专利名称：一种以t4噬菌体为模板制备铁纳米磁性粒子的方法
技术领域：
本发明属于磁记录材料领域，具体涉及一种以Τ4噬菌体为模板制备小粒径且同 时具有铁磁性的铁纳米粒子的方法。
背景技术：
过渡金属铁(Fe)纳米粒子具有尺寸小、单磁畴结构、矫顽力高等特性，用它制作 的磁记录材料具有稳定性好、图象清晰、信噪比高、失真度小等优点，正是由于这些，使得纳 米磁性材料在高密度磁记录材料领域有着广阔的应用前景。但随着信息技术的发展，需要 记录的信息量也不断增加，因此，对磁记录材料的要求越来越高，要求记录材料高性能化， 特别是记录高密度化。而作为磁记录单位的纳米磁性粒子，它的大小必须满足以下要求① 颗粒的长度应远小于记录波长；②粒子的宽度(如可能，长度也包括在内)应远小于记录深 度；③一个单位的记录体积中，应尽可能有更多的磁性粒子。综上，作为磁记录材料的纳米 粒子，要满足尺寸尽量小但仍保持铁磁性的要求。因此，探究一种能够制备出小尺寸且具有 铁磁性的Fe纳米粒子的制备方法便成为人们的研究热点，也成为信息行业竞争的焦点。近 年来，人们利用不同的方法制备了 Fe纳米磁性粒子，最常用的是用有机金属化合物的热解 法。该方法选用有机金属化合物作为前驱物，在高温下(通常在180 300°C范围内)热降 解得到金属纳米颗粒。例如，Sheng Peng等发表在《JACS》(JACS，2006，128，10676 10677) 和 Dorothy Farrell 等发表在《物理化学》(J. Phys. Chem. B，2005，109，13409 13419)的 文章中都报道了用铁的有机化合物Fe(CO)5为前驱体，热降解制备了 Fe纳米粒子，产品的 粒径较小，粒子间距控制的也较好。但该方法所用原料大多为有毒害的有机溶剂，且合成条 件需要高温环境，因此是一种环境不友好的合成路线。人们还采用铁的油酸盐作前驱体经 热降解得到Fe纳米粒子，但制备的粒子形貌不规则，粒径相对较大，不具有铁磁性的特性， 这就限制了 Fe纳米粒子在磁记录材料领域中的应用。
发明内容
为了克服常规制备方法的不足，本发明提供一种以T4噬菌体为模板制备Fe纳米 磁性粒子的方法。该方法制备工艺简单、产率高，制备出的Fe纳米粒子具有粒径小、在T4 噬菌体表面排布规则、分散度高等优点，同时制备出的Fe纳米粒子具有磁化过程不可逆、 有磁滞现象、矫顽力高等铁磁性的特点，因此，所得产品满足高密度磁记录材料的要求。而 且该方法直接采用自然界存在的生物纳米结构为模板，原料来源广泛，培育简单，从而大大 降低了生产成本，所用原料也无毒害，是一种环境友好的制备方法。本发明采用高度对称的纳米级生物体为模板，利用其自身的结构特征，以及其表面 蛋白质高度的分子识别能力，根据过渡金属正离子与氨基酸羧基负离子具有分子间作用力的 原理，在其表面控制生长纳米粒子，由于生物体的空间限域作用及其结构特征，可以有效的对 纳米粒子的合成进行精确调控，从而得到预期尺寸大小，单分散的Fe纳米磁性粒子。为了获得粒径较小且具有铁磁性的Fe纳米粒子，本发明采用天然型的T4噬菌体为模板，在其表面控制合成Fe纳米粒子。T4噬菌体是一种浸染大肠杆菌的烈性噬菌体，以 大肠杆菌为宿主细胞，十分便于培养。而大肠杆菌是人和许多动物肠道中最主要且数量最 多的一种细菌，一般不致病，故采用T4噬菌体为模板，具有材料来源广泛，可重复性高等优 点。本发明所用T4噬菌体呈二十面体对称结构，衣壳长约60nm，横径约50nm，由于在其表面 含有多种氨基酸，为在其表面控制合成Fe纳米粒子提供了许多结合位点，且特定结合位点 呈规则的重复性分布，故制备的纳米粒子具有很好的分散性。