Contents
1 Introduction
2 Virus template synthesis of metal nanomaterials
2.1 Synthesis of metal nanomaterials by virus internal cavity
2.2 Synthesis of metal nanomaterials from external surface of virus template
2.3 Synthesis of metal nanomaterials on internal and external surfaces of virus template
3 Factors influencing the synthesis of metal nanomaterials by virus template
3.1 System pH value
3.2 Amino acids and peptides
3.3 Exogenous surfactants and reducing agents
3.4 Other factors
4 Applications of metal nanomaterials synthesized by virus template
4.1 Application in catalysis
4.2 Application in nanocrystalline batteries
4.3 Application in biomedical and medical imaging
4.4 Application in other areas
5 Conclusion
1 引言
金属纳米材料(本文所述金属纳米材料包括零价金属纳米材料及纳米金属化合物)因其所具有的界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等优良奇特的物理或化学性质,已成为新材料的研究热点。有些金属纳米材料所表现出的类似于生物酶的催化性、低毒性、优异的生物相容性等特殊性质,使其在医药、生物检测、医学成像等领域具有广阔的应用前景[1, 2]。目前常用的金属纳米材料的合成方法有很多,如化学还原法、模板法、热分解法、微乳法、超声法、化学气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法等[3,4,5,6,7,8,9]。但至今,纳米金属材料合成技术尚不成熟,不能精确控制其大小、形态、形貌,而控制合成获得粒径小、分散度高的纳米粒子将会有效提高纳米金属材料活性[10,11,12]。模板法相比诸多合成方法,可利用模板壳体大小、内部细微结构控制金属离子还原沉积,在控制纳米粒子的尺寸和形状方面具有独特的优势。
自20世纪80年代Martin等[13]首次利用模板法合成纳米材料以来,模板法因其能够更好地控制合成纳米粒子的粒径、形貌,在实现纳米材料合成与组装一体化的同时也提高了纳米材料的分散稳定性,而引起研究者们广泛关注。模板法是指通过模板和金属离子间的非共价键作用力,可结合电化学、沉淀法等技术,使金属离子在具有纳米尺度的微孔或层隙间沉积,并利用模板本身的空间限制作用和调节作用对合成材料的尺寸、形貌等进行有效控制[14, 15]。模板法主要包括生物模板法、有机化合物模板法、天然无机材料模板法等,其中生物模板主要是指DNA、蛋白质、多肽、病毒、细菌、真菌孢子或菌丝等材料[16,17,18,19,20,21,22]。病毒与其他生物模板相比,具有结构简单、构象多样、表面活性基团丰富多元等显著特点。
