專(zhuān)利名稱(chēng)：利用大腸桿菌生物模板控制微米級(jí)硫化鋅形貌的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)機(jī)材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用大腸桿菌生物模板控制微米級(jí)硫化鋅形貌的方法。

背景技術(shù)：
金屬硫化物具有優(yōu)良的電性能，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、顏料、光致發(fā)光裝置、太陽(yáng)能電池、紅外檢測(cè)器、光纖維通訊等。其中硫化鋅是一種重要的發(fā)光材料和半導(dǎo)體材料，在3～5μm和8～12μm波段具有較高的紅外透過(guò)率及優(yōu)良的光、機(jī)、熱學(xué)綜合性能，主要應(yīng)用于電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、化學(xué)化工等諸多領(lǐng)域，是II-VI族化合物中被廣泛研究和應(yīng)用的材料之一。硫化鋅還是一種性能獨(dú)特的熒光基質(zhì)材料，已廣泛應(yīng)用于多種儀器儀表中，如平板顯示器，光激發(fā)二極管，太陽(yáng)能電池等。在信息顯示和照明領(lǐng)域大量應(yīng)用的仍是微米級(jí)大顆粒硫化鋅，這主要是因?yàn)榧{米級(jí)硫化鋅缺陷較多，各種缺陷相互作用降低了硫化鋅熒光粉的發(fā)光效率。而材料的顆粒形態(tài)，粒度的大小及分布對(duì)硫化鋅發(fā)光材料的性能影響很大。在實(shí)際應(yīng)用中，熒光材料尤其是熒光粉末材料的顆粒形貌對(duì)發(fā)光性能有著十分重要的意義。熒光材料的質(zhì)量完全取決于粉末粒度的均勻度和顆粒的形貌，基本上對(duì)高質(zhì)量的熒光粉的要求是形貌均勻，而且粒度分布范圍要窄?？梢?jiàn)，ZnS的優(yōu)異性能大都依賴(lài)于顆粒的大小、分布及形貌，因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guān)鍵。目前已有多種用于不同用途的硫化鋅的合成方法，有氣相法、液相法和固相法。氣相沉淀反應(yīng)直接將H2S氣體通過(guò)Zn2+溶液中進(jìn)行沉淀反應(yīng)，通過(guò)改變?nèi)芤旱膒H值、反應(yīng)物濃度以及反應(yīng)時(shí)間等可控制粒子的最終平均尺寸，但反應(yīng)需要毒性較大的H2S氣體。液相法的制備形式多樣、操作簡(jiǎn)單、粒度可控，因而備受重視，其缺點(diǎn)是易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象導(dǎo)致形貌不規(guī)整。室溫一步固相反應(yīng)作為一種新的合成方法，無(wú)需溶劑，產(chǎn)率高，無(wú)污染，但得到的產(chǎn)物顆粒分布不均勻，形貌不規(guī)整，難實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wèn)題。


發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有制備硫化鋅的方法存在的顆粒形貌和大小難以控制的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種利用大腸桿菌生物模板控制微米級(jí)硫化鋅形貌的方法。該發(fā)明利用具有一定尺度或形貌的生物結(jié)構(gòu)單元作為生物模板，利用生物模板自身的空間限域效應(yīng)，通過(guò)物理、化學(xué)等方法按照設(shè)計(jì)要求形成新的材料或結(jié)構(gòu)，同時(shí)生物分子所具有的完善且嚴(yán)格的分子識(shí)別功能可以對(duì)材料的合成進(jìn)行精確調(diào)控，從而得到具有預(yù)期結(jié)構(gòu)和性能的材料。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采用來(lái)源廣泛的大腸桿菌作為生物模板，大腸細(xì)菌(E.coli)為埃希氏菌屬(Escherichia)代表菌，為人和動(dòng)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制備材料安全可靠。大腸桿菌細(xì)胞平均長(zhǎng)度約2μm，寬度約0.5μm，呈兩端微圓的短棒狀結(jié)構(gòu)，是短棒狀微米級(jí)結(jié)構(gòu)材料的良好的生物模板。本發(fā)明首先對(duì)大腸桿菌進(jìn)行增殖培養(yǎng)，低滲處理，制備感受態(tài)細(xì)胞，然后將感受態(tài)細(xì)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(guò)熱擊處理促使大腸桿菌將硫化鋅體系吸入細(xì)胞內(nèi)，在大腸桿菌生物模板作用下原位形成優(yōu)良的短棒狀形貌的硫化鋅材料，經(jīng)過(guò)煅燒處理去除大腸桿菌包被，從而獲得形貌均勻的微米級(jí)硫化鋅材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟 (1)將大腸桿菌接入預(yù)先配制好的50ml LB液體培養(yǎng)基中，37℃，120～200r/min搖床培養(yǎng)12～20h以使之增殖。然后將大腸桿菌培養(yǎng)液在冰上放置10～20min，于0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min，取沉淀。
