基于病毒模板的納米粒子合成及應(yīng)用

蔣藝舟，馮苗，李博文

（東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

基于病毒模板的納米粒子合成及應(yīng)用

蔣藝舟，馮苗，李博文

（東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

生物模板合成是納米粒子合成方法中節(jié)能、環(huán)保的方法之一，比物理法、化學(xué)法，生物法等其他方法更具發(fā)展?jié)摿?。微生物和納米材料的多樣性使其合成機(jī)制豐富多樣。以微生物為模板合成納米粒子，利用了微生物繁殖快、廉價(jià)易得、易于培養(yǎng)的特點(diǎn)。文章介紹了生物合成納米粒子的特點(diǎn)、用途、發(fā)展進(jìn)程，展望其發(fā)展趨勢(shì)。

生物合成；微生物；納米粒子

1 概述

超微顆粒材料是納米材料的又一稱謂。納米材料是由納米粒子組成的，粒度介于1～100nm的具有特殊性能的材料。為了便于比較，舉一個(gè)典型的例子，氧的原子半徑是66pm，也就是0.066nm。一般，原子的半徑小于0.2nm，55號(hào)元素銫的原子半徑是0.235nm，是原子半徑最大的元素[2]。由此可見(jiàn)，原子的大小都是在納米以下的。筆者研究的納米材料，在微觀尺度上，處于1～100nm。

1000多年前，中國(guó)人就開(kāi)始使用納米材料了。蠟燭燃燒的煙霧收集起來(lái)制成碳黑，成為制作染料和墨的原料。古代用二氧化錫附著在銅鏡表面作防銹之用，這就是一層二氧化錫納米顆粒涂層。

1959年，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼最早提出了納米尺度科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，甚至逐個(gè)地排列原子，“制造”各種物體。1974年，在精密機(jī)械加工領(lǐng)域最早使用了“納米技術(shù)”一詞[3]。

納米材料的理化性質(zhì)具有特異性。常態(tài)物質(zhì)納米化后，表現(xiàn)出宏觀量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)?？茖W(xué)界把納米粒子歸類為介觀世界，就是介于宏觀世界與微觀世界之間。介觀世界的電學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)會(huì)有顯著不同。

納米材料研究可分為三個(gè)階段。1991年以前是第一階段，其特點(diǎn)是對(duì)單一材料和單相材料的研究，并制備了多種材料的納米粒粉，探索納米材料的特殊性能，以及對(duì)納米粒子和納米塊結(jié)構(gòu)的研究。1991—1999年進(jìn)入第二階段，探究納米復(fù)合材料合成的方法已經(jīng)成為這個(gè)階段的主導(dǎo)，重點(diǎn)研究了納米材料的理化及機(jī)械性質(zhì)，開(kāi)發(fā)出納米復(fù)合材料。2000年至今可以看作第三階段，在基礎(chǔ)理論和開(kāi)發(fā)應(yīng)用的推動(dòng)下，人工組裝納米材料越來(lái)越普及，成為一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，其應(yīng)用范圍在短時(shí)間內(nèi)拓展到前所未有的領(lǐng)域，由此進(jìn)入納米材料應(yīng)用的爆發(fā)期。

掃描隧道顯微鏡是基于納米技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)明，在分子生物學(xué)、催化材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域，納米技術(shù)也開(kāi)辟了前所未有的新天地。

由于納米顆粒的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)，使得生產(chǎn)過(guò)程不容易控制。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，納米材料的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、粒子組裝、合成改性均取得了突破，應(yīng)用前景廣闊。多種具有特殊性能的納米材料已經(jīng)進(jìn)行批量生產(chǎn)，在能源、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其市場(chǎng)每年以25%的速度高速增長(zhǎng)。

納米材料的研究集中在以下3個(gè)方面：（1）用異性材料表面沉積來(lái)獲得特定的粗糙度、表面結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)；（2）在多孔培養(yǎng)基中均勻涂布納米顆粒，得到預(yù)期的量子尺寸和滲流效應(yīng)；（3）納米管、納米絲的深入研究。

