纳米金属的生物孕育

　　2000多年前，人们就已经开始无意识地使用纳米材料。古埃及人曾在不经意间发现了一种纳米尺度的染料，并用来漂染头发，其色牢度非常优良；科学家们还发现现存于大英博物馆的古罗马莱克格斯杯的玻璃中融入了纳米尺寸的金银颗粒，能够随着光照变化改变颜色；中国考古学家在文物挖掘中发现，古代铜镜千百年后依然完好无损就是因为表面涂有一层纳米尺度的氧化锡保护膜；以及流传至今未褪墨的书画也是因为使用的墨汁中存在纳米尺寸的碳。

　　纳米材料（Nano Particles），是指在三维空间的某一维度尺寸在1~100 nm之间的微小材料。金属纳米材料的电子结构在某些晶面上的费米能级刚好处在体能带结构沿该晶向的禁带之中[1]，使得金属纳米材料存在小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等材料特性。除此之外，金属纳米材料还在光学、电学、物理学、化学、生物学上有多种显著特性。

　　19世纪50年代末的美国物理学会年会中，诺贝尔奖获得者Richard Feyneman提出了一种由下至上的合成方法，并在当时所认知尺寸的基础上，做出了存在"更大空间"的设想[2]，这是纳米领域在理论上的第一次出现。1984年, Gleiter教授和他的团队[3]用原位加压法把金属铁粉制成粒径仅有6 nm的纳米级材料，这是人类首次带有目的性的制备出了纳米级金属材料，具有里程碑意义。

　　金属纳米材料究其本质，就是将金属离子还原成了零价态的金属单质，仅仅是在尺度上要求特殊，需要足够小，达到纳米领域。目前纳米材料在制备上的争议很大，研磨或者物理撞击蚀刻法等物理方式制备纳米材料需要非常复杂的操作工序以及精密仪器，不仅费时、灵敏度低且所需成本高，不能满足日常实验以及工业生产需求。传统化学方法在制备过程需使用大量还原剂甚至包含某些有毒的化学试剂，不仅浪费材料，而且得到的纳米材料分散性也不是很好，在制备过程中也容易污染环境，对动植物乃至人类的生产生活具有一定潜在危害[4]。相反生物材料来源广泛，成本低廉，而且大多数材料具有羟基、羧基和巯基等活性还原基团。除此之外，生物材料本身的结构骨形，能够让形成的纳米材料更加分散，制得的纳米材料具有更加出色的特性。与生物学相结合来制备这些具有特殊性能的纳米材料成本低，减少浪费的同时还能让制备方法更加方便简单。在制备过程中使用含有大量活性位点和还原基团的生物活性材料替代某些有毒化学试剂作为还原剂、封端剂和稳定剂，已经是广大科研工作者们的研究热点。

　　纳米材料的生物学制备过程，主要包括三个过程：一是孕育过程，也就是给出一个元素，以它为基准，接下来生长下去；二是生长过程，让给出的元素能够在给定的条件下向着目标产物发展；三是停止过程，让材料长到一定程度停止下来。通过生物学方法制备纳米材料，所用到的充当还原剂的生物材料有植物提取物、生物大分子（蛋白质、多糖等）以及微生物菌体，它们的生物活性以及浓度不同，会使所制备得到的纳米材料的形貌尺寸完全不同。在制备过程中存在了极大的变数，同样也存在了更多的机遇，可发现更多的新材料新物质。

植物提取物、蛋白质以及细菌真菌等生物材料充当还原剂制备纳米颗粒示意图

植物提取物制备金属纳米材料

　　植物提取物是选取植物的根茎叶果实等任意部位，经过简单的粉碎过滤离心等物理方式，将其制备成汁液。Lateef等[5]将干燥的山香草叶片（Hyptis suaveolens, Hs）放入蒸馏水中，在60 ℃温度下加热后离心分离来得到该提取物。然后在30 ℃下，将硝酸银（AgNO₃）与提取物混合反应，合成香草叶-银纳米材料（Hs-Ag NPs）。在该研究中，所制备的Hs-Ag NPs对于清除二苯基苦基苯肼和过氧化氢具有非常可观的结果，可用来清除环境中的自由基。Mallikarjuna课题组[6]在使用咖啡和茶的提取物制备纳米粒子的同时，通过紫外光谱解析发现 ，在紫外吸收光谱的340 nm处制备的材料中存在强吸收峰。由此猜测，实验中茶类的茶多酚以及咖啡里的咖啡因中含有多酚类化合物，是还原的关键。多酚类化合物的羟基是金属离子被还原成零价态金属的还原剂。使用植物提取物制备，其还原机制大同小异，都是使金属离子在含有羟基、羧基、巯基等还原基团的不同植物提取物中被还原成单质。当然，能够形成纳米粒子，而不会堆积聚集形成宏观单质，是因为所使用的提取物大多数能够充当封端剂、分散剂，使颗粒不能聚集在一起，可在纳米尺度上形成一定的分散态，使其单一粒子能够很好地保持纳米尺寸。

