吸附性质芽孢杆菌atrophaeus功能化碳纳米管上的孢子

摘要

平衡研究芽孢杆菌atrophaeus（本科)孢子在单壁碳纳米管(SWCNTs)上的吸附性能已经被研究，以表征孢子/纳米管复合物的吸附性能。本文研究的碳纳米管经过两步提纯和功能化处理，以在其基面上引入化学基团。通过拉曼光谱和红外光谱证实了纳米管中含有羧基。这些羧基似乎增强了纳米管-意向书。通过与孢子表面上存在的蛋白质pili阑尾反应相互作用。吸附数据表明，在官能化的碳纳米管上的膨胀率差异比接收和纯化的纳米材料更快。透射电子显微镜也表明化学处理过的纳米管导致肿胀的纳米网络，该纳米网络似乎进一步增强了由于更广泛的孢子纳米管接触区域而引起的杆菌吸附。

1.介绍

目前，碳纳米管(CNTs)由于其独特的机械、电气和化学性质，是电子、传感器、生物操纵和医学领域最有前途的材料之一[1- - - - - -4］．在传感器领域的大量研究已经将单壁碳纳米管定位为检测多种生物制剂的最有效材料之一[5］．最近的研究还示出了碳纳米管的潜力作为用于检测溶液中的分析物的水平传感器，而不会由于它们的高电子传输速率而要求任何介体[6］．已经表明，CNT是对细胞色素C，辣根过氧化物酶，肌红蛋白和葡萄糖氧化酶等组分非常感测材料[7- - - - - -10.］．李等人[11.]研究了聚合物包覆纳米管用于检测盐酸(HCl)蒸气的传感特性，证明了包覆纳米管能够检测低至2ppm的HCl浓度。纳米管作为生物传感器平台的发展表明，这些纳米材料可以检测病原体、微生物等大肠杆菌要么沙门氏菌在食物供应中[12.］．然而，主要的挑战仍然是制造能够区分复杂混合物中吸附物种并提供快速正向和反向响应的设备。

在最近一项关于碳纳米管-孢子系统吸附特性的研究中，我们已经表明，吸附动力学强烈依赖于所涉及的纳米材料的纯度[13.］．在该研究中，研究表明b . atrophaeus纯化-CNTs比用接收的CNT观察到的速度快，显然是由于除去无定形碳。Deng等人进行了一项研究工作。[14.关于吸附均衡b . atrophaeus也表明，Freundlich吸附方程可以成功地预测动力学。这些结果是令人鼓舞的，因为它们表明了一个潜在的结果感知信号模拟已建立的吸附参数。的研究b . atrophaeus(一种非人类病原体)和碳纳米管体系为研究碳纳米管与病原微生物的相互作用提供了很好的替代炭疽杆菌．实际上，由于它们所代表的危害，致病生物的检测具有很大的兴趣;作为天然存在的疾病药物或作为生物武器[15.］．事实上，微生物病原体可能被引入城市的主要供水系统，造成公共卫生的流行病危机。迄今为止，饮用水系统致病性污染物的分析检测方法复杂且耗时[16.］．因此，发展快速探测系统对于快速应对生物恐怖主义行动至关重要。为了构建基于纳米管的高效传感器，这些纳米材料必须不含金属催化剂以及非晶碳材料等杂质。研究表明，非晶态碳的存在大大降低了纳米结构的电学性质[17.］．非晶态碳的消除是后续表面功能化的关键步骤。事实上，通过功能化碳纳米管的表面结构，可以引入特定的化学基团来增强其吸附性能。毫无疑问，生物有机体在化学修饰纳米管上的物理附着研究必须首先进行，以表征其吸附特性。本研究计划的目的是记录吸附性能b . atrophaeus孢子在官能化的单壁碳纳米管上，基于SWCNTS开发生物传感装置平台。

