一种以重组胶原蛋白为生物矿化模板制备ZnO纳米粒子的方法与流程

本发明属于生物无机材料制备技术领域，具体涉及一种以重组胶原蛋白为生物矿化模板制备zno纳米粒子的方法。

背景技术：

随着全球经济的快速发展，人们开始注意环境的保护，对水污染问题特别重视。我国印染废水具有排放量大、难降解物质多、有机物成分复杂、色度深等特点，急需开发高效的处理方法。有机染料为印染废水的主要成分，例如代表性的阳离子型染料罗丹明b，它在溶液中具有强烈的荧光性能，即使浓度很低也会造成水体透光率降低，严重破坏生态环境。目前，染料废水的处理方法包括混凝法、生化法、絮凝法、电化学沉淀、光化学催化氧化、膜分离法和吸附法等。光催化氧化法是利用半导体氧化物材料在光照下能够被激发的特性，在光照射下将有机污染物有效的进行氧化分解。研究表明,不同方法制备的不同微观形貌的氧化锌对有机染料的氧化降解具有不同程度的效果。

生物矿化是指生物体在温和的生理条件下，通过生物大分子的调控作用，制备特定形貌和功能的无机矿物质的过程。与工业生产条件不同，生物矿化一般条件非常温和、耗能低、污染少。因此，生物矿化为制备具有独特结构和性能的无机材料提供了新的策略。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种以重组胶原蛋白为生物矿化模板制备zno纳米粒子的方法，采用重组胶原蛋白作为生物模板，六水合硝酸锌、氢氧化钠作为原料，在温和条件下制备大小和形貌可控的zno纳米材料。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种以重组胶原蛋白为生物矿化模板制备zno纳米粒子的方法，包括如下步骤：

(1)利用生物基因工程技术制备重组胶原蛋白

①确定重组胶原蛋白的序列：

重组胶原蛋白的序列为：

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②合成编码重组胶原蛋白的核酸：

合成编码步骤①重组胶原蛋白的核酸，构建导入上述核酸的质粒，并将质粒转化大肠杆菌bl21-de3菌株；

③重组胶原蛋白的制备与纯化：

取50μl菌液加到100ml含抗生素的lb液体培养基中，恒温摇床过夜进行增菌培养后，转移到1l含抗生素的lb培养基中，在37℃恒温摇床中继续扩增培养；待od600值达到0.8-1范围，将摇床温度调为25℃，加入1mmiptg诱导表达，恒温过夜培养；将菌液在低温离心机中离心，收集菌体；将菌体用a缓冲液溶解，a缓冲液为20mm咪唑，20mm磷酸钠，0.5m氯化钠，ph为7.4；利用超声波细胞破碎仪进行细胞破碎，超声时细菌悬浊液放于冰浴中，以防温度过高导致蛋白变性；将破碎完的悬浊液再次离心，使细胞碎片与蛋白溶液分离，离心条件：14000rpm,4℃，30-50min；收集上清液，即粗蛋白溶液，通过液相色谱进行进一步纯化；后经冻干，得到白色絮状固体；此固体放于-20℃冰箱保存，使用时通过称重法标定浓度；

(2)zno纳米材料的制备

①重组胶原蛋白与六水合硝酸锌和氢氧化钠均匀混合溶液的配制：

在1ml水中加入15-179mg六水合硝酸锌和0-20mg胶原蛋白粉末，混合均匀，缓慢搅拌5-120min后，得到无色透明且均匀的液体；再向该溶液中缓慢滴加氢氧化钠溶液，得到白色的絮状物；

②温和的生物矿化条件下制备纳米级zno：

将所得絮状混合物放在20-37℃的恒温箱中，放置1-40天，得到白色沉淀；

③纯化并干燥保存制备的纳米材料：

将产物通过离心分离，离心条件为12000rpm，弃去上清液，留下固体；并用去离子水分散固体，再离心纯化3-5次，在20-37℃恒温干燥箱中干燥。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤(2)中所述的胶原蛋白粉末加入量为0.1-5mg，胶原蛋白质量分数为0.01-0.5wt％。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤(2)中所述的六水合硝酸锌固体加入量为15-119mg，[zn²⁺]的浓度分布从0.05到0.4mol/l。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤(2)中第②步中所述的絮状混合物在25-37℃的恒温箱中，放置1-10天。

本发明的有益效果在于：

①本研究采用重组胶原蛋白作为生物模板，六水合硝酸锌作为原料，在温和条件下制备大小和形貌可控的zno纳米材料。

②本发明在整个合成过程中无需进行后处理，简单方便，易于操作，具有很大的应用前景，可为规模化生产氧化锌纳米材料提供基础。

③由重组胶原蛋白作为生物模板调控氧化锌纳米晶型，得到特定形貌的氧化锌纳米粒子，对罗丹明b等有机染料表现出卓越的光降解能力。

附图说明

图1为制备的zno纳米材料的粉末x射线多晶衍射(xrd)图；

图2为制备的zno纳米材料的x射线光电子能谱(xps)图；

图3为制备的zno纳米材料的热重分析(tga)图；

图4为制备的zno纳米材料的扫描电镜，透射电镜，电子衍射以及能量散射x射线分析图；

图5为不同浓度的重组胶原蛋白对zno纳米颗粒形貌的影响；

图6为纳米zno对罗丹明b的催化降解在不同紫外照射时间的效果图；

图7为以不同浓度的重组胶原蛋白为模板制备的zno纳米颗粒对罗丹明b的降解能力的差异；

具体实施方式

下面将结合说明书附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，而不是发明的全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1一种以重组胶原蛋白为生物矿化模板制备zno纳米粒子的方法

