酵母菌还原制备纳米金颗粒

陈国宝，悟洪意，苟德海，佟琳琳

(东北大学 冶金学院，沈阳 110819)

酵母菌还原制备纳米金颗粒

陈国宝，悟洪意，苟德海，佟琳琳

(东北大学 冶金学院，沈阳 110819)

纳米金颗粒愁其独特的光恘、电恘和催化性质而被广泛愓用于生物传感器、肿瘤治疗、重金属分析、化工催化等领域。生物制备方法具有良好的生物相容性、反愓条件温和、绿色且可持恋发展等优点。本文利用酵母菌制备了纳米金颗粒，采用UV-Vis悁究了反愓条件，FESEM、EDS及TEM表征了材料的形貌和成分，并通过FT-IR探究酵母菌还原金颗粒的机制。结果表明，当反愓时间为60 min、贵金属前驱体浓度为1.0 g/L时，酵母菌还原所得的金纳米颗粒粒径约为8.69 nm且大小比较均惊。红外分析结果表明酵母菌在还原贵金属前驱体时，多羟基化合物、蛋白质类物质等起还原作用。

纳米金；酵母菌；还原；生物合成；贵金属

纳米金颗粒是指金粒子直径为1～100 nm的金粒子，是最稳定的贵金属纳米粒子之一[1]。它属于介观粒子，具有特殊的电子结构，在一些特定的晶面上存在着表面电子态，其费米能级恰好位于体能带结构沿该晶向的禁带之中。因此，处于此表面态的电子由于功函数的束缚而不能逸出外围；又由于体能态的限制而不能深入内层，形成了只能平行于表面方向运动的二维电子云。金纳米粒子由于既具有纳米微粒的特性(如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特点)，又存在由纳米结构组合引起的新的效应，如量子耦合效应和协同效应等，从而表现出独特的电子学、光学和催化性质，而且能通过自组装形成纳米结构，在高级材料的制造上具有很广的应用前景，并被广泛应用于生物传感器[2]、肿瘤治疗[3]、重金属分析[4]、化工催化[5-6]等领域。近年来，其制备及应用等方面的研究已成为材料科学界研究的前沿课题。

和传统的物理化学制备方法相比，生物制备方法具有良好的生物相容性、反应条件温和、产量高有更好的人体食用和接触的安全性、具有可持续发展等优点[7-9]。此外，微生物廉价、易培养、繁殖快，合成的纳米金尺寸和形貌可控，适合大规模生产，产量高。由于酵母菌属于简单的单细胞真核生物，易于培养且生长迅速，其工业应用十分广泛且较为成熟。因此本文通过采用酵母菌还原制备贵金属纳米金颗粒。通过紫外-可见光谱(UV-Vis)进行表征研究了反应时间和前驱物浓度对纳米金颗粒的影响，通过场发射扫描显微镜(FESEM)，能谱分析(EDS)及透射电镜分析(TEM)对纳米金颗粒进行形貌和成分表征，并通过傅里叶红外表征(FT-IR)讨论了酵母菌还原的可能机制。

1 实验方法

1.1 实验原料

试验用菌株为酵母菌，由中国科学院微生物研究所菌种保藏中心提供。微生物培养基为无氨基酵母菌YNB培养基，采用标准细菌培养方法培养酵母菌。取OD600(培养液在600 nm处的吸光值)为2的菌液，制备得浓度为20 g/L的微生物质液。其余主要试剂为氯金酸、盐酸和氢氧化钠(均为分析纯)。

1.2 酵母菌还原试验

取一定体积的酵母菌菌液于250 mL锥形瓶中，放在恒温(25℃)遮光的小型振荡器(150 r/min)中振荡20 min，迅速加入氯金酸溶液并使其加入后的浓度为0.5 g/L，在不同的反应时间间隔(3、5、10、30和60 min)进行取样分析。采用类似的试验方法，改变氯金酸的浓度(0.10、0.25、0.50、0.75和1.00 g/L)，反应60 min后对各不同的试验进行取样分析。

1.3 纳米金颗粒的表征

采用 TU-1810紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)进行400～600 nm扫描，观测纳米金颗粒的表面等离子共振吸收峰变化；JSM-7100F场发射扫描显微镜(FESEM+EDS)研究纳米金颗粒的形貌与成分；JEM-1200EX透射电子显微镜(JEOL)观测金颗粒粒径特征；AVATAR370傅立叶变换红外光谱仪(Thermo Nicolet)研究还原前后酵母菌溶液的变化。

