生物法合成納米金的研究進展

石 杰，范淑敏，吳 靜，康小慧，尹瑜靜，王瑞勇

（鄭州大學化學系，河南鄭州 450001）

生物法合成納米金的研究進展

石 杰，范淑敏，吳 靜，康小慧，尹瑜靜，王瑞勇

（鄭州大學化學系，河南鄭州 450001）

納米金以它獨特的光學、電學和催化性質(zhì)受到人們越來越多的關注.目前，生物合成的納米金具有經(jīng)濟、無毒、環(huán)境友好等特點而成為研究熱點.綜述了利用細菌、真菌、放線菌、酵母菌以及各種植物材料合成納米金的方法，并將各種方法進行了比較，討論了每種方法的特點、尺寸和形貌的控制以及合成機理.最后，展望了生物合成納米金的應用以及未來的發(fā)展方向.

生物合成；納米金；研究進展

納米金是直徑為1～100 nm的締合膠體，不僅具備納米微粒的通性，如表面效應、量子效應、小尺寸效應以及宏觀量子隧道效應等［1］，還具有自己獨特的物理、化學性能，在納米器件、生物醫(yī)學、信息科技、腫瘤治療、細胞成像和藥物載體等領域應用廣泛.

傳統(tǒng)的制備納米金的方法主要是物理和化學方法，物理方法是指通過各種分散技術把金直接轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米粒子，化學方法是指由金的化合物通過還原反應得到納米粒子.物理和化學方法需要嚴格的條件，耗能高，使用的試劑昂貴，還污染環(huán)境［2］.隨著綠色化學概念的普及，納米金的合成也向無毒、環(huán)境友好的方向發(fā)展，納米金的綠色合成采用微生物和植物等生物材料進行合成，和傳統(tǒng)的物理和化學合成方法相比，生物合成方法清潔、無毒、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展，并且反應條件溫和可控，產(chǎn)量高，成為納米金合成領域的研究熱點.表1總結了近年來生物合成納米金的研究進展.2種方法各有優(yōu)勢：微生物廉價、易培養(yǎng)、繁殖快，合成的納米金尺寸和形貌可控，具有很好的生物相容性，適合大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)量高；植物反應速度快，操作簡便，不需要細胞培養(yǎng)的過程，原料來源廣，價格低，適合大規(guī)模生產(chǎn).

表1 合成納米金的微生物及植物類群

續(xù)表

1 微生物合成方法

微生物具有極強的生命力和適應性，代謝類型多，在自然界分布廣，早在1989年就開始應用于生物法合成納米材料的研究.目前，用來合成納米金的微生物主要有細菌，真菌，放線菌和酵母菌等.

微生物合成方法可分為細胞內(nèi)和細胞外合成.細胞內(nèi)合成的納米金主要存在于細胞壁和細胞內(nèi)，需要聲波降解，或和細胞溶解劑反應才能得到納米粒子，可以進行細胞內(nèi)合成納米金的微生物有短桿菌［3］、沙雷菌［4］等.和細胞內(nèi)合成方法相比，細胞外合成不需要復雜的處理過程，因而更加實用，可以進行細胞外合成納米金的微生物有綠膿桿菌［5］，莢膜紅假單胞菌［6］等.

當微生物和金的化合物共同孵育時，微生物的防衛(wèi)機能將試圖減少或消除離子的干擾，從而改變了金的氧化還原狀態(tài)，實現(xiàn)了納米金的合成.在細胞外合成納米金，微生物分泌的生物活性物質(zhì)包括蛋白質(zhì)、還原糖、還原性谷胱甘肽等對離子進行富集、還原，組裝成典型的納米結構粒子，生物活性物質(zhì)對納米金的穩(wěn)定也起著重要作用.細胞內(nèi)合成納米金是非常復雜的生物化學過程.

與物理化學合成方法相比，微生物合成納米金的形貌和尺寸同樣可以通過控制溫度、離子強度、溶液p H、基質(zhì)濃度以及孵育時間等來調(diào)控［12］.并且微生物具有廉價、易培養(yǎng)、繁殖快等優(yōu)點，適合大規(guī)模納米金的合成.

1.1 細菌

細菌合成納米金的研究較早，反應條件溫和，產(chǎn)量高，納米材料易純化，因而細菌被稱為“納米材料加工廠”.

當活細菌與含金的離子共同孵育時，菌體吸收或吸附離子，利用生物活性分子自組裝成金納米粒子.Kalishwaralal等用乳酸短桿菌合成出10～50 nm的金粒子，并證實合成的納米金具有抗凝聚性，能夠抑制血塊的形成，有希望應用于臨床治療［3］.Suresh等用沙雷菌還原氯金酸鹽制備單分散的球形納米金，粒徑分布范圍在2～50 nm，合成的納米金具有親水性，并且?guī)讉€月都不發(fā)生凝聚，為了研究沙雷菌的合成機理，該實驗小組把細菌破壞，分成膜部分和溶劑部分，分別與氯金酸鹽反應，最終在膜的部分得到了納米金，表明細菌細胞膜上的蛋白質(zhì)發(fā)揮了合成納米金的作用，納米金表面包裹著蛋白質(zhì)和縮氨酸，這層外殼很容易除去，從而可以應用到其它方面［4］.Nangia等用單胞菌合成出分散良好的納米金，并推測是NADPH依靠的還原酶通過電子轉(zhuǎn)移將Au3＋轉(zhuǎn)變成Au0，為了證實該推測，該小組將細菌和不同濃度的NADPH分別和氯金酸共同孵育，得到了不同顏色的納米金，從而證實了該推測［7］.

