CN111517359B - 一种手性硫化铜超粒子的合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种手性硫化铜超粒子的合成方法，属于纳米材料和自组装科学技术领域。本发明以青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米团簇，与烟草花叶病毒衣壳蛋白在光的作用下发生自组装，制备得到饼状的手性硫化铜超粒子。本发明方法提出了一种光控的手性硫化铜超粒子的制备方法，对于开发更多的手性材料和了解手性材料之间的相互作用具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种手性硫化铜超粒子的合成方法，属于纳米材料和自组装科学技术领域。
背景技术
手性是物质的对称性衡量标尺，一个物质不能与其镜像重叠即为手性物质。最早发现手性并将其与光学活性联系起来的人是路易斯·巴斯德。随后，科学家发现大多数生物分子（蛋白质，核酸和糖类）是手性的，并且还利用它们的手性识别，在小分子的对映选择性合成方面取得了令人赞叹的成就。手性在自然界无处不在，是地球上生命的重要标志。所有生物体几乎都仅使用L-氨基酸和D-糖作为蛋白质和核酸的构建基块。自然界中几乎所有长度尺度都观察到手性。例如，无质量亚原子粒子中的手性或螺旋性取决于其自旋方向和运动方向。另一方面，宏观手性在我们生活中也是比比皆是，例如各种攀援植物的螺旋卷须，蜗牛螺旋壳，其中单侧螺旋的形成影响着蜗牛的繁殖和生长。科学界正在投入大量的努力来阐明同手性的起源，无机手性纳米颗粒已成为一个重要的基本概念。
第一个无机手性纳米颗粒是谷胱甘肽稳定的金纳米簇。后来这种手性配体诱导等离子体手性又被扩展到半导体纳米晶体，磁性纳米材料和过渡金属纳米材料。除了上述手性分子诱导非手性纳米颗粒产生的圆二色效应，通过制备具有手性形状的无机纳米结构，可以观察到金属和半导体纳米粒子中的手性效应。此外，纳米粒子自组装成精确的几何形状也表现出良好的手性信号。
自组装一直是纳米科学界长期追求的目标，原因在于在组装体中，单个构件会强烈影响整体性能。对于组装体来说，功能来自各个纳米粒子的性质以及它们的集体性质。尽管，手性材料的制备已经比较成熟，但是对于手性产生、手性信号的调控以及手性物质之间的相互作用还知之甚少。因此，如果将天然手性物质蛋白质和人工合成诱导的无机纳米材料联合起来，一定会在催化、光学和生物传感等领域发挥更大的作用。在这里，我们提出两种材料以手性构型相互作用形成超粒子，可能对于制备和理解纳米级手性材料方面会有新的见解。此外，无机纳米材料和有机大分子自组装形成的高级结构，在载药，信号传递，光学相互作用，催化和许多其他功能的所有生物系统中起着至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足之处，提供一种手性硫化铜超粒子的合成方法。
本发明的技术方案，一种手性硫化铜超粒子的合成方法，所述的超粒子是手性硫化亚铜纳米团簇和烟草花叶病毒衣壳蛋白在光的作用下发生自组装，形成了饼状的手性硫化铜超粒子，对于开发更多的手性材料具有重要的意义。
所述的手性硫化亚铜纳米团簇表面修饰了青霉胺来功能化，并且组装中的烟草花叶病毒衣壳蛋白不是以圆盘状的构型存在。此外，由于烟草花叶病毒衣壳蛋白的疏水氨基酸和疏水的硫化亚铜核之间的强相互作用，以及纳米团簇表面高的自由能促使烟草花叶病毒衣壳蛋白形成有机网络框架，纳米团簇镶嵌其中，组装成超粒子。此外，由于纳米团簇和蛋白质之间强烈的相互作用表现出明显不同于纳米团簇的圆二色性。
进一步地，青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米团簇制备方法如下：
（1）在氩气条件下，50mL的超纯水首先加热到60℃，并维持30分钟以排除氧气，随后通过注射器快速加入0.67mmol的CuCl2·H2O；待完全溶解后，再加入0.83mmol的NaOH，搅拌均匀后，产生絮状悬浮物时，迅速加入0.67mmol的柠檬酸钠，溶液颜色澄清后，继续加入0.83mmol的NaBH4，待溶液颜色变成紫红色后，最后加入0.67mmol的青霉氨Pen，溶液缓慢变成茶色；稳定升到95℃下回流搅拌30分钟后，缓慢冷却至室温，继续反应过夜，待溶液再次变成紫红色时，反应完成；
（2）加入6倍以上体积的异丙醇溶液，10000rpm以上离心不少于15 min，以纯化纳米团簇；将获得的沉淀在65℃下0.07-0.1MPa真空烘箱干燥后，收集干燥的粉末，真空包装于-20℃条件下保藏，备用。
进一步地，非圆盘状构型烟草花叶病毒衣壳蛋白的制备方法为：将1mL、2.5mg/mL的烟草花叶病毒衣壳蛋白与10μL、1M二硫苏糖醇DTT或者10μL、1M的β-巯基乙醇混合，在30℃条件下孵育30 min，再通过10KDa的超滤管以9000rpm的转速超滤纯化10 min，重复超滤纯化步骤三次即可。
