專利名稱：冷等離子體條件下生物分子自組裝制備膜材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體物理、化學(xué)、生物科學(xué)和材料科學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。尤其是ー種冷等離子體條件下生物分子自組裝制備膜材料的方法。
背景技術(shù)：
分子自組裝是自然界，特別是生命體系內(nèi)，最普遍的ー種現(xiàn)象，是生命科學(xué)最本質(zhì)的內(nèi)容之一，多肽、DNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞乃至生命的形成都是通過(guò)自組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所謂分子自組裝，就是分子通過(guò)短程作用力，比如范德華力、氫鍵、靜電相互作用、疏水作用等，排列組裝成為納米或微米尺度的有序結(jié)構(gòu)。開(kāi)展分子自組裝的研究具有重要意義，它有助于人們從分子水平上認(rèn)識(shí)自然界中生命的形成和演變過(guò)程，并為人們提供新的思路，幫助人們開(kāi)展生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究、新材料合成及分子器件研制等。近年來(lái)生物分子自組裝逐漸成為材料學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。生物分 子自組裝制備的材料既保持了生物分子的生物功能，同時(shí)又可為催化、生物傳感器、信息電子、藥物控制釋放和組織工程支架材料等領(lǐng)域的發(fā)展提供了微型化和智能化的材料。控制材料的形貌可以滿足不同應(yīng)用對(duì)于材料的要求。另外，生物分子自組裝被認(rèn)為是許多疾病的病源，例如老年癡呆癥、帕金森病以及瘋牛病。探索新的技術(shù)以控制生物分子自組裝材料的形貌有助于尋找更好的治療這些疾病的方法。目前已有的控制生物分子自組裝材料形貌的方法主要包括改變生物分子的結(jié)構(gòu)、改變生物分子溶液的濃度和PH值以及向生物分子溶液中添加其他助劑。例如，Mehta等在Journal of American Chemical Society,130(2008),9829-9835 一文中提到，當(dāng)溶液pH值為2的時(shí)候，多肽自組裝的產(chǎn)物是納米管，但是當(dāng)溶液pH值為6 7的時(shí)候,其產(chǎn)物為纖維。又如，Santoso等在Nano Letters,2 (2002)，687-691 一文中提到生物分子自組裝材料的形貌可以由生物分子鏈的長(zhǎng)度來(lái)控制。這些方法雖然能夠有效的控制材料的形貌，但是他們或是非常復(fù)雜或是需要有毒化學(xué)品。現(xiàn)在急需尋找簡(jiǎn)單、有效而又環(huán)境友好的技術(shù)來(lái)控制生物分子自組裝材料的形貌。生物膜在生命發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。如植物葉綠素的光合作用，太陽(yáng)光的光電子由細(xì)胞膜承載、傳遞、實(shí)現(xiàn)細(xì)胞中的能量轉(zhuǎn)換，從而調(diào)制植物的生長(zhǎng)發(fā)育。生物膜是具有信息識(shí)別、信包儲(chǔ)存、信息轉(zhuǎn)移和催化功能的新型功能材料，在生物傳感器、分子器件、醫(yī)用生物材料、高效多功能催化材料、微反應(yīng)器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，Caruso等在Langmuir，16(2000)，1485-1489 一文中在酶晶體表面組裝制備了聚電解質(zhì)膜，他們發(fā)現(xiàn)包裹后的酶膠囊的外壁具有可滲透性，小分子底物可以自由出入，這為微反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)和藥物緩釋體系的研究提供了新思路。目前應(yīng)用最為廣泛的制取生物膜的方法是連續(xù)沉積法。在連續(xù)沉積法中，除了生物分子之外，還要選取一種帶有與生物分子所帶電荷符號(hào)相反的電荷的試劑或者聚合物材料，將該試劑或者聚合物材料與生物分子進(jìn)行交替連續(xù)的沉積。連續(xù)沉積法在很大程度上依賴于正負(fù)電荷之間的靜電作用，這使得試劑或者聚合物材料的選取以及生物分子溶液的PH值、濃度等的調(diào)節(jié)變得非常的不方便。另外，還有ー些其他的制備生物分子膜的方法，但是這些方法也是極其復(fù)雜。例如，Anzai等在Langmuir,16 (2000)，2851-2856 —文中敘述了酶自組裝制備膜的方法。他們首先選取一個(gè)石英片，接著用硫酸和鉻酸清洗石英片，清洗過(guò)的石英片再用雙氯雙甲基硅烷的甲苯溶液在室溫下處理12小時(shí)，然后依次用甲苯、丙酮和蒸餾水清洗石英片，接下來(lái)將清洗過(guò)的石英片在異硫氰酸熒光素改進(jìn)的刀豆球蛋白A(FITC-Con A)溶液中浸潰I個(gè)小時(shí)，然后用PBS緩沖溶液清洗，最后將石英片在酶溶液中浸潰I個(gè)小時(shí)，如此重復(fù)10次，可制得膜材料。又如，Lang等在 Journal of Physical Chemistry, 103 (1999), 11393-11397 中敘述了 DNA 分子自組裝制備膜材料的過(guò)程。他們首先選取一個(gè)用鉻酸清洗過(guò)的石英片，將清洗后的石英片在聚乙烯亞氨溶液中浸潰2分鐘，干燥，接下來(lái)將石英片在DNA溶液中浸潰I分鐘，取出石英片，用蒸餾水清洗，干燥，然后再將石英片浸潰在聚丙烯胺鹽酸鹽溶液中I分鐘，取出石英片，用蒸餾水清洗，干燥，如此重復(fù)，可制得DNA膜。