冷等離子體誘導生物分子自組裝制備生物材料研究進展

潘云翔，孫正慶，段明宇，劉昌俊

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冷等離子體誘導生物分子自組裝制備生物材料研究進展

潘云翔1, 2，孫正慶2，段明宇2，劉昌俊1

（1天津大學化工學院，天津化學化工協同創新中心，天津300072；2合肥工業大學化學與化工學院，安徽合肥230009）

生物材料在污水處理、氣體檢測、儲能、光催化等領域展現出良好的應用前景。但傳統生物材料制備方法復雜，且使用高毒性有機溶劑。實現簡單、綠色的生物材料制備是目前亟需解決的問題。室溫下冷等離子體誘導生物分子自組裝制備生物材料，不需有機溶劑，不需高溫焙燒、H2還原、化學還原和光致還原，實現了生物材料制備過程的簡單化、綠色化。通過冷等離子體誘導生物分子自組裝已制備出厚度為(1.03±0.14)nm的生物膜以及含有尺寸小于10 nm、分散性極好的金屬納米顆粒的金屬/生物復合材料。但相關研究剛起步，許多科學問題仍然未知，特別是冷等離子體誘導生物分子自組裝機理需進一步研究。這些科學問題一旦得到完美詮釋，必定會實現生物材料的可控、宏量制備。

納米材料；肽；生物膜；冷等離子體；自組裝

引 言

生物材料在污水處理、氣體檢測、儲能、光催化等領域展現出良好應用前景，這得益于生物材料的一些獨特優勢[1-9]。首先，生物材料的制備原料豐富且便宜。多肽、蛋白質、油脂、纖維、蔗糖、麥芽糖、淀粉等都可用來制備生物材料。其次，生物材料的制備條件溫和，常壓、溫度低于100℃的條件下就可制備出性能優良的生物材料。第三，當生物材料失去其利用價值時，通過生物降解等方法就可對廢棄生物材料進行徹底、完全的處理。第四，自然界造就了成千上萬種結構、性質不同的生物分子，利用這些生物分子可構筑出千變萬化的生物材料，且可通過使用不同的生物分子實現對生物材料形貌、尺度、物理化學性質的可控調變。

除了以上優勢，生物材料在光催化領域的應用有著更為特殊的意義[4-8]。生物材料與自然界光合作用所用生物催化劑的物理化學性質相似。光合作用是綠色植物利用太陽能，將CO2和H2O催化轉化為儲有能量的有機物，并釋放出氧氣。光合作用是地球上碳氧循環的關鍵，具有極高的反應效率。科學家一直在努力使用人工合成材料模擬自然界光合作用。生物材料是構筑人工模擬光合作用催化劑的最好選擇[6]。另外，綠色植物通過光合作用將CO2和H2O轉化成為多肽、蛋白質、纖維、淀粉等，若能利用這些生物分子制備用于CO2光催化轉化的生物材料，就實現了利用自然界光合作用合成出的原料制備人工模擬光合作用所需催化劑。這對于實現綠色、高效的CO2轉化利用，具有重要的意義。

盡管優勢明顯，但生物材料的應用遇到了很多難題，最為突出的難題就是生物材料的制備過程復雜，且需酸、堿或有機溶劑作為輔助[9-13]。為了實現生物材料制備過程的簡單化、綠色化，研究人員開發了很多生物材料制備新方法，其中一個典型代表就是將冷等離子體與生物分子自組裝相結合的冷等離子體誘導法。本文將著重介紹冷等離子體誘導制備生物材料的最新研究進展。

1 生物分子自組裝

生物分子自組裝是自然界中普遍存在的一種現象，是大自然用以構筑各種生命體的主要方式[10-19]，如細胞膜便是由生物分子自組裝形成的。受到自然界中生物分子自組裝的啟發，科學家利用生物分子自組裝合成了一系列具有優良物理化學性能的生物材料。生物分子自組裝的驅動力是生物分子之間的氫鍵、范德華力、靜電作用、親疏水作用以及p-p作用等[10-11]。酸堿度、溫度、外加有機溶劑以及生物分子的結構、組成、官能團、生物分子的排列順序等都會影響生物分子自組裝[10-11]。如含有兩個苯丙氨酸分子的二肽分子（簡稱FF），在六氟異丙醇中自組裝的產物是納米管，在-甲基吡咯烷酮中自組裝的產物則是薄膜[11]。Hendler等[18]發現，在-甲基吡咯烷酮中，FF首先自組裝成為納米管，而后通過溶解和再結晶過程成為薄膜。又如Cui等[19]發現尾端帶有烷基鏈的四肽分子自組裝可構筑出納米纖維。這一自組裝的驅動力是四肽分子間的氫鍵以及烷基的疏水作用。如果四肽分子中的兩個氨基酸被替換成為疏水的纈氨酸和帶有負電荷的谷氨酸，增加尾端烷基的碳原子數至16，此時自組裝的產物是寬度為150 nm、長度為0.1 mm的納米帶。