使用山香草叶片制备纳米颗粒[5]

微生物菌体制备金属纳米材料

　　微生物易培养、生长快，因此通过微生物制备纳米材料同样也是目前比较流行的合成方法之一。微生物具有独特的生命活性，可覆盖在材料表面使颗粒不能聚集、更加分散，因此，这些微生物在某种程度上可以充当还原剂、稳定剂。Saifuddin等[7]研究表明，混有银离子和枯草芽孢杆菌上清液的溶液，使用微波辐射得到Ag NPs。通过紫外可见光谱发现，该颗粒尺寸和形态非常稳定，在合成后的几个月之后都没有观察到聚集。经过分析发现是由于Ag NPs上的蛋白质覆盖所产生的，而实验中使用的枯草芽孢杆菌上清液具有非常明显的还原酶活性。该研究者做出假设，还原酶与电子传递复合物和其他蛋白质结合后以一种和真菌生存相似的方式对银离子进行还原并维持它的稳定性[8]。

病毒介导的金离子还原为金纳米粒子[8]

生物大分子制备金属纳米材料

　　蛋白质、多糖等生物大分子中含有大量羟基、羧基、巯基等还原基团，是活性非常好的还原剂，并且蛋白质的多级结构也对纳米颗粒有一定的分散作用，能够防止其聚集，因此也是人们常用来制备纳米材料的一类试剂。Ma等[9]根据之前的报道进行了一些修改，以牛血清白蛋白作为生物模板制备铜纳米团簇（Cu NCs）。将硝酸铜滴加到牛血清白蛋白中，搅拌中加入NaOH溶液，溶液变成紫色，再将混合物放入55 ℃水中水浴24 h，得到棕色溶液，透析48 h后置于4 ℃储存待用，制备得到的铜纳米团簇分散性好、稳定性高，在检测青霉胺的灵敏性还非常高。Zain等[10]将硝酸铜溶液与一定浓度的壳聚糖溶液以及抗坏血酸溶液混合，在微波炉中加热来制备铜纳米材料。结果表明，伴随着壳聚糖浓度的增加，铜纳米颗粒颜色从浅粉色变为深红色。其中抗坏血酸是作为还原剂还原Cu²⁺，壳聚糖作为模板来控制最后制备的纳米材料尺寸以及防止聚集提高分散性。

不同浓度的壳聚糖和VC制备出不同颜色的铜纳米颗粒[10]

　　金属纳米材料与生物学相结合，是目前响应时代绿色环保号召的重要方向，也是目前非常有潜力的一个领域。走生物合成路线，可以减少有毒试剂的使用，减少还原剂封端剂稳定剂的资源浪费，可以不需要苛刻的反应条件，所得到的副产物或者废品相对来说对环境没有污染，更加便于处理、回收。（详情请点击阅读原文）

　　参考文献

　　[1] 邓永沛, 赵红秋, 江龙. 纳米金颗粒在仿生工程中的应用. 中国基础科学, 2000, 9: 11-17

　　[2] Feynman R P. There is plenty of room at the bottom. Eng Sci, 1960, 23(5): 22-36

　　[3] Birringer R, Gleiter H, Klein H P, et al. Nanocrystalline materials an approach to a novel solid structure with gas-like disorder. Physics Letters A, 1984, 102(8): 365-369

　　[4] Qiao J, Qi L. Recent progress in plant-gold nanoparticles fabrication methods and bio-applications. Talanta, 2020, 223: 121396

　　[5] Lateef A, Oladejo S M, Akinola P O, et al. Facile synthesis of silver nanoparticles using leaf extract of Hyptis suaveolens (L.) Poit for environmental and biomedical applications. IOP Conference Series Materials Science and Engineering, 2020, 805: 012042

　　[6] Nadagouda M N, Varma R S. Green synthesis of silver and palladium nanoparticles at room temperature using coffee and tea extract. Green Chemistry, 2008, 10(8): 859-862

　　[7] Saifuddin N, Wong C W, Nur Y. Rapid biosynthesis of silver nanoparticles using culture supernatant of bacteria with microwave irradiation. J Chem, 2009, 6(1): 61-70

　　[8] Durán N, Priscyla D, Marcela D, et al. Mechanistic aspects in the biogenic synthesis of extracellular metal nanoparticles by peptides, bacteria, fungi, and plants. Appl Microbiol Biotechnol, 2011, 90(5): 1609-1624

　　[9] Ma C L, Ren W S, Tang J K, et al. Copper nanocluster‐based fluorescence enhanced determination of d‐penicillamine. Luminescence, 2019, 34(7): 767-773

　　[10] Zain N M, Stapley A, Shama G. Green synthesis of silver and copper nanoparticles using ascorbic acid and chitosan for antimicrobial applications. Carbohydr Polym, 2014, 112(20): 195-202

　　作者简介

　　任文生：大连大学环境与化学工程学院化学专业硕士研究，研究方向为光敏性生物无机纳米材料。

（作者：任文生）

（本文来源于公众号： 生物化学与生物物理进展）