利用大腸桿菌生物模板控制微米級硫化鋅形貌的方法

2023-05-27 03:36:51

專利名稱：利用大腸桿菌生物模板控制微米級硫化鋅形貌的方法
技術領域：
本發明涉及一種無機材料製備技術領域，特別是涉及一種利用大腸桿菌生物模板控制微米級硫化鋅形貌的方法。

背景技術：
金屬硫化物具有優良的電性能，廣泛應用於半導體、顏料、光致發光裝置、太陽能電池、紅外檢測器、光纖維通訊等。其中硫化鋅是一種重要的發光材料和半導體材料，在3～5μm和8～12μm波段具有較高的紅外透過率及優良的光、機、熱學綜合性能，主要應用於電子工業、國防工業、化學化工等諸多領域，是II-VI族化合物中被廣泛研究和應用的材料之一。硫化鋅還是一種性能獨特的螢光基質材料，已廣泛應用於多種儀器儀表中，如平板顯示器，光激發二極體，太陽能電池等。在信息顯示和照明領域大量應用的仍是微米級大顆粒硫化鋅，這主要是因為納米級硫化鋅缺陷較多，各種缺陷相互作用降低了硫化鋅螢光粉的發光效率。而材料的顆粒形態，粒度的大小及分布對硫化鋅發光材料的性能影響很大。在實際應用中，螢光材料尤其是螢光粉末材料的顆粒形貌對發光性能有著十分重要的意義。螢光材料的質量完全取決於粉末粒度的均勻度和顆粒的形貌，基本上對高質量的螢光粉的要求是形貌均勻，而且粒度分布範圍要窄。可見，ZnS的優異性能大都依賴於顆粒的大小、分布及形貌，因此，如何實現對其尺寸大小、粒徑分布的控制以及形貌和表面的修飾是研究的關鍵。目前已有多種用於不同用途的硫化鋅的合成方法，有氣相法、液相法和固相法。氣相沉澱反應直接將H2S氣體通過Zn2+溶液中進行沉澱反應，通過改變溶液的pH值、反應物濃度以及反應時間等可控制粒子的最終平均尺寸，但反應需要毒性較大的H2S氣體。液相法的製備形式多樣、操作簡單、粒度可控，因而備受重視，其缺點是易發生團聚現象導致形貌不規整。室溫一步固相反應作為一種新的合成方法，無需溶劑，產率高，無汙染，但得到的產物顆粒分布不均勻，形貌不規整，難實現對顆粒大小，形貌的控制。為此需要一種全新的控制材料形貌的合成方法以解決以上問題。


