一種磁性石墨烯復合材料的生物合成方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于生物合成納米材料領域，涉及一種磁性石墨烯復合材料的生物合成方法。將10-30mmol/L的哌嗪-1,4-二乙磺酸和10-30mmol/L的乳酸鈉的pH值調(diào)至7.0，除氧滅菌；將氧化石墨烯加入培養(yǎng)液中，氧化石墨烯的濃度為0.4-0.6g/L；超聲30-80min，再加入β-FeOOH，使β-FeOOH的濃度為30-80mmol/L；厭氧磁力攪拌12-36h；收集處于對數(shù)生長期末期的異化金屬還原菌；將其加入混合溶液中，在厭氧30℃的條件下培養(yǎng)132-156h，得到磁性石墨烯復合材料。本發(fā)明工藝反應條件溫和、能耗低、操作簡單，制備的磁性石墨烯復合材料可用于吸附和磁性催化等。
【專利說明】一種磁性石墨烯復合材料的生物合成方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物合成納米材料領域，涉及一種磁性石墨烯復合材料的生物合成方 法。

【背景技術】
[0002] 石墨烯是一種只有一個原子厚度的二維碳材料，由于其具有機械強度高，比表面 積大和導電性能好等特點，在電子、傳感器、催化和能源等領域具有廣闊的應用前景。相比 于其他維度的碳材料，石墨烯除具有以上優(yōu)點外，還具有制備成本低和易于功能化的優(yōu)點。 因此，石墨烯成為負載無機納米顆粒的理想選擇。磁性Fe 304納米顆粒具有生物相容性好、 超順磁性強、毒性低、易于制備和過程中易分離等特點，其在催化、傳感器、藥物釋放和環(huán)境 修復等領域的應用一直是科學研究的熱點。因此，將磁性納米顆粒負載在石墨烯片層上形 成磁性石墨烯復合材料，可以結合兩種材料的優(yōu)點，提高復合材料的使用性能。更重要的 是，復合材料中磁性顆粒的引入，不僅可以降低石墨烯片層間由于范德華力引起的聚集效 應，還可以實現(xiàn)石墨烯材料的分離和重復使用；而石墨烯基底的引入，也可以降低磁性納米 顆粒的聚集，從而提高磁性顆粒的利用效率。
[0003] 近年來石墨烯和磁性納米粒子復合材料的制備以及其在材料、化學、生物醫(yī)學等 領域的應用研究發(fā)展迅速。如Sun Η等人在2011年Nano Research第4卷第550-562頁、 Zhan Y 等人在 2011 年 Journal of Colloid and Interface Science 第 363 卷第 98-104 頁 以及Zhang H等在2014年RSC Advances第4卷第14441 - 14446頁發(fā)表的論文分別利用化 學水熱法、共價鍵結合法和化學沉淀法合成磁性石墨烯復合材料。但這些化學方法制備磁 性石墨烯復合材料，存在著反應步驟多、反應條件苛刻、難于控制、化學試劑毒性高等缺點。
[0004] 生物法合成納米材料是近年來隨著納米技術、生物技術和材料科學等學科的進步 而逐漸交叉發(fā)展起來的新興領域。與傳統(tǒng)上利用物理和化學方法合成納米材料相比，生物 法合成納米材料具有條件溫和、對環(huán)境無污染、成本低廉等優(yōu)點。近年來，生物合成磁性 納米材料受到了研究者的廣泛關注，并取得了較大的研究進展。Lovley D R等在1987年 Nature第330卷第252-254頁發(fā)表的論文首次報道了利用微生物合成磁性納米顆粒。Roh Y 等在 2006 年 Applied and Environmental Microbiology 第 72 卷第 3236-3244 頁、Lee J Η 等在 2008 年 Journal of Microbiology and Biotechnology 第 18 卷第 1572-1577 頁以及 Li X等在2012年Journal of Soils and Sediments第12卷第217-227頁所發(fā)表的論文中 報道微生物利用不同鐵前體化合物合成Fe30 4磁性納米顆粒。