1998年,Douglas和Young[23]首次利用病毒作为模板合成金属纳米材料,至今已有二十年发展。病毒一般由蛋白质和核酸构成,形态多样,结构尺度多为纳米级别,具有较大的比表面积,内外表面功能基团丰富,具有较高的化学反应活性,可与金属离子发生配位反应,是一种理想的生物纳米模板。利用病毒设计合成纳米材料时,也可以去除基因组的DNA或RNA,在不破坏天然结构的同时,使其将不再具有感染力[24]。一般病毒纳米颗粒形态呈二十面体对称、螺旋对称[25],但一些病毒作为载体在其体外组装合成纳米材料时构象发生变化,与天然病毒颗粒的大小和形状不再相同,这也使所合成纳米材料的构型更加丰富[26]。基于病毒模板的不同形态结构可合成纳米线、纳米环、纳米球、纳米管等具磁性、导电性、催化性等多功能且多形貌多尺寸的新型金属纳米材料[27, 28],通过还原合成金属纳米粒子的同时引入生物分子组分,有助于提高金属纳米粒子的稳定性和分散性[29]。模板蛋白质结构还可以结合不同化学基团,或融合其他蛋白质结构[30, 31],金属纳米粒子与模板间的相互作用,可使比表面积大幅增加(可达10倍以上)[32],这都将明显提高合成材料的催化活性、选择性等性能。
以病毒为模板合成纳米材料时,通常是病毒中的蛋白质作为功能结构,蛋白质的氨基酸序列上含有可螯合金属离子的官能团,如氨基、羧基、巯基等[33]。有些蛋白质本身具有还原性氨基酸,可直接还原蛋白质上螯合的金属离子,不需要外源还原剂引入。病毒模板法合成可以赋予纳米材料更多的性质和功能:(1)病毒模板为金属离子提供了沉积位点,可在固定位置与金属离子配位结合,根据模板结构的选择性可控合成金属纳米材料,同时由于病毒模板的空间位阻效应,可有效阻止金属纳米粒子的团聚。(2)合成过程反应条件温和,是一种环境友好的绿色合成方式。(3)病毒模板所含有的蛋白质由多种氨基酸组成,具有诸多活性基团,易于对其进行化学或分子修饰。(4)模板病毒在自然界中含量丰富,易于制备,来源广泛,降低了获得制备成本。(5)所得到的纳米材料将同时具有病毒模板和金属纳米粒子的多种性质及更好的生物相容性,使其在催化转化、生物传感、能量储存和转换、磁共振成像、药物传递及对肿瘤治疗等领域具有广阔的应用前景。
2 病毒模板金属纳米材料的合成
目前常用病毒模板有植物的豇豆花叶病毒(CPMV)、豇豆褪绿斑驳病毒(CCMV)、烟草花叶病毒(TMV)等,动物的腺病毒(Adeno-virus)、猿猴病毒(SV40)等,噬菌体Fd、M13、P22等(表1)。病毒模板通过直接合成或组装预成型纳米粒子合成金属纳米材料,基于合成位置不同可将其分为病毒内腔合成、外表面合成、内外表面同时合成。
表1 合成金属纳米材料常用病毒模板Table 1 Common virus templates for synthesis of metal nanomaterials |
| Virus | Shape | Size(nm) | ref | |
|---|---|---|---|---|
| Outer | Inner | |||
| CPMV | Sphere | 28 | 20 | 34 |
| CCMV | Sphere | 28 | 18 | 35 |
| BMV | Sphere | 28 | 18 | 36 |
| RCNMV | Sphere | 36 | 17 | 37 |
| TMV | Rod | 300×18 | 4 | 38 |
| ToMV | Rod | 300×18 | 4 | 39 |
| α-virus | Sphere | 39 | 33 | 40 |
| SV40 | Sphere | 45 | 30 | 41 |
| Fd | Rod | 880×6.6 | - | 42 |
| M13 | Rod | 880×6.6 | - | 43 |
| P22 | Sphere | 64 | 54 | 44 |
Both the TMV and the ToMV belong to Tobamovirus.Both the M13 and the Fd belong to Invirus,but one amino acid is different in each protein. |