1.2 真菌

印度普納國家化學實驗室最早研究了真核生物在納米材料合成中的應用，發(fā)現(xiàn)2種真菌能夠合成納米粒子－輪枝菌屬和鐮刀菌屬［8］.和細菌相比，真菌合成納米金有更高的產(chǎn)量并且能夠分泌更多的蛋白質(zhì)，更適合用來合成納米金.

Mishra等用絲狀真菌瑞氏木霉細胞外合成穩(wěn)定的納米金，平均直徑為5～25 nm［8］.Liangwei Du等用青霉菌的細胞濾液和AuCl－4反應，在1min內(nèi)進行細胞外合成，合成出平均粒徑為45 nm的球形納米金.又用含有AuCl－4的溶液來孵育青霉菌8h，合成的納米金很好的分散在細胞壁和細胞內(nèi)，平均粒徑為50 nm.這是目前報道中最快的微生物合成納米金的方法，并且使用同一種真菌進行細胞內(nèi)和細胞外合成，準確的機理尚不清楚，推測原因可能是在細胞外合成中，由真菌釋放到溶液中的特殊的酶或媒介物發(fā)揮了作用，而在細胞內(nèi)合成中，是細胞內(nèi)的某種酶發(fā)揮了作用［9］.真菌的生長條件能夠影響納米粒子的合成，當單端孢霉屬真菌和金離子在穩(wěn)定的條件下孵育時，能夠細胞外合成納米金，而在震動的條件下，則發(fā)生細胞內(nèi)合成.可能是對合成納米金起作用的酶或蛋白質(zhì)產(chǎn)生了作用，在穩(wěn)定條件下，這些酶和蛋白質(zhì)由真菌分泌到基質(zhì)當中，因此納米粒子出現(xiàn)在細胞外，而在震動的情況下，真菌不分泌這些物質(zhì)，不能進行細胞外合成［11］.

真菌合成納米金的過程非常復雜，真菌釋放出來的還原糖、蛋白質(zhì)或酶在還原AuCl－4的過程中發(fā)揮了重要作用，不同真菌利用的還原物質(zhì)不同.青霉菌主要利用細胞還原糖為活性物質(zhì)細胞內(nèi)合成納米金，鐮刀菌利用細胞蛋白質(zhì)為活性組分細胞內(nèi)合成組裝納米金，溶液同時存在AuCl－4及Ag＋時，枯萎病菌分泌以NADH為輔酶的蛋白酶還原AuCl－4及Ag＋，并細胞外組裝Au－Ag復合納米顆粒［11］.酶上含有氨基，疏基和羧基，AuCl－4依靠這些官能團和酶結合.研究表明，真菌分泌的NADH和NADH依賴的酶可能起到把Au3＋轉(zhuǎn)化為Au0并形成納米粒子的作用［12－13］.

1.3 放線菌

目前，放線菌中只有紅球菌和高溫單孢菌用于納米金的合成.在堿性、高溫的極端條件下，高溫單孢菌與氯金酸溶液孵育后可以合成出單分散的納米金，金離子的還原及穩(wěn)定可能依靠某種酶發(fā)揮作用［14］.同樣，在極端條件下紅球菌也可以合成出單分散性良好的納米金，并且主要集中在細胞膜和細胞壁上，這可能是由于起還原作用的酶主要存在于細胞膜和細胞壁上.

1.4 酵母菌

酵母菌主要用來合成量子點納米材料，但也有少數(shù)文獻報道了納米金的合成，Pimprikar等利用熱帶海洋酵母菌合成出納米金，并通過改變細胞數(shù)目和金鹽的濃度來實現(xiàn)納米金形貌和尺寸的控制，合成的納米金主要存在細胞壁上，通過低溫孵育的方式可以將納米金釋放到水相中，紅外光譜分析顯示細胞表面的羧基、羥基和酰胺基可能在納米金的形成中起到關鍵作用［15］.

2 植物合成方法

植物合成技術是近幾年來新發(fā)展起來的納米合成技術，和微生物合成相同，它也可以分為細胞內(nèi)和細胞外合成.Gardea－Torresday等研究發(fā)現(xiàn)Au3＋在瓊脂中還原為Au0，然后能被苜蓿的根吸收，并轉(zhuǎn)移到其它部位，成核最后形成金納米粒子［16］.應用比較廣泛的是細胞外合成方法，一般采用植物的葉子、花瓣、果實等的提取物作為還原劑來進行納米金的合成.

植物合成納米金的方法和微生物合成相比優(yōu)點在于不需要花費大量時間來培養(yǎng)微生物，并且反應速率快，可以和化學合成方法相媲美，甚至比化學合成方法更快.該方法無污染，原料來源廣，價格低，并且產(chǎn)量大，更適合大規(guī)模的生產(chǎn).