同時，生物法合成石墨烯也取 得了一定進展，如Salas EC等在2010年ACS Nano第4卷第4852-4856頁、Wang G等在2011 年 Nano Research 第 4 卷第 563-570 頁以及 Liu G 等在 2013 年 Bioresource Technology 第 149卷第503-508頁報道了利用微生物制備還原氧化石墨烯。但目前利用微生物合成磁性 石墨烯復合材料并未見報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術中磁性石墨烯復合材料制備方法反應條件苛刻， 化學試劑易造成污染的技術問題，提供一種磁性石墨烯復合材料的生物制備方法。
[0006] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0007] -種磁性石墨烯復合材料的生物合成方法，具體步驟如下：
[0008] 步驟1 :氧化石墨烯的制備：采用氧化石墨烯作為磁性石墨烯復合材料的石墨烯 合成的前體物質；
[0009] 步驟2 : β -FeOOH的制備：采用β -FeOOH作為磁性石墨烯復合材料的磁性組分合 成的前體物質；
[0010] 步驟3 :異化金屬還原菌的培養(yǎng)：采用異化金屬還原菌制備磁性石墨烯復合材料 的微生物菌種；
[0011] 步驟4 :磁性石墨烯復合材料的生物合成方法：
[0012] (1)配制磁性石墨烯復合材料培養(yǎng)液：培養(yǎng)液包括10-30mmol/L的哌嗪-1，4-二 乙磺酸和l〇 -30mmol/L的乳酸鈉，pH值調(diào)至7. 0,除去氧氣，滅菌，得到磁性石墨烯復合材料 培養(yǎng)液；
[0013] (2)配制氧化石墨烯與β-FeOOH混合溶液：將步驟1中的氧化石墨烯加入到 磁性石墨烯復合材料培養(yǎng)液中，氧化石墨烯的濃度為0. 4-0. 6g/L ;超聲30-80min，再加 入β -FeOOH，β -FeOOH的濃度為30-80mmol/L ;厭氧磁力攪拌12-36h，即得氧化石墨烯與 β -FeOOH混合溶液；
[0014] (3)收集步驟3中的處于對數(shù)生長期末期的異化金屬還原菌；
[0015] (4)磁性石墨烯復合材料的生物合成：將步驟4(3)中收集的異化金屬還原菌 加入步驟4(2)配制的氧化石墨烯與β-FeOOH混合溶液中，在厭氧30°C的條件下培養(yǎng) 132-156h，獲得磁性石墨烯復合材料。
[0016] 所述的異化金屬還原菌為Shewanella oneidensis MR-1。
[0017] 步驟4 (1)所述的哌嗪-1，4-二乙磺酸為20mmol/L，乳酸鈉為20mmol/L。
[0018] 步驟4 (2)所述的氧化石墨烯的濃度為0. 5g/L，超聲時間為60min，β -FeOOH的濃 度為50mmol/L，厭氧磁力攪拌時間為24h。
[0019] 步驟4 (4)所述的培養(yǎng)時間為144h。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是，所述的磁性石墨烯復合材料，可在常溫下利用 Shewanellaoneidensis MR-1合成，磁性納米顆粒均勻分布在石墨烯片層上。本發(fā)明所涉及 的磁性石墨烯復合材料合成方法可替代傳統(tǒng)化學合成法，工藝具有反應條件溫和、能耗低， 操作簡單等特點。本發(fā)明的磁性石墨烯復合材料可實現(xiàn)回收利用，且在作為吸附材料和磁 性催化材料等方面具有很好的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是所合成的磁性石墨烯復合材料的透射電鏡圖。
[0022] 圖2是所合成的氧化石墨烯的X射線衍射光譜圖。
[0023] 圖3是所合成的磁性石墨烯復合材料的X射線衍射光譜圖。

【具體實施方式】
[0024] 以下結合附圖和技術方案具體說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0025] 實施例1
[0026] 磁性石墨烯復合材料的制備：
