CN103317786A - 一种二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抗菌技术，具体的说是一种二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜及其制备和应用。多层复合薄膜的构成为：基底/PEI/(TNS/LSZ)n，其中基底为石英；PEI为聚乙烯亚胺，TNS为带负电荷的二氧化钛纳米片的层板；LSZ为在中性介质中表面带正电荷的溶菌酶；n为多层复合薄膜的层数，且1≤n≤20。该多层复合薄膜的制备方法是通过静电自组装技术将带负电荷的二氧化钛纳米片与带正电荷的溶菌酶依次重复沉积到经表面处理后的基片上。本发明的优点在于，该多层复合薄膜用作抗菌薄膜具有抗菌性能好的优点，此外本发明涉及的制备方法可以在室温、溶液体系中进行，不需要昂贵的设备，操作方便、原料成本低。
Description
技术领域
本发明涉及抗菌技术，具体的说是一种二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜及其制备和应用。
背景技术
人类生活环境中存在大量肉眼看不到的微生物，包括各种各样的细菌和真菌，它们在一定条件下便会成几何级数地迅速繁殖起来，表现为物品的腐败、变质、发霉和伤口的感染化脓等现象，直至给人类带来致命的疾病，对社会造成很大危害。
二氧化钛是一种化学性能稳定、环境友好、廉价易得的材料，在光催化、光降解和光电转换领域得到广泛应用。纳米锐钛型二氧化钛在太阳光照射下发生光催化反应，生成原子氧和氢氧自由基，因而具有很强的化学活性，产生杀菌、除臭、防污等多种功能，是一种对人体安全无毒、抗菌范围广、热稳定性优良的无机抗菌剂。
将层状钛酸盐前体通过溶胀剥离技术可制得单层或薄层的纳米片，其具有几埃到几纳米的厚度、几十到几百纳米的侧面尺度。因此，纳米片不仅具备前体材料物理化学性能，如半导体性能，又具有各向异性和高比表面积；由于量子尺寸效应，纳米片半导体具有更大的禁带宽度和更高的光反应活性。
在文献(1)J.Am.Chem.Soc.，2004，126：5851-5858中，N.Sasaki等人将二氧化钛纳米片与聚二烯丙基二甲基氧化铵PDDA通过静电层层自组装技术沉积到氧化铟锡导电玻璃基底上，制备成光电转换薄膜，在波长为280nm的单色光辐射下产生的光电流密度为0.4μA/cm2。
溶菌酶又称胞壁质酶或N-乙酰胞壁质聚糖水解酶，是一种能水解致病菌中黏多糖的碱性酶。主要通过破坏细胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡糖之间的β-1，4糖苷键，使细胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，导致细胞壁破裂内容物逸出而使细菌溶解。溶菌酶还可与带负电荷的病毒蛋白直接结合，与DNA、RNA、脱辅基蛋白形成复盐，使病毒失活。因此，该酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用。溶菌酶等电点为11.00-11.35，因此在中性介质中表面带有正电荷，理论上可与带负电荷的二氧化钛纳米片组装。
发明内容
本发明的目的是提供一种二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜及其制备和应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜，多层复合薄膜的构成为：基底/PEI/(TNS/LSZ)n，其中基底为石英；PEI为聚乙烯亚胺，TNS为带负电荷的二氧化钛纳米片的层板；LSZ为在中性介质中表面带正电荷的溶菌酶；n为多层复合薄膜的层数，且1≤n≤20。所述PEI为在水溶液中为带正电荷的聚阳离子聚乙烯亚胺。所述二氧化钛纳米片为无机半导体材料，其化学组成为[Ti1-δ□δO2]4δ-；□代表由于钛元素缺失而产生的钛空位，δ代表钛空位的摩尔分数，0.07≤δ≤0.11，4δ-代表二氧化钛纳米片所带有的负电荷；其二氧化钛纳米片厚度为0.7-1.2nm，侧面尺度在100-800nm范围内。
二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜的制备方法，
1)二氧化钛纳米片胶体溶液的制备：将Cs2CO3和TiO2按照1∶5.1-1∶5.5的摩尔比混合研磨，混合物在800-900℃下煅烧30-60分钟，然后研磨再以800-900℃下煅烧20-24小时后冷却，再次研磨并在800-900℃下煅烧20-24小时，得到层状钛酸铯CsxTi2-x/4□x/4O4(CTO)，其中0.5≤x≤0.9；
然后将CTO与HCl按照50-200mL/g的液固比混合搅拌3-4天，产物用二次蒸馏的去离子水清洗至中性得到质子型钛酸盐HxTi2-x/4□x/4O4(HTO)，其中0.5≤x≤0.9；