(2)將沉淀溶于40ml去離子水中，0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min進(jìn)行低滲，重復(fù)1～2次，取沉淀。
(3)將沉淀溶于40ml預(yù)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，然后于0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min，取沉淀。將沉淀重新溶于40ml預(yù)冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，即制得感受態(tài)細(xì)胞懸液。
(4)將0.091g～0.912g CS(NH2)2加入到感受態(tài)細(xì)胞懸液中，冰上放置10～30min，在4℃冰箱中靜置20～100h。然后將上述溶液在35～45℃水浴中熱擊1～5min，快速轉(zhuǎn)移到冰上冷卻1～5min，置于4℃冰箱中保存約10～40h，然后在室溫下孵化10～40h。
(5)孵化完后，將溶液在3000～5000r/min離心8～15min，將沉淀用15-25ml蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)入50ml聚四氟乙烯內(nèi)襯的釜中，加入15-25ml乙二胺，然后在150～300℃下加熱15～30h，冷至室溫。然后將溶液在2500～4000r/min下離心8～15min，取沉淀60～100℃真空干燥15～40h，即得短棒狀形貌的硫化鋅材料。
本發(fā)明直接用合成ZnS體系的Zn(CH3COO)2·2H2O來(lái)制備感受態(tài)細(xì)胞，既可以提高感受態(tài)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化率，又不引入其它元素，對(duì)合成較純且形貌均勻的ZnS意義重大。在煅燒與ZnS體系共孵育后的大腸桿菌時(shí)，加入具有強(qiáng)堿性的乙二胺，可以較易溶解大腸桿菌包被，與此同時(shí)，還降低煅燒時(shí)的溫度，在較低的溫度下就可實(shí)現(xiàn)去除大腸桿菌包被的作用。
本發(fā)明的有益效果是通過(guò)生物模板自身的空間限域效應(yīng)，采用來(lái)源廣泛的大腸桿菌生物模板，經(jīng)過(guò)制備感受態(tài)細(xì)胞以及與材料體系共孵育并結(jié)合熱擊和煅燒處理，獲得形貌優(yōu)越的短棒狀結(jié)構(gòu)微米級(jí)硫化鋅材料。由于大腸桿菌的保護(hù)和空間限域作用，可明顯提高材料的形貌和穩(wěn)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(duì)材料的合成具有精確的控制作用。本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，條件溫和，環(huán)保高效，并且原料來(lái)源廣泛易得，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，所獲得的材料還具有優(yōu)良的形貌特征，可作為高質(zhì)量的熒光粉的基質(zhì)材料，應(yīng)用廣泛，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。



下面結(jié)合

和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
圖1是進(jìn)行低滲后大腸桿菌的TEM圖； 圖2是感受態(tài)細(xì)胞與ZnS材料體系共孵育后的TEM圖； 圖3是煅燒處理后所得到的多個(gè)短棒狀微米級(jí)硫化鋅顆粒的TEM圖； 圖4是本發(fā)明制備的短棒狀硫化鋅顆粒的EDS圖； 圖5是本發(fā)明制備的短棒狀硫化鋅顆粒的PL圖。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1 配制LB液體培養(yǎng)基50ml，引入大腸桿菌菌種，在37℃下200r/min搖床培養(yǎng)12h。然后將大腸桿菌培養(yǎng)液在冰上放置10min，在6℃，3000r/min離心分離15min，棄去上清液，將沉淀溶入40ml去離子水中，6℃，3000r/min離心15min進(jìn)行低滲，重復(fù)一次，取沉淀。將沉淀溶于40ml，0.01mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中(4℃冰箱中預(yù)冷)，充分混勻，在冰上靜置5min，于6℃，3000r/min離心分離15min，取沉淀。將沉淀重新溶于40ml預(yù)冷的0.01mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，制得感受態(tài)細(xì)胞。稱(chēng)取0.091g的CS(NH2)2加入到感受態(tài)細(xì)胞懸液中，冰上放置10min，4℃冰箱靜置20h后，在35℃的熱水浴中熱擊1min，快速轉(zhuǎn)移到冰上冷卻1min，后又于4℃冰箱保存約10h，然后在室溫下繼續(xù)孵化10h。孵化后在3000r/min離心15min，將沉淀用15ml蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)入50ml聚四氟乙烯內(nèi)襯的釜中，加入25ml乙二胺，然后在300℃下加熱15h，冷至室溫。然后將溶液在2500r/min離心15min，沉淀在100℃下真空干燥15h，即得短棒狀形貌的微米級(jí)硫化鋅材料。