[0027] (1)氧化石墨烯的制備：氧化石墨烯是Shewanellaoneidensis MR-1合成石墨烯的 前體物質；稱取lg鱗片石墨粉加入46mL濃硫酸和10mL濃硝酸中，冰浴攪拌30min ;向濃酸 石墨粉混合液中緩慢加入6g高錳酸鉀，冰浴攪拌120min ;隨后將混合液置于35°C水浴攪拌 過夜；向混合液中加入46mL超純水，98°C油浴30min，冷卻至常溫，再加200mL超純水；逐滴 加入20mL質量分數(shù)為30%的雙氧水，以除去過量的高錳酸鉀；將所得產(chǎn)物用10%的稀鹽酸 洗滌3次，超純水洗滌數(shù)次，直至上清液成中性；超聲3h，離心后將所得沉淀在60°C真空干 燥箱中烘干，得到氧化石墨烯。
[0028] (2) β -FeOOH 的制備：β -FeOOH 是 S. oneidensis MR-1 合成 Fe304 的前體物質；將 10m〇l/L的NaOH溶液逐滴加入0. 4mol/L的FeCl3 · 6H20溶液中，調(diào)至膠體懸濁液的pH為 7. 0,室溫放置7-8h ;將制得的膠體懸濁液離心收集（11000g，5min)，并用高純水洗滌三次， 通N2曝氣30min除去氧氣，獲得β -FeOOH，于4°C厭氧保存?zhèn)溆谩?br> [0029] (3)生物合成磁性石墨烯復合材料培養(yǎng)液的配置：培養(yǎng)液由20mmol/L的哌 嗪-1，4-二乙磺酸和20mmol/L的乳酸鈉組成，pH值調(diào)至7. 0,通N2曝氣除去氧氣，
[0030] 121°C高壓滅菌20min，得到所需的生物合成磁性石墨烯復合材料培養(yǎng)液。
[0031] (4) S. oneidensisMR-Ι的培養(yǎng)：該方法以S. oneidensis MR-1作為合成磁性石墨 烯復合材料的微生物菌種；采用Luria-Bertani培養(yǎng)基培養(yǎng)所述菌種，培養(yǎng)基的配方為： NaC110g/L，蛋白胨10g/L，酵母浸粉5g/L，用NaOH溶液將培養(yǎng)基pH調(diào)至7. 0,121°C高壓滅 菌20min ;將S. oneidensis MR-1接種至Luria-Bertani培養(yǎng)基，接種比例為1:100 ;接種后 的培養(yǎng)基在30°C，150rpm培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12h，得到S. oneidensis MR-1菌液。
[0032] (5)磁性石墨烯復合材料的生物合成方法：
[0033] 第1步：將所述步驟⑴的氧化石墨烯加入所述步驟⑶的培養(yǎng)液中，使氧化石墨 烯濃度為〇. 5g/L，超聲分散60min ;再加入所述步驟（2)的β -FeOOH，使β -FeOOH的濃度 為50mmol/L ;厭氧磁力攪拌24h ;
[0034] 第2步：所述步驟（4)中Luria-Bertani培養(yǎng)基培養(yǎng)12h后所得的S. oneidensis MR-1菌液離心分離（11000g，5min)，倒掉上清液，將收集的細胞重新懸浮于哌嗪-1，4-二 乙磺酸溶液中。哌嗪-1，4-二乙磺酸溶液的濃度為20mmol/L，該溶液pH值用NaOH調(diào)節(jié)至 7.0,使用前，在121°C條件下，高壓滅菌20min ;將懸浮后的菌體離心分離（11000g，5min)， 倒掉上清液，收集沉淀下來的細胞，如此反復三次，該過程加入哌嗪-1，4-二乙磺酸溶液的 目的是清洗菌體，以除去殘余的Luria-Bertani培養(yǎng)基組分和代謝產(chǎn)物；
[0035] 第3步：將所述第2步離心分離的細胞加入所述第1步的培養(yǎng)體系中并重新懸浮， 在厭氧30°C的條件下攪拌12h，靜置12h，如此循環(huán)兩次，隨后保持靜置培養(yǎng)96h，即可合成 磁性石墨烯復合材料；
[0036] 第4步：磁性石墨烯復合材料的收集；將第3步所述的磁性石墨烯復合材料溶液 利用外部磁鐵分離，去除培養(yǎng)液，加入去離子水重新懸浮，在磁鐵的作用下再次分離，如此 反復三次，目的是除去第1步所述的培養(yǎng)液和殘余菌體；將磁性石墨烯復合材料重新懸浮 至高純水中；該方法使用的高純水在使用前通N 2曝氣30min除去氧氣，121°C，高壓滅菌 20min ;獲得磁性石墨烯復合材料。
