一種磁性石墨烯複合材料的生物合成方法

2023-05-27 07:15:01

一種磁性石墨烯複合材料的生物合成方法
【專利摘要】本發明屬於生物合成納米材料領域，涉及一種磁性石墨烯複合材料的生物合成方法。將10-30mmol/L的哌嗪-1,4-二乙磺酸和10-30mmol/L的乳酸鈉的pH值調至7.0，除氧滅菌；將氧化石墨烯加入培養液中，氧化石墨烯的濃度為0.4-0.6g/L；超聲30-80min，再加入β-FeOOH，使β-FeOOH的濃度為30-80mmol/L；厭氧磁力攪拌12-36h；收集處於對數生長期末期的異化金屬還原菌；將其加入混合溶液中，在厭氧30℃的條件下培養132-156h，得到磁性石墨烯複合材料。本發明工藝反應條件溫和、能耗低、操作簡單，製備的磁性石墨烯複合材料可用於吸附和磁性催化等。
【專利說明】一種磁性石墨烯複合材料的生物合成方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於生物合成納米材料領域，涉及一種磁性石墨烯複合材料的生物合成方 法。

【背景技術】
[0002] 石墨烯是一種只有一個原子厚度的二維碳材料，由於其具有機械強度高，比表面 積大和導電性能好等特點，在電子、傳感器、催化和能源等領域具有廣闊的應用前景。相比 於其他維度的碳材料，石墨烯除具有以上優點外，還具有製備成本低和易於功能化的優點。 因此，石墨烯成為負載無機納米顆粒的理想選擇。磁性Fe 304納米顆粒具有生物相容性好、 超順磁性強、毒性低、易於製備和過程中易分離等特點，其在催化、傳感器、藥物釋放和環境 修復等領域的應用一直是科學研究的熱點。因此，將磁性納米顆粒負載在石墨烯片層上形 成磁性石墨烯複合材料，可以結合兩種材料的優點，提高複合材料的使用性能。更重要的 是，複合材料中磁性顆粒的引入，不僅可以降低石墨烯片層間由於範德華力引起的聚集效 應，還可以實現石墨烯材料的分離和重複使用；而石墨烯基底的引入，也可以降低磁性納米 顆粒的聚集，從而提高磁性顆粒的利用效率。
[0003] 近年來石墨烯和磁性納米粒子複合材料的製備以及其在材料、化學、生物醫學等 領域的應用研究發展迅速。如Sun Η等人在2011年Nano Research第4卷第550-562頁、 Zhan Y 等人在 2011 年 Journal of Colloid and Interface Science 第 363 卷第 98-104 頁 以及Zhang H等在2014年RSC Advances第4卷第14441 - 14446頁發表的論文分別利用化 學水熱法、共價鍵結合法和化學沉澱法合成磁性石墨烯複合材料。但這些化學方法製備磁 性石墨烯複合材料，存在著反應步驟多、反應條件苛刻、難於控制、化學試劑毒性高等缺點。
[0004] 生物法合成納米材料是近年來隨著納米技術、生物技術和材料科學等學科的進步 而逐漸交叉發展起來的新興領域。與傳統上利用物理和化學方法合成納米材料相比，生物 法合成納米材料具有條件溫和、對環境無汙染、成本低廉等優點。近年來，生物合成磁性 納米材料受到了研究者的廣泛關注，並取得了較大的研究進展。Lovley D R等在1987年 Nature第330卷第252-254頁發表的論文首次報導了利用微生物合成磁性納米顆粒。Roh Y 等在 2006 年 Applied and Environmental Microbiology 第 72 卷第 3236-3244 頁、Lee J Η 等在 2008 年 Journal of Microbiology and Biotechnology 第 18 卷第 1572-1577 頁以及 Li X等在2012年Journal of Soils and Sediments第12卷第217-227頁所發表的論文中 報導微生物利用不同鐵前體化合物合成Fe30 4磁性納米顆粒。