2.实验方法

２.１.吸收性材料

从Carbolex，Inc.（Lexington，Ky，USA）购买的单壁碳纳米管在本研究计划中研究。通过产生直径约为1.4nm的纳米管的电弧放电方法合成这些纳米结构。通过Carbolex，Inc.在这些原始纳米管上进行的热重分析通过Carbolex，Inc。在这些原始纳米管上表明该材料含有20至30wt％的无定形碳。通过将0.5克碳纳米管引入100mL 2.6M HNO，通过将0.5克碳纳米管进行无定形碳和杂质进行除去无定形碳和杂质_3.解决方案。有很好的记录结果，硝酸（强氧化化学品）消除了在纳米管合成中使用的金属催化剂以及分解无定形碳质凝聚物[18.，19.］．将含有纳米管的酸溶液在150 r.p.m中置于振动器中。室温下为48小时。随后，将CNTS-酸溶液过滤通过A 5 M孔径聚碳酸酯膜和滤液用2升去离子水洗涤，然后在70℃下烘干纳米管24小时．碳纳米管中羧基的引入是通过在10m HCl溶液中引入纯化的碳纳米管来实现的。研究表明，氯酸是一种有效的碳纳米管功能化试剂[19.］．以每小时300转的速度剧烈摇动纳米管-盐酸悬液。10小时，随后通过真空过滤5M孔径聚碳酸酯膜。随后将滤液用2升去离子水洗涤直至达到中性pH。

２.２.被吸收的物质材料

芽孢杆菌atrophaeus从美国陆军戴威被收到的，犹他州（Patricia Cox）提供。在这里，在以前的工作中建立的孢子纯化方法后制备了股票培养物b . atrophaeus- 碳化系统[14.］．将纯化后的孢子置于40%乙醇中，4．这些孢子呈椭圆形，尺寸为．

２.３.吸附阶段

进行振动筛实验以确定动力学和吸附平衡b . atrophaeus在功能化单壁碳纳米管上。在这里，将0.1克功能化的CNTs添加到250 mL的烧瓶中，其中包含99 mL消毒的去离子水。然后，一毫升的孢子溶液b . atrophaeus浓度为，， 要么每个烧瓶中加入CFU/ml (CFU:菌落形成单位)。随后，烧瓶以每小时200转的速度放置在机械振动筛中。在室温下。每隔一段时间取两毫升碳纳米管/孢子系统，并通过2M聚碳酸酯滤纸（Millipore，Ma，美国）。为了量化未附加的孢子，将滤液接种在胰蛋白酶大豆琼脂平板上并在37℃下孵育24小时，此后，计算菌落的数量。通过吸附前后溶液中的总孢子的质量平衡计算CNT上的吸收量。溶液的最终浓度和最大吸附量使得具有相应的吸附平衡浓度和纳米管吸附能力。基于此处考虑的三个孢子浓度，对这些测量进行了重复的烧瓶进行。

２.４.光谱和微观分析

通过FTIR和拉曼光谱分析证实了官能化过程后纳米管上的羧基的存在。使用Hitachi H 7650 TEM的光学分析是对官能化CNT进行的，以表征它们的形态学。在分批实验后，CNTS /孢子系统的显微镜观察也进行了阐明它们的相互作用。

3.结果和观察

３.１.显微分析

显微镜，TEM下的官能化CNT显示纳米结构，相对不含无定形碳，表明酸处理成功地从纳米管中取出碳质杂质（见图1）.在我们以前的工作中，我们在“接收的”条件下，我们已经显示了SWCNT上的相当数量的杂质[13.］．数字1还表明，纳米管显示出非聚集状态，这似乎又是酸处理(纯化和功能化)的结果，这显然破坏了纳米管束。众所周知，酸溶液腐蚀非晶态碳和CNTs的缺陷位点[13.］．当然，通过破坏碳纳米管聚集体，它们的活性表面积将增加，这可能会促进更好的吸附性能。