最后将HTO与浓度为0.0017-0.5mol/L的四正丁基氢氧化铵(TBAOH)溶液按照250-300mL/g的液固比在室温下搅拌得乳白色悬浊液，再经高速离心得到二氧化钛纳米片胶体溶液；
2)薄膜基底的表面处理：薄膜基底为石英，先将石英依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗清洗，再浸入到H2O2和浓硫酸按体积比为3∶7-4∶6配制的洗液中超声清洗，最后用二次蒸馏的去离子水冲洗干净后用N2吹干；
3)二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合抗菌薄膜的制备：将清洗后的石英基底浸入浓度2.0-2.5g/L的聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中，浸泡后取出淋洗N2吹干；
将上述基底浸入到步骤1)所得的浓度为0.02-0.2g/L的二氧化钛纳米片胶体溶液中，浸泡后取出取出淋洗N2吹干；用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干，再将上述基底浸入到含溶菌酶的磷酸盐缓冲溶液中，浸泡后取出取出淋洗N2吹干，得二氧化钛纳米片/溶菌酶复合薄膜。
将上述所得二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜再次浸入步骤1)所得的二氧化钛纳米片胶体溶液中浸泡，而后在进入含溶菌酶的磷酸盐缓冲溶液中浸泡，重复操作即得到二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜。
所述步骤1)中CTO与1.0-1.5mol/L的HCl混合搅拌3-4天，搅拌时每24小时更换一次1.0-1.5mol/L的HCl；
二次蒸馏去离子水是经过两次蒸馏的去离子水；
HTO与浓度为0.0017-0.5mol/L的四正丁基氢氧化铵(TBAOH)溶液搅拌后高速离心1-2次，离心速度为10000-12000转/分钟，15-30分钟。
所述步骤2)将石英依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗清洗，20-30分钟以除去表面污物，再浸入到质量分数为30％-33％的H2O2和质量分数为95％-98％的浓硫酸配制的洗液中超声清洗30-60分钟。
所述步骤3)石英基底浸泡在聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中20-30分钟后用二次蒸馏的去离子水淋洗干净并用N2吹干；
将上述基底浸泡到步骤1)所得的二氧化钛纳米片胶体溶液中15-30分钟，用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干，
再将上述基底浸泡到含溶菌酶浓度为0.5-2g/L的pH 6.0-6.8的磷酸盐缓冲溶液中15-30分钟用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干。
本发明的效果及优点是：本发明提供了二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜，制备是通过静电自组装技术将带负电荷的二氧化钛纳米片与带正电荷的溶菌酶依次重复沉积到经表面处理后的基片上。多层复合薄膜采用的材料将二氧化钛纳米片的光催化杀菌性能与溶菌酶的抗菌性能有机结合，并借由两者的协同效用达到抗菌目的，有效提高复合薄膜抗菌性能。同时该制备方法可以在室温、溶液体系中进行，不需要昂贵的设备，操作方便、原料成本低。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的不同层数二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜的紫外-可见吸收光谱(其中横坐标-波长，单位为纳米；纵坐标-吸光度，无单位)。
图2为本发明实施例所提供的所得的组装层数为10层的二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜在有紫外光照射下吸光度值为1的溶壁微球菌(Micrococcus lysodeikticus)菌液吸光度值随照射时间变化曲线(其中横坐标-时间，单位为小时；纵坐标-450纳米处吸光度值，无单位)。
具体实施方式
实施例1
按照1∶5.1的摩尔比称取3.26g Cs2CO3和4.07g TiO2混合研磨后放入马弗炉中，800℃下锻烧1小时，冷却至室温后研磨，并在800℃锻烧20小时，待冷却后再次研磨，在800℃下煅烧20h，即得到层状钛酸铯CTO；称取1.5g的CTO加入到300mL 1mol/L的HCl溶液中搅拌3天，每24小时更换一次全新的1mol/L的HCl溶液，得到的产物用二次蒸馏的去离子水清洗至中性得到质子型钛酸盐HTO；最后将1.5g的HTO与450mL 0.017mol/L的TBAOH溶液在室温下搅拌10天得到乳白色悬浊液，经过2次30分钟10000转/分钟的高速离心得到剥离的二氧化钛纳米片胶体溶液。