可見(jiàn)這些方法過(guò)程繁瑣，操作復(fù)雜，條件苛刻且不易控制，且使用有機(jī)溶劑，所使用的有機(jī)溶劑中有些具有很高的毒性。等離子體是一種電離氣體，其含有電子、正負(fù)離子、自由基、原子和分子等。等離子體具有與氣體、液體和固體完全不同的性質(zhì)，因此通常被稱作是物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在材料形貌控制、疾病治療、催化劑制備、金屬納米顆粒制備、照明和刻蝕等領(lǐng)域。另外，等離子體是宇宙中最常見(jiàn)的物質(zhì)，它存在于星球以及星球之間的空間，研究等 離子體條件下生物分子自組裝行為可以為探索生命起源和外星生命提供一些有意義的幫助。本專利所使用的制備生物膜的冷等離子體技術(shù)裝置簡(jiǎn)單、操作方便、耗時(shí)少、效率高、節(jié)省能耗且對(duì)環(huán)境友好，在制備生物膜材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的，冷等離子體條件下生物分子自組裝制備膜材料的方法；技術(shù)裝置簡(jiǎn)單、操作方便、耗時(shí)少、效率高、節(jié)省能耗且對(duì)環(huán)境友好，所制得的膜材料厚度分布均勻，具有良好的方向均一性。采用的冷等離子體形式包括電暈放電等離子體、輝光放電等離子體、射頻放電等離子和低氣壓介質(zhì)阻擋氣體放電。在本發(fā)明專利中，我們利用冷等離子體技術(shù)來(lái)控制生物分子自組裝材料的形貌。在等離子體處理的過(guò)程中，除了使用惰性氣體作為等離子體的發(fā)生氣之外，沒(méi)有使用其他任何化學(xué)試劑。等離子體處理過(guò)程用時(shí)不長(zhǎng)于15分鐘。通過(guò)將這種簡(jiǎn)單而又環(huán)境友好的等離子體技術(shù)融合到生物分子自組裝過(guò)程中，生物分子自組裝的產(chǎn)物由納米纖維、納米棒、納米管或者納米顆粒變?yōu)楹穸染鶆虻纳锬?。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的一種冷等離子體條件下生物分子自組裝制備膜材料的方法，步驟如下(I).將生物分子溶解在三次蒸餾水中配成溶液，溶液濃度為20 200mol/L ；(2).將生物分子溶液直接裝入等離子體放電器中；(3).將等離子體放電器內(nèi)部抽真空，然后通入等離子體放電氣體，氣體壓力在50 200Pa ;利用高壓電源在電極兩端施加100 3000V的直流或交流電使放電氣體放電，形成等離子體，處理時(shí)間為I 15min ；(4).將等離子體處理后的溶液放在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)5 240小時(shí)。所述的等離子體放電氣體為惰性氣體。所述的惰性氣體為氬氣和氦氣。
所述的氣體放電等離子體形式為電暈放電等離子體、輝光放電等離子體、射頻放電等離子或低氣壓介質(zhì)阻擋氣體放電。所述的生物分子為多肽、酶、蛋白質(zhì)或DNA。所述的恒溫?fù)u床內(nèi)的溫度在10 50。。。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是I.本發(fā)明利用冷等離子體技術(shù)控制生物分子自組裝材料的形貌，通過(guò)將冷等離子體融合到生物分子自組裝過(guò)程中，生物分子自組裝的產(chǎn)物由納米纖維、納米棒、納米管或者納米顆粒變?yōu)樯锬ぁ?.本發(fā)明涉及的冷等離子體條件下生物分子自組裝制備膜材料充分利用了等離子體內(nèi)部的電子以及水合電子。電子或者水合電子被生物分子俘獲，使得生物分子之間的相互作用增強(qiáng)，促進(jìn)了生物分子在空間不同方向上的組裝，從而形成膜結(jié)構(gòu)。利用冷等離子體制備的生物膜材料厚度均勻，具有均一的方向性。這些性質(zhì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于利用傳統(tǒng)的連續(xù) 沉積法制備的生物膜材料。傳統(tǒng)的連續(xù)沉積法制備的膜材料有序性及其差，薄厚差異較大，不能滿足生物醫(yī)藥和生物傳感器等領(lǐng)域?qū)τ谏锬げ牧嫌行蛐院秃穸染怀潭鹊囊蟆?.本發(fā)明采用的冷等離子體，操作簡(jiǎn)便，耗時(shí)少，效率高，能耗低，對(duì)環(huán)境友好


圖I是多肽分子經(jīng)冷等離子體處理后的原子力顯微鏡圖像；圖2是蛋白質(zhì)分子經(jīng)冷等離子體處理后的原子力顯微鏡圖像。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過(guò)以下實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)ー步詳述，但本實(shí)施例所敘述的技術(shù)內(nèi)容是說(shuō)明性的，而不是限定性的，不應(yīng)依次來(lái)局限本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例I將多肽分子溶解在三蒸水中配成濃度分別為20 μ mol/L, 50 μ mol/L, 100 μ mol/L,150 μ mol/L和200 μ mol/L的溶液，將溶液置于真空室內(nèi)放電管的兩個(gè)電極板之間,密閉，將真空室抽真空，然后充入氬氣或者氦氣作為放電氣體，在電極上施加直流電壓，采用冷等離子體處理。為了考察真空室內(nèi)壓カ對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別使用了50Pa，100Pa，150Pa和200Pa的壓力。