专利名称：利用大肠杆菌生物模板控制微米级硫化锌形貌的方法
技术领域：
本发明涉及一种无机材料制备技术领域，特别是涉及一种利用大肠杆菌生物模板控制微米级硫化锌形貌的方法。
背景技术：
金属硫化物具有优良的电性能，广泛应用于半导体、颜料、光致发光装置、太阳能电池、红外检测器、光纤维通讯等。其中硫化锌是一种重要的发光材料和半导体材料，在3～5μm和8～12μm波段具有较高的红外透过率及优良的光、机、热学综合性能，主要应用于电子工业、国防工业、化学化工等诸多领域，是II-VI族化合物中被广泛研究和应用的材料之一。硫化锌还是一种性能独特的荧光基质材料，已广泛应用于多种仪器仪表中，如平板显示器，光激发二极管，太阳能电池等。在信息显示和照明领域大量应用的仍是微米级大颗粒硫化锌，这主要是因为纳米级硫化锌缺陷较多，各种缺陷相互作用降低了硫化锌荧光粉的发光效率。而材料的颗粒形态，粒度的大小及分布对硫化锌发光材料的性能影响很大。在实际应用中，荧光材料尤其是荧光粉末材料的颗粒形貌对发光性能有着十分重要的意义。荧光材料的质量完全取决于粉末粒度的均匀度和颗粒的形貌，基本上对高质量的荧光粉的要求是形貌均匀，而且粒度分布范围要窄。可见，ZnS的优异性能大都依赖于颗粒的大小、分布及形貌，因此，如何实现对其尺寸大小、粒径分布的控制以及形貌和表面的修饰是研究的关键。目前已有多种用于不同用途的硫化锌的合成方法，有气相法、液相法和固相法。气相沉淀反应直接将H2S气体通过Zn2+溶液中进行沉淀反应，通过改变溶液的pH值、反应物浓度以及反应时间等可控制粒子的最终平均尺寸，但反应需要毒性较大的H2S气体。液相法的制备形式多样、操作简单、粒度可控，因而备受重视，其缺点是易发生团聚现象导致形貌不规整。室温一步固相反应作为一种新的合成方法，无需溶剂，产率高，无污染，但得到的产物颗粒分布不均匀，形貌不规整，难实现对颗粒大小，形貌的控制。为此需要一种全新的控制材料形貌的合成方法以解决以上问题。
发明内容
针对现有制备硫化锌的方法存在的颗粒形貌和大小难以控制的问题，本发明提供一种利用大肠杆菌生物模板控制微米级硫化锌形貌的方法。该发明利用具有一定尺度或形貌的生物结构单元作为生物模板，利用生物模板自身的空间限域效应，通过物理、化学等方法按照设计要求形成新的材料或结构，同时生物分子所具有的完善且严格的分子识别功能可以对材料的合成进行精确调控，从而得到具有预期结构和性能的材料。
为了实现这一目的，本发明采用来源广泛的大肠杆菌作为生物模板，大肠细菌(E.coli)为埃希氏菌属(Escherichia)代表菌，为人和动物肠道中的常居菌，一般多不致病，故选用大肠杆菌作为生物模板制备材料安全可靠。大肠杆菌细胞平均长度约2μm，宽度约0.5μm，呈两端微圆的短棒状结构，是短棒状微米级结构材料的良好的生物模板。本发明首先对大肠杆菌进行增殖培养，低渗处理，制备感受态细胞，然后将感受态细胞与硫化锌体系共孵育，使硫化锌体系粘附在大肠杆菌表面，通过热击处理促使大肠杆菌将硫化锌体系吸入细胞内，在大肠杆菌生物模板作用下原位形成优良的短棒状形貌的硫化锌材料，经过煅烧处理去除大肠杆菌包被，从而获得形貌均匀的微米级硫化锌材料。
本发明的技术方案包括如下步骤 (1)将大肠杆菌接入预先配制好的50ml LB液体培养基中，37℃，120～200r/min摇床培养12～20h以使之增殖。然后将大肠杆菌培养液在冰上放置10～20min，于0～6℃，3000～5000r/min离心8～15min，取沉淀。
(2)将沉淀溶于40ml去离子水中，0～6℃，3000～5000r/min离心8～15min进行低渗，重复1～2次，取沉淀。
(3)将沉淀溶于40ml预冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混匀，在冰上放置5～15min，然后于0～6℃，3000～5000r/min离心8～15min，取沉淀。将沉淀重新溶于40ml预冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混匀，即制得感受态细胞悬液。