又因为其表面突起的蛋白质 的空间限域作用，控制了合成的纳米粒子的大小，使制备的纳米粒子大小均勻且粒径很小。 可见由于T4噬菌体其自身的结构特征，使其成为制备Fe纳米磁性粒子的良好模板。本发明首先利用大肠杆菌培育T4噬菌体，经过多次离心，将纯净T4噬菌体富集起 来，后与Fe的氯化物溶液共孵化，使得铁的正离子吸附到T4衣壳表面蛋白质氨基酸羧基负 离子的活性位点上，然后通过离心，还原处理，在T4噬菌体衣壳表面就形成了排布规则、粒 径较小、具有铁磁性的Fe纳米粒子。
本发明的技术方案包括如下步骤(1) T4噬菌体的扩增培养与提纯首先在预先培育的50ml，浓度为10 15mg/ml的大肠杆菌悬浮液中接入T4噬菌 体菌种，在37 °C下，以100 150r/min的速度摇床培养8 15h。将含有大肠杆菌残壳和T4 噬菌体的悬浮液在4 10°C下，以4000 6000r/min的速度分别离心三次，每次离心15 20min，均去掉沉淀，取上清液。最后将较纯的T4噬菌体液在4 10°C，40000 45000r/ min下超速离心2. 5 3h，去掉上清液，将T4噬菌体沉淀斑分散到2ml去离子水中。(2)以T4噬菌体为模板制备Fe纳米磁性粒子取300 500ul富集后的T4噬菌体液，用lmol/1的NaOH调节pH值到8. 5 9. 0， 于4 10°C，60 110r/min下摇床孵化3 5h。取300 500ul浓度为5 IOmM的FeCl3 溶液加入到上述预处理的T4噬菌体液中，混合均勻，于4 10°C，60 llOr/min下摇床孵 化12 20h。然后于4 10°C，40000 45000r/min下超速离心2. 5 3h，去掉上清液， 将沉淀收集分散到300 500ul的去离子水中。然后逐滴加入新配制的75 120ul，浓度 为5 IOmM的NaBH4还原剂溶液，即得到规则排布于T4噬菌体衣壳表面、小粒径且具有铁 磁性的Fe纳米粒子。所述的Fe纳米磁性粒子具有以下结构特征均勻的分布于T4噬菌体衣壳外表面， 其排布规则，高度分散，粒径较小，尺寸为1. 5 4. Onm。本发明的有益效果是直接采用天然的T4噬菌体为模板，培育简便，实验前不需 进行任何特殊处理，经过与铁的氯化物溶液共孵化，然后经离心、还原处理，即可获得规则 排布于T4噬菌体衣壳表面、小粒径且具有铁磁性的Fe纳米粒子。与常规的用铁的有机化合 物作前驱体热降解制备出的Fe纳米粒子相比，本发明得到的Fe纳米粒子具有分布更加均 勻、粒径较小等优点，关键是在小粒径下仍保持很好的铁磁性，满足磁记录材料对纳米磁性 粒子的要求。该制备方法工艺简单，条件温和，环保高效，且模板来源广泛易得，成本低廉， 易于实现大规模生产。
下面结合
和实施方案对本发明作进一步阐述。
图1是以T4噬菌体为模板制备的Fe纳米磁性粒子的低倍数TEM图；图2是以Τ4噬菌体为模板制备的Fe纳米磁性粒子的高倍数TEM图；图3是以Τ4噬菌体为模板制备的Fe纳米磁性粒子的EDS图； 图4是以Τ4噬菌体为模板制备的Fe纳米磁性粒子的磁滞回线曲线。
