CN104068058A

CN104068058A - 一种氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN104068058A
Application number: CN201410306950.7A
Authority: CN
Inventors: 邵伟; 左宋林
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Graphene Mstar Technology Ltd
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2034-07-01
Also published as: CN104068058B

Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法，包括：1）将氧化石墨烯在水中超声分散20～40分钟；2）将硝酸银加入氧化石墨烯溶液中，磁力搅拌并升温至80℃，加入可溶性淀粉作为稳定剂；3）将葡萄糖作为还原剂加入氧化石墨烯溶液中预热至80℃；4）将两种溶液混合，在80℃恒温下混合搅拌，反应4～6小时，冷却后进行离心，洗涤，重新分散到水中，得到氧化石墨烯抑菌复合材料。本发明采用一步还原法制备了氧化石墨烯抑菌复合材料，其工艺简单，操作方便，反应条件温和，生产效率高，绿色、环境友好；制备的氧化石墨烯抑菌复合材料中，纳米银颗粒均匀地吸附在氧化石墨烯上，有效提高了氧化石墨烯的抑菌性能。

Description

一种氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法。

背景技术

自2004年英国曼彻斯特大学安德烈K·海姆（Andre K.Geim）研究小组发现并成功制备石墨烯（graphene）以来，石墨烯因优良的物理化学性质，在导电、催化、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成为的二维蜂窝状晶格结构。正是由于其独特的蜂窝状结构以及其光通透性能，使其成为新型材料制备的新载体。氧化后的石墨烯，其表面存在的大量含氧基团，为其它颗粒的结合提供了有效位点。当纳米银颗粒与氧化石墨烯复合时，这些位点及这种吸附就能有效地阻止纳米银颗粒的团聚。因此，以氧化石墨烯为基体负载纳米银颗粒得到的复合材料为多功能材料的发展开辟了新的领域。既可以拓宽了氧化石墨烯材料的研究领域，又使得氧化石墨烯材料向实际应用方面更迈进了一步。

纳米银颗粒具有强表面等离子体效应、良好的抗菌及催化性能，故纳米银与氧化石墨烯复合材料的制备掀起了一个新的研究热点。复合后的氧化石墨烯/银复合材料拥有优异的表面拉曼增强散射效应、抗菌性能、催化活性和储能等特性。在已有的研究报道中，石墨烯/纳米银复合材料的制备方法中有的采用化学有机试剂二甲基甲酰胺等作为还原剂，有的采用有毒的强还原剂硼氢化钠等作为还原剂，有的是在强腐蚀性条件下进行，危害人类健康和生态环境。因此，绿色、环境友好的氧化石墨烯复合材料制备方法的研究具有重要的意义。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种工艺简单，操作方便，反应条件温和，生产效率高，绿色、环境友好的氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）取氧化石墨烯加入去离子水中，经过20～40分钟的超声，得到氧化石墨烯浓度为0.02～0.04g/L的单层氧化石墨烯分散溶液；

2）取硝酸银加入单层氧化石墨烯分散溶液中，获得硝酸银浓度为0.0002～0.002M的硝酸银/氧化石墨烯混合液；取葡萄糖加入单层氧化石墨烯分散溶液中，获得葡萄糖浓度为0.0001～0.001M的葡萄糖/氧化石墨烯混合液；

3）将硝酸银/氧化石墨烯混合液加热至80℃，加入可溶性淀粉，使溶液中可溶性淀粉的浓度为0.04～0.08g/L，搅拌均匀；将葡萄糖/氧化石墨烯混合液预热至80℃，混合所得的两种混合液，在80℃恒温下搅拌，反应4-6小时；

4）将步骤3）反应得到的溶液冷却后进行离心，洗涤，再重新分散到水中，即得到氧化石墨烯抑菌复合材料。

所述的氧化石墨烯为微米级，其直径为0.5～2微米。

所述的单层氧化石墨烯分散溶液，优先选取氧化石墨烯的浓度范围为0.02～0.04g/L。

所述的硝酸银/氧化石墨烯混合液，优先选取硝酸银的浓度范围为0.0012～0.002M。

所述的葡萄糖/氧化石墨烯混合液，优先选取葡萄糖的浓度范围为0.0006～0.001M。

所述的可溶性淀粉，优先选取的浓度范围为0.04～0.08 g/L。

一种由所述的氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法所得到的氧化石墨烯抑菌复合材料。

本发明的制备原理是采用葡萄糖作为还原剂，将银离子还原成为银纳米颗粒，从而生长在氧化石墨烯基底上；同时纳米银颗粒表面原位覆盖有淀粉作为稳定剂，来防止纳米颗粒之间的相互团聚。葡萄糖与淀粉都是廉价易得的物质，且不具有毒性。所制备的复合材料可以单独使用，也可以作为添加剂与其他材料混合使用，是一种优良的抑菌材料。

有益效果：与现有技术相比，本发明的氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法，溶剂为水，不需要避光，是一种由葡萄糖作为还原剂、可溶性淀粉作为稳定剂的绿色、环境友好、简便易得的制备方法。该方法可以制备出纳米银粒子，所生成的纳米银颗粒均匀负载在石墨烯上，有效地防止了纳米银离子在水溶液中的团聚。所制备的载纳米银的氧化石墨烯抑菌复合材料，作用于含有金黄色葡萄糖球菌和大肠杆菌的菌液，摇床培养4-6小时，抑菌率可分别达到95%和80%，抑菌效果显著。