一种以胶原蛋白为生物矿化模板制备zno纳米粒子的方法，包括如下步骤：

(1)利用生物基因工程技术制备重组胶原蛋白

①确定重组胶原蛋白的序列：

重组胶原蛋白的序列为：

gspglpgprgeqgptgptgpagprglqglqglqgergeqgptgpagprglqgergeqgptglagkageagakgetgpagpqgprgeqgpqglpgkdgeagaqgrpgkrgkqgqkgekgepgtqgakgdrgetgpvgprgergeagpagkdgergfpgergvegqngqdglpgkdgkdgqngkdglpgkdgkdgqngkdglpgkdgkdgqdgkdglpgkdgkdglpgkdgkdgqpgkpgkygppgppgppgppgppgppgppgppgppgpp，该重组胶原蛋白具备良好的三重螺旋结构，热变温度接近37℃；

②合成编码重组胶原蛋白的核酸：

合成编码步骤①重组胶原蛋白的核酸，构建导入上述核酸的质粒，并将质粒转化大肠杆菌bl21-de3菌株；

③重组胶原蛋白的制备与纯化：

取50μl菌液加到100ml含抗生素的lb液体培养基中，恒温摇床过夜进行增菌培养后，转移到1l含抗生素的lb培养基中，在37℃恒温摇床中继续扩增培养；待od600值达到0.8-1范围，将摇床温度调为25℃，加入1mmiptg诱导表达，恒温过夜培养；将菌液在低温离心机中离心，收集菌体；将菌体用a缓冲液溶解，a缓冲液为20mm咪唑，20mm磷酸钠，0.5m氯化钠，ph为7.4；

利用超声波细胞破碎仪进行细胞破碎，超声时细菌悬浊液放于冰浴中，以防温度过高导致蛋白变性；将破碎完的悬浊液再次离心，使细胞碎片与蛋白溶液分离，离心条件：14000rpm,4℃，30-50min；收集上清液，即粗蛋白溶液，通过液相色谱进行进一步纯化；后经冻干，得到白色絮状固体；此固体放于-20℃冰箱保存，使用时通过称重法标定浓度；

(2)zno纳米材料的制备

①重组胶原蛋白与六水合硝酸锌和氢氧化钠均匀混合溶液的配制：

在1ml水中加入15-179mg六水合硝酸锌和0-20mg胶原蛋白粉末，混合均匀，缓慢搅拌5-120min后，得到无色透明且均匀的液体；再向该溶液中缓慢滴加氢氧化钠溶液，得到白色的絮状物；

②温和的生物矿化条件下制备纳米级zno：

将所得絮状混合物放在20-37℃的恒温箱中，放置1-40天，得到白色沉淀；

③纯化并干燥保存制备的纳米材料：

将产物通过离心分离，离心条件为12000rpm，弃去上清液，留下固体；并用去离子水分散固体，再离心纯化3-5次，在20-37℃恒温干燥箱中干燥。

其中步骤(2)中所述的胶原蛋白粉末的加入量为1mg，胶原蛋白的质量分数为0.1wt％。

其中步骤(2)中所述的六水合硝酸锌的加入量为29.7mg，[zn²⁺]的浓度为0.1mol/l。

其中步骤(2)中第②步中所述絮状混合物在25℃恒温箱中，放置8天。

图1为制备的zno纳米材料的粉末x射线多晶衍射(xrd)图,该图谱中衍射峰与zno的衍射数据对应。图2为制备的zno纳米材料的x射线光电子能谱(xps)图,该图谱中衍射峰与zno的衍射数据对应。图3为制备的zno纳米材料的热重分析(tga)图，当加入胶原蛋白的浓度为0.01wt％，热重损失为2.2％；当胶原蛋白浓度增加为0.2wt％，热重损失增加为8.3％。这些数据表明，我们以胶原蛋白为模板，成功制备zno纳米材料。图4为制备的zno纳米材料的扫描电镜、透

射电镜、电子衍射以及能量散射x射线的分析图，从图中我们可以看出，氧化锌纳米粒子形貌均一，呈苹果状，胶原蛋白和zno在苹果内均匀分布；图5是不同浓度的重组胶原蛋白对zno纳米颗粒形貌的影响。a-d胶原蛋白的浓度依次为0.01wt％、0.05wt％、0.1wt％和0.2wt％。表明胶原蛋白可以很好的调控zno纳米粒子的形貌。

实施例2一种以重组胶原蛋白为生物矿化模板制备zno纳米粒子在光催化下降解有机染料实验

1)氧化锌纳米粒子和有机染料均匀混合溶液的配制；

配制4-100mg/l的有机染料溶液，加入实施例1制备的氧化锌纳米粒子2-10mg，避光反应10-120min，使溶液达到吸收和解析平衡；

2)氧化锌纳米粒子在光照条件下降解有机染料；

用紫外灯照射混合溶液0.5-48hrs；

3)紫外分光光度计跟踪不同时间段有机染料的降解水平；

用uv-1750紫外分光光度计分析不同照射时间有机染料的紫外吸收情况；

如图6(纳米zno对罗丹明b的催化降解不同时间的效果图)所示：在光照3小时后，溶液中的罗丹明b已经分解完全。

如图7(不同形貌的纳米zno对罗丹明b的降解效果比较图)所示：不同形貌的氧化锌对罗丹明b的光降解能力存在明显差异，氧化锌的催化效果和其形貌显著相关。

序列表

<110>兰州大学

<120>一种以重组胶原蛋白为生物矿化模板制备zno纳米粒子的方法

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