(4)将0.091g～0.912g CS(NH2)2加入到感受态细胞悬液中，冰上放置10～30min，在4℃冰箱中静置20～100h。然后将上述溶液在35～45℃水浴中热击1～5min，快速转移到冰上冷却1～5min，置于4℃冰箱中保存约10～40h，然后在室温下孵化10～40h。
(5)孵化完后，将溶液在3000～5000r/min离心8～15min，将沉淀用15-25ml蒸馏水溶解后转入50ml聚四氟乙烯内衬的釜中，加入15-25ml乙二胺，然后在150～300℃下加热15～30h，冷至室温。然后将溶液在2500～4000r/min下离心8～15min，取沉淀60～100℃真空干燥15～40h，即得短棒状形貌的硫化锌材料。
本发明直接用合成ZnS体系的Zn(CH3COO)2·2H2O来制备感受态细胞，既可以提高感受态细胞的转化率，又不引入其它元素，对合成较纯且形貌均匀的ZnS意义重大。在煅烧与ZnS体系共孵育后的大肠杆菌时，加入具有强碱性的乙二胺，可以较易溶解大肠杆菌包被，与此同时，还降低煅烧时的温度，在较低的温度下就可实现去除大肠杆菌包被的作用。
本发明的有益效果是通过生物模板自身的空间限域效应，采用来源广泛的大肠杆菌生物模板，经过制备感受态细胞以及与材料体系共孵育并结合热击和煅烧处理，获得形貌优越的短棒状结构微米级硫化锌材料。由于大肠杆菌的保护和空间限域作用，可明显提高材料的形貌和稳定性。获得的硫化锌材料形貌均匀，大小一致，表明生物模板对材料的合成具有精确的控制作用。本发明方法工艺简单，条件温和，环保高效，并且原料来源广泛易得，成本低廉，易于实现大规模生产，所获得的材料还具有优良的形貌特征，可作为高质量的荧光粉的基质材料，应用广泛，具有重大的现实意义。
下面结合
和实施例对本发明作进一步的阐述。
图1是进行低渗后大肠杆菌的TEM图； 图2是感受态细胞与ZnS材料体系共孵育后的TEM图； 图3是煅烧处理后所得到的多个短棒状微米级硫化锌颗粒的TEM图； 图4是本发明制备的短棒状硫化锌颗粒的EDS图； 图5是本发明制备的短棒状硫化锌颗粒的PL图。
具体实施例方式 实施例1 配制LB液体培养基50ml，引入大肠杆菌菌种，在37℃下200r/min摇床培养12h。然后将大肠杆菌培养液在冰上放置10min，在6℃，3000r/min离心分离15min，弃去上清液，将沉淀溶入40ml去离子水中，6℃，3000r/min离心15min进行低渗，重复一次，取沉淀。将沉淀溶于40ml，0.01mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中(4℃冰箱中预冷)，充分混匀，在冰上静置5min，于6℃，3000r/min离心分离15min，取沉淀。将沉淀重新溶于40ml预冷的0.01mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混匀，制得感受态细胞。称取0.091g的CS(NH2)2加入到感受态细胞悬液中，冰上放置10min，4℃冰箱静置20h后，在35℃的热水浴中热击1min，快速转移到冰上冷却1min，后又于4℃冰箱保存约10h，然后在室温下继续孵化10h。孵化后在3000r/min离心15min，将沉淀用15ml蒸馏水溶解后转入50ml聚四氟乙烯内衬的釜中，加入25ml乙二胺，然后在300℃下加热15h，冷至室温。然后将溶液在2500r/min离心15min，沉淀在100℃下真空干燥15h，即得短棒状形貌的微米级硫化锌材料。
