人工合成的聚賴氨酸調(diào)控SiO2的仿生合成及機理探討

吳瑞香

(汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕頭 515078)

SiO2是自然界中含量最豐富的物質(zhì)之一。在硅藻和海綿體中，有多種令人羨慕的SiO2納米結(jié)構(gòu)[1]，比較常見的有納米級硅球、硅針和硅殼[2]，它們在非常溫和的自然環(huán)境中形成。當代工業(yè)越來越注重生產(chǎn)過程環(huán)?；蜕a(chǎn)工藝簡單化，所以，科學(xué)家對硅藻、海綿等能夠在溫和的自然條件下產(chǎn)生SiO2產(chǎn)生了濃厚的興趣。德國的Kroger團隊首次通過實驗證實可以在體外仿生合成球形納米SiO2[3-6]。Stucky 和 Morse團隊[7- 9]從海綿中提取了一些不溶于水的Silaffins蛋白，實驗表明，Silaffins可以在近中性pH和室溫條件下介導(dǎo)SiO2的合成。

Kroger團隊發(fā)現(xiàn)Silaffins蛋白中具有大量經(jīng)修飾的賴氨酸殘基，實驗證明此賴氨酸殘基可以在非常溫和的條件下催化硅酸形成SiO2，并且可控制所SiO2的微觀結(jié)構(gòu)[10]。受此啟發(fā)，Morse團隊首次把合成的嵌段共聚多肽做為模板，在近中性pH合室溫條件下，仿生合成出不同形態(tài)、有序結(jié)構(gòu)的納米SiO2[11-12]。Stephen團隊以單嵌段共聚多肽為模板，在水溶液中仿生合成出了無定形二氧化硅，所用到的單嵌段共聚多肽有聚精氨酸[13]、聚組氨酸[14]和聚賴氨酸[15]等。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

聚賴氨酸(Mw=1～5kDa)；正硅酸乙酯( A.R)；無水乙醇(A.R)；濃鹽酸(A.R)；磷酸氫二鈉(A.R)；磷酸二氫鈉(A.R)；高靈敏度電子天平；Anke離心機(TGL-16C)；磁力加熱攪拌器；離心管(1.5mL)；微量進樣器(100μL)；傅立葉變換紅外光譜儀(Magna 750)；分析型掃描電子顯微鏡(JSM-6360LA)。

1.2 硅沉淀實驗

原硅酸四乙酯(TEOS)用作硅的前體，聚賴氨酸用作礦化劑，磷酸鈉緩沖劑用作溶劑，仿生合成納米SiO2，具體實驗過程如下[13]:將適量體積的正硅酸乙酯溶于1.5 mL 1 mmol/L的鹽酸中，攪拌，使其預(yù)水解30min，制得新鮮的正硅酸。將一定質(zhì)量的聚賴氨酸溶解在pH值=8，0.1mol/LNa2HPO4-NaH2PO4緩沖液中，使得最終體積為100μL。然后加入一定體積的正硅酸溶液，不斷震蕩，使其反應(yīng)幾分鐘后，可以看到反應(yīng)器內(nèi)生成大量白色沉淀,然后將混濁的液體以14000r/min離心5min并用蒸餾水洗滌3～5次以除去未反應(yīng)的磷酸鹽和硅酸。最后，在空氣中自然干燥。同時，不加多肽的條件下做空白實驗。

1.3 產(chǎn)物的表征方法

SEM圖像在JSM-6360LA鎢燈絲掃描電子顯微鏡上測得；采用KBr壓片法在Thermo Nicolet (US)Avatar360紅外光譜儀上測定FT-IR譜圖，在KBr中包含1%的樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 對比實驗

(左)未加多聚賴氨酸；(右)添加多聚賴氨酸圖1 對比實驗Fig.1 Comparative experiment

對比實驗發(fā)現(xiàn)，添加聚賴氨酸的試管內(nèi)生成了大量的白色沉淀；而沒有添加多聚賴氨酸的試管內(nèi)，沒有觀察到沉淀，并且在放置一段時間后，出現(xiàn)膠體，如圖1。