同時，生物法合成石墨烯也取 得了一定進展，如Salas EC等在2010年ACS Nano第4卷第4852-4856頁、Wang G等在2011 年 Nano Research 第 4 卷第 563-570 頁以及 Liu G 等在 2013 年 Bioresource Technology 第 149卷第503-508頁報導了利用微生物製備還原氧化石墨烯。但目前利用微生物合成磁性 石墨烯複合材料並未見報導。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在於解決現有技術中磁性石墨烯複合材料製備方法反應條件苛刻， 化學試劑易造成汙染的技術問題，提供一種磁性石墨烯複合材料的生物製備方法。
[0006] 本發明的技術方案如下：
[0007] -種磁性石墨烯複合材料的生物合成方法，具體步驟如下：
[0008] 步驟1 :氧化石墨烯的製備：採用氧化石墨烯作為磁性石墨烯複合材料的石墨烯 合成的前體物質；
[0009] 步驟2 : β -FeOOH的製備：採用β -FeOOH作為磁性石墨烯複合材料的磁性組分合 成的前體物質；
[0010] 步驟3 :異化金屬還原菌的培養：採用異化金屬還原菌製備磁性石墨烯複合材料 的微生物菌種；
[0011] 步驟4 :磁性石墨烯複合材料的生物合成方法：
[0012] (1)配製磁性石墨烯複合材料培養液：培養液包括10-30mmol/L的哌嗪-1，4-二 乙磺酸和l〇 -30mmol/L的乳酸鈉，pH值調至7. 0,除去氧氣，滅菌，得到磁性石墨烯複合材料 培養液；
[0013] (2)配製氧化石墨烯與β-FeOOH混合溶液：將步驟1中的氧化石墨烯加入到 磁性石墨烯複合材料培養液中，氧化石墨烯的濃度為0. 4-0. 6g/L ;超聲30-80min，再加 入β -FeOOH，β -FeOOH的濃度為30-80mmol/L ;厭氧磁力攪拌12-36h，即得氧化石墨烯與 β -FeOOH混合溶液；
[0014] (3)收集步驟3中的處於對數生長期末期的異化金屬還原菌；
[0015] (4)磁性石墨烯複合材料的生物合成：將步驟4(3)中收集的異化金屬還原菌 加入步驟4(2)配製的氧化石墨烯與β-FeOOH混合溶液中，在厭氧30°C的條件下培養 132-156h，獲得磁性石墨烯複合材料。
[0016] 所述的異化金屬還原菌為Shewanella oneidensis MR-1。
[0017] 步驟4 (1)所述的哌嗪-1，4-二乙磺酸為20mmol/L，乳酸鈉為20mmol/L。
[0018] 步驟4 (2)所述的氧化石墨烯的濃度為0. 5g/L，超聲時間為60min，β -FeOOH的濃 度為50mmol/L，厭氧磁力攪拌時間為24h。
[0019] 步驟4 (4)所述的培養時間為144h。
[0020] 本發明的有益效果是，所述的磁性石墨烯複合材料，可在常溫下利用 Shewanellaoneidensis MR-1合成，磁性納米顆粒均勻分布在石墨烯片層上。本發明所涉及 的磁性石墨烯複合材料合成方法可替代傳統化學合成法，工藝具有反應條件溫和、能耗低， 操作簡單等特點。本發明的磁性石墨烯複合材料可實現回收利用，且在作為吸附材料和磁 性催化材料等方面具有很好的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是所合成的磁性石墨烯複合材料的透射電鏡圖。
[0022] 圖2是所合成的氧化石墨烯的X射線衍射光譜圖。
[0023] 圖3是所合成的磁性石墨烯複合材料的X射線衍射光譜圖。

【具體實施方式】
[0024] 以下結合附圖和技術方案具體說明本發明的【具體實施方式】。