2 病毒模板合成納米粒子

2.1 納米粒子合成方法

合成納米材料主要有物理法、化學(xué)法、生物法三種?；瘜W(xué)法有離子交換法、溶膠凝膠法和沉淀法，物理法包括超重力法、球磨法和濺射法等，能耗高、高污染是物理法、化學(xué)法解決不了的難題[5]。納米材料的生物合成克服了物理法、化學(xué)法的缺點(diǎn)，成為綠色健康無(wú)污染、最有前途的方法，得到了各國(guó)科學(xué)家的重視，取得了高速發(fā)展。生物納米材料合成技術(shù)優(yōu)點(diǎn)很多，其控制反應(yīng)條件便捷，原料選材豐富多樣，后期處理容易都是物理、化學(xué)法不能相比的。利用不同生物的特異性，做成模板，生產(chǎn)出具有生物外觀的納米材料，既具有生物體本身的特性，又具有納米材料的特性。不同的生物與納米技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)出不同特性的納米材料，顯示出廣闊的發(fā)展空間。此外，以病毒為模板生產(chǎn)納米材料被廣泛應(yīng)用。

2.2 微生物（病毒）模板法

微生物種類多樣、結(jié)構(gòu)規(guī)整、生化反應(yīng)活性高，這個(gè)特點(diǎn)使其成為制備納米材料的理想模板，使用較多的模板是病毒和細(xì)菌。

病毒的蛋白質(zhì)外殼中含有多種活性物質(zhì)，能與金屬離子和納米粒子結(jié)合。病毒蛋白質(zhì)外殼采用化學(xué)修飾或基因修飾,可以調(diào)節(jié)表面官能團(tuán)并改善表面電荷。病毒結(jié)構(gòu)具有多樣性、微觀形貌具有規(guī)整性等特點(diǎn)。用病毒作為模板，可高效合成多種納米材料。病毒自我復(fù)制的速度非?？?，在適當(dāng)?shù)臈l件下，1個(gè)病毒在幾分鐘內(nèi)就會(huì)復(fù)制成百萬(wàn)個(gè)，利用病毒的這個(gè)特點(diǎn)，就可以快速制備納米材料。

煙草花葉病毒有規(guī)整的納米管狀結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和pH穩(wěn)定性，其蛋白質(zhì)外殼含有多種活性基團(tuán)，是制備一維納米線的理想模板。J.S.Lim等以煙草花葉病毒、半胱氨酸煙草花葉病毒變異體為模板，利用病毒體表面的C-O鍵和酰胺鍵等官能團(tuán)，對(duì)鈀前驅(qū)體進(jìn)行配位，使鈀前驅(qū)體在病毒體表面發(fā)生礦化，得到多晶鈀納米覆蓋層[1]。Shenton以煙草花葉病毒（Tobaco Mosaic Virus，TMV）為模板，利用TMV中空的管子，結(jié)合Fe3O4，成功地生產(chǎn)了Fe3O4納米管。由于TMV毒穩(wěn)定性高，是納米材料生物合成的理想模板。以M13病毒為骨架生產(chǎn)的碳鈉米管用于太陽(yáng)能電池，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10.6%。

材料科學(xué)與生物科學(xué)結(jié)合催生了生物納米材料合成技術(shù)的不斷發(fā)展。它跨越了生物形貌的復(fù)制階段，成為新的科技增長(zhǎng)點(diǎn)，使未來(lái)納米材料的應(yīng)用具有無(wú)限可能性。

2.3 病毒模板合成納米Fe3O4

1975年布萊克曼（Blakemore）在海洋鹽沼沉積物中發(fā)現(xiàn)了趨磁細(xì)菌。這種趨磁細(xì)菌體內(nèi)含有磁小體，磁小體的大小在35～100nm。磁小體可以與很多微生物結(jié)合，生成具有獨(dú)特性質(zhì)的納米材料。在基因操作中引入納米生物合成技術(shù)成為現(xiàn)代分子生物學(xué)的一個(gè)研究分支。

