一种生物合成空心微纳米四氧化三铁的方法与流程

本发明属于生物合成领域，具体涉及一种生物合成空心微纳米四氧化三铁的方法。

背景技术：

磁性微纳米四氧化三铁是一种特殊功能的纳米材料，具有超顺磁性、小尺寸效应、量子隧道效应等。纳米级四氧化三铁是应用最为广泛的软磁性材料之一，在催化剂、记录材料，磁流体材料、电子材料、造影成像、靶向给药、药物载体、dna检测等应用领域表现出良好的应用前景。

磁性纳米四氧化三铁的制备方法有沉淀法、热分解法、水热法、溶剂热法、微乳液法、空气氧化法、静电纺丝法及微波法。沉淀法的ph值较高，且制备过程不易控制。热分解法是指将有机铁化合物溶解在溶剂中，控制反应温度，然后在高压反应釜或者借助冷凝回流使反应物分解、沉淀得到的产物。热分解法制备的磁性粒子一般结晶度高，但磁性粒子亲水性能较差。水热法及溶剂热法统称热液法，是指以水或者溶剂作为分散介质，在密封反应容器中，在高温、高压条件下发生反应而得到磁性粒子，该方法能耗高、反应条件比较苛刻。微乳液法对于制备分布窄、形态规整、分散好的纳米粉体是一种很好的制备方法。它是在微乳液滴空间中进行反应，微乳液的制备较复杂。上述方法都适合制备实心微纳米四氧化三铁。

微纳米结构四氧化三铁空心微球具有低密度、高比表面的特性，而且其空心部分可容纳大量的客体分子或大尺寸的客体，使得其在微波吸收材料和药品传输等许多技术领域都有重要的应用前景。制备空心球最常用的方法是模板法，模板法过程复杂、成本高，需要借助大量的有机物质而且不容易控制空心部分的形状和尺寸。溶剂热法结合奥斯特瓦尔德熟化过程制备铁氧体空心球，相对模板法是一种方便快捷较环保的方法，但是需要乙二醇，且需在高温、密封的反应釜中保持一段较长的反应时间，其能耗较高。上述方法都为化学合成法，一般来说过程复杂、能耗高、成本高。因此，开发一种易控制、反应条件温和及环境友好的磁性空心微纳米四氧化三铁的制备方法具有十分重要意义。目前，对于生物法制备空心微纳米四氧化三铁的方法鲜有报道。

技术实现要素：

为了克服传统磁性空心微纳米四氧化三铁制备方法存在的不足，本发明的目的在于提供了一种生物合成空心微纳米四氧化三铁的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物合成空心微纳米四氧化三铁的方法，其利用到铁基质硝酸盐还原菌和异化金属还原菌，铁基质硝酸盐还原菌以fe²⁺或fe²⁺/乙酸钠为电子供体将硝酸根离子(no3^-)还原为n2的同时在铁基质硝酸盐还原菌表面形成铁氧化物或铁氢氧化物，异化金属还原菌再以乙酸钠为电子供体将铁基质硝酸盐还原菌表面的铁氧化物或铁氢氧化物还原成微纳米四氧化三铁；离心收集微纳米四氧化三铁，冷冻干燥后在隔绝空气、高温条件下除去四氧化三铁内部的微生物生物质，得到空心微纳米四氧化三铁。

具体地，所述的生物合成空心微纳米四氧化三铁的方法，包括如下步骤：往培养铁基质硝酸盐还原菌的培养基中加入fe²⁺盐和乙酸钠，接入铁基质硝酸盐还原菌厌氧培养至fe²⁺或no3^-浓度不再发生变化时，往培养液中再加入乙酸钠，接入异化金属还原菌继续厌氧培养至乙酸钠浓度不再发生变化时，离心收集微纳米四氧化三铁，冷冻干燥后在隔绝空气、高温条件下除去四氧化三铁内部的微生物生物质，得到空心微纳米四氧化三铁。其中，往培养铁基质硝酸盐还原菌的培养基中加入fe²⁺盐和乙酸钠，fe²⁺盐的终浓度优选为3-20mmol/l，乙酸钠的终浓度优选为3-15mmol/l；往培养液中再加入乙酸钠，乙酸钠的终浓度优选为5-30mmol/l。

上述铁基质硝酸盐还原菌包括但不限于citrobacterfreundiistrainpxl1、pseudogulbenkianiasp.strain2002(atccbaa-1479)、achromobactersp.a14、pseudomonassp.szf15、pseudomonassp.h-117；上述异化金属还原菌包括但不限于gebactermetallireducensgs-15、geobactersulfurreducenspca、shewanellaoneidensismr-1、methanosarcinabarkeristrainfusaromethanosarcinamazeistrainocm88methanosarcinabarkeri800(dsm800)、methanosarcinabarkeri(dsm8687)、methanosarcinamazei(dsm10132)。

上述电子供体还可以为h2、甲烷、乙醇、甲醇等。

本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明通过生物氧化及生物还原铁离子制备空心微纳米四氧化三铁材料，反应条件温和，能耗低、成本低。