将薄膜基底石英依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗20分钟以除去表面污物，再浸入到质量分数为30％％的H2O2和质量分数为98％的浓硫酸按照体积比为3∶7配制的洗液中，超声清洗30分钟，最后用二次蒸馏的去离子水冲洗干净后用N2吹干。
将清洗后的石英基底垂直浸入2.5g/L的PEI水溶液中，20分钟后取出用二次蒸馏的去离子淋洗干净并用N2吹干；然后将带有正电荷的基底再浸入到上述所得浓度为0.04g/L的二氧化钛纳米片胶体溶液中，15分钟后取出用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干；再将基底浸入到溶菌酶浓度为1g/L的pH 6.8的磷酸盐缓冲溶液中，15分钟后取出用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干后采用紫外-可见分光光度计对其吸收性能进行测试；重复9次上述二氧化钛纳米片与溶菌酶的组装过程及紫外-可见光吸收测试，制备出10层的含有二氧化钛纳米片和溶菌酶的多层组成的抗菌薄膜，同时得到紫外-可见分光光度计对该抗菌薄膜组装过程的原位跟踪测试(参见图1)。图1结果表明：随着薄膜组装层数的增加，在262.5nm处的吸光度也随之均匀增长，二者成良好的线性关系，说明组装过程是连续均匀的。
将上述制备薄膜置于吸光度为1的含有溶壁微球菌(Micrococcuslysodeikticus)的pH 6.8磷酸盐缓冲液中，用紫外-可见分光光度计跟踪有紫外光照射下450nm处吸光度值随浸泡时间变化趋势。研究结果表明该复合薄膜在紫外光照射下具有很好的抗菌性能(图2)(其中仪器使用日本日立公司U-2900紫外可见光谱仪表征吸光度)。
实施例2
按照1∶5.5的摩尔比称取3.26g Cs2CO3和4.39g TiO2混合研磨后放入马弗炉中，900℃下锻烧30分钟，冷却至室温后研磨，并在900℃锻烧24小时，待冷却后再次研磨，在900℃下煅烧24h，即得到层状钛酸铯CTO；称取3g的CTO加入到400mL 1.5mol/L的HCl溶液中搅拌4天，每24小时更换一次全新的1.5mol/L的HCl溶液，得到的产物用二次蒸馏的去离子水清洗至中性得到质子型钛酸盐HTO；最后将1.0g的HTO与250mL0.5mol/L的TBAOH溶液在室温下搅拌7天得到乳白色悬浊液，经过2次15分钟12000转/分钟的高速离心得到剥离的二氧化钛纳米片胶体溶液。
将薄膜基底石英依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗30分钟以除去表面污物，再浸入到质量分数为33％％的H2O2和质量分数为95％的浓硫酸按照体积比为4∶6配制的洗液中，超声清洗30分钟，最后用二次蒸馏的去离子水冲洗干净后用N2吹干。
将清洗后的石英基底垂直浸入2.0g/L的PEI水溶液中，30分钟后取出用二次蒸馏的去离子淋洗干净并用N2吹干；然后将带有正电荷的基底浸入到上述所得浓度为0.2g/L的二氧化钛纳米片胶体溶液中，20分钟后取出用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干；再将基底浸入到溶菌酶浓度为0.5g/L的pH 6.0的磷酸盐缓冲溶液中，20分钟后取出用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干；重复19次上述二氧化钛纳米片与溶菌酶的组装过程，制备出20层的含有二氧化钛纳米片和溶菌酶的多层组成的抗菌薄膜。抗菌测试结果表明该复合薄膜在紫外光照射下具有很好的抗菌性能。
Claims (8)
1.一种二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜，其特征在于：多层复合薄膜的构成为：基底/PEI/(TNS/LSZ)n，其中基底为石英；PEI为聚乙烯亚胺，TNS为带负电荷的二氧化钛纳米片的层板；LSZ为在中性介质中表面带正电荷的溶菌酶；n为多层复合薄膜的层数，且1≤n≤20。
2.按权利要求1所述的二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜，其特征在于：所述PEI为在水溶液中为带正电荷的聚阳离子聚乙烯亚胺。
3.按权利要求1所述的二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜，其特征在于：