[0037] 圖1是實施例1中合成的磁性石墨烯復合材料的透射電鏡圖，結果表明磁性Fe30 4 納米顆粒均勻地負載在石墨烯片層上。
[0038] 圖2是實施例1中合成的氧化石墨烯的X射線衍射光譜圖，圖中2 Θ = 9. 7°出現(xiàn) 氧化石墨烯的特征峰。
[0039] 圖3是實施例1中合成的磁性石墨烯復合材料的X射線衍射光譜圖，譜圖中2 Θ = 9.7°的峰基本消失，23. 2°出現(xiàn)新的弱峰，說明氧化石墨烯得到了還原，30.3°，35. 8°， 43. 5°，54. 3°，57. 5°和63. Γ出現(xiàn)的新峰則說明磁性Fe304納米顆粒的形成。
【權利要求】
1. 一種磁性石墨烯復合材料的生物合成方法，其特征在于，具體步驟如下： 步驟1 :氧化石墨烯的制備：采用氧化石墨烯作為磁性石墨烯復合材料的石墨烯合成 的前體物質； 步驟2 : β -FeOOH的制備：采用β -FeOOH作為磁性石墨烯復合材料的磁性組分合成的 前體物質； 步驟3 :異化金屬還原菌的培養(yǎng)：采用異化金屬還原菌制備磁性石墨烯復合材料的微 生物菌種； 步驟4 :磁性石墨烯復合材料的生物合成方法： (1) 配制磁性石墨烯復合材料培養(yǎng)液：培養(yǎng)液包括10-30mmol/L的哌嗪-1，4-二乙磺 酸和10-30mmol/L的乳酸鈉，pH值調(diào)至7. 0,除去氧氣，滅菌，得到磁性石墨烯復合材料培養(yǎng) 液； (2) 配制氧化石墨烯與β-FeOOH混合溶液：將步驟1中的氧化石墨烯加入到磁性石墨 烯復合材料培養(yǎng)液中，氧化石墨烯的濃度為〇. 4-0. 6g/L ;超聲30-80min，再加入β -FeOOH， β -FeOOH的濃度為30-80mmol/L ;厭氧磁力攪拌12-36h，即得氧化石墨烯與β -FeOOH混合 溶液； (3) 收集步驟3中的處于對數(shù)生長期末期的異化金屬還原菌； (4) 磁性石墨烯復合材料的生物合成：將步驟4 (3)中收集的異化金屬還原菌加入步驟 4(2)配制的氧化石墨烯與β-FeOOH混合溶液中，在厭氧30°C的條件下培養(yǎng)132-156h，獲得 磁性石墨烯復合材料。
2. 根據(jù)權利要求1所述的生物合成方法，其特征在于，所述的異化金屬還原菌為 Shewanella oneidensis MR-l〇
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的生物合成方法，其特征在于，步驟4(1)所述的哌 嗪-1，4-二乙磺酸為20mmol/L，乳酸鈉為20mmol/L。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的生物合成方法，其特征在于，步驟4 (2)所述的氧化石墨 烯的濃度為〇. 5g/L，超聲時間為60min，β -FeOOH的濃度為50mmol/L，厭氧磁力攪拌時間為 24h。
5. 根據(jù)權利要求3所述的生物合成方法，其特征在于，步驟4 (2)所述的氧化石墨烯的 濃度為〇. 5g/L，超聲時間為60min，β -FeOOH的濃度為50mmol/L，厭氧磁力攪拌時間為24h。
6. 根據(jù)權利要求1、2或5所述的生物合成方法，其特征在于，步驟4(4)所述的培養(yǎng)時 間為144h。
7. 根據(jù)權利要求3所述的生物合成方法，其特征在于，步驟4(4)所述的培養(yǎng)時間為 144h。
8. 根據(jù)權利要求4所述的生物合成方法，其特征在于，步驟4(4)所述的培養(yǎng)時間為 144h。
【文檔編號】C12R1/01GK104046652SQ201410287122
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權日:2014年6月24日
【發(fā)明者】柳廣飛, 張欣, 王寧, 周集體, 金若菲 申請人:大連理工大學