CN113860380B - 一种利用真菌胞外聚合物制备赤铁矿纳米颗粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用真菌胞外聚合物制备赤铁矿纳米颗粒的方法，包括如下步骤：获取真菌的胞外聚合物溶液，将铁盐加入到胞外聚合物溶液中反应后即得。本发明利用真菌的胞外聚合物中含有的丰富的生物大分子以及其起到的分散剂的作用，进而有效保证制备得到具有一定的分散性的赤铁矿纳米颗粒；本发明方法的整体制备过程具有操作时间短、操作成本低、无二次污染等优点。
Description
技术领域
本发明涉及纳米颗粒制备领域，具体涉及一种利用真菌胞外聚合物制备赤铁矿纳米颗粒的方法。
背景技术
铁元素在地壳中普遍存在，其氧化物、硫化物在自然环境中分布广泛。由于铁基纳米材料成本较低，具有较高的比表面积和反应活性，已被广泛合成用于去除土壤和地下水中的重金属污染。赤铁矿(α-Fe2O3)纳米颗粒是一种常用的铁基纳米材料，是所有铁氧化物中稳定性最优异的铁矿物，其耐光、抗腐蚀性强，生物毒性低、环境友好，对多种重金属污染物具有较强的亲和性，比表面积大、吸附性能强，是一种理想的可应用于土壤和地下水重金属污染修复的铁基纳米材料。
目前，常用的赤铁矿纳米颗粒的制备方法包括沉淀法、水热法、水解法等化学方法。这些方法普遍涉及高温、高压、有毒化学品等，所需设备复杂、能耗高、成本高。具体的，例如：沉淀法需要经过高温煅烧获得赤铁矿纳米颗粒；水热法需要在高温高压密闭条件；水解法需要沸腾回流操作。同时，化学方法制备的赤铁矿，通常需要利用乙醇、丙酮等有机溶剂进行清洗，然后添加稳定剂(如十二烷基磺酸钠、柠檬酸等)维持颗粒的分散性，操作复杂，而且涉及有毒有害化学品的使用。
赤铁矿纳米颗粒的制备还可以采用微生物(如真菌、细菌、放线菌等)合成的方法，由于其具有能耗低、反应条件温和、无二次污染等特性受到越来越多的关注。例如，Bharde等利用土壤真菌Fusarium oxysporum和Verticillium sp.在胞外成功合成了磁铁矿纳米颗粒(Bharde et al.,Small,2006,2(1):135-141)。但采用真菌、细菌、放线菌等微生物合成方法制备铁氧化物纳米颗粒，大部分是在微生物细胞内合成，仅有少部分可以在胞外合成，并且也同时面临纳米颗粒与微生物细胞分离的问题，需要额外增加繁琐的分离操作步骤。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中采用微生物合成赤铁矿纳米颗粒的方法存在分离操作繁琐的缺陷，从而提供解决上述问题的一种利用真菌胞外聚合物制备赤铁矿纳米颗粒的方法。
一种利用真菌胞外聚合物制备赤铁矿纳米颗粒的方法，包括如下步骤：
获取真菌的胞外聚合物溶液，
将铁盐加入到胞外聚合物溶液中反应后即得。
所述铁盐加入到胞外聚合物溶液中后，铁盐的终浓度为1mmol/L。
所述铁盐为硝酸铁。
所述真菌为土壤真菌。
所述胞外聚合物溶液的获取过程为：
先采用培养基将真菌培养至对数期，收集真菌，悬浮于氯化钠溶液中进行再培养，再培养的时间为72h；再培养完成后，分离去除真菌细胞后即得胞外聚合物溶液。
所述氯化钠溶液的浓度为0.1％。
所述真菌的培养条件为28℃，转速180rpm。
所述分离去除真菌细胞的过程为：先离心再过滤，过滤的滤液即为胞外聚合物溶液。
所述离心条件为5000rpm，离心20min，温度10℃；
所述过滤的滤膜规格为0.22μm孔径，材质为聚醚砜或聚四氟乙烯。