2.1 植物葉子、花瓣

目前，采用植物的葉子、花瓣來合成納米金的研究比較廣泛.主要是依靠其中含有的能產(chǎn)生還原作用的物質(zhì)，通過調(diào)節(jié)反應的p H、溫度以及提取物的濃度可以控制合成的粒徑大小.納米金上包裹的生物分子起到穩(wěn)定的作用，并且使納米金具有很好的生物相容性，有希望應用于醫(yī)藥，化妝，食品和生活消費等各個方面.

Song等人采用日本辛夷和柿子的葉子成功合成了形狀可控的納米金，反應溫度為95℃時，幾分鐘就使90%以上的金離子轉(zhuǎn)化為球形的納米粒子，而在低溫、低的葉子提取物濃度時，合成出混合形狀的納米粒子，包含三角形、五角形、六角形和球形.紅外光譜顯示合成的納米金被蛋白質(zhì)和一些萜類化合物包裹著，含有胺類，醇類，酮類，醛類和羧酸類等官能團［17］.Khalil等采用橄欖葉子在室溫下20分鐘合成了不同形狀的納米金，在較高p H和較低提取物濃度條件下，形成混合形狀（三角形，六角形和球形）的納米結構，而在較低p H和較高提取物濃度條件下形成較小的球形結構［18］.Noruzia等用玫瑰花瓣的提取物合成了納米金，反應速度很快，在5min內(nèi)完成反應，可能是花瓣中的蛋白質(zhì)和一些糖類物質(zhì)發(fā)揮了還原作用，紅外光譜顯示金納米顆粒上包裹著生物分子［19］.目前天竺葵［20］，印度楝［21］，樟樹［22］，胡荽［23］，芒果樹［24］等葉子的提取物都可以細胞外合成納米金.

2.2 其他合成方法

目前利用植物的葉子或花瓣來合成納米金的研究比較成熟，也有少量文獻報道其它的合成方法.Dubey等用菊蒿果實的提取物還原氯金酸鹽合成出平均粒徑為16 nm的金粒子，紅外光譜分析顯示其中所含萜類物質(zhì)的羰基官能團可能發(fā)揮了還原作用［25］.另外，梨的提取物也可以合成納米金［26］.Bankar等利用香蕉皮合成出平均粒徑為300 nm的金粒子，通過改變p H、濃度以及溫度可以控制粒徑大小，實驗證明合成出的納米金具有抗真菌和抗細菌活性.香蕉皮主要是由果膠、纖維素和半纖維素組成，這些高分子物質(zhì)可能起到了還原金鹽和穩(wěn)定納米金的作用［27］.

海藻也可以用來合成納米金，Singaravelu等第一次報道了利用馬尾藻的提取物細胞外合成8～12 nm的金粒子，并且分散好，十分穩(wěn)定，在海藻中占35%的多糖可能起到了還原氯金酸鹽和穩(wěn)定納米金的作用［28］.目前，利用藻類植物合成納米金的報道還比較少，有待科研工作者進一步研究.

3 展望

重點闡述了幾種納米金的生物合成技術，近年來，利用不同生物合成納米金的研究已經(jīng)取得初步的進展，應用前景廣泛.然而準確的合成機理目前還不能確定，有關還原的酶或蛋白質(zhì)及納米金的形成、穩(wěn)定機制，需要進一步探索.另外通過改變合成條件來合成多種形貌的納米金仍是今后的研究重點.隨著研究工作的進行，相信今后會有更多的物種用于納米金的合成，從而建立更多的生物合成新方法，使合成出來的納米金更好地應用在生物物質(zhì)分離、生物醫(yī)學、疾病檢測和預防以及環(huán)境問題處理等方面，更好地幫助及改善人類的生活.

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Research Progress in Biosynthesis of Gold Nanoparticles

SHI Jie，F(xiàn)AN Shu－min，WU Jing，KANG Xiao－h(huán)ui，YIN Yu－jing，WANG Rui－yong
（Department of Chemistry，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Gold nanoparticles are attracting great attention due to their unique optical，electronic and catalytic properties.Recently，biosynthesis of gold nanoparticles has become a research hotspot due to its economic，non－toxic and eco－friendly characteristics.This article provides an overview of current research methods of biosynthesis of gold nanoparticles using bacteria，fungi，actinomycetes，yeast and various plant materials.Different methods are compared，and the characteristics，control of size and shape，and the synthesis mechanisms are discussed.Finally，the application of biosynthesis of gold nanoparticles and the developing trend in the future are also prospected.

biological synthesis；gold nanoparticles；research progress

book=0,ebook=13

Q503；TN304.180

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.03.017

（責任編輯 陳炳權）

1007－2985（2012）03－0071－05＊

2012－02－16

石 杰（1950－），男，河南商丘人，鄭州大學化學系教授，博士，主要從事分析化學研究

范淑敏（1988－），女，湖南新鄉(xiāng)人，鄭州大學化學系碩士研究生，主要從事生物化學研究.