具体实施例方式实施例一1. Τ4噬菌体的扩增培养与提纯首先在预先培育的50ml，浓度为10mg/ml的大肠杆菌悬浮液中接入T4噬菌体菌 种，在37°C下，以lOOr/min的速度摇床培养8h。将含有大肠杆菌残壳和T4噬菌体的悬浮 液在4°C下，分别以4000、5000、6000r/min的速度依次离心，每次离心15min，均去掉沉淀， 取上清液。最后将较纯的T4噬菌体液在4°C，45000r/min下超速离心2. 5h，去掉上清液，将 T4噬菌体沉淀斑分散到2ml去离子水中。2.以T4噬菌体为模板制备Fe纳米磁性粒子取300ul富集后的T4噬菌体液，用lmol/1的NaOH调节pH值到8. 5，于4°C，60r/ min下摇床孵化3h。取300ul浓度为5mM的FeCl3溶液加入到上述预处理的T4噬菌体液 中，混合均勻，于4°C，60r/min下摇床孵化20h。然后于4°C，45000r/min下超速离心2. 5h， 去掉上清液，将沉淀收集分散到300ul的去离子水中。然后逐滴加入新配制的75ul，浓度为 5mM的NaBH4还原剂溶液，即得到规则排布于T4噬菌体衣壳表面、小粒径且具有铁磁性的Fe 纳米粒子。其透射电镜图片见图1。实施例二1. T4噬菌体的扩增培养与提纯首先在预先培育的50ml，浓度为12mg/ml的大肠杆菌悬浮液中接入T4噬菌体菌 种，在37°C下，以130r/min的速度摇床培养12h。将含有大肠杆菌残壳和T4噬菌体的悬浮 液在10°C下，分别以4000、5000、6000r/min的速度依次离心，每次离心17min，均去掉沉淀， 取上清液。最后将较纯的T4噬菌体液在10°C，42100r/min下超速离心3h，去掉上清液，将 T4噬菌体沉淀斑分散到2ml去离子水中。2.以T4噬菌体为模板制备Fe纳米磁性粒子取400ul富集后的T4噬菌体液，用lmol/1的NaOH调pH值到8. 5，于10°C，90r/ min下摇床孵化4h。取400ul浓度为IOmM的FeCl3溶液加入到上述预处理的T4噬菌体液 中，混合均勻，于10°C，90r/min下摇床孵化12h。然后于10°C，42100r/min下超速离心3h， 去掉上清液，将沉淀收集分散到400ul的去离子水中。然后逐滴加入新配制的120ul，浓度 为6mM的NaBH4还原剂溶液，即得到规则排布于T4噬菌体衣壳表面、小粒径且具有铁磁性 的Fe纳米粒子。透射电镜下观察其形貌见图2。实施例三1. T4噬菌体的扩增培养与提纯首先在预先培育的50ml，浓度为15mg/ml的大肠杆菌悬浮液中接入T4噬菌体菌 种，在37°C下，以150r/min的速度摇床培养15h。将含有大肠杆菌残壳和T4噬菌体的悬浮 液在6°C下，分别以4000、5000、6000r/min的的速度依次离心，每次离心20min，均去掉沉淀，取上清液。最后将较纯的T4噬菌体液在6°C，40000r/min下超速离心3h，去掉上清液，将T4噬菌体沉淀斑分散到2ml去离子水中。2.以T4噬菌体为模板制备Fe纳米磁性粒子取500ul富集后的T4噬菌体液，用lmol/1的NaOH调节pH值到9. 0，于6°C，IlOr/ min下摇床孵化5h。取500ul浓度为IOmM的FeCl3溶液加入到上述预处理的T4噬菌体液 中，混合均勻，于6°C，110r/min下摇床孵化18h。然后于6°C，40000r/min下超速离心3h， 去掉上清液，将沉淀收集分散到500ul的去离子水中。然后逐滴加入现配制的90ul，浓度为 IOmM的NaBH4还原剂溶液，即得到规则排布于T4噬菌体衣壳表面、小粒径且具有铁磁性的 Fe纳米粒子。图1、2为以T4噬菌体为模板制备的Fe纳米粒子的TEM图，从图中可以看到，底部 类似球形的灰色暗影为T4噬菌体，在每个噬菌体衣壳外表面均勻分布了一层Fe纳米粒子， 粒径较小，尺寸为1. 