多肽介导仿生合成二氧化硅空心球及其机理研究

论文摘要

生物矿化是生物体在特定部位、一定物理化学条件下,依靠有机物质的控制或影响,将溶液中的离子转变成为固相矿物的过程。受生物矿化思想的启发,本论文以人工合成的多聚赖氨酸为模板,在温和的条件下仿生合成二氧化硅空心球。运用扫描电镜（SEM）考察了各物理化学因素对二氧化硅形貌的影响以及合成二氧化硅空心球的条件。另外,利用SEM和激光共聚焦显微镜（LSCM）观察空心球的生长过程,同时结合原子力显微镜（AFM）实时、原位观察硅的矿化过程,探讨多肽分子在生物矿化过程中的作用以及多肽介导下二氧化硅空心球的矿化机理。主要研究内容及结论如下:⑴仿生合成法制备二氧化硅空心球材料及影响因素的探讨我们以多聚赖氨酸为模板,正硅酸乙酯为前驱体,在温和的条件下合成了二氧化硅空心球,并且研究了反应过程中各物理化学因素对硅形貌的影响。研究发现硅材料的形貌易受各物理化学因素的影响,如多肽的分子量、反应物的摩尔质量比、反应体系的pH及缓冲溶液类型。我们发现将分子量为4-15KDa的多聚赖氨酸溶解在室温、pH为7.6的PBS缓冲溶液体系中,与硅酸溶液按摩尔质量比为31.5*10-4:1混合能够制备二氧化硅空心球。该方法操作简便、效率高、重复性好。⑵探讨多肽介导下合成二氧化硅空心球的矿化机理FTIR、EDS和TGA等实验分析表明合成的空心球是PLL/SiO2复合物。SEM和LSCM观察二氧化硅空心球的矿化过程,实验表明二氧化硅空心球形成的“基石”是无定形二氧化硅纳米颗粒,矿化过程是分布进行的。多肽在矿化过程中起模板和催化剂的作用。同时,应用原子力显微镜（AFM）在液相条件下实时、原位观察硅的成核、生长矿化过程,这为二氧化硅空心球的矿化过程提供了更直观的实验数据。另外,对PLL和反应液增加外场力,AFM图像表明多肽在硅矿化过程中起到模板的作用。根据以上实验数据,探讨了多肽介导下二氧化硅空心球的自组装矿化机理,并提出了一个合理的模型图。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 生物矿化
• 1.2.1 生物矿化的概述
• 1.2.2 生物矿化的一般作用原理
• 1.2.3 生物矿化中的有机基质
• 1.2.4 生物矿化的四个阶段
• 1.3 生物矿化的研究方向及现状
• 1.3.1 生物矿物的形貌、结构的研究
• 1.3.2 生物矿化的机理研究
• 1.3.3 仿生物矿化材料的设计与合成
• 1.4 二氧化硅的模拟生物矿化的研究现状
• 1.5 本论文研究内容和意义
• 1.6 本课题研究的技术路线
• 参考文献
• 第二章 各物理化学因素对多肽介导下硅形貌的影响
• 2.1 概述
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂和仪器
• 2.2.2 实验试剂的制备
• 2.2.3 制备二氧化硅纳米材料
• 2.2.4 本章实验流程图
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 多肽的介导作用
• 2.3.2 多肽分子量对硅材料形貌的影响
• 2.3.3 多聚赖氨酸与硅酸溶液的摩尔质量比对硅材料形貌的影响
• 2.3.4 反应体系pH值对硅材料形貌的调控
• 2.3.5 缓冲溶液对硅材料形貌的影响
• 2.3.6 X射线能谱分析
• 2.3.7 红外光谱分析
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 仿生合成二氧化硅空心球及其矿化过程研究
• 3.1 概述
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂和仪器
• 3.2.2 样品制备
• 3.2.3 样品表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 仿生合成二氧化硅空心球及矿化过程分析
• 3.3.2 激光共聚焦显微镜原位观察二氧化硅空心球生长过程
• 3.3.3 热失重分析
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 原子力显微镜原位跟踪多肽介导下硅的矿化过程
• 4.1 概述
• 4.2 原子力显微镜
• 4.2.1 原子力显微镜简介
• 4.2.2 原子力显微镜的工作原理
• 4.2.3 原子力显微镜的工作模式
• 4.2.4 液相条件下采集原子力显微镜图的注意事项
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 实验试剂和仪器
• 4.3.2 实验部分
• 4.3.3 本章实验流程图
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 原子力显微镜（AFM）原位跟踪多肽介导硅的矿化过程
• 4.4.2 多肽形貌对硅形貌的影响
• 4.5 结论
• 参考文献
• 第五章 机理讨论
• 参考文献
• 第六章 结论及工作展望
• 6.1 结论
• 6.2 本论文的创新之处
• 6.3 工作展望
• 硕士期间的工作成果
• 致谢