2 结果与讨论

2.1 反应时间对纳米金产品的影响

分别对不同反应时间所制备的纳米金样品进行UV-Vis光谱扫描，结果如图1所示。

图1 反应时间对酵母菌还原制备纳米金颗粒的影响Fig.1 The UV absorption spectra of gold nanoparticles synthesized by saccharomyces at different time

由图1可知，反应溶液在480 nm后出现峰值。在长波方向持续小幅下降，其下降的幅度与金属颗粒的大小相关。纳米金颗粒越小，下降的幅度越大。紫外可见光谱曲线出现的这个峰对应的是金纳米颗粒的表面等离子共振(SPR)能带[10]。因为SPR能带只能由金属颗粒形成，因此 UV-Vis的表征可用于确认金属颗粒的生成。由图1可以看出，当反应时间为3 min时，就能形成金纳米颗粒的SPR能带峰，说明酵母菌还原速度很快。随着反应时间的延长，纳米金的SPR峰出现规律的红移且峰值逐渐升高。当反应时间为60 min时，纳米金的SPR峰值稳定在517 nm处且峰值最高。这表明随着时间的推移，酵母菌还原制备的纳米金颗粒的产率逐渐提高。

2.2 贵金属前驱体浓度对纳米金产品的影响

在生物法还原制备纳米金材料中，生物质往往起到还原剂和吸附剂的作用，贵金属的前驱体物质是氯金酸。分别对不同前驱体浓度所制备的纳米金颗粒样品进行UV-Vis光谱扫描，结果如图2所示。

由图2可知，随着浓度的增加，纳米金颗粒的SPR峰值不断增大。当浓度为1.00 g/L时，纳米金颗粒的SPR峰值达到最大。由此可知金的前驱体氯金酸的浓度越高，纳米金颗粒的产率也越高。

图2 氯金酸浓度对酵母菌还原制备纳米金颗粒的影响Fig.2 UV absorption spectra of gold nanoparticles synthesized by saccharomyces at different concentration of chloroauric acid

从图2还可得知酵母菌的还原活性较强，浓度低至0.10 g/L的氯金酸也可被还原。

2.3 纳米金颗粒的形貌和成分表征

对在反应时间为60 min、前驱体浓度为1.0 g/L下还原制备的纳米金颗粒进行了 FESEM分析，FESEM条件为高电压(EHT)15.00 kV，放大倍数为10000倍，结果如图3所示。

由图3可见，酵母菌还原的金颗粒均匀地分散在酵母菌表面，且所得的金的尺寸大多在 100 nm以内。从整体来看，还原的金产品均一性较好，无明显的枝状或絮状物产生。

图3 酵母菌还原制备的金颗粒的FESEM照片Fig.3 FESEM image of gold nanoparticles synthesized by saccharomyces

为研究纳米金颗粒的形貌，对其进行了 TEM分析，TEM测试条件为EHT=200.00 kV，放大倍数为120000倍。并用图像分析软件Nano Measure 1.2.5对纳米金颗粒的粒径尺寸进行统计和分析，结果如图4所示。

图4 酵母菌还原的纳米金颗粒的TEM照片(a)及粒径分布图(b)Fig.4 TEM image (a) and diameter distribution curve(b) of gold nanoparticles synthesized by saccharomyces

由图4可知，酵母菌还原的纳米金颗粒粒径小而均一，分散性好，粒径大小在2～25 nm之间且集中分布在8 nm左右。经计算，酵母菌还原的纳米金颗粒平均粒径为8.69 nm。

对FESEM获得的显微图像中的特定区域进行能谱分析，能谱分析结果如图5所示，元素分析结果如表1所列。图表中的氧元素部分来自于基底导电玻璃，大部分是有机物中所含有的；硅元素也来自于基底导电玻璃。

图5 酵母菌还原纳米金颗粒的EDS分析Fig.5 The EDS analysis of gold nanoparticles synthesized by saccharomyces

表1 酵母菌还原纳米金产品的元素分析结果Tab.1 The elementary analysis of gold nanoparticles synthesized by saccharomyces

