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CdS纳米粒子的绿色生物合成方法

期刊:journal of colloid and interface scienceDOI:10.1016/j.jcis.2009.10.003

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研究作者与机构
本研究由K. Prasad和Anal K. Jha共同完成,分别来自印度T.M. Bhagalpur University的物理系和化学系。研究发表于2010年的《Journal of Colloid and Interface Science》期刊,具体卷期为342卷,页码为68-72。

学术背景
本研究属于纳米材料与纳米生物技术领域,重点关注硫化镉(CdS)纳米颗粒的绿色合成方法。CdS作为一种II-VI族半导体材料,因其在太阳能电池、光电探测器、生物传感器等领域的广泛应用而备受关注。然而,传统的CdS纳米颗粒合成方法通常涉及有毒化学物质和高能耗,因此开发一种环保、低成本且高效的合成方法成为研究的重要目标。本研究的目的是利用微生物(乳酸菌和酿酒酵母)介导的绿色合成方法,快速制备CdS纳米颗粒,并探索其形成机制。

研究流程
研究分为以下几个主要步骤:

  1. CdS纳米颗粒的合成

    • 乳酸菌介导的合成:从乳酪中获取乳酸菌细胞,将其在含有碳源和氮源的蒸馏水中培养36小时,作为源培养物。取25 mL培养物,用75 mL蒸馏水稀释,继续培养24小时。随后,将0.25 M的氯化镉(CdCl₂)溶液与硫化氢(H₂S)溶液混合,直至溶液呈现橙黄色,表明CdS形成。将该溶液加入培养物中,在60°C的水浴中加热10-20分钟,直至出现橙黄色沉淀。最后,将培养物冷却并在室温下孵育过夜,过滤后用于进一步研究。
    • 酵母介导的合成:将酵母细胞在含有碳源和氮源的培养基中培养36小时,作为源培养物。取25 mL培养物,用30%乙醇稀释,继续培养24小时。将0.25 M的CdCl₂溶液与H₂S溶液混合,直至溶液呈现深橙黄色,表明CdS形成。将该溶液加入培养物中,在60°C的水浴中加热10-20分钟,直至出现橙黄色沉淀。最后,将培养物冷却并在室温下孵育过夜,过滤后用于进一步研究。
  2. CdS纳米颗粒的表征

    • X射线衍射(XRD)分析:使用X射线衍射仪(Phillips PW1710)对CdS纳米颗粒进行分析,确认其晶体结构和晶胞参数。
    • 透射电子显微镜(TEM)分析:使用透射电子显微镜(Hitachi H-7500)观察CdS纳米颗粒的形貌和尺寸分布。
    • 紫外-可见光谱(UV-Vis)分析:使用紫外-可见分光光度计(DR 5000)测量CdS纳米颗粒的吸收光谱,分析其表面等离子体共振(surface plasmon resonance)和光学带隙(optical band gap)。

研究结果
1. XRD分析:XRD图谱显示,CdS纳米颗粒具有六方晶系结构,晶胞参数与文献报道一致。乳酸菌和酵母介导的CdS纳米颗粒的晶胞参数分别为a = 4.121 Å、c = 6.681 Å和a = 4.119 Å、c = 6.680 Å。
2. TEM分析:TEM图像显示,CdS纳米颗粒呈球形,尺寸范围为2.5-5.5 nm。乳酸菌和酵母介导的CdS纳米颗粒的平均尺寸分别为4.93 nm和3.57 nm。
3. UV-Vis分析:乳酸菌和酵母介导的CdS纳米颗粒的表面等离子体共振峰分别位于393 nm和369 nm。通过吸收光谱计算的光学带隙分别为2.52 eV和2.607 eV,表明纳米颗粒的量子尺寸效应(quantum size effect)。

结论
本研究成功开发了一种低成本、环保且高效的CdS纳米颗粒绿色合成方法。利用乳酸菌和酿酒酵母作为生物模板,能够在室温下快速合成尺寸均匀的CdS纳米颗粒。研究结果表明,酵母介导的合成方法优于乳酸菌,可能是由于酵母作为真核生物具有更复杂的细胞结构和更高的代谢能力。该研究为纳米材料的绿色合成提供了新的思路,具有重要的科学和应用价值。

研究亮点
1. 绿色合成方法:利用微生物介导的合成方法,避免了有毒化学物质的使用,符合绿色化学的原则。
2. 低成本与高效性:合成过程简单,所需设备少,适合大规模生产。
3. 纳米颗粒的均匀性:合成的CdS纳米颗粒尺寸均匀,具有优异的物理化学性质。
4. 机制探索:提出了微生物介导的CdS纳米颗粒形成机制,为相关研究提供了理论支持。

其他有价值的内容
研究还探讨了pH值和氧化还原电位(rh₂)对合成过程的影响,为进一步优化合成条件提供了参考。此外,研究团队此前还利用类似方法合成了其他金属和金属氧化物纳米颗粒,表明该方法的普适性和可扩展性。


以上报告详细介绍了研究的背景、流程、结果、结论及其科学价值,旨在为相关领域的研究人员提供全面的参考。

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