實(shí)施例2 配制LB液體培養(yǎng)基50ml，引入大腸桿菌菌種，在37℃下150r/min搖床培養(yǎng)17h。然后將大腸桿菌培養(yǎng)液在冰上放置10min，在4℃，4000r/min離心分離10min，棄去上清液，將沉淀溶入40ml去離子水中，4℃，4000r/min離心10min進(jìn)行低滲，重復(fù)兩次，取沉淀。將沉淀溶于40ml，0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中(4℃冰箱中預(yù)冷)，充分混勻，在冰上靜置10min，于4℃，4000r/min離心分離10min，取沉淀。將沉淀重新溶于40ml預(yù)冷的0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，制得感受態(tài)細(xì)胞。稱(chēng)取0.912g的CS(NH2)2加入到感受態(tài)細(xì)胞懸液中，冰上放置20min，4℃冰箱靜置40h后，在42℃的熱水浴中熱擊3min，快速轉(zhuǎn)移到冰上冷卻5min，后又于4℃冰箱保存約10h，然后在室溫下繼續(xù)孵化22h。孵化后在3000r/min離心10min，將沉淀用20ml蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)入50ml聚四氟乙烯內(nèi)襯的釜中，加入20ml乙二胺，然后在180℃下加熱22h，冷至室溫。然后將溶液在3000r/min離心10min，沉淀在80℃下真空干燥22h，即得短棒狀形貌的微米級(jí)硫化鋅材料。
實(shí)施例3 配制LB液體培養(yǎng)基50ml，引入大腸桿菌菌種，在37℃下120r/min搖床培養(yǎng)20h。然后將大腸桿菌培養(yǎng)液在冰上放置20min，在0℃，5000r/min離心分離8min，棄去上清液，將沉淀溶入40ml去離子水中，0℃，5000r/min離心8min進(jìn)行低滲，重復(fù)兩次，取沉淀。將沉淀溶于40ml，0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中(4℃冰箱中預(yù)冷)，充分混勻，在冰上靜置15min，于0℃，5000r/min離心分離8min，取沉淀。將沉淀重新溶于40ml預(yù)冷的0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，制得感受態(tài)細(xì)胞。稱(chēng)取0.912g的CS(NH2)2加入到感受態(tài)細(xì)胞懸液中，冰上放置30min，4℃冰箱靜置100h后，在45℃的熱水浴中熱擊5min，快速轉(zhuǎn)移到冰上冷卻5min，后又于4℃冰箱保存約40h，然后在室溫下繼續(xù)孵化40h。孵化后在5000r/min離心8min，將沉淀用25ml蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)入50ml容積的聚四氟乙烯內(nèi)襯的釜中，加入15ml乙二胺，然后在150℃下加熱30h，冷至室溫。然后將溶液在4000r/min離心8min，沉淀在60℃下真空干燥40h，即得短棒狀形貌的微米級(jí)硫化鋅材料。
圖1為低滲后大腸桿菌的TEM圖，從圖中可以看出，低滲后的大腸桿菌呈膨脹狀態(tài)，且細(xì)胞壁內(nèi)部的物質(zhì)由于受到滲透壓作用而部分滲出，反復(fù)低滲幾次可導(dǎo)致中空的內(nèi)部環(huán)境，有利于外界反應(yīng)體系的進(jìn)入。
圖2為感受態(tài)細(xì)胞與ZnS材料體系共孵育后的TEM圖，從圖中可明顯看出ZnS體系進(jìn)入到大腸桿菌內(nèi)部，形貌規(guī)則，大小均勻，并且轉(zhuǎn)化率很高。從左下角的插圖可以看到，未進(jìn)入ZnS的中空大腸桿菌與充滿(mǎn)ZnS的大腸桿菌形成明顯的對(duì)比。
圖3中所示的為有代表性的多個(gè)短棒狀微米級(jí)硫化鋅顆粒的TEM圖，從圖中可以看到經(jīng)過(guò)煅燒去除大腸桿菌的包被后，ZnS顆粒形貌規(guī)則，均為短棒狀顆粒，且大小均勻，平均寬度約0.5μm，平均長(zhǎng)度約0.8μm，表明生物模板對(duì)材料的形貌確實(shí)具有一定的控制作用。
圖4是本發(fā)明制備的短棒狀硫化鋅顆粒的EDS圖，從能譜圖可以看到，我們制備得到的短棒狀硫化鋅由Zn和S兩種元素組成，圖中Cu峰是由于用銅網(wǎng)做基底所致，無(wú)其他雜質(zhì)成分，由此可知，樣品是相當(dāng)純凈的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(xué)計(jì)量比的。