顯然，聚賴氨酸在二氧化硅的合成中起到了重要作用。室溫下，硅酸主要以Si(OH)4和帶負電的低聚物的形式存在，并且其在水中的溶解度較低，因此由于布朗運動引起的分子間相互碰撞的概率較低，從而很難發(fā)生聚合[14]。但是，當加入含有很多的陽離子位點的聚賴氨酸時，帶正電荷的基團及能形成氫鍵的基團使得Si(OH)4足夠接近，從而誘導(dǎo)其發(fā)生縮合。

聚賴氨酸的作用是中斷硅酸聚合的第二階段(硅聚合的三個階段：①單體的聚合產(chǎn)物形成穩(wěn)定的晶核；②晶核長大形成球形顆粒；③顆粒聚合形成支鏈或其他結(jié)構(gòu))，防止顆粒之間相互連接形成網(wǎng)絡(luò)狀物質(zhì)，從而得到納米顆粒或微米顆粒[15]。

2.2 產(chǎn)物的形貌分析

本文采用掃面電鏡研究了聚賴氨酸介導(dǎo)合成的生物硅材料和在管式爐中經(jīng)600℃高溫煅燒后2 h后硅材料的微觀形貌，見圖2。

(1)產(chǎn)物的SEM圖片；(2)600℃煅燒2 h后的產(chǎn)物SEM圖片

圖2 掃描電鏡圖片

Fig.2 SEM images

由圖2(1)可以看出，聚賴氨酸調(diào)控合成的產(chǎn)物為粒徑0～500 nm大小不等、形狀規(guī)則、表面光滑、分散性較差的球狀顆粒；而經(jīng)煅燒(600℃煅燒2 h)后的產(chǎn)物的微觀形貌為粒徑大小不等的空心硅殼。

2.3 紅外光譜分析

圖3 產(chǎn)物的紅外光譜Fig.3 The infrared spectra of the products

產(chǎn)物的紅外光譜如圖3所示，從煅燒前的光譜中可以看出，854 cm-1、467cm-1處的峰表示Si-O-Si的對稱伸縮振動和彎曲振動，1090cm-1附近強吸收峰是Si-OH的對稱伸縮振動和Si-O-Si反對稱伸縮振動，3450cm-1附近寬的吸收峰是是硅烷醇基團或者吸附水中-OH反對稱伸縮振動峰[16]，1545cm-1和1656 cm-1附近的吸收峰是聚賴氨酸的特征峰，992cm-1、854cm-1、661cm-1附近存在代表多肽中氨基和亞氨基的多個峰，從紅外光譜分析，最終產(chǎn)物是聚賴氨酸和SiO2·nH2O的復(fù)合物。

由煅燒(600℃煅燒)后的產(chǎn)物紅外譜圖可知，1545cm-1、1656 cm-1、992cm-1、854cm-1、661cm-1附近的多個峰幾乎消失，這主要是由煅燒除去了聚賴氨酸所致，1090cm-1附近強吸收峰減弱，說明煅燒過程中Si-OH縮合成Si-O-Si鍵，因此，經(jīng)煅燒后的產(chǎn)物基本為純SiO2顆粒。

3 機理討論

圖4 仿生合成反應(yīng)的機理模型Fig.4 The mechanism model of bionic synthesis reaction

4 結(jié)論

本文中，使用合成的聚賴氨酸作為礦化劑在體外模擬SiO2的仿生合成。在近中性pH和室溫條件下快速制備大量白色粉末。通過掃描電鏡、紅外光譜等方法研究了產(chǎn)物的形態(tài)和組成，SEM圖片顯示二氧化硅為粒徑0～500 nm大小不等、分散性較差的球狀顆粒，而經(jīng)600℃煅燒后的SiO2的微觀形貌為粒徑大小不等的空心硅殼。紅外光譜顯示產(chǎn)物為聚賴氨酸和SiO2的復(fù)合物，而經(jīng)高溫煅燒后，聚賴氨酸基本完全分解。通過對機理進行討論，明確聚賴氨酸在本實驗中主要起到了催化劑、模板劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑等作用。