生物分子自組裝是最為常用的生物材料制備方法。但傳統的生物分子自組裝過程需使用二甲基亞砜、乙腈、六氟異丙醇、-甲基吡咯烷酮等有機溶劑[10-19]。這些有機溶劑刺激性和毒性高，易破壞生物分子的結構、組成、官能團和物理化學性質。且這些有機溶劑容易停留在生物材料上，對后續應用帶來負面影響。如何在不破壞生物分子本身特性的前提下，實現生物分子自組裝制備生物材料過程的簡單化、綠色化，是亟需解決的一個問題。

2 冷等離子體誘導制備生物材料

冷等離子體是給氣體（如氬氣、氫氣、氮氣等）外加電壓，引發氣體電離而產生的，它由電子、離子、自由基、激發態物種等活性物種組成。之所以被稱為等離子體，是因為電子、離子、自由基、激發態物種等活性物種的正負電荷總量相等。圖1(a)、（b）分別給出了冷等離子體裝置示意圖和冷等離子體引發后的紅外照片[9]。冷等離子體分為Ⅰ、Ⅱ兩個區，生物分子溶液放在Ⅱ區進行處理。在冷等離子體中，電子溫度高達104～105K，但主體溫度卻維持在45℃以下，特別是樣品所在的Ⅱ區更是在室溫上下[圖1(b)]，這也是其被稱為冷等離子體的原因。冷等離子體的低溫操作特性可有效避免高溫下易于發生的生物分子破壞以及材料團聚、燒結、孔道塌陷等問題[20-25]。

冷等離子體誘導制備生物材料是將冷等離子體與生物分子自組裝相結合，在常壓、室溫條件下，利用冷等離子體的活性物種（電子、離子、自由基、激發態物種）對生物分子自組裝加以誘導[9,26]。冷等離子體誘導法是在水溶液中進行，不需任何酸、堿、有機溶劑等。這種方法簡單、易操作，只是將生物分子溶液放入冷等離子體中處理10 min，而后在常壓條件下經過數小時恒溫培養（37℃），就可制備出生物材料。Pan等[9]利用冷等離子體誘導多肽分子自組裝制備出均一的薄膜。

多肽分子是由氨基酸分子通過酰胺鍵（又稱肽鍵，CO—NH）連接在一起形成的生物分子，它是構筑蛋白質大分子和更為復雜生物體的基本單元[10]。不同的氨基酸分子數量、不同的氨基酸分子排列順序、不同的氨基酸分子種類可構筑出不同的多肽分子[10-11]。利用這些多肽分子可構筑出具有不同結構、不同尺度、不同形貌和不同物理化學性質的生物材料[13]。通過對多肽分子的結構、組成、官能團等進行調變，可實現對生物材料的結構、尺度、形貌以及物理化學性質的可控定向調變[13]。