粒度在1～20nm的磁性納米材料具有超順磁性。將這種材料置于強(qiáng)磁場(chǎng)中一段時(shí)間再撤銷，磁性納米材料就會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)能，大于疇壁能，掙脫了磁矩束縛，使材料表現(xiàn)出磁無(wú)序的特點(diǎn)。1～20nm磁性納米顆粒具有與生物相容性、高偶聯(lián)容量和高比表面積的特點(diǎn)，使其在醫(yī)學(xué)上具有重要價(jià)值。例如，磁性納米Fe3O4用于生物活性物質(zhì)的分離檢測(cè)，還可以用于靶向藥物傳輸。用于生物技術(shù)的納米材料對(duì)于理化特性要求極其嚴(yán)格，要滿足對(duì)材料性能的各種特殊要求，控制納米顆粒的尺寸是合成納米物質(zhì)的主要困難。研究磁性納米顆粒的簡(jiǎn)潔合成方法，滿足合適的尺寸、粒徑分布、分散性是研究此項(xiàng)研究的重點(diǎn)。如今，采用控制生物體人工合成Fe3O4，可以生產(chǎn)出性能優(yōu)良的磁性納米材料。

2.4 納米金應(yīng)用

納米金是指分散在水溶液或油溶液中、粒徑為1～100nm的金粒子，物理法和濕化學(xué)法是制備納米金的主要方法。醫(yī)學(xué)上正是應(yīng)用了納米金粒子表面等離子體共振性。當(dāng)粒徑從小到大變化時(shí)，溶液的顏色表現(xiàn)為深黃色、粉紅色、酒紅色、深紅色、藍(lán)色的顏色變化。

膠體金的性質(zhì)取決于納米金粒子的粒徑，以及表面修飾劑的性質(zhì)，它的光學(xué)、電學(xué)、生物親和力特性，使其成為分子生物學(xué)領(lǐng)域重要材料。

在生物檢測(cè)分析中，納米金的應(yīng)用被高度重視。利用納米金易制備、易修飾、高密度、高介電常數(shù)等特點(diǎn)，作為生物探針。生物探針與多種生物分子結(jié)合，吸附親核試劑，產(chǎn)生特異基團(tuán)；生物探針還可以與氨基形成共價(jià)鍵，產(chǎn)生靜電吸附效應(yīng)。納米金探針產(chǎn)生的標(biāo)記物，與納米金具有相似的光譜特性，生物檢測(cè)正是利用了納米金的這個(gè)特點(diǎn)。1997年，Mirkin用納米金顆粒與DNA結(jié)合，制造了生物探針，用于蛋白質(zhì)、DNA檢測(cè)。

2.5 納米銀應(yīng)用

利用納米銀的催化特性，人們開(kāi)發(fā)了多種應(yīng)用，如降解染料、改變納米半導(dǎo)體材料的光催化性能等。納米銀有抗菌能力，醫(yī)學(xué)上多用于傷口愈合、外科手術(shù)等方面。此外，納米銀在癌癥、消炎、再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究也取得了很大進(jìn)展[4]。納米銀粒子的特殊性質(zhì)使其在食品、電子、醫(yī)療等方面有較好的應(yīng)用。