5 4. Onm,粒子分布规则，证明了以T4噬菌体为模板对Fe纳米粒子的 制备在形貌和大小上具有高度可控性，说明了该方法的高效性。图3为以T4噬菌体为模板制备Fe纳米磁性粒子的EDS图，是电子束打在如图1、2 所呈现的T4噬菌体和金属粒子的组合结构上，从图中可以看到Cu、C、0、Fe的峰，其中Cu、C 主要是来自制样时所用的铜网。O主要是来自T4噬菌体本身，还有一部分O是来自水。此 夕卜，从图中我们可以看到Fe的能谱峰的存在，说明以T4噬菌体为模板成功的制备出了 Fe 纳米粒子。图4为以T4噬菌体为模板制备得到的Fe纳米磁性粒子的磁滞回线曲线，检测温 度为100K。从图中可以看出，以T4噬菌体为模板制备的Fe纳米粒子具有磁化过程不可逆、 易磁化到饱和、有磁滞现象等铁磁性的特性。其矫顽力约5640e，剩磁约34emU/g，饱和磁性 约151emu/g。说明以T4噬菌体为模板制备的Fe纳米粒子具有铁磁性，这使得其在磁记录 材料方面有着广阔的应用前景。
权利要求
一种以T4噬菌体为模板制备铁纳米磁性粒子的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤(1)T4噬菌体的扩增培养与提纯首先在预先培育的50ml，浓度为10～15mg/ml的大肠杆菌悬浮液中接入T4噬菌体菌种，在37℃下，以100～150r/min的速度摇床培养8～15h，将含有大肠杆菌残壳和T4噬菌体的悬浮液在4～10℃下，以4000～6000r/min的速度分别离心三次，每次离心15～20min，均去掉沉淀，取上清液，最后将较纯的T4噬菌体液在4～10℃，40000～45000r/min下超速离心2.5～3h，去掉上清液，将T4噬菌体沉淀斑分散到2ml去离子水中；(2)以T4噬菌体为模板制备Fe纳米磁性粒子取300～500ul富集后的T4噬菌体液，用1mol/l的NaOH调节pH值到8.5～9.0，于4～10℃，60～110r/min下摇床孵化3～5h，取300～500ul浓度为5～10mM的FeCl3溶液加入到上述预处理的T4噬菌体液中，混合均匀，于4～10℃，60～110r/min下摇床孵化12～20h，然后于4～10℃，40000～45000r/min下超速离心2.5～3h，去掉上清液，将沉淀收集分散到300～500ul的去离子水中，然后逐滴加入新配制的75～120ul，浓度为5～10mM的NaBH4还原剂溶液，即得到规则排布于T4噬菌体衣壳表面、小粒径且具有铁磁性的Fe纳米粒子。
全文摘要
本发明公开了一种磁记录材料领域的以T4噬菌体为模板制备铁纳米磁性粒子的方法。该方法利用生物体固有的结构特征及其分子识别功能，将富集得到的T4噬菌体与铁的氯化物溶液经过共孵化、离心、还原处理，即可获得粒径小、分散度高、在T4噬菌体衣壳表面排布规则的铁纳米粒子，且制备出的铁纳米粒子具有磁化过程不可逆、矫顽力高等铁磁性的特点，使得该方法制备得到的铁纳米粒子在高密度磁记录材料领域有着广阔的应用前景。而且该方法直接以自然界存在的生物纳米结构为模板，制备工艺简单，反应条件温和且对环境友好，又由于生物模板具备可自身繁殖，形貌重复性高等特点，易于实现大规模生产。
文档编号H01F1/047GK101817091SQ201010161190
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月28日 优先权日2010年4月28日
发明者侯莉, 孙红敬, 高发明 申请人:燕山大学