為了考察施加不同直流電壓對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別施加了五種不同的電壓100V, 500V, 1000V, 2000V和3000V。為了考察等離子體處理時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)姆種濃度的溶液分別進(jìn)行了 lmin, 3min, 5min,8min,IOmin, 12min和15min的等離子體處理。等離子體處理后的溶液放在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)24 120h。搖床內(nèi)的溫度分別考察了 10で，30で，40で和50°C。培養(yǎng)后的樣品利用原子力顯微鏡觀察，可以得到以下分析結(jié)果不同濃度的樣品在等離子體處理后，多肽分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；等離子體處理設(shè)備的真空室內(nèi)壓カ不同，多肽分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；施加不同的直流電壓，多肽分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；等離子體處理時(shí)間不同，多肽分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；不同的搖床內(nèi)溫度，等離子體處理后的樣品中多肽分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；如圖Ia所示的圖，對(duì)于沒(méi)有用等離子體處理的樣品，其自組裝得到的是納米顆粒(24h)和納米纖維(72h和120h)；如圖Ib所示的圖，等離子體處理后的樣品，其自組裝得到的膜材料是厚度均勻(厚度在I. 2nm左右)，具有均一方向性的；從厚度的均勻性和結(jié)構(gòu)的有序性來(lái)看，等離子體制備的生物膜材料要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于利用傳統(tǒng)的連續(xù)沉積法制備的生物膜材料。傳統(tǒng)的連續(xù)沉積法制備的膜材料有序性及其差，薄厚差異較大，不能滿足生物醫(yī)藥和生物傳感器等領(lǐng)域?qū)τ谏锬げ牧嫌行蛐院秃穸染怀潭鹊囊蟆?shí)施例2將蛋白質(zhì)分子溶解在三蒸水中配成濃度分別為20 μ mol/L, 50 μ mol/L, 100 μ m ol/L，150 μ mol/L和200 μ mol/L的溶液，將溶液置于真空室內(nèi)放電管的兩個(gè)電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入氬氣或者氦氣作為放電氣體，在電極上施加直流電壓，采用冷等離子體處理。為了考察真空室內(nèi)壓力對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別使用了 50Pa，100Pa, 150Pa和200Pa的壓力。為了考察施加不同直流電壓對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別施加了五種不同的電壓100V，500V，1000V，2000V和3000V。為了考察等離子體處理時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別進(jìn)行了 lmin,3min,5min,8min, IOmin, 12min和15min的等離子體處理。等離子體處理后的溶液放在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)24 120h。搖床內(nèi)的溫度分別考察了 10°C，30°C，4(TC^5(rC。培養(yǎng)后的樣品利用原子力顯微鏡觀察，可以得到以下分析結(jié)果不同濃度的樣品在等離子體處理后，蛋白質(zhì)分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；等離子體處理設(shè)備的真空室內(nèi)壓力不同，蛋白質(zhì)分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；施加不同的直流電壓，蛋白質(zhì)分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；等離子體處理時(shí)間不同，蛋白質(zhì)分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；不同的搖床內(nèi)溫度，等離子體處理后的樣品中蛋白質(zhì)分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜；如圖2a所示的圖，對(duì)于沒(méi)有用等離子體處理的樣品，其自組裝得到的是納米棒(24h)，納米纖維(72h和120h)或者納米管(72h和120h)；如圖2b所示的圖，等離子體處理后的樣品，其自組裝得到的膜材料是厚度均勻(厚度在Inm左右)，具有均一方向性的；實(shí)施例3將胰蛋白酶分子溶解在三蒸水中配成濃度分別為20 μ mol/L, 50 μ mol/L,100 μ mol/L, 150 μ mol/L和200 μ mol/L的溶液，將溶液置于真空室內(nèi)放電管的兩個(gè)電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入氬氣或者氦氣作為放電氣體，在電極上施加直流電壓，采用冷等離子體處理。為了考察真空室內(nèi)壓力對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別使用了 50Pa，100Pa, 150Pa和200Pa的壓力。