Pan等[9]所使用的多肽分子是Ab16-22。Ab16-22含有7個氨基酸分子，它是淀粉樣蛋白質分子的核心部分。為了方便起見，Pan等[9]將未經過冷等離子體處理和冷等離子體處理的Ab16-22分子溶液分別命名為C-Ab16-22和P-Ab16-22。圖2給出了C- Ab16-22和P -Ab16-22在恒溫培養不同時間后的原子力顯微鏡（AFM）照片。如圖2(a)所示，24 h恒溫培養后，在C-Ab16-22中出現了很多亮點和短棒，其中短棒是由幾個亮點組合而成的。72 h恒溫培養以后，C-Ab16-22中出現了寬度在20～80 nm的纖維。當恒溫培養時間延長至120 h，C-Ab16-22中纖維寬度增加到40～160 nm，且纖維呈現竹葉狀。P-Ab16-22中的情況與C-Ab16-22中有很大的不同。24 h恒溫培養后，在P-Ab16-22中就出現了大量纖維。隨著培養時間的增加，纖維逐漸結合在一起。如圖2(b)所示，120 h的恒溫培養后，P-Ab16-22中出現了薄膜。圖2(c)給出了120 h恒溫培養后，C-Ab16-22中纖維的高度分布圖，圖2(d)中則是120 h的恒溫培養后P-Ab16-22薄膜的高度分布圖。這些高度分布圖由AFM照片分析得到。C-Ab16-22中纖維的高度在(1.21±0.40)nm，而P-Ab16-22中薄膜的高度在(1.03±0.14)nm。C-Ab16-22和P-Ab16-22的圓二色譜（CD，圖3）幾乎相同，都在196和217 nm出現了峰值，這是典型的氫鍵-折疊結構[9, 27]。

C-Ab16-22和P-Ab16-22兩者的pH相同（7.0左右），兩者的恒溫培養溫度和時間相同，兩者的多肽分子濃度相同，兩者都是水溶液，兩者都未使用酸、堿、有機溶劑等，但是兩者的自組裝產物卻有很大差別。Pan等[9]將造成這一差別的原因歸結于冷等離子體內部的電子。電子與P-Ab16-22中的水分子形成水合電子（hydrated electrons）。正是這些水合電子使得纖維組合成為薄膜。圖4是P-Ab16-22中，Ab16-22分子自組裝形成薄膜的機理示意圖[9]。如圖4所示，Ab16-22分子有兩個不同的尾端，分別是COOH端和NH2端，這兩個端通常被稱為C端和N端。Ab16-22分子通過氫鍵結合成為纖維。纖維要想進一步組合成為薄膜，必須要通過C端和N端的相互作用來實現。纖維之間組合有3種不同的方式：Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。Ⅰ通過C-C和N-(水合電子)-N作用，Ⅱ通過C-N作用，Ⅲ通過C-C和N-N作用。Pan等[9]通過密度泛函理論計算發現，在CC、C-N、N-N和N-(水合電子)-N作用中，C-C和N-(水合電子)-N作用遠強于C-N和N-N作用。因此，纖維通過方式Ⅰ組合成薄膜。方式Ⅱ和Ⅲ可能是C-Ab16-22中形成纖維的主要方式。在C-Ab16-22中，由于沒有水合電子，無法實現N-(水合電子)-N作用，因此沒有形成形成薄膜[9]。

水合電子是由電子和水分子組成的化學性質極其活潑的一種物質[28-30]。20世紀60年代，科學家利用動力學和光譜等手段證實了水合電子的存在。有關水合電子與多肽、蛋白質等生物分子作用以及對生物分子自組裝影響的研究始于20世紀70年代[28-29]。多肽和蛋白質等生物分子具有兩個尾端，即COOH端（C端）和NH2端（N端）。在生物分子溶液中，N端會結合一個質子而帶有正電荷。在水合電子存在的情況下，N端會結合水合電子而成為帶有負電荷的基團。在沒有水合電子時，生物分子自組裝通常會制備出纖維。纖維的形成是沿兩個方向進行的。沿著生物分子鏈的方向，兩個生物分子通過C端與C端間的氫鍵作用結合在一起。沿著垂直于生物分子鏈的方向，生物分子間通過氫鍵、范德華力、靜電作用、親疏水作用以及p-p作用等結合到一起。如果想讓纖維沿著生物分子鏈的方向繼續組裝成膜或其他材料，就需要N端與N端的結合。但由于電荷排斥作用，帶有正電荷的兩個N端無法結合在一起。因此，傳統的生物分子自組裝只能得到纖維。在水合電子出現時，部分N端結合水合電子，從而帶有負電荷，而部分N端依然帶有正電荷。這樣，沿著生物分子鏈方向，纖維就可通過N端與N端之間的正負電荷作用結合到一起。這表明，在利用水合電子促進生物分子自組裝的過程中，控制水合電子的量是關鍵，水合電子不能太多，太多會讓所有N端轉變成負電荷基團。但傳統的水合電子制備方法很難控制水合電子的生成量。另外，傳統的水合電子制備方法所制備出的水合電子能量過高，容易破壞生物分子的結構，使生物分子鏈斷裂[30]。在控制水合電子產生量以及控制水合電子能量方面，冷等離子體法具有獨特的優勢。研究表明，冷等離子體法可控制水合電子的產生量以及水合電子的能量。冷等離子體法制備出的水合電子僅與生物分子結合，并不會破壞生物分子的結構、鏈長、氨基酸數量和氨基酸排列順序。但冷等離子體法制備的水合電子如何與生物分子結合，如何在不破壞生物分子結構的前提下促進其自組裝成膜，需要進一步的研究。