进一步地，自组装过程具体如下：首先称取2mg的纯化的青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米团簇粉末，并溶解于10mL的超纯水中；取出1mL的溶解的纳米团簇与1mL非圆盘状构型烟草花叶病毒衣壳蛋白混合，并将混合溶液转移至5mL的一次性Zeta电位测试比色池中，532nm波长处1W的激光下辐射6h；完成反应后，加入5倍以上体积的异丙醇，以7000rpm的转速离心10 min，最终重悬在超纯水中获得手性硫化铜超粒子。
本发明的有益效果：本发明方法提出了一种光控的手性硫化铜超粒子的合成方法，对于开发更多的手性材料和了解手性材料之间的相互作用具有重要的意义。
附图说明
图1 青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米粒子的紫外光谱和圆二色光谱。
图2 青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米粒子的透射电镜(TEM)图。
图3 青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米粒子的X射线晶体衍射图。
图4 手性硫化铜超粒子的紫外光谱和圆二色光谱图。
图5 手性硫化铜超粒子的透射电镜图和高分辨透射电镜图。
图6 经处理的烟草花叶病毒衣壳蛋白的透射电镜图。
具体实施方式
本发明下面的实施例仅作为本发明内容的进一步说明，不能作为本发明的限定内容或范围。下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1 青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米粒子的合成和纯化路线如下：
（1）合成青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米粒子：在氩气条件下，50mL的超纯水首先加热到60℃，并维持30 min以排除氧气，随后通过注射器快速加入0.67 mmol的二水合氯化铜（CuCl2·2H2O），待完全溶解后，再加入0.83 mmol的氢氧化钠（NaOH），搅拌均匀后，产生絮状悬浮物时，迅速加入0.67 mmol的柠檬酸钠（NaCit），溶液颜色澄清后，继续加入0.83mmol的硼氢化钠（NaBH4），待溶液颜色变成紫红色后，最后加入0.67 mmol的青霉氨（Pen），溶液缓慢变成茶色，将稳定升到95℃下回流搅拌30 min后，缓慢冷却至室温，继续反应过夜，待溶液再次变成紫红色时，反应完成。
（2）纯化纳米团簇：加入6倍以上体积的异丙醇溶液，10000rpm以上离心不少于15min，获得的沉淀在65℃下0.07-0.1 MPa真空烘箱干燥后，收集干燥的粉末，真空包装于-20℃条件下保藏，备用。
合成得到的青霉氨稳定的手性硫化亚铜纳米团簇紫外-可见吸收光谱图如图1所示，在550nm和700nm左右有明显的吸收峰；透射电镜(TEM)图如图2所示，合成的团簇平均粒径在4nm左右；圆二色光谱如图1所示，L型青霉胺和D型的青霉胺功能化的团簇表现出典型的手性镜像圆二色吸收峰，这是经典的手性分子诱导的等离子纳米材料的圆二色吸收性质。合成的手性材料的X射线晶体衍射结果如图3所示，表明手性纳米团簇与经典的蓝辉铜矿的晶体衍射图谱一致，表明纳米团簇属于硫化亚铜纳米团簇。
实施例2 青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米粒子和烟草花叶病毒衣壳蛋白组装成手性硫化铜超粒子的方法如下：
（1）非圆盘状的烟草花叶病毒衣壳蛋白的制备：将1mL的烟草花叶病毒衣壳蛋白（2.5mg/mL）与二硫苏糖醇（DTT）或者β-巯基乙醇（10μL，1M）混合，在30℃条件下孵育30min，再通过10KDa的超滤管超滤纯化（9000rpm，10 min，三次）；经处理的烟草花叶病毒衣壳蛋白的透射电镜图如图6所示；
（2）自组装：手性硫化铜超粒子的组装是首先称取2mg的上述实施例1中纯化的青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米团簇粉末，并溶解于10mL的超纯水中，此时取出1mL的溶解的纳米团簇与1mL的纯化的烟草花叶病毒衣壳蛋白混合，并将混合溶液转移至5mL的一次性Zeta电位测试比色池中，532nm波长处的激光（1W）下辐射6h。完成反应后，通过加入5倍以上的异丙醇7000rpm，离心10 min，最终重悬在超纯水中获得手性硫化铜超粒子。
实施例3 超粒子和纳米团簇的表征
（1）圆二色光谱表征具体为：取纯化后的手性硫化亚铜纳米团簇和手性硫化铜超粒子溶液分别进行圆二色光谱测试，扫描波长为300～1000nm，扫描速度为1s/2nm，扫描稳定在25℃。与此同时，我们获得缓冲溶液的圆二色光谱作为对照；
