生物合成硫族纳米材料的机理、调控及应用

发布时间：2020-08-07 16:22

【摘要】：由硒、镉等在环境中积累引起的污染问题和健康风险已引起了人们的广泛关注。在可持续发展的时代背景下,近年来有研究者开始尝试将这些污染物通过微生物代谢过程转化成纳米材料,从而实现其资源化回收利用。在众多的纳米材料中,量子点由于具有优异的荧光和半导体性能以及在生物医学、癌症治疗、太阳能电池、探测器、生物传感器、成像和环境修复等领域广阔的应用前景,引起了研究人员的极大兴趣。另外,纳米硒也具有重要的应用价值。相对于传统的量子点和纳米材料化学合成方法(比如反应条件苛刻、操作复杂的水相合成),生物合成方法具有低成本、操作简单、能直接利用环境污染物等优势,因此近年来得到了迅速发展。研究表明细菌、真菌、噬菌体、植物和蚯蚓等都能合成生物量子点,但是其合成速率和产率往往低于化学合成的量子点,因此其实际应用受到限制。因此,我们迫切需要开发新的合成和调节方法来提高生物合成纳米材料的效率。另外,需积极探索适合生物合成纳米材料应用(包括在环境污染控制领域)的新技术。本论文的主要内容和研究结论如下:1.证实了原生生物也具有合成纳米硒颗粒的能力。四膜虫广泛存在于水环境中,并且作为一种重要的模式生物能实现工业化大规模培养。因此,我们选择了用嗜热四膜虫SB210合成纳米硒,并阐明了其生物合成机理。研究结果显示四膜虫合成了具有不规则形状和较小粒径(50-500 nm)的非晶态硒纳米颗粒。定量PCR,GSH检测和纳米硒体外合成实验结果揭示了谷胱甘肽和富巯基蛋白在嗜热四膜虫SB210合成纳米硒过程中的重要作用。2.首次用原生动物四膜虫转化Cd和Se离子并合成了 CdS1-xSex量子点,通过EXAFS和HRTEM等分析方法对材料进行了全面表征,并考察了其环境应用性能。梨形四膜虫合成的量子点的直径为8.27 ± 0.77 nm。得到的生物量子点被成功用于Cd离子的检测,显示了良好的检测灵敏度和选择性,其线性检测范围为20～80 μM。3.生物量子点的应用受到生产速率慢和荧光性能差等因素的限制,因此如何调控生物量子点的合成是需要解决的一个关键挑战。在本研究中,我们提出利用太阳能促进大肠杆菌合成CdSi-xSex生物量子点的新方法,不仅提高了量子点产率而且改善了其荧光性能。在太阳光照射下大肠杆菌中合成的量子点的荧光寿命为24.8ns,而在黑暗条件下合成的量子点的荧光寿命为18.45ns。此外,在光照下量子点的合成速率明显高于暗反应过程。进一步机理研究发现这种差异与所合成量子点的光催化性能密切相关。这种简便、绿色的调节方法也可应用于真核细胞模式生物梨形四膜虫中,不仅有利于的Cd污染环境的修复而且能促进生物量子点合成。4.在微生物中加入人工光敏剂被认为是一种有效收集太阳能的方法。我们原位利用生物合成的量子点作为光吸收材料来实现污染物的光催化-生物协同降解。发现在可见光照射下,梨形四膜虫内合成的CdS半导体可显著改善四膜虫对硝基苯的还原。胞内的CdS甚至触发了TpyCSE突变株中的硝基苯的还原。CdS生物量子点-梨形四膜虫复合体系不仅拓宽了微生物的功能,而且使四膜虫有了更好的硝基苯修复的潜力,为强化污染环境的生物修复提供了新思路。在本论文中,我们围绕纳米硒和生物量子点在四膜虫体内的合成及环境应用展开了研究,证实了这种生物量子点为环境污染物检测和修复中具有潜在的应用价值。生物量子点的大规模生产和实际应用仍面临诸多挑战,如生物量子点的提取和纯化问题。因此,发展胞外生物量子点的合成或开发简单、低成本的生物量子点的纯化方法是今后的重要研究方向。此外,在继续提高生物量子点的产率的同时应该进一步开发提高量子点荧光寿命、量子产率等性质的有效方法。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

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