3.2。结构分析

通过进行FT-IR分析来确认CNT的官能化。这里研究的材料的红外光谱显示在图中2．纳米管的红外光谱在600 ~ 1000范围内出现峰值表明C-C族的存在[20.］．单峰左右1400和1610 也在上述光谱中观察到，并与CC拉伸键[20.］．从图中可以看出，接收到的材料主要是石墨结构(C - C和C)C组)。数字2也显示了纯化后的纳米管的红外光谱。在这里，可以观察到在800到1000的范围内存在类似的C-C组．峰值在1040与C-N基团有关。另一个高峰也出现在1400年，与拉伸烯烃基团有关。光谱还显示出一个在1630年左右的特殊峰，表明了C的存在O拉伸键[20.，21.］．从该光谱来看，显而易见的是，在研究方案中进行的纯化过程将氧基团引入纳米管的基底上。实际上，在用硝酸处理纳米管后，在别处报道了类似的结果[19.］．包括在图2为功能化纳米管的红外光谱。从图中，我们再次观察到在800到1000的范围内存在C-C族．光谱还显示在1012-1028范围内有一个双峰，与COOH组的C-O键合相关[22.］．1420点出现一个强劲的峰值也可见，此峰值与C-O-H弯曲组相关联[22.］．光谱还显示在1680年左右有一个峰值与C相关O(羰基)组。此外，功能化纳米材料的光谱在3160附近出现了一个宽峰．该峰与COOH组的O-H键合有关[18.］．从图2，看来这里的功能化过程将羧基引入到纳米管上。由于HCl处理，纳米管上COOH基团的存在似乎与Furtado等人的结果一致[19.］．

通过进行拉曼光谱，还纳米管的结构修饰。数字3.在1200-1850中显示两个拉曼乐队 的范围内。该区域出现了相对较宽的紊乱诱发波段(d波段)1300 以及具有子结构的一阶允许的乐队（G波段）1570年．D频带通常与缺陷以及非晶碳的存在相关，而在基平面中具有原子的振动的G波段[23.］．数字3.结果表明，功能化的纳米管比纯化的和接收的纳米材料具有更短的d波段。值得注意的是，功能化样品的G/D关系比纯化的和接收的纳米管分别低17%和100%以上。事实上，G和D波段之间的比值是纳米管质量的一个很好的指标。因此，如果两个波段具有相似的强度()，可以假定试样上存在大量的结构缺陷。在这里，G/D关系分别为0.68,0.39和0.33的接收，纯化和功能化的纳米管。纯化过程似乎消除了纳米管的结构缺陷，因为纯化的纳米材料的G/D关系比接收样品低72%。这些数据表明，氧化过程与HNO_3.在进行功能化过程之前，首先需要消除纳米管上相对高浓度的非晶碳。

3.3。吸附动力学与平衡

对于吸附动力学研究，在孢子- cnts分批培养的不同时间间隔取样;通过计算未附着细胞的数量并从初始浓度中减去它们，可以确定吸附到CNTs上的孢子的变化。数字4显示在启动批量实验上的官能化CNT /的批量实验后，在取样中从采样中获得未附加的孢子的成长菌落数。b . atrophaeus系统。图中显示了不同稀释倍数下的生长菌落;进行这些稀释是为了得到适当的孢子定量。实际上，计算出的菌落数量除以稀释量和接种量就得到了溶液中仍存在的孢子浓度(未被吸收的孢子)。包括在图4接种板是否也来自功能化的CNTs/b . atrophaeus系统14分钟后开始批量实验;从图中可以明显看出，由于碳纳米管吸附在碳纳米管上，菌落数量显著减少。实际上，1分钟未吸附孢子的浓度约为CFU/ml, 14分钟浓度降至CFU/ml，降低27倍。

数字5从功能化CNT /的3分钟时间点显示成长殖民地/b . atrophaeus复杂的，以及来自纯化和接收系统的，基于初始浓度的本科大约CFU /毫升。从图5，观察到官能化体系上的菌落较少，说明官能化的纳米管吸附b . atrophaeus比纯化的和接收的系统快。这可能是由于从纳米管中去除了无定形碳，随后包含了与孢子相互作用的亲和性化学基团[24.］．事实上，以前已经报道过杂质的去除和结块的解纠缠增加了纳米管的活性表面积，提高了它们的吸附性能[13.］．

