基于病毒模板的纳米粒子合成及应用

蒋艺舟，冯苗，李博文

（东北林业大学生命科学学院，黑龙江哈尔滨 150040）

基于病毒模板的纳米粒子合成及应用

蒋艺舟，冯苗，李博文

（东北林业大学生命科学学院，黑龙江哈尔滨 150040）

生物模板合成是纳米粒子合成方法中节能、环保的方法之一，比物理法、化学法，生物法等其他方法更具发展潜力。微生物和纳米材料的多样性使其合成机制丰富多样。以微生物为模板合成纳米粒子，利用了微生物繁殖快、廉价易得、易于培养的特点。文章介绍了生物合成纳米粒子的特点、用途、发展进程，展望其发展趋势。

生物合成；微生物；纳米粒子

1 概述

超微颗粒材料是纳米材料的又一称谓。纳米材料是由纳米粒子组成的，粒度介于1～100nm的具有特殊性能的材料。为了便于比较，举一个典型的例子，氧的原子半径是66pm，也就是0.066nm。一般，原子的半径小于0.2nm，55号元素铯的原子半径是0.235nm，是原子半径最大的元素[2]。由此可见，原子的大小都是在纳米以下的。笔者研究的纳米材料，在微观尺度上，处于1～100nm。

1000多年前，中国人就开始使用纳米材料了。蜡烛燃烧的烟雾收集起来制成碳黑，成为制作染料和墨的原料。古代用二氧化锡附着在铜镜表面作防锈之用，这就是一层二氧化锡纳米颗粒涂层。

1959年，著名物理学家理查德·费曼最早提出了纳米尺度科学与技术问题，可以用小的机器制作更小的机器，甚至逐个地排列原子，“制造”各种物体。1974年，在精密机械加工领域最早使用了“纳米技术”一词[3]。

纳米材料的理化性质具有特异性。常态物质纳米化后，表现出宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应。科学界把纳米粒子归类为介观世界，就是介于宏观世界与微观世界之间。介观世界的电学、化学、光学、磁学、力学、热学等性质会有显著不同。

纳米材料研究可分为三个阶段。1991年以前是第一阶段，其特点是对单一材料和单相材料的研究，并制备了多种材料的纳米粒粉，探索纳米材料的特殊性能，以及对纳米粒子和纳米块结构的研究。1991—1999年进入第二阶段，探究纳米复合材料合成的方法已经成为这个阶段的主导，重点研究了纳米材料的理化及机械性质，开发出纳米复合材料。2000年至今可以看作第三阶段，在基础理论和开发应用的推动下，人工组装纳米材料越来越普及，成为一项实用技术，其应用范围在短时间内拓展到前所未有的领域，由此进入纳米材料应用的爆发期。

扫描隧道显微镜是基于纳米技术的一个重要发明，在分子生物学、催化材料、复合材料等领域，纳米技术也开辟了前所未有的新天地。

由于纳米颗粒的量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应，使得生产过程不容易控制。经过多年发展，纳米材料的系统设计、粒子组装、合成改性均取得了突破，应用前景广阔。多种具有特殊性能的纳米材料已经进行批量生产，在能源、环保、医药等领域应用广泛，其市场每年以25%的速度高速增长。

纳米材料的研究集中在以下3个方面：（1）用异性材料表面沉积来获得特定的粗糙度、表面结构、电子状态；（2）在多孔培养基中均匀涂布纳米颗粒，得到预期的量子尺寸和渗流效应；（3）纳米管、纳米丝的深入研究。

2 病毒模板合成纳米粒子

2.1 纳米粒子合成方法

合成纳米材料主要有物理法、化学法、生物法三种。化学法有离子交换法、溶胶凝胶法和沉淀法，物理法包括超重力法、球磨法和溅射法等，能耗高、高污染是物理法、化学法解决不了的难题[5]。纳米材料的生物合成克服了物理法、化学法的缺点，成为绿色健康无污染、最有前途的方法，得到了各国科学家的重视，取得了高速发展。生物纳米材料合成技术优点很多，其控制反应条件便捷，原料选材丰富多样，后期处理容易都是物理、化学法不能相比的。利用不同生物的特异性，做成模板，生产出具有生物外观的纳米材料，既具有生物体本身的特性，又具有纳米材料的特性。不同的生物与纳米技术相结合，生产出不同特性的纳米材料，显示出广阔的发展空间。此外，以病毒为模板生产纳米材料被广泛应用。