实施例2 配制LB液体培养基50ml，引入大肠杆菌菌种，在37℃下150r/min摇床培养17h。然后将大肠杆菌培养液在冰上放置10min，在4℃，4000r/min离心分离10min，弃去上清液，将沉淀溶入40ml去离子水中，4℃，4000r/min离心10min进行低渗，重复两次，取沉淀。将沉淀溶于40ml，0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中(4℃冰箱中预冷)，充分混匀，在冰上静置10min，于4℃，4000r/min离心分离10min，取沉淀。将沉淀重新溶于40ml预冷的0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混匀，制得感受态细胞。称取0.912g的CS(NH2)2加入到感受态细胞悬液中，冰上放置20min，4℃冰箱静置40h后，在42℃的热水浴中热击3min，快速转移到冰上冷却5min，后又于4℃冰箱保存约10h，然后在室温下继续孵化22h。孵化后在3000r/min离心10min，将沉淀用20ml蒸馏水溶解后转入50ml聚四氟乙烯内衬的釜中，加入20ml乙二胺，然后在180℃下加热22h，冷至室温。然后将溶液在3000r/min离心10min，沉淀在80℃下真空干燥22h，即得短棒状形貌的微米级硫化锌材料。
实施例3 配制LB液体培养基50ml，引入大肠杆菌菌种，在37℃下120r/min摇床培养20h。然后将大肠杆菌培养液在冰上放置20min，在0℃，5000r/min离心分离8min，弃去上清液，将沉淀溶入40ml去离子水中，0℃，5000r/min离心8min进行低渗，重复两次，取沉淀。将沉淀溶于40ml，0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中(4℃冰箱中预冷)，充分混匀，在冰上静置15min，于0℃，5000r/min离心分离8min，取沉淀。将沉淀重新溶于40ml预冷的0.1mol/L的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混匀，制得感受态细胞。称取0.912g的CS(NH2)2加入到感受态细胞悬液中，冰上放置30min，4℃冰箱静置100h后，在45℃的热水浴中热击5min，快速转移到冰上冷却5min，后又于4℃冰箱保存约40h，然后在室温下继续孵化40h。孵化后在5000r/min离心8min，将沉淀用25ml蒸馏水溶解后转入50ml容积的聚四氟乙烯内衬的釜中，加入15ml乙二胺，然后在150℃下加热30h，冷至室温。然后将溶液在4000r/min离心8min，沉淀在60℃下真空干燥40h，即得短棒状形貌的微米级硫化锌材料。
图1为低渗后大肠杆菌的TEM图，从图中可以看出，低渗后的大肠杆菌呈膨胀状态，且细胞壁内部的物质由于受到渗透压作用而部分渗出，反复低渗几次可导致中空的内部环境，有利于外界反应体系的进入。
图2为感受态细胞与ZnS材料体系共孵育后的TEM图，从图中可明显看出ZnS体系进入到大肠杆菌内部，形貌规则，大小均匀，并且转化率很高。从左下角的插图可以看到，未进入ZnS的中空大肠杆菌与充满ZnS的大肠杆菌形成明显的对比。
图3中所示的为有代表性的多个短棒状微米级硫化锌颗粒的TEM图，从图中可以看到经过煅烧去除大肠杆菌的包被后，ZnS颗粒形貌规则，均为短棒状颗粒，且大小均匀，平均宽度约0.5μm，平均长度约0.8μm，表明生物模板对材料的形貌确实具有一定的控制作用。
图4是本发明制备的短棒状硫化锌颗粒的EDS图，从能谱图可以看到，我们制备得到的短棒状硫化锌由Zn和S两种元素组成，图中Cu峰是由于用铜网做基底所致，无其他杂质成分，由此可知，样品是相当纯净的ZnS，Zn原子和S原子的百分比分别为29.59和56.83，即所得到的硫化锌材料是非化学计量比的。
