一种水溶性仿生绿色体的制备方法

本发明涉及超分子化学与纳米材料工程领域，具体涉及一种水溶性仿生绿色体纳米材料及其制备的技术方法。

背景技术：

自然界中的光合作用生物利用叶绿素来组装光功能超分子系统。天然的叶绿素是卟吩环的镁配合物，通过超分子组装形成的色素-蛋白复合物在光合作用的初始阶段，完成光的捕集和光激发电荷分离。在绿色光合细菌的膜外捕光天线中，人们发现了体积较大的菌绿素(细菌叶绿素bchl)聚集体，称其为绿色体。绿色体是菌绿素分子自组装形成的聚集体，菌绿素分子之间的超分子相互作用形成了一个高效的分子间能量传递系统。

菌绿素主要有bchlc、bchld、bchle和bchlf四种类型(图1)。菌绿素在3¹-位具有羟基基团，一个菌绿素的羟基基团与邻近菌绿素13¹-位含氧基团形成分子间氢键，与邻近的第三个菌绿素分子中心的镁离子形成配位键。这些分子间相互作用导致了菌绿素j聚集体的形成，长波红区吸收带(qy带)从660nm红移到730nm。显微分析和分子模型研究表明菌绿素分子略微倾斜堆叠，形成棒状纳米结构。位于17位的酯化的丙酸侧链朝向棒状结构的外部。c15-c20的长烷基链可以稳定纳米聚集体，形成的绿色体表面是疏水的。

自然界中发现的绿色体(菌绿素超分子聚集体)可以在体外组装。人们利用分离出的天然菌绿素或人工合成的菌绿素类似物，组装形成了各种绿色体模型，这些体外组装的绿色体模型与光合细菌中的绿色体具有相同的分子间相互作用，同时具有qy红移特征吸收带。人们在菌绿素类似物组装的绿色体模型中观察到了较强的j-聚集激子耦合能量转移，再现了绿色体超分子捕光系统的结构和功能。

目前文献中采用的菌绿素类似物是以天然叶绿素为原料通过有机合成转化而来的，这些绿色体模型对于认知光合细菌绿色体的结构和功能具有重要意义，同时可用作新型仿生捕光功能材料，对太阳能电池和仿生光合系统的开发等都具有重要价值，然而通过目前文献中的方法组装的绿色体模型不溶于水，或微溶于水(图1中的r基团采用聚乙烯醇链)，对后续研究和应用造成了很大程度的限制。

技术实现要素：

为解决上述现有文献中公开的制备方法产物水溶解性不佳的问题，本申请提供一种采用叶绿素a的水溶性衍生物为组装前体，在水溶液中通过小分子的超分子组装来制备表面亲水的纳米管仿生绿色体的方法，具有制备过程简单、仿生绿色体具有良好生物相容性和稳定性等优点，具体方案如下：

一种水溶性仿生绿色体的制备方法，包括：以含叶绿素a的生物材料为原料，采取卟吩环配位的金属阳离子保护或置换，以及碱催化转化，制备水溶性的仿生绿色体的组装前体物，前体物溶于去离子水或缓冲溶液，并进行超分子组装，离心分离取沉淀即可获得水溶性的仿生绿色体。

该仿生绿色体为具有良好的水溶性和分散性的纳米管仿生绿色体，易分散于去离子水中制得稳定的水溶液。

优选地，所述含叶绿素a的生物材料包括螺旋藻藻粉。

优选地，所述碱催化中的碱包括氢氧化钠。

优选地，所述金属阳离子包括mg²⁺或zn²⁺、cu²⁺，具体为：采取卟吩环配位的mg²⁺保护或zn²⁺、cu²⁺置换。

所述组装前体物为叶绿素a衍生的小分子前体物，结构为卟吩环上含有三个羧基侧链的水溶性叶绿素衍生物。其中，作为相对疏水的卟吩环，其配位的金属离子为mg²⁺、zn²⁺或cu²⁺。