（2）X射线晶体衍射表征具体为：取原始的手性硫化亚铜纳米粒子的干燥粉末过300目筛后，测试时，以铜靶作为辐射源。扫描速度是0.2个角度每秒，扫描范围是5度到90度；
（3）电镜测试具体为：取手性硫化亚铜纳米团簇和手性硫化铜超粒子的5倍稀释液，取20μL的样品滴在碳膜上，0.5h后用滤纸吸取多余的样品。电镜观察加速电压为200kV；对于烟草花叶病毒衣壳蛋白的透射电镜观察具体为取完成纯化的经处理的烟草花叶病毒衣壳蛋白溶液进行电镜负染制样处理，首先配制10mM的磷钨酸溶液然后通过加入1M的氢氧化钠溶液调节pH至6，将20μL的样品滴在碳膜上，5min后用滤纸吸取多余的样品，立即用磷钨酸浸泡5min，再用滤纸移除磷钨酸，再用戊二醛固定30min。电镜观察加速电压为120kV。
组装形成的手性硫化铜超粒子的圆二色光谱如图4所示，结果表明D型青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米团簇和烟草花叶病毒衣壳蛋白以及L型青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米团簇和烟草花叶病毒衣壳蛋白组装后表现出与L型硫化亚铜纳米团簇和D型硫化亚铜纳米团簇的圆二色性质完全不同的特点。首先，圆二色光谱峰的位置发生了较大的改变，超粒子在300，400，480，560nm波长处表现出强的圆二色性质，而在750-950nm，表现出宽的圆二色吸收。此外理论上，D型的纳米团簇的主峰表现出圆二色性负吸收是合乎常理的，但是D型的超粒子圆二色性主峰却表现出圆二色性正吸收，这是出乎意料的结果。我们认为是蛋白质的圆二色性影响了纳米粒子的圆二色性吸收，由于二者之间强烈的相互作用。超粒子的紫外吸收如图4所示，同样地，表现出多重峰的吸收特点，分别在280，390，570nm和800-1000nm的宽吸收。超粒子的透射电子显微镜结果如图5所示，与4nm的纳米团簇相比，超粒子的直径发生了巨大的变化大约500nm，表面的高低衬度暗示了两种成分的组装。超粒子的高分辨透射电镜结果如图5所示，再一次证明纳米团簇和蛋白质之间的组装。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (5)
1.一种手性硫化铜超粒子的合成方法，其特征在于：以青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米团簇，与烟草花叶病毒衣壳蛋白在光的作用下发生自组装，制备得到饼状的手性硫化铜超粒子。
2.根据权利要求1所述手性硫化铜超粒子的合成方法，其特征在于青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米团簇制备方法如下：
（1）在氩气条件下，50mL的超纯水首先加热到60℃，并维持30min以排除氧气，随后通过注射器快速加入0.67mmol的CuCl2·2H2O；待完全溶解后，再加入0.83mmol的NaOH，搅拌均匀后，产生絮状悬浮物时，迅速加入0.67mmol的柠檬酸钠，溶液颜色澄清后，继续加入0.83mmol的NaBH4，待溶液颜色变成紫红色后，最后加入0.67mmol的青霉胺 Pen，溶液缓慢变成茶色；稳定升到95℃下回流搅拌30min后，缓慢冷却至室温，继续反应过夜，待溶液再次变成紫红色时，反应完成；
（2）加入6倍以上体积的异丙醇溶液，10000rpm以上离心不少于15min，以纯化纳米团簇；将获得的沉淀在65℃下0.07-0.1MPa真空烘箱干燥后，收集干燥的粉末，真空包装于-20℃条件下保藏，备用。
3.根据权利要求1所述手性硫化铜超粒子的合成方法，其特征在于：所述烟草花叶病毒衣壳蛋白为非圆盘状构型。
4.根据权利要求3所述手性硫化铜超粒子的合成方法，其特征在于非圆盘状构型烟草花叶病毒衣壳蛋白的制备方法为：将1mL、2.5mg/mL的烟草花叶病毒衣壳蛋白与10μL、1M二硫苏糖醇DTT或者10μL、1M的β-巯基乙醇混合，在30℃条件下孵育30min，再通过10KDa的超滤管以9000rpm的转速超滤纯化10min，重复超滤纯化步骤三次。
5.根据权利要求1所述手性硫化铜超粒子的合成方法，其特征在于自组装过程具体如下：首先称取2mg的纯化的青霉胺稳定的手性硫化亚铜纳米团簇粉末，并溶解于10mL的超纯水中；取出1mL的溶解的纳米团簇与1mL非圆盘状构型烟草花叶病毒衣壳蛋白混合，并将混合溶液转移至5mL的一次性Zeta电位测试比色池中，532nm波长处1W的激光下辐射6h；完成反应后，加入5倍以上体积的异丙醇，以7000rpm的转速离心10min，最终重悬在超纯水中获得手性硫化铜超粒子。
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