為了考察施加不同直流電壓對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別施加了五種不同的電壓100V，500V, 1000V, 2000V和3000V。為了考察等離子體處理時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別進(jìn)行了 lmin，3min，5min,8min, IOmin, 12min和15min的等離子體處理。等離子體處理后的溶液放在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)24 120h。搖床內(nèi)的溫度分別考察了 10で，30で，40で和50°C。盡管樣品的濃度不同、等離子體處理設(shè)備的真空室內(nèi)壓カ不同、施加的直流電壓不同、等離子體處理時(shí)間不同、搖床內(nèi)的溫度不同，但是等離子體處理后，胰蛋白酶分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜，膜厚度在I. 5nm左右。實(shí)施例4將DNA分子溶解在三蒸水中配成濃度分別為20 μ mol/L, 50 μ mol/L, 100 μ mol/L,150 μ mol/L和200 μ mol/L的溶液，將溶液置于真空室內(nèi)放電管的兩個(gè)電極板之間,密閉，將真空室抽真空，然后充入氬氣或者氦氣作為放電氣體，在電極上施加直流電壓，采用冷等離子體處理。為了考察真空室內(nèi)壓カ對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別使用了50Pa，100Pa, 150Pa和200Pa的壓力。為了考察施加不同直流電壓對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)每種濃度的溶液分別施加了五種不同的電壓100V, 500V, 1000V, 2000V和3000V。為了考察等離子體處理時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響，我們對(duì)姆種濃度的溶液分別進(jìn)行了 lmin, 3min, 5min,8min,IOmin, 12min和15min的等離子體處理。等離子體處理后的溶液放在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)24 120h。搖床內(nèi)的溫度分別考察了 10で，30で，40で和50で。盡管樣品的濃度不同、等離子體 處理設(shè)備的真空室內(nèi)壓カ不同、施加的直流電壓不同、等離子體處理時(shí)間不同、搖床內(nèi)的溫度不同，但是等離子體處理后，DNA分子自組裝得到的產(chǎn)物均為膜，膜厚度在I. Inm左右。
權(quán)利要求
1.一種冷等離子體條件下生物分子自組裝制備膜材料的方法，其特征在于步驟如下 (1).將生物分子溶解在三次蒸餾水中配成溶液，溶液濃度為20 200mol/L； (2).將生物分子溶液直接裝入等離子體放電器中； (3).將等離子體放電器內(nèi)部抽真空，然后通入等離子體放電氣體，氣體壓力在50 .200Pa ;利用高壓電源在電極兩端施加100 3000V的直流或交流電使放電氣體放電，形成等離子體，處理時(shí)間為I 15min ； (4).將等離子體處理后的溶液放在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)5 240小時(shí)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的等離子體放電氣體為惰性氣體。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是所述的惰性氣體為氬氣和氦氣。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的氣體放電等離子體形式為電暈放電等離子體、輝光放電等離子體、射頻放電等離子或低氣壓介質(zhì)阻擋氣體放電。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的生物分子為多肽、酶、蛋白質(zhì)或DNA。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的恒溫?fù)u床內(nèi)的溫度在10 50°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冷等離子體條件下生物分子自組裝制備膜材料的方法。將生物分子溶解在三次蒸餾水中配成溶液，溶液濃度為20～200mol/L；將生物分子溶液直接裝入等離子體放電器中；將等離子體放電器內(nèi)部抽真空，然后通入等離子體放電氣體，氣體壓力在50～200Pa；利用高壓電源在電極兩端施加100～3000V的直流或交流電使放電氣體放電，形成等離子體，處理時(shí)間為1～15min；將等離子體處理后的溶液放在恒溫?fù)u床中培養(yǎng)5～240小時(shí)。本發(fā)明通過(guò)將冷等離子體融合到生物分子自組裝過(guò)程中，生物分子自組裝的產(chǎn)物由納米纖維、納米棒、納米管或者納米顆粒變?yōu)樯锬?。操作?jiǎn)便，耗時(shí)少，效率高，能耗低，對(duì)環(huán)境友好。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102671850SQ20111022865
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者于越, 劉昌俊, 潘云翔 申請(qǐng)人:天津大學(xué)