优选的，所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液、mes缓冲溶液、tris缓冲溶液。

优选地，所述超分子组装，条件为ph6-13，组装时体系温度为室温，组装时间为4-28天。

有益效果

本专利方法制备的仿生绿色体具有qy红移的特征吸收带(图3和图4)和较强的j-聚集激子耦合作用(图5)，具有光合细菌天然超分子捕光系统绿色体的结构和功能，可以高效地捕获光能和传递光能。本方法制备的水溶性纳米管仿生绿色体(图6)是一种新型的仿生捕光功能材料，可用于太阳能电池、光化学转化、光催化等领域的捕光材料，具有广阔的应用前景。

本发明制备的仿生绿色体具有良好的水溶性，是通过叶绿素a衍生的小分子前体物在水溶液中超分子组装来制备的，不需要有机溶剂的预先溶解和水相辅助组装，具有制备过程简单、环保、重复性好等特点。

本发明制备的仿生绿色体是纳米仿生材料，可以采用离心的方法从制备体系中分离，且离心沉淀中的仿生绿色体保持较好的单分散性。

本发明制备的纳米管仿生绿色体易于再分散于去离子水中获得仿生绿色体的水溶液，并在水溶液中保持较好的稳定性。

附图说明

图1为菌绿素bchlc、bchld、bchle和bchlf的结构。

图2为仿生绿色体组装前体的典型分子结构示意图。

图3为实施例1制备的仿生绿色体组装前体水溶液的紫外可见吸收光谱。

图4为实施例1制备的仿生绿色体水溶液的紫外可见吸收光谱。

图5为实施例1制备的仿生绿色体水溶液的圆二色光谱。

图6为实施例1制备的水溶性纳米管仿生绿色体的tem显微分析照片；

图7为组装前体和仿生绿色体的水溶液吸收光谱及仿生绿色体的显微结构分析。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

除非特别指出，以下实施例和对比例为平行试验，采用同样的处理步骤和参数。

上文所述采取卟吩环配位的金属阳离子保护或置换，为实施例1-3中的仿生绿色体前体物制备的操作步骤；所述碱催化转化，为实施例1-3中的naoh催化转化操作步骤；上文所述卟吩环配位的金属阳离子保护或置换的金属阳离子包含在实施例1-3中使用的试剂碳酸镁、醋酸锌和醋酸铜中。

实施例1

仿生绿色体前体物的制备。称取螺旋藻藻粉50g，加饱和了碳酸镁的95％乙醇100ml，搅拌萃取，重复萃取三次。萃取液中加入50ml石油醚(沸程60～90℃)混匀，再加入萃取液1/5体积的水，充分混合后进行石油醚萃取，石油醚重复萃取两次，含色素的石油醚相用30ml水-乙醇溶液(体积比1:2)洗涤两次。石油醚萃取液中加入1mol/lnaoh的95％乙醇溶液20ml，搅拌反应0.5-6h。往上述混合液中加入10ml水，充分混合后静置分离，离心分离沉淀，沉淀用丙酮洗涤两次，真空干燥后备用。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100ml去离子水中，静置组装28天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例2

仿生绿色体前体物的制备。称取螺旋藻藻粉50g，加95％乙醇100ml，搅拌萃取，重复萃取三次。萃取液中加入50ml石油醚(沸程60～90℃)混匀，再加入萃取液1/5体积的水，充分混合后进行石油醚萃取，石油醚重复萃取两次，含色素的石油醚相加30ml醋酸锌饱和水-乙醇溶液(体积比1:2)搅拌反应0.5-3h后，静置分离。石油醚萃取液中加入1mol/lnaoh的95％乙醇溶液20ml，继续搅拌反应0.5-6h。往上述混合液中加入10ml水，充分混合后静置分离，离心分离沉淀，沉淀用丙酮洗涤两次，真空干燥后备用。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100ml去离子水中，静置组装21天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例3