2.1 病毒内腔合成金属纳米材料
在病毒内腔合成金属纳米材料通常采用两种方法,其一是将病毒与含有金属离子的盐溶液混合共同孵育,在此过程中金属离子可进入病毒内腔与氨基酸相互结合或在病毒内腔形成前体物质,再加入还原剂使金属粒子沉积在病毒内腔[45, 46]。De Pablo等[47]以这种方式在病毒CPMV内腔成功合成了磁性钴纳米颗粒(图1),首先用氯化钴和CPMV共同孵育,钴离子与CPMV衣壳内腔带负电荷的氨基酸相互作用,随后添加还原剂硼氢化钠,在CPMV内将钴离子还原生成纳米钴粒子。杆状植物病毒TMV也常被作为模板合成纳米材料,该病毒长300 nm,直径18 nm,内部含有直径4 nm的中央孔道,研究者们常利用该孔道合成纳米线。如Yamashita等[48, 49]在 TMV内部先后合成了Pt纳米线、CoPt纳米线、FePt3纳米线,其他研究者还在TMV内部合成了Cu纳米线[50]。
此外,Cornelissen等[52]利用CCMV的外壳蛋白实现对不同尺寸的金纳米粒子的包封(图2),效率高达97%,他们先提取出CCMV外壳蛋白二聚体,并用表面活性剂双(对-磺酰苯基)苯基膦(BSPP)处理柠檬酸盐制备的Au纳米粒子,随后将二者在中性条件下共同孵育,利用Au纳米粒子表面的BSPP与CCMV外壳蛋白的静电结合作用,将Au纳米粒子封装在CCMV衣壳蛋白内部。类似研究还有利用红三叶草坏死花叶病毒(RCNMV)合成Au纳米粒子[53]等,这种方法优势是预成型纳米粒子阶段可采用高温等条件,以最优条件制备不同大小、形状的单分散晶体,克服了病毒模板蛋白稳定性方面的障碍,并通过调节金属粒子尺寸改变合成材料的结构属性。
在模板蛋白内腔合成金属纳米材料可以系统控制合成过程的关键因素,如表面电荷、疏水性、材料尺寸等。在各种纳米技术应用时,因其具有外壳蛋白保护,无需考虑内部金属纳米粒子对应用环境的影响。
2.2 在病毒模板外表面合成金属纳米材料
在病毒外表面合成金属纳米材料通常可以保证材料的高分散性,增强材料相关活性,应用时还可使金属纳米粒子充分与底物接触。Gao等[54]在野生型噬菌体T4头部衣壳表面合成了铂纳米颗粒,利用T4噬菌体和金属氯化物长时间共同孵育,T4衣壳表面的蛋白可以定向吸附和还原Pt4+,随后加入二甲胺硼烷(DMAB)进行还原,合成了粒径均为3~4 nm的高分散性Pt纳米粒子覆盖在整个病毒衣壳外表面,最终得到了约65 nm的Pt@T4壳核结构。研究人员同时对比相同条件下无病毒模板的氯化铂反应溶液,发现加入DMAB后形成了大颗粒Pt纳米粒子团聚体,这说明病毒蛋白官能团与溶液中金属离子的相互作用对金属纳米粒子和纳米壳的形成具有重要意义。研究者进行电化学分析测试表明, Pt@T4壳核结构的电催化活性较无模板合成的Pt纳米粒子有很大提高。
研究还发现,在病毒模板法合成金属纳米材料时,病毒表面蛋白可起到结合、还原金属离子的作用,不需要外源化学还原剂和表面活性剂的添加。Nam等[55]以基因修饰的E3-M13作为成核和结晶的模板合成了Pd纳米线(图3,d、e分别是TEM和UV-Vis检测结果图),在不添加任何还原剂和表面活性剂的条件下,病毒表面的羧酸基团与Pd2+静电络合,随后Pd配合物沿模板表面自矿化,该材料主要优势体现于强稳定性和线性粒子间形成的良好网状结构,催化Suzuki偶联反应时,重复使用多次后仍保持活性,而常规Pd纳米粒子在催化过程中会迅速聚集失去原有催化活性,这种多孔且相互交连的Pd纳米结构具有高比表面积和体积比,反应中心密集,用作高选择性的化学电阻式氢气传感器时可大幅提高灵敏度和反应速度。这种合成方式也表明,阳离子金属配合物与病毒的静电结合对金属纳米材料自发形成极其重要,对病毒进行适当的基因修饰可以增强此作用。