發明內容
針對現有製備硫化鋅的方法存在的顆粒形貌和大小難以控制的問題，本發明提供一種利用大腸桿菌生物模板控制微米級硫化鋅形貌的方法。該發明利用具有一定尺度或形貌的生物結構單元作為生物模板，利用生物模板自身的空間限域效應，通過物理、化學等方法按照設計要求形成新的材料或結構，同時生物分子所具有的完善且嚴格的分子識別功能可以對材料的合成進行精確調控，從而得到具有預期結構和性能的材料。
為了實現這一目的，本發明採用來源廣泛的大腸桿菌作為生物模板，大腸細菌(E.coli)為埃希氏菌屬(Escherichia)代表菌，為人和動物腸道中的常居菌，一般多不致病，故選用大腸桿菌作為生物模板製備材料安全可靠。大腸桿菌細胞平均長度約2μm，寬度約0.5μm，呈兩端微圓的短棒狀結構，是短棒狀微米級結構材料的良好的生物模板。本發明首先對大腸桿菌進行增殖培養，低滲處理，製備感受態細胞，然後將感受態細胞與硫化鋅體系共孵育，使硫化鋅體系粘附在大腸桿菌表面，通過熱擊處理促使大腸桿菌將硫化鋅體系吸入細胞內，在大腸桿菌生物模板作用下原位形成優良的短棒狀形貌的硫化鋅材料，經過煅燒處理去除大腸桿菌包被，從而獲得形貌均勻的微米級硫化鋅材料。
本發明的技術方案包括如下步驟 (1)將大腸桿菌接入預先配製好的50ml LB液體培養基中，37℃，120～200r/min搖床培養12～20h以使之增殖。然後將大腸桿菌培養液在冰上放置10～20min，於0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min，取沉澱。
(2)將沉澱溶於40ml去離子水中，0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min進行低滲，重複1～2次，取沉澱。
(3)將沉澱溶於40ml預冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，在冰上放置5～15min，然後於0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min，取沉澱。將沉澱重新溶於40ml預冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，即製得感受態細胞懸液。
(4)將0.091g～0.912g CS(NH2)2加入到感受態細胞懸液中，冰上放置10～30min，在4℃冰箱中靜置20～100h。然後將上述溶液在35～45℃水浴中熱擊1～5min，快速轉移到冰上冷卻1～5min，置於4℃冰箱中保存約10～40h，然後在室溫下孵化10～40h。
(5)孵化完後，將溶液在3000～5000r/min離心8～15min，將沉澱用15-25ml蒸餾水溶解後轉入50ml聚四氟乙烯內襯的釜中，加入15-25ml乙二胺，然後在150～300℃下加熱15～30h，冷至室溫。然後將溶液在2500～4000r/min下離心8～15min，取沉澱60～100℃真空乾燥15～40h，即得短棒狀形貌的硫化鋅材料。
本發明直接用合成ZnS體系的Zn(CH3COO)2·2H2O來製備感受態細胞，既可以提高感受態細胞的轉化率，又不引入其它元素，對合成較純且形貌均勻的ZnS意義重大。在煅燒與ZnS體系共孵育後的大腸桿菌時，加入具有強鹼性的乙二胺，可以較易溶解大腸桿菌包被，與此同時，還降低煅燒時的溫度，在較低的溫度下就可實現去除大腸桿菌包被的作用。
本發明的有益效果是通過生物模板自身的空間限域效應，採用來源廣泛的大腸桿菌生物模板，經過製備感受態細胞以及與材料體系共孵育並結合熱擊和煅燒處理，獲得形貌優越的短棒狀結構微米級硫化鋅材料。由於大腸桿菌的保護和空間限域作用，可明顯提高材料的形貌和穩定性。獲得的硫化鋅材料形貌均勻，大小一致，表明生物模板對材料的合成具有精確的控制作用。本發明方法工藝簡單，條件溫和，環保高效，並且原料來源廣泛易得，成本低廉，易於實現大規模生產，所獲得的材料還具有優良的形貌特徵，可作為高質量的螢光粉的基質材料，應用廣泛，具有重大的現實意義。



下面結合

和實施例對本發明作進一步的闡述。
圖1是進行低滲後大腸桿菌的TEM圖； 圖2是感受態細胞與ZnS材料體系共孵育後的TEM圖； 圖3是煅燒處理後所得到的多個短棒狀微米級硫化鋅顆粒的TEM圖； 圖4是本發明製備的短棒狀硫化鋅顆粒的EDS圖； 圖5是本發明製備的短棒狀硫化鋅顆粒的PL圖。