仿生绿色体前体物的制备。称取螺旋藻藻粉50g，加95％乙醇100ml，搅拌萃取，重复萃取三次。萃取液中加入50ml石油醚(沸程60～90℃)混匀，再加入萃取液1/5体积的水，充分混合后进行石油醚萃取，石油醚重复萃取两次，含色素的石油醚相加30ml醋酸铜饱和水-乙醇溶液(体积比1:2)搅拌反应0.5-3h后，静置分离。石油醚萃取液中加入1mol/lnaoh的95％乙醇溶液20ml，然后搅拌反应0.5-6h。往上述混合液中加入10ml水，充分混合后静置分离，离心分离沉淀，沉淀用丙酮洗涤两次，真空干燥后备用。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100ml去离子水中，静置组装14天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例4

仿生绿色体前体物的制备，同实施例1。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100ml磷酸盐缓冲溶液(0.050mol/l，ph＝7.8)中，静置组装21天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例5

仿生绿色体前体物的制备，同实施例2。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100ml磷酸盐缓冲溶液(0.050mol/l，ph＝7.8)中，静置组装14天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例6

仿生绿色体前体物的制备，同实施例3。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100ml磷酸盐缓冲溶液(0.050mol/l，ph＝7.8)中，静置组装7天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例7

仿生绿色体前体物的制备，同实施例1。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100mltris缓冲溶液(0.050mol/l，ph＝7.8)中，静置组装21天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例8

仿生绿色体前体物的制备，同实施例2。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100mltris缓冲溶液(0.050mol/l，ph＝7.8)中，静置组装14天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例9

仿生绿色体前体物的制备，同实施例3。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100mltris缓冲溶液(0.050mol/l，ph＝7.8)中，静置组装7天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例10

仿生绿色体前体物的制备，同实施例2。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100mlmes缓冲溶液(0.050mol/l，ph＝6.0)中，静置组装14天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

实施例11

仿生绿色体前体物的制备，同实施例3。

仿生绿色体的制备。称取上述干燥后的前体物1g，搅拌溶于100mlmes缓冲溶液(0.050mol/l，ph＝6.0)中，静置组装7天，离心分离仿生绿色体，得绿色沉淀，沉淀用去离子水洗涤一次，即制得纳米管仿生绿色体，溶于去离子水即可获得仿生绿色体的水溶液。

经验证(图3-图6相对应的实验)，图3为实施例1制备的仿生绿色体组装前体水溶液的紫外可见吸收光谱，从图3可以看出，实施例1制备的仿生绿色体组装前体的吸收带在645nm左右，具有典型的qy特征吸收带；图4为实施例1制备的仿生绿色体水溶液的紫外可见吸收光谱，从图4可以看出，实施例1制备的仿生绿色体的qy特征吸收带在740nm左右，与组装前体的qy吸收带相比发生了近100nm的红移；图5为实施例1制备的仿生绿色体水溶液的圆二色光谱，从图5可以看出，实施例1制备的仿生绿色体具有较强的j-聚集激子耦合作用；图6为实施例1制备的水溶性纳米管仿生绿色体的tem显微分析照片，图6a为水溶液中组装的仿生绿色体纳米管状长纤维结构，图6b为离心沉淀得到的仿生绿色体分散到水溶液中的纳米管状短纤维结构，从图6可以看出，实施例1制备的水溶性纳米管仿生绿色体不易出现团聚，在分散体系中分散均匀。根据图7，从吸收光谱可以看出，仿生绿色体的qy吸收带比组装前体的qy吸收带发生了明显的红移，红移约100nm，表现出明显的绿色体j聚集组装体的光谱吸收特性。tem显微结构分析分析表明，离心沉淀中的仿生绿色体保持较好的分散性，为纳米管状纤维结构，易于再分散于去离子水中获得仿生绿色体的水溶液，并在水溶液中保持较好的稳定性。本方法制备的水溶性纳米管仿生绿色体是一种新型的仿生捕光功能材料，可用于太阳能电池、光化学转化、光催化等领域的捕光材料，具有广阔的应用前景。

以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。