合成过程中还可以结合其他物理化学方法,使其更简单、快速。如Bittner等[58]通过电沉积在TMV表面合成纳米ZnO,TMV外表面氨基酸(Asp64、Asp66提供羧基,Arg61、Arg141提供氨基)可先结合Pd2+,在DMAB还原硝酸盐时会引起TMV表面局部pH值变化产生羟基,ZnO由此形成并在Pd层下方结合在TMV外表面,随ZnO层形成Pd粒子会逐渐分散在悬浮液中。类似研究还有Soto等[59]利用Pd先活化的TMV、Fd、M13三种杆、丝状病毒结合电沉积法在其表面合成了直径24~46 nm的Cu纳米棒,同时发现用聚苯胺包裹的TMV以同样方法可合成长达1 μm的Cu纳米线。利用有机物或金属离子对病毒模板进行活化、结合电沉积等方法合成可伸缩、高质量的纳米棒或纳米线,具有重要的理论和应用意义。
2.3 病毒模板内外表面同时合成金属纳米材料
合成材料时,在病毒模板内外表面可同时结合金属纳米粒子,以提高材料原有活性或赋予材料更多功能。Blum等[63]在模板内外表面同时合成Au纳米粒子(图4),外表面构成Au纳米环,通过调节pH值可使模板内腔中也含有Au纳米粒子。此外,还可在模板内外表面分别合成不同金属纳米粒子,Gupta和Prevelige等[64]利用噬菌体P22在其内外表面合成了Au-CdS壳核结构,首先将一种与CdS有很强亲合力的肽(SLTPLTTSHLRS)通过基因工程技术导入到P22衣壳蛋白内侧,在保证P22完整外壳的前提下,CdS与内部多肽结合并成核生长,将CdS合成在P22内,随后滴加NaBH4、HAuCl4溶液在P22衣壳外表面合成Au纳米颗粒。他们也发现[65],CdS在P22中的可控合成也可以通过调节运动到P22内腔和镉离子溶液中的硫在硫代乙酰胺前体物中的释放来实现。
3 病毒模板合成金属纳米材料的影响因素
金属纳米粒子的尺寸、形貌、晶形、模板上晶体生长的位置等都影响其生物、化学功能。在合成过程中,金属离子还原、晶体生长、晶体形貌及活性等,都与合成体系的pH值、温度、离子强度、还原剂种类和浓度、反应时间、病毒和金属离子比例、模板表面氨基酸和多肽、表面活性基团等诸多因素相关。
3.1 体系pH值的影响
金属纳米粒子可与病毒模板稳定结合的一个主要因素是合成体系中电荷的相互作用,在病毒模板稳定的pH值范围内,pH值改变会影响体系中游离离子的电荷及模板蛋白的状态,进而控制所合成金属纳米粒子的尺寸和形貌。
蛋白质表面的孔隙大小及电荷状态均与环境pH值相关,当pH值升高时,病毒衣壳蛋白表面孔隙会随之增大,所带负电荷量也会升高,可促进金属纳米粒子在衣壳表面的沉积,如Cornelissen等[66]在合成CCMV Au/SiO2核-壳结构纳米材料时,发现通过调节反应溶液pH,可控制合成纳米粒子的尺寸,纳米颗粒尺寸随体系pH值升高而增大,由pH=4调节到7.5时,粒子直径会由2.5 nm增大到20 nm,且合成位置由CCMV内部转变为内外表面均有粒子沉积。这将为制备具有良好结构和功能的核-壳纳米材料提供一种新的技术思路。
3.2 氨基酸和多肽的影响
通常利用噬菌体展示技术筛选出可特异性结合金属化合物的多肽片段,这些多肽具有特异结合金属纳米化合物、控制纳米颗粒成核、根据病毒固有的各向异性进行排序的能力。将它们通过基因工程技术整合到病毒衣壳中,可以使病毒特异结合相应金属化合物,控制纳米颗粒的组成和形状,因此也可以根据不同类型的纳米材料对病毒进行特定修饰。例如,Blecher等[71]能够合成ZnS、CdS、FePt、CoPt纳米材料,就是通过基因工程技术将能够特异性吸附金属化合物的多肽片段(CNNPMHQNC,即A7,识别ZnS;SLTPLTTSHLRS,即J140,识别CdS;HNKHLPSTQP LA,即 FP12,识别FePt;CNAGDHANC,即CP7,识别CoPt)整合到丝状噬菌体M13衣壳中。