具體實施例方式 實施例1 配製LB液體培養基50ml，引入大腸桿菌菌種，在37℃下200r/min搖床培養12h。然後將大腸桿菌培養液在冰上放置10min，在6℃，3000r/min離心分離15min，棄去上清液，將沉澱溶入40ml去離子水中，6℃，3000r/min離心15min進行低滲，重複一次，取沉澱。將沉澱溶於40ml，0.01mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中(4℃冰箱中預冷)，充分混勻，在冰上靜置5min，於6℃，3000r/min離心分離15min，取沉澱。將沉澱重新溶於40ml預冷的0.01mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，製得感受態細胞。稱取0.091g的CS(NH2)2加入到感受態細胞懸液中，冰上放置10min，4℃冰箱靜置20h後，在35℃的熱水浴中熱擊1min，快速轉移到冰上冷卻1min，後又於4℃冰箱保存約10h，然後在室溫下繼續孵化10h。孵化後在3000r/min離心15min，將沉澱用15ml蒸餾水溶解後轉入50ml聚四氟乙烯內襯的釜中，加入25ml乙二胺，然後在300℃下加熱15h，冷至室溫。然後將溶液在2500r/min離心15min，沉澱在100℃下真空乾燥15h，即得短棒狀形貌的微米級硫化鋅材料。
實施例2 配製LB液體培養基50ml，引入大腸桿菌菌種，在37℃下150r/min搖床培養17h。然後將大腸桿菌培養液在冰上放置10min，在4℃，4000r/min離心分離10min，棄去上清液，將沉澱溶入40ml去離子水中，4℃，4000r/min離心10min進行低滲，重複兩次，取沉澱。將沉澱溶於40ml，0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中(4℃冰箱中預冷)，充分混勻，在冰上靜置10min，於4℃，4000r/min離心分離10min，取沉澱。將沉澱重新溶於40ml預冷的0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，製得感受態細胞。稱取0.912g的CS(NH2)2加入到感受態細胞懸液中，冰上放置20min，4℃冰箱靜置40h後，在42℃的熱水浴中熱擊3min，快速轉移到冰上冷卻5min，後又於4℃冰箱保存約10h，然後在室溫下繼續孵化22h。孵化後在3000r/min離心10min，將沉澱用20ml蒸餾水溶解後轉入50ml聚四氟乙烯內襯的釜中，加入20ml乙二胺，然後在180℃下加熱22h，冷至室溫。然後將溶液在3000r/min離心10min，沉澱在80℃下真空乾燥22h，即得短棒狀形貌的微米級硫化鋅材料。
實施例3 配製LB液體培養基50ml，引入大腸桿菌菌種，在37℃下120r/min搖床培養20h。然後將大腸桿菌培養液在冰上放置20min，在0℃，5000r/min離心分離8min，棄去上清液，將沉澱溶入40ml去離子水中，0℃，5000r/min離心8min進行低滲，重複兩次，取沉澱。將沉澱溶於40ml，0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中(4℃冰箱中預冷)，充分混勻，在冰上靜置15min，於0℃，5000r/min離心分離8min，取沉澱。將沉澱重新溶於40ml預冷的0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，製得感受態細胞。稱取0.912g的CS(NH2)2加入到感受態細胞懸液中，冰上放置30min，4℃冰箱靜置100h後，在45℃的熱水浴中熱擊5min，快速轉移到冰上冷卻5min，後又於4℃冰箱保存約40h，然後在室溫下繼續孵化40h。孵化後在5000r/min離心8min，將沉澱用25ml蒸餾水溶解後轉入50ml容積的聚四氟乙烯內襯的釜中，加入15ml乙二胺，然後在150℃下加熱30h，冷至室溫。然後將溶液在4000r/min離心8min，沉澱在60℃下真空乾燥40h，即得短棒狀形貌的微米級硫化鋅材料。
圖1為低滲後大腸桿菌的TEM圖，從圖中可以看出，低滲後的大腸桿菌呈膨脹狀態，且細胞壁內部的物質由於受到滲透壓作用而部分滲出，反覆低滲幾次可導致中空的內部環境，有利於外界反應體系的進入。
圖2為感受態細胞與ZnS材料體系共孵育後的TEM圖，從圖中可明顯看出ZnS體系進入到大腸桿菌內部，形貌規則，大小均勻，並且轉化率很高。從左下角的插圖可以看到，未進入ZnS的中空大腸桿菌與充滿ZnS的大腸桿菌形成明顯的對比。