2.2 微生物（病毒）模板法

微生物种类多样、结构规整、生化反应活性高，这个特点使其成为制备纳米材料的理想模板，使用较多的模板是病毒和细菌。

病毒的蛋白质外壳中含有多种活性物质，能与金属离子和纳米粒子结合。病毒蛋白质外壳采用化学修饰或基因修饰,可以调节表面官能团并改善表面电荷。病毒结构具有多样性、微观形貌具有规整性等特点。用病毒作为模板，可高效合成多种纳米材料。病毒自我复制的速度非常快，在适当的条件下，1个病毒在几分钟内就会复制成百万个，利用病毒的这个特点，就可以快速制备纳米材料。

烟草花叶病毒有规整的纳米管状结构、热稳定性和pH稳定性，其蛋白质外壳含有多种活性基团，是制备一维纳米线的理想模板。J.S.Lim等以烟草花叶病毒、半胱氨酸烟草花叶病毒变异体为模板，利用病毒体表面的C-O键和酰胺键等官能团，对钯前驱体进行配位，使钯前驱体在病毒体表面发生矿化，得到多晶钯纳米覆盖层[1]。Shenton以烟草花叶病毒（Tobaco Mosaic Virus，TMV）为模板，利用TMV中空的管子，结合Fe3O4，成功地生产了Fe3O4纳米管。由于TMV毒稳定性高，是纳米材料生物合成的理想模板。以M13病毒为骨架生产的碳钠米管用于太阳能电池，能量转换效率可达10.6%。

材料科学与生物科学结合催生了生物纳米材料合成技术的不断发展。它跨越了生物形貌的复制阶段，成为新的科技增长点，使未来纳米材料的应用具有无限可能性。

2.3 病毒模板合成纳米Fe3O4

1975年布莱克曼（Blakemore）在海洋盐沼沉积物中发现了趋磁细菌。这种趋磁细菌体内含有磁小体，磁小体的大小在35～100nm。磁小体可以与很多微生物结合，生成具有独特性质的纳米材料。在基因操作中引入纳米生物合成技术成为现代分子生物学的一个研究分支。

粒度在1～20nm的磁性纳米材料具有超顺磁性。将这种材料置于强磁场中一段时间再撤销，磁性纳米材料就会产生较大的内能，大于畴壁能，挣脱了磁矩束缚，使材料表现出磁无序的特点。1～20nm磁性纳米颗粒具有与生物相容性、高偶联容量和高比表面积的特点，使其在医学上具有重要价值。例如，磁性纳米Fe3O4用于生物活性物质的分离检测，还可以用于靶向药物传输。用于生物技术的纳米材料对于理化特性要求极其严格，要满足对材料性能的各种特殊要求，控制纳米颗粒的尺寸是合成纳米物质的主要困难。研究磁性纳米颗粒的简洁合成方法，满足合适的尺寸、粒径分布、分散性是研究此项研究的重点。如今，采用控制生物体人工合成Fe3O4，可以生产出性能优良的磁性纳米材料。

2.4 纳米金应用

纳米金是指分散在水溶液或油溶液中、粒径为1～100nm的金粒子，物理法和湿化学法是制备纳米金的主要方法。医学上正是应用了纳米金粒子表面等离子体共振性。当粒径从小到大变化时，溶液的颜色表现为深黄色、粉红色、酒红色、深红色、蓝色的颜色变化。

胶体金的性质取决于纳米金粒子的粒径，以及表面修饰剂的性质，它的光学、电学、生物亲和力特性，使其成为分子生物学领域重要材料。

在生物检测分析中，纳米金的应用被高度重视。利用纳米金易制备、易修饰、高密度、高介电常数等特点，作为生物探针。生物探针与多种生物分子结合，吸附亲核试剂，产生特异基团；生物探针还可以与氨基形成共价键，产生静电吸附效应。纳米金探针产生的标记物，与纳米金具有相似的光谱特性，生物检测正是利用了纳米金的这个特点。1997年，Mirkin用纳米金颗粒与DNA结合，制造了生物探针，用于蛋白质、DNA检测。