所述二氧化钛纳米片为无机半导体材料，其化学组成为[Ti1-δ□δO2]4δ-；□代表由于钛元素缺失而产生的钛空位，δ代表钛空位的摩尔分数，0.07≤δ≤0.11，4δ-代表二氧化钛纳米片所带有的负电荷；其二氧化钛纳米片厚度为0.7-1.2nm，侧面尺度在100-800nm范围内。
4.一种权利要求1所述的二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜的制备方法，其特征在于：
1)二氧化钛纳米片胶体溶液的制备：将Cs2CO3和TiO2按照1∶5.1-1∶5.5的摩尔比混合研磨，混合物在800-900℃下煅烧30-60分钟，然后研磨再以800-900℃下煅烧20-24小时后冷却，再次研磨并在800-900℃下煅烧20-24小时，得到层状钛酸铯CsxTi2-x/4□x/4O4(CTO)，其中0.5≤x≤0.9；
然后将CTO与HCl按照50-200mL/g的液固比混合搅拌3-4天，产物用二次蒸馏的去离子水清洗至中性得到质子型钛酸盐HxTi2-x/4□x/4O4(HTO)，其中0.5≤x≤0.9；
最后将HTO与浓度为0.0017-0.5mol/L的四正丁基氢氧化铵(TBAOH)溶液按照250-300mL/g的液固比在室温下搅拌得乳白色悬浊液，再经高速离心得到二氧化钛纳米片胶体溶液；
2)薄膜基底的表面处理：薄膜基底为石英，先将石英依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗清洗，再浸入到H2O2和浓硫酸按体积比为3∶7-4∶6配制的洗液中超声清洗，最后用二次蒸馏的去离子水冲洗干净后用N2吹干；
3)二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合抗菌薄膜的制备：
将清洗后的石英基底浸入浓度2.0-2.5g/L的聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中，浸泡后取出淋洗N2吹干；
将上述基底浸入到步骤1)所得的浓度为0.02-0.2g/L的二氧化钛纳米片胶体溶液中，浸泡后取出取出淋洗N2吹干；用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干，
再将上述基底浸入到含溶菌酶的磷酸盐缓冲溶液中，浸泡后取出取出淋洗N2吹干，得二氧化钛纳米片/溶菌酶复合薄膜。
5.按权利要求4所述的二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜的制备方法，其特征在于：
将上述所得二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜再次浸入步骤1)所得的二氧化钛纳米片胶体溶液中浸泡，而后在进入含溶菌酶的磷酸盐缓冲溶液中浸泡，重复操作即得到二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜。
6.按权利要求4所述的二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜的制备方法，其特征在于：
所述步骤1)中CTO与1.0-1.5mol/L的HCl混合搅拌3-4天，搅拌时每24小时更换一次1.0-1.5mol/L的HCl；
二次蒸馏去离子水是经过两次蒸馏的去离子水；
HTO与浓度为0.0017-0.5mol/L的四正丁基氢氧化铵(TBAOH)溶液搅拌后高速离心1-2次，离心速度为10000-12000转/分钟，15-30分钟。
7.按权利要求4所述的二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜的制备方法，其特征在于：
所述步骤2)将石英依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗清洗，20-30分钟以除去表面污物，再浸入到质量分数为30％-33％的H2O2和质量分数为95％-98％的浓硫酸配制的洗液中超声清洗30-60分钟。
8.按权利要求4所述的二氧化钛纳米片/溶菌酶多层复合薄膜的制备方法，其特征在于：
所述步骤3)石英基底浸泡在聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中20-30分钟后用二次蒸馏的去离子水淋洗干净并用N2吹干；
将上述基底浸泡到步骤1)所得的二氧化钛纳米片胶体溶液中15-30分钟，用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干，
再将上述基底浸泡到含溶菌酶浓度为0.5-2g/L的pH 6.0-6.8的磷酸盐缓冲溶液中15-30分钟用二次蒸馏的去离子水淋洗并用N2吹干。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130925 |