所述反应条件为28℃，转速180rpm；反应时间为48h。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的一种制备赤铁矿纳米颗粒的方法，其利用真菌的胞外聚合物与铁盐反应即可制备得到，原料易得，设备及操作简单。具体的，真菌在其培育过程中会持续产生并释放由生物大分子及其降解产物组成的粘性胶体状物质，即胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)。真菌的胞外聚合物是以糖类为主的链式结构并附着有蛋白质的复合物，即，真菌的胞外聚合物主要由多糖、蛋白质、脂类等生物大分子组成，其中糖类能占胞外聚合物总量的一半以上。真菌的胞外聚合物含有丰富的官能基团(如羟基、羧基、氨基等)，对金属元素具有较强的亲和性；且这些大分子物质可以起到分散剂的作用保证制备的赤铁矿纳米颗粒具有一定的分散性；因此，本发明通过该胞外聚合物与铁盐反应，可以成功制备出赤铁矿纳米颗粒。
2.本发明的方法中的真菌优选为土壤真菌，具体的，在土壤微生物中，真菌由于生物量大、耐受性好等特性，因此，可以作为理想的合成铁基纳米颗粒的生物反应器之一。并且，常见的土壤真菌中提取得到的胞外聚合物，不仅仅原材料易于获得，且真菌的胞外聚合物产量高，可以进一步提高产率。
3.本发明的方法中胞外聚合物溶液仅仅只需培养液通过离心和过滤即克制备得到，胞外聚合物溶液与铁盐反应后也仅仅只需离心即可，因此整个制备过程中除常规的培育、离心和过滤设备，无需额外增加其他设备，除培养基、氯化钠、硝酸铁以外也无需采用其他化学试剂，制备成本低廉。
4.本发明方法的整体制备过程具有操作时间短、操作成本低、无二次污染等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中Fusarium oxysporum菌丝的扫描电镜图，比例尺10μm；
图2是本发明中Fusarium oxysporum菌丝的生长曲线图；
图3是本发明制备得到赤铁矿纳米颗粒的TEM图，比例尺100nm；
图4是本发明制备得到赤铁矿纳米颗粒的TEM图，比例尺20nm；
图5是本发明制备得到的赤铁矿纳米颗粒的粒径统计分布图；
图6是本发明制备得到的赤铁矿纳米颗粒的能量色散X射线谱图；
图7是本发明制备得到的赤铁矿纳米颗粒的选区电子衍射图；
图8是本发明制备得到的赤铁矿纳米颗粒的高分辨透射电镜图一；
图9是本发明制备得到的赤铁矿纳米颗粒的高分辨透射电镜图二。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
一种利用真菌胞外聚合物制备赤铁矿纳米颗粒的方法，本实施例中采用的真菌为土壤真菌，具体采用现有的尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum(中国普通微生物菌种保藏管理中心CGMCC 3.6787)。培养液配方为通用的酵母和霉菌分离与培养用培养基，即马铃薯葡萄糖肉汤PDB培养基(马铃薯提取物4.0g/L，葡萄糖20.0g/L，pH＝5.6±0.2)。
具体过程如下：
在无菌超净台中，利用一次性无菌注射器按照1:20体积比的接种比例将F.oxysporum的孢子悬液接种到250mL三角瓶中，瓶内盛有已灭菌的100mL PDB培养液，孢子悬液的浓度为2.13×106个/ml。。塞入灭菌的透气硅胶塞后，放入恒温摇床培养。摇床设定条件为28℃，转速180rpm。
由于F.oxysporum菌液为均匀的红色菌液，因此可通过测光密度OD值来测定生长曲线。接种后每12h取样，利用紫外可见分光光度计或酶标仪(如Spark 10M,瑞士Tecan)测定波长600nm处的吸光度值(OD600)，绘制生长曲线监测真菌生长状况。其中，F.oxysporum菌丝的扫描电镜图如图1所示，其生长曲线如图2所示。
待真菌生长至稳定期(60h)后，将菌液分装到离心管中，在5000rpm条件下离心20min，离心时温度10℃，离心后去掉上层培养液，随后用0.1％NaCl溶液清洗后，再悬浮至原体积100mL。
在恒温摇床中继续培养约72h后，将菌液分装到离心管中，在10℃、5000rpm条件下离心20min，离心获得上清液并去掉下层菌体，上清液通过0.22μm孔径的聚醚砜(PES)滤膜去除残留真菌，得到的滤液即为胞外聚合物溶液，将滤液放入4℃冰箱中暂时储存备用。