圖3中所示的為有代表性的多個短棒狀微米級硫化鋅顆粒的TEM圖，從圖中可以看到經過煅燒去除大腸桿菌的包被後，ZnS顆粒形貌規則，均為短棒狀顆粒，且大小均勻，平均寬度約0.5μm，平均長度約0.8μm，表明生物模板對材料的形貌確實具有一定的控制作用。
圖4是本發明製備的短棒狀硫化鋅顆粒的EDS圖，從能譜圖可以看到，我們製備得到的短棒狀硫化鋅由Zn和S兩種元素組成，圖中Cu峰是由於用銅網做基底所致，無其他雜質成分，由此可知，樣品是相當純淨的ZnS，Zn原子和S原子的百分比分別為29.59和56.83，即所得到的硫化鋅材料是非化學計量比的。
圖5是本發明製備的短棒狀硫化鋅顆粒的光致螢光光譜圖，激發光的波長為320nm，從螢光光譜圖可以看出樣品有兩個明顯的發光峰，分別位於360nm和467nm。一般認為位於400～500nm區間的發射峰由表面缺陷造成，故467nm的發光帶是由表面缺陷所致，其發光是由Zn2+空位形成。從圖中可以看到，467nm的發光帶較弱，可見利用大腸桿菌生物模板得到的短棒狀ZnS粒子的表面及界面效應導致其表面缺陷比以往方法要小，從而導致其缺陷發射強度較弱。Hyeon課題組(Hyeon，T.等J.Am.Chem.Soc.，2005，127:5662)報導尺寸為5nm左右的ZnS納米粒子的帶邊發射在335nm附近，當尺寸增大時，其帶邊發射紅移並伴隨一定程度的寬化現象。結合前人的研究結果，可將位於360nm左右的發射峰認為ZnS的近帶邊發射，與報導相比，發射峰峰位發生紅移，其原因可能是由於製備的ZnS尺寸為微米級，ZnS晶粒度增大，禁帶寬度減小，各缺陷能級之間的寬度也在減小，因此發射的光向低頻移動。在本實驗中所製備的硫化鋅樣品中，與以往製備球形顆粒最大的差別是具有規則短杆狀形貌，這種差別會導致硫化鋅表面態的不同，進而引起光致發光性能的差異。由此可見，利用大腸桿菌作為生物模板對ZnS的螢光性能不會產生本質的影響，其主要作用還在於控制ZnS的粒度和形貌，從而獲得所需的螢光性能。
權利要求
1.一種利用大腸桿菌生物模板控制微米級硫化鋅形貌的方法，其特徵在於所述方法包括如下步驟
(1)將大腸桿菌接入預先配製好的50ml LB液體培養基中，37℃，120～200r/min搖床培養12～20h以使之增殖；然後將大腸桿菌培養液在冰上放置10～20min，於0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min，取沉澱；
(2)將沉澱溶於40ml去離子水中，0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min進行低滲，重複1～2次，取沉澱；
(3)將沉澱溶於40ml預冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，在冰上放置5～15min，然後於0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min，取沉澱；將沉澱重新溶於10ml預冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，即製得感受態細胞懸液；
(4)將0.091g～0.912g CS(NH2)2加入到感受態細胞懸液中，冰上放置10～30min，在4℃冰箱中靜置20～100h；然後將上述溶液在35～45℃水浴中熱擊1～5min，快速轉移到冰上冷卻1～5min，置於4℃冰箱中保存約10～40h，然後在室溫下孵化10～40h；
(5)孵化完後，將溶液在3000～5000r/min離心8～15min，將沉澱用15-25ml蒸餾水溶解後轉入50ml容積的聚四氟乙烯內襯的釜中，加入15-25ml乙二胺，然後在150～300℃下加熱15～30h，冷至室溫；然後將溶液在2500～4000r/min下離心8～15min，取沉澱60～100℃真空乾燥15～40h，即得短棒狀形貌的硫化鋅材料。
全文摘要
本發明涉及一種利用大腸桿菌生物模板控制微米級硫化鋅形貌的方法。利用生物模板的空間限域效應，採用大腸桿菌為生物模板，通過製備感受態細胞與硫化鋅體系共孵育並結合熱擊和煅燒處理，獲得形貌優越的短棒狀結構的微米級硫化鋅材料。通過自然界自身存在的生物限域作用對硫化鋅材料進行形貌控制，獲得的硫化鋅材料形貌均勻，大小一致，表明生物模板對材料的合成可以進行精確的調控。本發明方法工藝簡單，條件溫和，原料易得，成本低廉，獲得的材料具有優良的形貌特徵。並且由於生物模板可自身繁殖，形貌重複性高等特點，易於實現大規模生產。
文檔編號C01G9/00GK101372357SQ20081007948
公開日2009年2月25日 申請日期2008年9月27日 優先權日2008年9月27日
發明者高發明, 莉 侯, 娜 李, 趙光萍 申請人:燕山大學