图5、表1的结果表明，酵母菌还原后的产品中除了金以外没有其他金属元素，证实了所得的产品为纳米金颗粒，同时也证实了 UV-Vis光谱中所出现的SPR峰对应于金元素的可靠性。

2.4 酵母菌还原金纳米颗粒的反应机理

微生物还原制备方法可分为细胞内和细胞外还原。细胞内还原的纳米金主要存在于细胞壁和细胞内，需要声波降解，或与细胞溶解剂反应才能得到纳米粒子。细胞外还原则不需要复杂的处理过程，因而更加实用。在细胞外还原纳米金，微生物分泌的生物活性物质包括蛋白质、还原糖、还原性谷胱甘肽等对离子进行富集和还原，并形成典型的纳米结构粒子，生物活性物质对纳米金的稳定也起着重要作用。细胞内合成纳米金则是非常复杂的生物化学过程[1]。

为研究酵母菌还原金纳米颗粒的反应机理，对还原前后的菌液做了红外光谱分析。图6为酵母菌还原反应前后的菌液在 500～4000 cm-1范围内的FT-IR谱图。

图6 还原前后酵母菌溶液的FT-IR图谱Fig.6 The FT-IR spectrum of solution before and after reduction

由图6可知，酵母菌原液在3100～3700 cm-1范围内出现强而宽的吸收带、在1637 cm-1处有强而窄的吸收峰，分别对应羟基组的伸缩振动和碳氧双键的伸缩振动，表明还原后的金对羟基和羰基有削弱作用。在667 cm-1处的吸收峰是氮氢键的面外弯曲振动，在2073 cm-1处的吸收峰是碳氮键(氨基)的伸缩振动，在还原反应发生后，各峰值均有明显下降。说明在酵母菌还原制备贵金属纳米金颗粒的反应过程中，多羟基化合物、蛋白类物质参与了还原反应过程。由此推测酵母菌还原纳米金颗粒的过程主要发生于细胞壁上，细胞表面的羟基、酰胺基等功能基团对氯金酸进行了还原。而酵母菌自身的吸附性对金颗粒的团聚有一定的阻碍作用，防止了纳米金的长大，因此粒径较小且比较均一。

3 结论

本实验采用酵母菌还原制备了金纳米颗粒。紫外-可见光谱分析结果表明采用酵母菌还原方法制备金纳米颗粒反应速度快，而且随着反应时间和前驱体浓度的增加，金纳米颗粒的产率逐渐增加。通过成分表征，验证了所制备的为金纳米颗粒；形貌分析结果表明，通过酵母菌还原制备的金纳米颗粒大小较均一，平均粒径为8.9 nm。红外光谱分析结果表明酵母菌还原制备金纳米颗粒过程中，多羟基化合物、蛋白质类物质参与了还原过程。

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Biological Synthesis of Gold Nanoparticles by Saccharomyces

CHEN Guobao, YANG Hongying, GOU Dehai, TONG Linlin
(School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Gold nanoparticles have been widely applied in many fields, such as biological sensors, tumour treatments, analysis of heavy metals and catalytic reactions, due to their unique optional, electronic and catalytic properties. The biological synthesis method has many advantages, such as biocompatibility of products, mild reaction conditions, more green and sustainable. Gold nanoparticles were prepared by saccharomyces in this paper. The UV-Vis was used to study the reaction conditions, FESEM, EDS and TEM have been employed to determine the shape and content of gold nanoparticles. FT-IR was used to analysis the change of saccharomyces before and after reduction. It shows that when the reaction time was 60 min, the concentration of precursor was 1.0 g/L, the obtained gold particles were uniform, and their mean size was 8.69 nm. It is inferred that multiple-hydroxyl compound, proteins were involved in the reduction reaction from FT-IR results.

gold nanoparticles; saccharomyces; reduction; biological synthesis; precious metal

TG146.3，TB34

：A

：1004-0676(2016)01-0042-05

2015-07-04

国家自然科学基金(51304047)、教育部博士点新教师基金(20130042120040)、辽宁省博士启动基金(20131037)。

陈国宝，男，讲师，研究方向：贵金属选冶技术，贵金属材料及应用。E-mail：chengb@smm.neu.edu.cn