3 冷等離子體誘導制備金屬/生物復合材料

為了改進生物材料的性能，往往需要在生物材料中加入Pt、Pd、Au、Ag等金屬納米顆粒，以構筑出金屬/生物復合材料。金屬生物復合材料兼有生物材料和金屬納米顆粒的特性。如Li等[31]將蛋白質自組裝合成的纖維與Au納米單晶復合。這一復合材料具有可控的熒光和導電性。當Au納米單晶的濃度低于87%時，復合材料的導電性低于10-8S·cm-1，當Au納米單晶的濃度高于87%時，復合材料的導電性可達103S·cm-1 [31]。

傳統的制備金屬/生物復合材料的方法包括3步：合成生物材料、金屬離子與生物材料復合、還原金屬離子以制備金屬納米顆粒。這一傳統方法較為復雜且難于控制，特別是還原過程。常用的還原方法包括高溫H2還原、化學還原和光致還原。這些方法可實現對金屬離子的還原，但這些方法或者使用高溫，或者使用硼氫化鈉等刺激性和破壞性極強的化學還原劑，或者使用紫外光照射，這都容易破壞生物材料的結構和物理化學性質，從而影響金屬/生物復合催化劑的性能。金屬納米顆粒常位于生物材料表面，與生物材料的相互作用較弱，因此，金屬納米顆粒易聚集。這會嚴重影響復合材料的性能。必須探索、開發新方法，實現金屬納米顆粒與生物材料的有效復合，增強金屬納米顆粒與生物材料之間的相互作用。

Yan等[26]將冷等離子體誘導法應用在制備金屬/生物復合材料中，取得了很好的效果。他們利用冷等離子體誘導多肽分子自組裝制備了含有尺寸小于10 nm、分散性極好的金屬納米顆粒的金屬/生物復合材料。Yan等[26]使用的多肽分子為Ab16-20。冷等離子體誘導多肽分子自組裝制備金屬/生物復合材料的過程非常簡單。以Au/生物材料的冷等離子體誘導制備過程為例，首先將Ab16-20（100mmol·L-1）和HAuCl4（5mmol·L-1）混合溶液放入冷等離子體中處理8 min，而后經過恒溫培養（37℃）數小時，就可制備出Au/生物復合材料[26]。圖5(a)給出了Au/生物復合材料的透射電子顯微鏡（TEM）照片。在不加入HAuCl4時，冷等離子體誘導Ab16-20分子自組裝成為薄膜。加入HAuCl4之后，在Ab16-20分子自組裝生成的薄膜上面出現了尺寸為(2.5 ± 0.6) nm、分散性極好的納米顆粒。通過高倍TEM照片[圖5(b)]可以發現，這些納米顆粒上的晶格條紋間距是0.236 nm，對應Au（111）面[26]。因此，Ab16-20分子自組裝生成的薄膜上出現的納米顆粒是Au納米顆粒。

為了更好地理解Au/生物復合材料的形成過程，Yan等[26]做了兩個對比實驗：實驗1和實驗2。在實驗1中，他們首先使用冷等離子體將Au離子還原成為Au納米顆粒，接著將Ab16-20分子放入含有Au納米顆粒的溶液中，利用冷等離子體誘導Ab16-20分子自組裝。圖5(c)的TEM照片顯示，在實驗1中并沒有形成薄膜，僅形成了一些Au納米顆粒。在實驗2中，Yan等首先利用冷等離子體誘導Ab16-20分子自組裝制備薄膜，而后將Au離子放入含有薄膜的溶液中進行冷等離子體還原。從圖5(d)的TEM照片可以看出，實驗2中Au納米顆粒并未與多肽薄膜復合。通過實驗1和實驗2，Yan等推斷，Ab16-20分子自組裝成薄膜與Au納米顆粒的成核和生長是同時進行的，且Au納米顆粒嵌入到薄膜中，兩者之間具有很強的相互作用[26]。