图5是本发明制备的短棒状硫化锌颗粒的光致荧光光谱图，激发光的波长为320nm，从荧光光谱图可以看出样品有两个明显的发光峰，分别位于360nm和467nm。一般认为位于400～500nm区间的发射峰由表面缺陷造成，故467nm的发光带是由表面缺陷所致，其发光是由Zn2+空位形成。从图中可以看到，467nm的发光带较弱，可见利用大肠杆菌生物模板得到的短棒状ZnS粒子的表面及界面效应导致其表面缺陷比以往方法要小，从而导致其缺陷发射强度较弱。Hyeon课题组(Hyeon，T.等J.Am.Chem.Soc.，2005，127:5662)报道尺寸为5nm左右的ZnS纳米粒子的带边发射在335nm附近，当尺寸增大时，其带边发射红移并伴随一定程度的宽化现象。结合前人的研究结果，可将位于360nm左右的发射峰认为ZnS的近带边发射，与报道相比，发射峰峰位发生红移，其原因可能是由于制备的ZnS尺寸为微米级，ZnS晶粒度增大，禁带宽度减小，各缺陷能级之间的宽度也在减小，因此发射的光向低频移动。在本实验中所制备的硫化锌样品中，与以往制备球形颗粒最大的差别是具有规则短杆状形貌，这种差别会导致硫化锌表面态的不同，进而引起光致发光性能的差异。由此可见，利用大肠杆菌作为生物模板对ZnS的荧光性能不会产生本质的影响，其主要作用还在于控制ZnS的粒度和形貌，从而获得所需的荧光性能。
权利要求
1.一种利用大肠杆菌生物模板控制微米级硫化锌形貌的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤
(1)将大肠杆菌接入预先配制好的50ml LB液体培养基中，37℃，120～200r/min摇床培养12～20h以使之增殖；然后将大肠杆菌培养液在冰上放置10～20min，于0～6℃，3000～5000r/min离心8～15min，取沉淀；
(2)将沉淀溶于40ml去离子水中，0～6℃，3000～5000r/min离心8～15min进行低渗，重复1～2次，取沉淀；
(3)将沉淀溶于40ml预冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混匀，在冰上放置5～15min，然后于0～6℃，3000～5000r/min离心8～15min，取沉淀；将沉淀重新溶于10ml预冷的0.01～0.1M的Zn(CH3COO)2·2H2O溶液中，充分混匀，即制得感受态细胞悬液；
(4)将0.091g～0.912g CS(NH2)2加入到感受态细胞悬液中，冰上放置10～30min，在4℃冰箱中静置20～100h；然后将上述溶液在35～45℃水浴中热击1～5min，快速转移到冰上冷却1～5min，置于4℃冰箱中保存约10～40h，然后在室温下孵化10～40h；
(5)孵化完后，将溶液在3000～5000r/min离心8～15min，将沉淀用15-25ml蒸馏水溶解后转入50ml容积的聚四氟乙烯内衬的釜中，加入15-25ml乙二胺，然后在150～300℃下加热15～30h，冷至室温；然后将溶液在2500～4000r/min下离心8～15min，取沉淀60～100℃真空干燥15～40h，即得短棒状形貌的硫化锌材料。
全文摘要
本发明涉及一种利用大肠杆菌生物模板控制微米级硫化锌形貌的方法。利用生物模板的空间限域效应，采用大肠杆菌为生物模板，通过制备感受态细胞与硫化锌体系共孵育并结合热击和煅烧处理，获得形貌优越的短棒状结构的微米级硫化锌材料。通过自然界自身存在的生物限域作用对硫化锌材料进行形貌控制，获得的硫化锌材料形貌均匀，大小一致，表明生物模板对材料的合成可以进行精确的调控。本发明方法工艺简单，条件温和，原料易得，成本低廉，获得的材料具有优良的形貌特征。并且由于生物模板可自身繁殖，形貌重复性高等特点，易于实现大规模生产。
文档编号C01G9/00GK101372357SQ20081007948
公开日2009年2月25日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者高发明, 莉 侯, 娜 李, 赵光萍 申请人:燕山大学