吸附曲线b . atrophaeus图中显示了本文研究的三种不同初始孢子浓度的/功能化CNTs6．在这里，平均吸附分数(）绘制了时间（),和是在特定时间和无限时间下每单位体质吸附剂的吸附量。在这项研究中，是由这些批次实验的最后一个时间点计算出来的。数字6结果表明，在此研究的浓度的部分吸收产生了相似的行为;在14分钟达到最大摄取值。有趣的是，在1分钟的批量实验中，功能化的纳米管吸附了98%的孢子;该值比此前在类似时间内报告的接收/孢子复合物高1.4倍[13.］．事实上，碳纳米管的羧基与孢子中存在的羧基之间的相互作用似乎在吸附机制中有重要作用。这里，表面芽孢杆菌孢子带负电，等电点约为3.0，并具有疏水皮质[25.，26.］．此外，还有两种芽孢杆菌已发现有蛋白质菌毛附肢(氨基)从孢子表面延伸[27.］．物理化学属性芽孢杆菌孢子似乎肯定提高了它们与官能化CNT的羧基和羰基的相互作用。

有效扩散系数()，如果分数摄取大于70%，则可使用基于大孔扩散过程的下列方程来估计[14.]： 在哪里是吸收剂颗粒半径，和时间。事实上，以前的一项研究表明，在细菌-纳米管吸附过程中，碳纳米管起到蛛网的作用[14.］．值得一提的是，在本研究计划中，我们对功能化的纳米管进行了大量的微观分析，以评估碳纳米管聚落之间的距离(）.在这里,价值约为100英镑m。因此，扩散率和有效扩散率()可由Ln[(）]反对时间（）.斜坡由（)，截距为Ln(）.在这项研究中，有效的扩散速度（)为，和 三种不同的初始孢子浓度(，,CFU /毫升;职责)。根据有效扩散率确定有效扩散率。数字7的有效扩散系数意向书。功能化碳纳米管上的孢子。从图中可以看出，功能化后的碳纳米管的有效扩散系数要高于纯化后的碳纳米管和接收后的碳纳米管。这些结果令人鼓舞，因为它们表明功能化纳米管可能导致更快的检测平台。

被吸附物质的最大吸附量(）在纳米管上及其在载体中的相应浓度（Ce)绘制在图上8．采用Freundlich吸附等温方程拟合所研究的孢子-碳纳米管复合物的组分吸附数据。弗罗因德利希等温线是由 在哪里是Freundlich吸附系数，和n为吸附强度参数。由图可知，吸附系数为b . atrophaeus/官能化CNT大约比基于纯化的CNT的孢子纳米管系统所示的50％，比比接收的CNTS-Spores系统高出5倍以上的5倍[13.］．这再次表明，在净化过程中去除无定形碳以及在碳纳米管的基面上添加化学基团增加了碳纳米管的亲和力意向书。孢子。

3．4．TEM分析

通过TEM对纳米管-杆菌体系进行了光学分析，以突出其界面相互作用。一个典型的分离的碳纳米管孢子系统的显微图如图所示9，可以观察到两个组件之间的广泛相互作用。该图显示了在振荡器 - 批量实验1分钟后与官能化纳米管的杆菌与官能化纳米管的接触，似乎在该官能化系统上相互作用的材料量高于在接收的纳米管内的先前研究中所示的材料[13.］．显微照片如图所示9支持这里报道的动力学数据，功能化碳纳米管与孢子密切接触。

4。结论

吸附均衡和动力学研究芽孢杆菌atrophaeus在单壁碳纳米管上进行了实验。本研究中使用的碳纳米管经过不同的酸处理后进行了化学改性。拉曼光谱和红外光谱表明，功能化后的纳米管中存在羰基和羧基。结果还表明，孢子在功能化纳米管上的有效扩散比之前报道的未经处理和纯化的纳米管上的有效扩散要高得多。似乎非晶态碳从纳米管中脱离、结块的解缠和化学基团在CNTs结构上的包含增加了纳米材料的活性表面积，允许更强的孢子-纳米管相互作用。在激振器-批处理实验中对孢子-纳米管相互作用的光学分析似乎支持动力学过程中获得的实验数据。在这里，透射电镜照片显示了纳米管和孢子之间广泛而亲密的连接。这项研究工作清楚地显示了基于碳纳米管上微生物扩散参数的潜在生物传感器装置的潜力。

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