[0025] 實施例1
[0026] 磁性石墨烯複合材料的製備：
[0027] (1)氧化石墨烯的製備：氧化石墨烯是Shewanellaoneidensis MR-1合成石墨烯的 前體物質；稱取lg鱗片石墨粉加入46mL濃硫酸和10mL濃硝酸中，冰浴攪拌30min ;向濃酸 石墨粉混合液中緩慢加入6g高錳酸鉀，冰浴攪拌120min ;隨後將混合液置於35°C水浴攪拌 過夜；向混合液中加入46mL超純水，98°C油浴30min，冷卻至常溫，再加200mL超純水；逐滴 加入20mL質量分數為30%的雙氧水，以除去過量的高錳酸鉀；將所得產物用10%的稀鹽酸 洗滌3次，超純水洗滌數次，直至上清液成中性；超聲3h，離心後將所得沉澱在60°C真空幹 燥箱中烘乾，得到氧化石墨烯。
[0028] (2) β -FeOOH 的製備：β -FeOOH 是 S. oneidensis MR-1 合成 Fe304 的前體物質；將 10m〇l/L的NaOH溶液逐滴加入0. 4mol/L的FeCl3 · 6H20溶液中，調至膠體懸濁液的pH為 7. 0,室溫放置7-8h ;將製得的膠體懸濁液離心收集（11000g，5min)，並用高純水洗滌三次， 通N2曝氣30min除去氧氣，獲得β -FeOOH，於4°C厭氧保存備用。
[0029] (3)生物合成磁性石墨烯複合材料培養液的配置：培養液由20mmol/L的哌 嗪-1，4-二乙磺酸和20mmol/L的乳酸鈉組成，pH值調至7. 0,通N2曝氣除去氧氣，
[0030] 121°C高壓滅菌20min，得到所需的生物合成磁性石墨烯複合材料培養液。
[0031] (4) S. oneidensisMR-Ι的培養：該方法以S. oneidensis MR-1作為合成磁性石墨 烯複合材料的微生物菌種；採用Luria-Bertani培養基培養所述菌種，培養基的配方為： NaC110g/L，蛋白腖10g/L，酵母浸粉5g/L，用NaOH溶液將培養基pH調至7. 0,121°C高壓滅 菌20min ;將S. oneidensis MR-1接種至Luria-Bertani培養基，接種比例為1:100 ;接種後 的培養基在30°C，150rpm培養箱中培養12h，得到S. oneidensis MR-1菌液。
[0032] (5)磁性石墨烯複合材料的生物合成方法：
[0033] 第1步：將所述步驟⑴的氧化石墨烯加入所述步驟⑶的培養液中，使氧化石墨 烯濃度為〇. 5g/L，超聲分散60min ;再加入所述步驟（2)的β -FeOOH，使β -FeOOH的濃度 為50mmol/L ;厭氧磁力攪拌24h ;
[0034] 第2步：所述步驟（4)中Luria-Bertani培養基培養12h後所得的S. oneidensis MR-1菌液離心分離（11000g，5min)，倒掉上清液，將收集的細胞重新懸浮於哌嗪-1，4-二 乙磺酸溶液中。哌嗪-1，4-二乙磺酸溶液的濃度為20mmol/L，該溶液pH值用NaOH調節至 7.0,使用前，在121°C條件下，高壓滅菌20min ;將懸浮後的菌體離心分離（11000g，5min)， 倒掉上清液，收集沉澱下來的細胞，如此反覆三次，該過程加入哌嗪-1，4-二乙磺酸溶液的 目的是清洗菌體，以除去殘餘的Luria-Bertani培養基組分和代謝產物；
[0035] 第3步：將所述第2步離心分離的細胞加入所述第1步的培養體系中並重新懸浮， 在厭氧30°C的條件下攪拌12h，靜置12h，如此循環兩次，隨後保持靜置培養96h，即可合成 磁性石墨烯複合材料；