将硝酸铁(硝酸铁九水合物Fe(NO)3 .9H2O，购买自Aladdin，货号F100208-100g)加入到胞外聚合物溶液中，使得Fe(III)的终浓度为1mmol/L。放入恒温摇床中反应48h，即可得到肉眼可见的混浊，此即赤铁矿纳米颗粒的聚集体。
该胞外聚合物溶液中赤铁矿纳米颗粒的收集可以采用离心的方式进行收集，具体的，可以采用在5000rpm的条件下离心20min即可，该沉淀即为收集得到的赤铁矿纳米颗粒。
本实施例中，将制备得到的含有赤铁矿纳米颗粒的悬浮液滴加到覆盖有超薄碳支撑膜的铜栅网上，待液体挥发后，利用透射电子显微镜(TEM)(JEM-2010FEF,日本JEOL)进行测试，获得赤铁矿纳米颗粒的形貌，测试结果如图3和图4所示。
通过图3和图4可知，获得赤铁矿纳米颗粒为分散较为均为的球形颗粒。利用NanoMeasurer软件计数TEM图片中赤铁矿颗粒的几何直径，并进行统计分析，结果如图5所示，平均粒径尺寸为5.45nm。利用透射电镜配备的能量色散X射线光谱(EDX)表征纳米颗粒的元素组成，结果如图6所示，显示含有Fe和O元素。
为证明形成的含铁纳米颗粒是赤铁矿纳米颗粒，利用选区电子衍射(SAED)得到了颗粒晶体的衍射斑点和衍射环，结果如图7所示，通过测定发现主要是赤铁矿(α-Fe2O3)的(024)、(110)、(116)、(113)和(214)晶面，表明制备得到的是赤铁矿纳米颗粒。
本实施例中还利用高分辨透射电镜(HR-TEM)观察单个纳米颗粒的晶格条纹，结果如图8和图9所示，通过测定晶格条纹的间距，确定为赤铁矿(α-Fe2O3)的(104)和(110)晶面，进一步验证本实施例制备得到的是赤铁矿纳米颗粒。
因此，通过上述检测结果得知，本发明可以通过利用尖孢镰刀菌(F.oxysporum)胞外聚合物有效合成尺寸在5～6nm的赤铁矿纳米颗粒。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种利用真菌胞外聚合物制备赤铁矿纳米颗粒的方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取真菌的胞外聚合物溶液，所述真菌为尖孢镰刀菌；
将铁盐加入到胞外聚合物溶液中反应后即得，胞外聚合物溶液中赤铁矿纳米颗粒采用一次离心的方式进行收集；
所述胞外聚合物溶液的获取过程为：先采用培养基将真菌培养至稳定期，收集真菌，悬浮于氯化钠溶液中进行再培养，再培养的时间为72 h；再培养完成后，分离去除真菌细胞后即得胞外聚合物溶液；
所述分离去除真菌细胞的过程为：先离心再过滤，过滤的滤液即为胞外聚合物溶液；
所述反应条件为28 ℃，转速180 rpm；反应时间为48 h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁盐加入到胞外聚合物溶液中后，铁盐的终浓度为1 mmol/L。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铁盐为硝酸铁。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氯化钠溶液的浓度为0.1%。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述真菌的培养条件为28 ℃，转速180rpm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述离心条件为5000 rpm，离心20 min，温度10 ℃；
所述过滤的滤膜规格为0.22 μm孔径，材质为聚醚砜或聚四氟乙烯。
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