2.6 病毒模板合成納米的應(yīng)用

以病毒為模板合成的納米粒子，在疫苗開(kāi)發(fā)中具有良好前景。病毒納米粒子（Viral nanoparticles，VNPs）是由多個(gè)衣殼蛋白亞單元圍繞其遺傳物質(zhì)規(guī)則有序地排列而成的規(guī)整納米結(jié)構(gòu)。病毒納米粒子的遺傳物質(zhì)、衣殼蛋白可分別通過(guò)化學(xué)修飾和基因工程手段進(jìn)行改造。病毒納米粒子功能性分子連接在病毒納米粒子上、或?qū)⑵涓淖冏陨淼睦砘再|(zhì)，為其在生物、醫(yī)學(xué)、材料方面的應(yīng)用提供了可能性。病毒納米粒子因其獨(dú)特的理化性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等研究領(lǐng)域。病毒納米粒子表面功能化修飾的多價(jià)性，結(jié)構(gòu)的單分散性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)是其他方法合成的納米顆粒所難以比擬的。多個(gè)抗原分子的重復(fù)規(guī)整排列可有效地調(diào)控免疫細(xì)胞的活性，進(jìn)而誘導(dǎo)特異性免疫反應(yīng)的發(fā)生。利用煙草花葉病毒（TMV）作為抗原載體，以小分子雌三醇作為半抗原模型，通過(guò)化學(xué)修飾的方法構(gòu)建了多種VNPs-E3復(fù)合體，并結(jié)合動(dòng)物免疫實(shí)驗(yàn)對(duì)VNPs-E3的免疫學(xué)特性進(jìn)行研究，使VNPs在疫苗開(kāi)發(fā)方面的應(yīng)用具有了可行性的參考[6]。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，利用病毒為模板合成納米材料有非常好的應(yīng)用前景，對(duì)于病情診斷及治療起到重要作用。

3 結(jié)語(yǔ)

20世紀(jì)50年代起，提出了“用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器”的構(gòu)想，隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)納米技術(shù)的研究愈發(fā)深入。納米材料的性質(zhì)不同于一般的宏觀物體，也與原子、分子等微觀物體有所區(qū)別，具有的四大效應(yīng)和三大結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都存在廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。尤其納米四氧化三鐵、納米金和納米銀在近幾十年的研究中取得突破性進(jìn)展，對(duì)其他納米材料的研究有著重要的指導(dǎo)意義。

如今，對(duì)于納米材料的研究已從單一材料逐漸發(fā)展到納米復(fù)合材料，從納米粒子發(fā)展到納米簇、納米管等更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。關(guān)于納米材料的制備，對(duì)納米粒子的尺寸和形貌進(jìn)行控制是一大難題。各種納米材料的合成方法都有一定的局限性，科學(xué)家們致力于探索出一種節(jié)能、環(huán)保的合成方法。相比于物理方法和化學(xué)方法，生物方法、尤其是用病毒模板制備納米材料受到廣泛關(guān)注。病毒模板從環(huán)保、控制納米粒子結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面都具有優(yōu)越性，在納米材料合成中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

[1]吳爽.納米金的合成及其在生物中的應(yīng)用[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[2]靳鈞,陳春英.多功能腫瘤診療一體化的金納米材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)科學(xué):化學(xué),2017,47(2):191-199.

[3]竇堯.金、銀納米功能材料的制備及其在傳感方面的應(yīng)用[D].重慶:西南大學(xué),2014.

[4]張浩.氧化石墨烯和熒光納米粒子在生物傳感器方面的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2014.

[5]劉杉杉.納米金顆粒研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].輕工科技,2011(11):34-35.

[6]張巧霞,葛圣松.納米材料的生物合成研究進(jìn)展[J].化學(xué)世界,2015,56(4):246-250.

Synthesis and Application of Nanoparticles based on Virus Template

Jiang Yi-zhou,Feng Miao,Li Bo-wen
(School of life sciences,Northeast Forestry University,Heilongjiang Harbin 150040)

Biological template synthesis is the most energy-efficient nanoparticle synthesis methods,the method of environmental protection,compared with other methods,such as physical method,chemical method,biological method is more development potential.The microbial diversity and the mechanism of synthesis of nano materials is rich and varied.Using microorganisms as template composite nanoparticles,using microbial breeding fast,cheap easy and easy to culture.This paper introduces the characteristics,biosynthesis of nanoparticles,history and prospect of development.

Biosynthesis;Microorganisms;Nanoparticles

TB383 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

2096-0387（2017）06-00101-04

蔣藝舟（1997—），女，滿族，遼寧岫巖人，本科在讀，研究方向：微生物。