Prevelige等[72]也是通过基因工程手段在P22基因中克隆入两段基因分别编码两个多肽,即T1(CHKKPSKSC)和T2(RKLPDAPGMHTW),这两段多肽可以特异性结合TiO2粒子,并促进其晶体生长,从而在中性pH值和室温下,于P22内部合成了粒径约34 nm的TiO2纳米粒子,该方法明显提高了材料的光催化活性。Johnson等[73]将6个组氨酸基因导入到CPMV基因组中的不同位置,获得了5个不同突变体,研究发现,突变体颗粒对金属Ni的结合表现出不同的亲合力,其静电特性与暴露的组氨酸序列质子化状态有关。
随着相关领域研究者们对病毒表面功能氨基酸和多肽的了解,以及化学、基因工程技术的发展,为精准定向在病毒内外模板表面合成金属纳米材料奠定扎实的理论基础。
3.3 外源表面活性剂和还原剂
尽管有一些合成不需要外源表面活性剂和还原剂的添加,模板蛋白表面基团就可以充当合成过程中的表面活性剂或还原剂,但当病毒蛋白不能直接与金属离子结合或不能直接还原金属离子时,就需要外源添加表面活性剂和还原剂辅助合成金属纳米材料。
常用还原剂有DMAB、NaBH4等,NaBH4属强还原剂,可直接将金属离子还原为金属粒子。DMAB还原性较弱,比如其还原力不足以将Zn(OH)2还原为金属粒子[58]。DMAB可以在合成体系中与病毒、金属离子等共同孵育,可合成小粒径更均一的金属纳米粒子。
3.4 其他因素
4 应用
病毒模板法较合成金属纳米材料的其他方法,具有高比表面积、高分散性、可控性、低毒性、更好的生物相容性等特点,使其应用范围更广,性能更优,在此将主要介绍使用病毒模板合成的金属纳米材料在催化、纳米电池、生物医学和医学影像学等方面的应用研究情况。
4.1 在催化方面的应用
有些纳米粒子在构建材料时不表现催化活性,但该纳米粒子的存在可以增强材料的催化性能,比如以P22为模板合成的Au-CdS壳核结构中Au纳米粒子可以通过等离子共振(SPR)捕捉可见光能量并将其转移到纳米CdS催化中心[64]。
4.2 在纳米电池方面的应用
应用于纳米电池的金属纳米材料主要以线性丝状或杆状病毒为模板制备,所合成的纳米线具有较高的长宽比,可形成多孔网状结构,最大限度地利用催化剂与放电产物之间的相互作用,从而提高电池的可逆性和稳定循环寿命。
在此领域内Belcher等多次探索用噬菌体M13为模板合成纳米材料以提高纳米电池性能,曾利用M13组装合成锰氧化物纳米线作为电池电极(图6)[85],M13中pⅧ蛋白所具有的羧基可结合锰离子,该电极表面粗糙,可提供较大催化面积,又能为放电产物(Li2O2)提供足够的储存空间,在纳米线表面又均匀掺入质量比3%的Pd纳米粒子,可将锂氧电池的比容量提高至13 350 mAh·g-1,并稳定循环50次。他们随后又以相同方式,利用M13为模板合成钴锰氧化物作为锂氧电池电极[86],获得了比碳电极更高的比容量。之后又将M13与单壁碳纳米管(SWCNTs)整合为复合模板[87],使导电碳纳米管与活性材料的接触面积最大化,并在室温下合成FePO4纳米粒子,以提高电极的放电容量和功率。
以TMV为模板制备电极也可显著增强电极性能。Ghodssi等[88]利用TMV合成了一种层状Ni/NiO新型电化学储能器件,通过STEM和EELS分析证实了TMV/Ni(核)/NiO(壳)纳米棒的形成,该电极在充放电循环中活性物质的比表面积、孔度及NiO含量会有所增加,电极电容也会随之增加,最高可达81.4 μAh·cm-2,较无模板Ni/NiO纳米结构(24.3 μAh·cm-2)和平面Ni/NiO电极(2.5 μAh·cm-2)分别增加了3.3和32.6倍,而且该电极具有良好的循环稳定性,在恒电流2 mA·cm-2的充放电循环中无容量衰减。
4.3 在生物医学和医学影像学方面的应用
4.3.1 生物传感