2.5 纳米银应用

利用纳米银的催化特性，人们开发了多种应用，如降解染料、改变纳米半导体材料的光催化性能等。纳米银有抗菌能力，医学上多用于伤口愈合、外科手术等方面。此外，纳米银在癌症、消炎、再生医学的应用研究也取得了很大进展[4]。纳米银粒子的特殊性质使其在食品、电子、医疗等方面有较好的应用。

2.6 病毒模板合成纳米的应用

以病毒为模板合成的纳米粒子，在疫苗开发中具有良好前景。病毒纳米粒子（Viral nanoparticles，VNPs）是由多个衣壳蛋白亚单元围绕其遗传物质规则有序地排列而成的规整纳米结构。病毒纳米粒子的遗传物质、衣壳蛋白可分别通过化学修饰和基因工程手段进行改造。病毒纳米粒子功能性分子连接在病毒纳米粒子上、或将其改变自身的理化性质，为其在生物、医学、材料方面的应用提供了可能性。病毒纳米粒子因其独特的理化性质，被广泛应用于生物医学、材料科学等研究领域。病毒纳米粒子表面功能化修饰的多价性，结构的单分散性、稳定性等特点是其他方法合成的纳米颗粒所难以比拟的。多个抗原分子的重复规整排列可有效地调控免疫细胞的活性，进而诱导特异性免疫反应的发生。利用烟草花叶病毒（TMV）作为抗原载体，以小分子雌三醇作为半抗原模型，通过化学修饰的方法构建了多种VNPs-E3复合体，并结合动物免疫实验对VNPs-E3的免疫学特性进行研究，使VNPs在疫苗开发方面的应用具有了可行性的参考[6]。在医学领域中，利用病毒为模板合成纳米材料有非常好的应用前景，对于病情诊断及治疗起到重要作用。

3 结语

20世纪50年代起，提出了“用小的机器制作更小的机器”的构想，随着科学的发展，对纳米技术的研究愈发深入。纳米材料的性质不同于一般的宏观物体，也与原子、分子等微观物体有所区别，具有的四大效应和三大结构特点，在各个领域都存在广阔的应用市场。尤其纳米四氧化三铁、纳米金和纳米银在近几十年的研究中取得突破性进展，对其他纳米材料的研究有着重要的指导意义。

如今，对于纳米材料的研究已从单一材料逐渐发展到纳米复合材料，从纳米粒子发展到纳米簇、纳米管等更复杂的结构。关于纳米材料的制备，对纳米粒子的尺寸和形貌进行控制是一大难题。各种纳米材料的合成方法都有一定的局限性，科学家们致力于探索出一种节能、环保的合成方法。相比于物理方法和化学方法，生物方法、尤其是用病毒模板制备纳米材料受到广泛关注。病毒模板从环保、控制纳米粒子结构两个方面都具有优越性，在纳米材料合成中发挥越来越重要的作用。

[1]吴爽.纳米金的合成及其在生物中的应用[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[2]靳钧,陈春英.多功能肿瘤诊疗一体化的金纳米材料的研究进展[J].中国科学:化学,2017,47(2):191-199.

[3]窦尧.金、银纳米功能材料的制备及其在传感方面的应用[D].重庆:西南大学,2014.

[4]张浩.氧化石墨烯和荧光纳米粒子在生物传感器方面的应用研究[D].长春:吉林大学,2014.

[5]刘杉杉.纳米金颗粒研究现状与发展前景[J].轻工科技,2011(11):34-35.

[6]张巧霞,葛圣松.纳米材料的生物合成研究进展[J].化学世界,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 文献标志码：A

2096-0387（2017）06-00101-04

蒋艺舟（1997—），女，满族，辽宁岫岩人，本科在读，研究方向：微生物。