物模板和还原剂，与高锰酸钾发生原位氧化还原反应，在敞开的环境下，快速简便地制备出牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒，二氧化锰纳米颗粒的尺寸为2.70~7.53 nm。
2.根据权利要求1所述的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）取牛血清蛋白粉末于烧杯中，加去离子水溶解，每mg牛血清蛋白需要去离子水0.1125~0.45 mL；
（2）在牛血清蛋白溶液中加入高锰酸钾溶液，在150~250 rpm持续搅拌的条件下反应3~5 min；
（3）将步骤（2）中混合溶液置于透析袋中，透析36~48 h；
（4）将步骤（3）中透析过后的试液进行离心分离，在10000~12000 rpm转速下离心10~20min，取上清液，得到二氧化锰纳米颗粒分散液。
3.根据权利要求1所述的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法，其特征在于：步骤（2）中，牛血清蛋白与高锰酸钾的配比为：每mg牛血清蛋白使用0.0625~0.5 μmol高锰酸钾。
4.根据权利要求1所述的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法，其特征在于：步骤（2）中，高锰酸钾溶液的浓度为5~10 mmol L-1。
5.根据权利要求1所述的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒的快速制备方法，其特征在于：所述透析袋的截留分子量为2000。
6.一种权利要求1~5任一项所述的制备方法制得的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒。
7.一种权利要求6所述的牛血清蛋白负载的二氧化锰纳米颗粒在荧光淬灭中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于： 具体的应用过程为：3 g柠檬酸和3 g尿素溶解于10 mL的去离子水中，置于750 W的家用微波炉中反应5 min后，在60 oC下真空干燥处置1 h；最后将产品溶解后在3000 rpm转速下离心20 min，取上清液，得到碳纳米点溶液，稀释300倍后待用；取0.2 mol L-1的醋酸钠溶液，分别用同等浓度的氢氧化钠溶液和醋酸溶液滴定，配制pH为2~7的醋酸-醋酸钠缓冲液；取碳纳米点溶液稀释于pH为2~7的缓冲液中，加入制备得到的二氧化锰纳米颗粒分散液，其中碳纳米点溶液和二氧化锰纳米颗粒溶液的体积比为：0.25~1；混合溶液在360 nm的激发下，检测碳纳米点荧光强度F，对比未加入二氧化锰纳米颗粒的荧光强度F0，计算荧光淬灭率：
荧光淬灭率= (F0-F)/F0。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：二氧化锰纳米颗粒具有淬灭碳纳米点荧光的性能，在pH为4~7的条件下，淬灭效率为0.41~0.72。
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