圖5是本發(fā)明制備的短棒狀硫化鋅顆粒的光致熒光光譜圖，激發(fā)光的波長(zhǎng)為320nm，從熒光光譜圖可以看出樣品有兩個(gè)明顯的發(fā)光峰，分別位于360nm和467nm。一般認(rèn)為位于400～500nm區(qū)間的發(fā)射峰由表面缺陷造成，故467nm的發(fā)光帶是由表面缺陷所致，其發(fā)光是由Zn2+空位形成。從圖中可以看到，467nm的發(fā)光帶較弱，可見(jiàn)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(yīng)導(dǎo)致其表面缺陷比以往方法要小，從而導(dǎo)致其缺陷發(fā)射強(qiáng)度較弱。Hyeon課題組(Hyeon，T.等J.Am.Chem.Soc.，2005，127:5662)報(bào)道尺寸為5nm左右的ZnS納米粒子的帶邊發(fā)射在335nm附近，當(dāng)尺寸增大時(shí)，其帶邊發(fā)射紅移并伴隨一定程度的寬化現(xiàn)象。結(jié)合前人的研究結(jié)果，可將位于360nm左右的發(fā)射峰認(rèn)為ZnS的近帶邊發(fā)射，與報(bào)道相比，發(fā)射峰峰位發(fā)生紅移，其原因可能是由于制備的ZnS尺寸為微米級(jí)，ZnS晶粒度增大，禁帶寬度減小，各缺陷能級(jí)之間的寬度也在減小，因此發(fā)射的光向低頻移動(dòng)。在本實(shí)驗(yàn)中所制備的硫化鋅樣品中，與以往制備球形顆粒最大的差別是具有規(guī)則短桿狀形貌，這種差別會(huì)導(dǎo)致硫化鋅表面態(tài)的不同，進(jìn)而引起光致發(fā)光性能的差異。由此可見(jiàn)，利用大腸桿菌作為生物模板對(duì)ZnS的熒光性能不會(huì)產(chǎn)生本質(zhì)的影響，其主要作用還在于控制ZnS的粒度和形貌，從而獲得所需的熒光性能。
權(quán)利要求
1.一種利用大腸桿菌生物模板控制微米級(jí)硫化鋅形貌的方法，其特征在于所述方法包括如下步驟
(1)將大腸桿菌接入預(yù)先配制好的50ml LB液體培養(yǎng)基中，37℃，120～200r/min搖床培養(yǎng)12～20h以使之增殖；然后將大腸桿菌培養(yǎng)液在冰上放置10～20min，于0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min，取沉淀；
(2)將沉淀溶于40ml去離子水中，0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min進(jìn)行低滲，重復(fù)1～2次，取沉淀；
(3)將沉淀溶于40ml預(yù)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，然后于0～6℃，3000～5000r/min離心8～15min，取沉淀；將沉淀重新溶于10ml預(yù)冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混勻，即制得感受態(tài)細(xì)胞懸液；
(4)將0.091g～0.912g CS(NH2)2加入到感受態(tài)細(xì)胞懸液中，冰上放置10～30min，在4℃冰箱中靜置20～100h；然后將上述溶液在35～45℃水浴中熱擊1～5min，快速轉(zhuǎn)移到冰上冷卻1～5min，置于4℃冰箱中保存約10～40h，然后在室溫下孵化10～40h；
(5)孵化完后，將溶液在3000～5000r/min離心8～15min，將沉淀用15-25ml蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)入50ml容積的聚四氟乙烯內(nèi)襯的釜中，加入15-25ml乙二胺，然后在150～300℃下加熱15～30h，冷至室溫；然后將溶液在2500～4000r/min下離心8～15min，取沉淀60～100℃真空干燥15～40h，即得短棒狀形貌的硫化鋅材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用大腸桿菌生物模板控制微米級(jí)硫化鋅形貌的方法。利用生物模板的空間限域效應(yīng)，采用大腸桿菌為生物模板，通過(guò)制備感受態(tài)細(xì)胞與硫化鋅體系共孵育并結(jié)合熱擊和煅燒處理，獲得形貌優(yōu)越的短棒狀結(jié)構(gòu)的微米級(jí)硫化鋅材料。通過(guò)自然界自身存在的生物限域作用對(duì)硫化鋅材料進(jìn)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(duì)材料的合成可以進(jìn)行精確的調(diào)控。本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，條件溫和，原料易得，成本低廉，獲得的材料具有優(yōu)良的形貌特征。并且由于生物模板可自身繁殖，形貌重復(fù)性高等特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01G9/00GK101372357SQ20081007948
公開(kāi)日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者高發(fā)明, 莉 侯, 娜 李, 趙光萍 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)