為了觀察Au離子濃度對Au/生物復合材料中Au納米顆粒的尺寸、形貌的影響，Yan等[26]改變了復合材料制備時所使用的Au離子的濃度。他們發現，當Au離子的濃度從100mmol·L-1增加到200mmol·L-1，再增加到500mmol·L-1時，Au/生物復合材料中Au納米顆粒的平均尺寸從3.2 nm增加到4.7 nm，再到19.4 nm[26]。因此，通過調控Au離子的濃度可以改變Au/生物復合材料中Au納米顆粒的尺寸。除了Au/生物復合材料之外，Yan等[26]還利用冷等離子體誘導多肽分子自組裝制備了Pt/生物、Pd/生物等復合材料。

冷離子體誘導生物分子自組裝制備金屬/生物復合材料時，除了冷等離子體的活性物種（電子、離子、自由基、激發態物種）、多肽分子、金屬離子、水之外，不需任何酸、堿、有機溶劑，不需高溫焙燒，不需高溫H2還原、化學還原或光致還原。這暗示冷等離子體的活性物種既可誘導多肽分子自組裝制備生物材料，也可有效還原金屬離子，促進金屬納米顆粒的成核和生長，促進金屬納米顆粒和生物材料復合[26]。但是，冷等離子體的活性物種如何與多肽分子、金屬離子反應，如何影響多肽分子自組裝和金屬離子還原，如何促進金屬納米顆粒成核和生長，如何促進金屬納米顆粒和生物材料復合等，這些與冷等離子體誘導制備金屬/生物復合材料過程機理有關的科學問題尚不清楚，有待于更為深入和全面的研究。

4 結論與展望

室溫條件下冷離子體誘導生物分子自組裝在生物材料制備中展現出良好的應用前景。通過冷等離子體誘導生物分子自組裝已經制備出了厚度為（1.03±0.14）nm的薄膜，制備出了含有尺寸小于10 nm、分散性極好的金屬納米顆粒的金屬/生物復合材料。在冷等離子體誘導生物分子自組裝過程中，除了冷等離子體、生物分子、金屬離子、水之外，不需任何酸、堿、有機溶劑，不需高溫焙燒，不需高溫H2還原、化學還原或光致還原。這實現了生物材料制備過程的簡單化、低溫化、綠色化。但是相關的研究剛剛起步，許多科學問題，特別是與制備過程機理相關的問題仍然未知，需要更為深入系統的研究。這些問題一旦得到解決，必定會實現生物材料的定向、可控、宏量制備。

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Perspective on cold plasma-induced self-assembly biomolecules approach to biomaterials

PAN Yunxiang1, 2, SUN Zhengqing2, DUAN Mingyu2, LIU Changjun1

(Collaborative Innovation Centre of Chemical Science and EngineeringSchool of Chemical Engineering and TechnologyTianjin UniversityTianjinChina;School of Chemistry and Chemical EngineeringHefei University of TechnologyHefeiAnhuiChina

The biomaterials are promising for water treatment, gas sensor, energy storage and photocatalysis. However, the traditional preparation processes of the biomaterials are complex, and require toxic organic reagents. Simple and green preparation methods for biomaterials are highly desired. The cold plasma-induced self-assembly of biomolecules at room temperature is simple and green, as it does not use organic reagent, and does not require calcinations, H2reduction, chemical reduction and photoinduced reduction. By using the plasma-induced self-assembly, biofilm with a height of （1.03±0.14）nm and metal/biomaterial composites with highly dispersed metal nanoparticles (< 10 nm) have been successfully fabricated. However, many fundamental issues about the cold plasma-induced self-assembly, especially its mechanism, are still unsolved. A deep understanding on these problems will allow for controllable and massive syntheses of biomaterials.

nanomaterial; peptide; biofilm; cold plasma; self-assembly

2015-05-21.

Prof. LIU Changjun, coronacj@tju.edu.cn.

10.11949/j.issn.0438-1157.20150662

TB 34；TQ 033

A

0438—1157（2015）08—2824—07

劉昌俊。

潘云翔（1981—），男，教授。

國家自然科學基金項目重大研究計劃重點支持項目（91334206）。

2015-05-21收到初稿，2015-05-28收到修改稿。

supported by the National Natural Science Foundation of China (91334206).