生物传感是将生物敏感物质浓度变化转换为电信号、光信号等其他信号进行检测的技术,可以用于疾病早期诊断、微生物检测、环境污染物检测等领域。随着生物传感发展,如何增强检测信号、提高灵敏度一直是该领域关注的焦点。Soto等[89]将金纳米粒子(直径约24~30 nm)通过定向自组装技术精确定位到基因修饰豇豆花叶病毒BC-CPMV和野生豇豆花叶病毒WT-CPMV表面,构建了三维等离子体纳米结构的类病毒粒子。两种等离子体较游离金纳米粒子的吸收峰发生红移,在600~675 nm内有一个宽频带,可用于特定的纵向表面等离子体(LSP)激发,表面增强拉曼光谱(SERS)效果增强近十倍。使用该粒子检测M13mp18单链DNA时,1 μL水溶液中 0.25~250 ng·μL-1样品均可被观察到拉曼信号,最低检测浓度明显优于无模板金纳米粒子。
Nam等[90]基于M13病毒设计并合成了双功能纳米探针,用于检测前列腺特异抗原(PSA)。研究人员在M13病毒末端连接了一个高亲合力抗体,并通过外壳蛋白上表达的结合肽将金纳米颗粒紧密排列成链,金纳米颗粒可以增强探针的拉曼信号,测量检出限可达1 pg·mL-1。
Haberer等[91]在M13附着有Au纳米粒子的材料表面聚合了一层聚吡咯(PPy)构成超薄导电聚合物壳,可作为化学电阻式NH3传感器,材料吸附的NH3分子可以作为电子供体,通过补偿降低空穴浓度,可逆地降低或增加聚合物电阻,检测范围可达5~50 ppmv,当NH3浓度低于10 ppmv时,灵敏度约0.30% ,检出限低至0.007 ppmv。研究表明该材料传感性能优于其他PPy纳米线,增强的性能可归因于此合成方式PPy的超薄层和Au纳米粒子的催化效应。
4.3.2 磁共振成像
磁共振成像(MRI)在疾病早期诊断和治疗方面具有极其重要的作用,能够检测癌症、组织坏死、骨髓损伤等疾病并监测发生过程,具有无创伤、无辐射损害的优势,是临床医学中广泛应用的诊断技术。近年来,研究者们对高有效载荷、高弛豫性的MRI造影剂材料的开发产生了极大的兴趣。目前,MRI造影剂一般选用顺磁性材料,具有较高的弛豫度、信噪比、灵敏度[92],可用离子主要有Ti3+、Ni2+、Co3+、Mn2+、Gd3+、Eu3+、Pa4+,其中以Gd3+类螯合物最为常见。病毒模板合成的纳米材料作为MRI造影剂具有显著优势,如其可以通过基因工程技术在病毒表面修饰编码更多的功能肽,使其可用于多模态成像;病毒模板内外表面的三维结构,可显著提高纳米粒子的有效载荷[93]。
2005年,Douglas等[94]首次将病毒模板纳米材料用于磁共振成像,研究发现Gd3+可以结合在CCMV中原Ca2+结合位点,尽管Gd3+亲合力较低,但其具有较高的T1离子弛豫性。随后他们又构建了一个可高密度负载Gd3+的载体[44],以噬菌体P22为模板通过原子转移自由基聚合反应(ATRP)在P22内部修饰AEMA富伯胺聚合物(图7),MRI造影剂配合物可以与伯胺键相连,已应用于血管成像实验[95]。在此基础上,他们又在P22衣壳内有效负载了1900个Gd3+,离子弛豫率为21.7 mM-1·s-1,材料总弛豫率高达41 300 mM-1·s-1(28 MHz,25 ℃)[96]。这些研究对未来基于病毒模板合成MRI造影剂的设计提供了具体方案和重要思路,具有开拓性意义。
利用病毒内腔合成的磁性金属纳米粒子作为MRI造影剂时,病毒模板衣壳的存在可以使其内外表面分隔,内表面用于结合磁性离子,外表面可连接靶向性识别分子,这种设计将内部磁性纳米粒子对受体的影响降低到最小。除此之外,Francis等[97]通过实验证明在MS2衣壳外表面通过酪氨酸残基结合的Gd螯合物不仅比外表面依赖赖氨酸结合的Gd螯合物具有更高的弛豫性,而且表现出更好的水溶性和衣壳稳定性,离子弛豫率高达41.6 mM-1·s-1,总弛豫率为3900 mM-1·s-1(30 MHz,25 ℃)。