[0036] 第4步：磁性石墨烯複合材料的收集；將第3步所述的磁性石墨烯複合材料溶液 利用外部磁鐵分離，去除培養液，加入去離子水重新懸浮，在磁鐵的作用下再次分離，如此 反覆三次，目的是除去第1步所述的培養液和殘餘菌體；將磁性石墨烯複合材料重新懸浮 至高純水中；該方法使用的高純水在使用前通N 2曝氣30min除去氧氣，121°C，高壓滅菌 20min ;獲得磁性石墨烯複合材料。
[0037] 圖1是實施例1中合成的磁性石墨烯複合材料的透射電鏡圖，結果表明磁性Fe30 4 納米顆粒均勻地負載在石墨烯片層上。
[0038] 圖2是實施例1中合成的氧化石墨烯的X射線衍射光譜圖，圖中2 Θ = 9. 7°出現 氧化石墨烯的特徵峰。
[0039] 圖3是實施例1中合成的磁性石墨烯複合材料的X射線衍射光譜圖，譜圖中2 Θ = 9.7°的峰基本消失，23. 2°出現新的弱峰，說明氧化石墨烯得到了還原，30.3°，35. 8°， 43. 5°，54. 3°，57. 5°和63. Γ出現的新峰則說明磁性Fe304納米顆粒的形成。
【權利要求】
1. 一種磁性石墨烯複合材料的生物合成方法，其特徵在於，具體步驟如下： 步驟1 :氧化石墨烯的製備：採用氧化石墨烯作為磁性石墨烯複合材料的石墨烯合成 的前體物質； 步驟2 : β -FeOOH的製備：採用β -FeOOH作為磁性石墨烯複合材料的磁性組分合成的 前體物質； 步驟3 :異化金屬還原菌的培養：採用異化金屬還原菌製備磁性石墨烯複合材料的微 生物菌種； 步驟4 :磁性石墨烯複合材料的生物合成方法： (1) 配製磁性石墨烯複合材料培養液：培養液包括10-30mmol/L的哌嗪-1，4-二乙磺 酸和10-30mmol/L的乳酸鈉，pH值調至7. 0,除去氧氣，滅菌，得到磁性石墨烯複合材料培養 液； (2) 配製氧化石墨烯與β-FeOOH混合溶液：將步驟1中的氧化石墨烯加入到磁性石墨 烯複合材料培養液中，氧化石墨烯的濃度為〇. 4-0. 6g/L ;超聲30-80min，再加入β -FeOOH， β -FeOOH的濃度為30-80mmol/L ;厭氧磁力攪拌12-36h，即得氧化石墨烯與β -FeOOH混合 溶液； (3) 收集步驟3中的處於對數生長期末期的異化金屬還原菌； (4) 磁性石墨烯複合材料的生物合成：將步驟4 (3)中收集的異化金屬還原菌加入步驟 4(2)配製的氧化石墨烯與β-FeOOH混合溶液中，在厭氧30°C的條件下培養132-156h，獲得 磁性石墨烯複合材料。
2. 根據權利要求1所述的生物合成方法，其特徵在於，所述的異化金屬還原菌為 Shewanella oneidensis MR-l〇
3. 根據權利要求1或2所述的生物合成方法，其特徵在於，步驟4(1)所述的哌 嗪-1，4-二乙磺酸為20mmol/L，乳酸鈉為20mmol/L。
4. 根據權利要求1或2所述的生物合成方法，其特徵在於，步驟4 (2)所述的氧化石墨 烯的濃度為〇. 5g/L，超聲時間為60min，β -FeOOH的濃度為50mmol/L，厭氧磁力攪拌時間為 24h。
5. 根據權利要求3所述的生物合成方法，其特徵在於，步驟4 (2)所述的氧化石墨烯的 濃度為〇. 5g/L，超聲時間為60min，β -FeOOH的濃度為50mmol/L，厭氧磁力攪拌時間為24h。
6. 根據權利要求1、2或5所述的生物合成方法，其特徵在於，步驟4(4)所述的培養時 間為144h。
7. 根據權利要求3所述的生物合成方法，其特徵在於，步驟4(4)所述的培養時間為 144h。
8. 根據權利要求4所述的生物合成方法，其特徵在於，步驟4(4)所述的培養時間為 144h。
【文檔編號】C12R1/01GK104046652SQ201410287122
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】柳廣飛, 張欣, 王寧, 周集體, 金若菲 申請人:大連理工大學