(2)本发明可利用电活性微生物代谢农业及城市有机固体废弃物(如颗粒秸秆、牛粪等)水解发酵产生的小分子h2、乙酸钠及甲烷等为电子供体，既实现了有机固体废弃物的利用，又实现了有机固体废弃物的治理，同时具有环境污染小的优点，对节能减排和环境治理都具有重要的意义。

(3)本发明反应条件易控制，通过控制生物还原的时间，可以得到具有不同磁性的半导体材料。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明实施方式不限于此。

实施例1

(1)微生物制备微纳米铁氧化物或铁氢氧化物粒子

以medium2665培养基37℃培养pseudogulbenkianiasp.strain2002(atccbaa-1479)。medium2665培养基的基本组成为：nh4cl0.25g，kh2po40.60g，kcl0.10g，nahco32.52g，nano30.85g，微量元素溶液10.00ml，微量维生素溶液10.00ml，去离子水980.00ml。将150ml未加微量维生素溶液的上述培养基置于250ml厌氧瓶中，以80％的n2和20％的co2混合气曝气30-45分钟，使其厌氧后压盖密封，121℃灭菌20分钟冷却至室温。灭菌后的培养基加入脱氧、过滤灭菌的1mol/l的乙酸钠溶液，使其最终浓度为10mmol/l；加入脱氧、过滤灭菌的feso4·7h2o溶液(1mol/l)，使其最终浓度为4mmol/l；加入脱氧、过滤灭菌的微量维生素溶液，使其最终浓度为10.00ml/l。微量元素溶液组成(g/l)：氨三乙酸1.5g，mgso4·7h2o3.0g，mnso4·h2o0.5g，nacl1.0g，feso4·7h2o0.1g，cocl2·6h2o0.1g，cacl20.1g，znso4·7h2o0.1g，cuso4·5h2o0.01g，alk(so4)2·12h2o0.01g，h3bo30.01g，na2moo4·2h2o0.01g，去离子水1.0l。微量微生素溶液组成(mg/l)：生物素2.0mg，叶酸2.0mg，维生素b6盐酸盐10.0mg，盐酸硫胺5.0mg，维生素b25.0mg，烟酸5.0mg，d-泛酸钙5.0mg，维生素b120.1mg，对氨基苯甲酸5.0mg，硫辛酸5.0mg，去离子水1.0l。

培养方法:向上述厌氧瓶(150ml培养基)中按10％(v/v)的接种量接入培养好的pseudogulbenkianiasp.strain2002菌液，在37℃下黑暗培养。当培养基中的fe²⁺或no3^-浓度不再发生变化时(培养5-8天)，停止培养，此时在铁基质硝酸盐还原菌pseudogulbenkianiasp.strain2002表面形成粒度为200nm-1μm的铁氧化物或铁氢氧化物，产物得率达90％。

(2)微生物还原制备空心微纳米四氧化三铁粒子

向生成铁氧化物或铁氢氧化物厌氧瓶(150ml培养基)中按10％(v/v)的接种量接入培养好的geobactermetallireducensgs-15菌液，并加入脱氧、过滤灭菌的1mol/l的乙酸钠溶液，使其最终浓度为20mmol/l，在37℃下黑暗培养。当溶液中的乙酸钠浓度不再发生变化时(培养6-8天)，停止培养，此时在铁基质硝酸盐还原菌表面形成的铁氧化物或铁氢氧化物被geobactermetallireducensgs-15还原成微纳米四氧化三铁(培养液颜色由红褐色变为黑色)，得到微纳米四氧化三铁粒子。

培养液3000g离心20min收集微纳米四氧化三铁粒子，冷冻干燥后在隔绝空气、600℃的条件下保持2小时以去除四氧化三铁粒子内部的微生物生物质，冷却到室温后得到粒度为200nm-1μm的空心微纳米四氧化三铁粒子。

实施例2

(1)微生物制备空心微纳米铁氧化物或铁氢氧化物粒子

微纳米铁氧化物或铁氢氧化物粒子的制备方法同实施例1。

(2)不同磁性空心微纳米四氧化三铁粒子的制备

向生成铁氧化物或铁氢氧化物厌氧瓶(150ml培养基)中按10％(v/v)的接种量接入培养好的geobactermetallireducensgs-15菌液，并加入脱氧、过滤灭菌的1mol/l的乙酸钠溶液，使其最终浓度为20mmol/l，分别在37℃下黑暗培养3天、5天，此时在铁基质硝酸盐还原菌表面形成的铁氧化物或铁氢氧化物被geobactermetallireducensgs-15还原成微纳米四氧化三铁，得到微纳米四氧化三铁粒子。

按照实施例1的方法进行处理，得到粒度为200nm-1μm的空心微纳米四氧化三铁粒子，测定其磁性，生物还原5天得到的空心微纳米四氧化三铁粒子的磁性比生物还原3天的空心微纳米四氧化三铁粒子的磁性提高了30％。表明通过控制生物还原的时间，可以得到具有不同磁性的半导体材料。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。