结合其他元素或化合物制备成复合顺磁性材料也可以提高MRI造影剂性能。Cornelissen等[98]在CCMV内部合成了Gd-DOTAC10/ZnPc顺磁性胶束,该复合胶束具有更高的有效载荷,粒径分布均匀,表现出更高的r1弛豫性,可将其用于磁共振成像T1加权像,成像效果得到了明显提高。
病毒模板也可以合成其他磁性金属纳米材料用于磁共振成像,如利用CPMV表面合成的铁氧化物[100]等。Belcher等[101]在M13表面组装单分散的磁性纳米粒子,并在M13衣壳末端修饰可以靶向识别SPARC糖蛋白的功能多肽,检测小鼠癌变情况时可观察到注射材料前后的磁共振图像明暗区别显著,由于单个靶向分子可向细胞传递的有效成像功能粒子数量增加,因此与靶向肽直接修饰的纳米粒子相比,该材料的图像对比度明显改善,信噪比提高,而且与临床使用的超顺磁性氧化铁粒子相比,该材料更为稳定。在植物病毒内合成磁性金属纳米材料也可用于针对植物细胞的观察,Dragnea等[99]将在BMV内部合成的铁氧化物用于T2加权的MRI成像(图8),该材料可以穿透植物叶片细胞膜进入细胞质,且可长距离运输至叶片边缘,基于此可利用MRI技术检测植物生长发育等重要生理过程。
4.3.3 荧光探针
随着纳米技术发展,除利用量子点(QDs)、荧光染料分子[102]等具有荧光的物质可直接作为荧光探针外,研究者们发现处于纳米尺度的金属粒子也可能具有荧光,或者结合纳米材料的特异性修饰荧光分子,可作为诊断、检测的工具应用于生物医学领域。
以病毒为模板合成具有荧光的金属纳米材料,可用于荧光检测诊断分析、病毒的标记和跟踪等领域,实时观察病毒侵染宿主细胞的过程,开创了直接观察病毒感染过程的方法,同时排除了在病毒外标记荧光物质对病毒与宿主相互作用的干扰。
4.3.4 肿瘤诊疗一体化
4.4 在其他方面的应用
5 结论
近年来,以病毒为模板合成纳米材料发展迅速,取得了一系列研究成果。病毒模板法具有模板制备简单、来源广泛、易于人工合成及修饰、反应条件温和等特点,合成过程还可以结合其他物理化学方法综合利用,以增强合成材料性能,该方法已成为纳米材料合成的重要方式。基于此,国内外研究者们利用不同病毒模板通过调节过程中体系pH值、氨基酸和多肽组成、添加还原剂或表面活性剂等因素,已成功合成了不同尺寸形貌、不同功能的金属纳米材料。病毒模板本身复杂的分子结构和大量的官能团共同作用能够调控制备出具有功能性、分散性、稳定性、生物相容性、低毒性等优势的复合纳米材料,所合成材料可应用到催化、纳米电池、生物传感、医学成像、临床诊断治疗等诸多交叉领域,具有独特优势。
虽然相关研究已取得了一定进展,但仍存在以下问题:(1)材料表面模板蛋白质的附着或包覆会降低金属纳米粒子活性,进而影响材料应用性能,可以通过构筑精确制备方法合成具有良好分散性和大通道的可控病毒纳米粒子,提高金属纳米粒子活性,以满足材料在催化、纳米电池、生物医学等应用中的有效性。(2)合成过程中,仍有较多性能良好的活性粒子或金属化合物在病毒模板上负载量较少或与之结合能力较弱,可利用氨基酸定点突变、化学或基因修饰等技术对病毒模板进行适当改造,增加与活性纳米粒子的结合位点并提高静电作用或化学键稳定性,进而提高材料导电、催化等性能。(3)病毒模板蛋白尚有较多未利用但具有活性的多肽和氨基酸,还需深入研究以充分发挥模板蛋白功能。在生物医学领域应用中,可将特定受体、抗体、其他功能分子结合到纳米材料上,以提高材料在复杂混合物中的选择性和多功能性。(4)在极端条件下,如强氧化性、强酸性、强碱性环境中,病毒生物模板的稳定性差,限制了材料在纳米电池领域的应用。如何解决上述这些问题是病毒模板合成金属纳米材料面临的主要挑战和未来可能的研究重点及发展方向。这对于病毒模板金属纳米材料的合成和应用研究具有重要的意义,同时为环境友好的纳米材料绿色合成路线提供新的思路,有助于纳米科学技术领域的发展,相信其未来应用前景不可估量。