附图说明

图1是实施例1所制备的氧化石墨烯抑菌复合材料和氧化石墨烯的紫外光谱吸收图；

图2是实施例1所制备的氧化石墨烯抑菌复合材料和氧化石墨烯的X射线光电子谱图；

图3是实施例1所制备的氧化石墨烯抑菌复合材料透射电镜照片图；

图4是氧化石墨烯抑菌复合材料和氧化石墨烯对于革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抑菌率结果；其中，a是氧化石墨烯对于革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的抑菌率；b是实施例2中抑菌复合材料的抑菌率；c是实施例3中抑菌复合材料的抑菌率；d是实施例4中抑菌复合材料的抑菌率；e是实施例1中抑菌复合材料的抑菌率；

图5是氧化石墨烯抑菌复合材料和氧化石墨烯对于革兰氏阴性菌大肠杆菌（Escherichia coli）的抑菌率结果；其中，a是氧化石墨烯对于革兰氏阴性菌大肠杆菌的抑菌率；b是实施例2中抑菌复合材料的抑菌率；c是实施例3中抑菌复合材料的抑菌率；d是实施例4中抑菌复合材料的抑菌率；e是实施例1中抑菌复合材料的抑菌率。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明不受这些实施例子的限制。

实施例1

将氧化石墨烯1mg溶于50mL去离子水溶液中，超声（50KHz，500W，下同）40分钟，得到单层氧化石墨烯分散液。称取8.5mg硝酸银溶于25mL氧化石墨烯分散液中，加热至80℃，加入1mg可溶性淀粉，搅拌至溶解。4.5mg葡萄糖溶于25mL氧化石墨烯分散液中，预热至80℃。将硝酸银/氧化石墨烯溶液加入到葡萄糖/氧化石墨烯溶液中，在80℃恒温下混合搅拌，反应4个小时；在单层氧化石墨烯表面，葡萄糖将银离子还原，使其在氧化石墨烯表面原位生长成为纳米银颗粒。将所得的反应物溶液，在10000转/分的转速下，离心分离，倾去上清液，用去离子水重新悬浮，重复该过程2～3遍，以洗去过量反应试剂，即得到氧化石墨烯抑菌复合材料，纳米银颗粒在氧化石墨烯片表面均匀覆盖，并且由于是在反应体系中，纳米银表面吸附有可溶性淀粉，作纳米银颗粒的稳定剂，可以防止纳米银颗粒的团聚。

对得到的氧化石墨烯抑菌复合材料进行性能测试，具体如下：

1）紫外-可见光吸收光谱测试

氧化石墨烯抑菌复合材料和氧化石墨烯的紫外-可见光吸收光谱图，如图1所示。图中，a为氧化石墨烯的紫外-可见光吸收光谱图；b为制备的氧化石墨烯抑菌复合材料的紫外-可见光吸收光谱图。从图中可以看到复合材料在波长为397nm时出现纳米银颗粒的最大吸收峰。

2）X-射线光电子能谱（XPS）测试

氧化石墨烯复合材料和氧化石墨烯的X-射线光电子能谱图，如图2所示。图中，a为氧化石墨烯的X-射线光电子能谱图；b为制备的氧化石墨烯复合材料的X-射线光电子能谱图。从图中可以看到Ag在3d区域的结合能为366.83eV（Ag3d_5/2）和372.78eV（Ag3d_3/2），与Ag的单质状态（Ag⁰）的标准结合能（368.25eV）相一致, 表明负载在氧化石墨烯片表面的Ag颗粒以零价态的单质银的形式存在。

3）透射电镜（TEM）测试

氧化石墨烯抑菌复合材料的TEM照片，如图3所示，可以观察到银纳米颗粒均匀地负载在氧化石墨烯上。

4）抑菌实验

实验采用液态培养体系，以加入等量的无菌水作为空白对照样计算抑菌率，细菌计数采用平板计数法进行。具体步骤为：

a）菌液制备

培养大肠杆菌采用的固体培养基为胰酪胨大豆琼脂培养基（TSA），培养基组成为：酪蛋白胰酶消化物15.0g/L，大豆粉木瓜蛋白酶消化物5.0g/L，氯化钠5.0g/L，琼脂15.0g/L，pH值7.2，高压蒸汽121℃灭菌20分钟后，倒平板。用灭菌接种环取冷冻保存的金黄色葡萄糖球菌和大肠杆菌菌种分别接种到TSA培养板上，置于培养箱37℃恒温培养24小时，用灭菌接种环挑取菌落分别到盛有100mL灭菌的胰蛋白胨大豆肉汤培养基（TSB）的无菌锥形瓶中，培养基组成为：酪蛋白胰酶消化物15.0g/L，大豆粉木瓜蛋白酶消化物5.0g/L，氯化钠5.0g/L，pH值7.2，高压蒸汽121℃灭菌20分钟。采用比浊法测量使其细菌浓度在1×10⁷CFU/mL左右，剧烈振荡使其混合均匀。

b）摇床培养

向三只250mL锥形瓶中分别添加88mL的胰蛋白胨大豆肉汤培养基（TSB），再各添加10mL的步骤1）中的金黄色葡萄糖球菌菌液，使得锥形瓶内菌液密度均为1×10⁶CFU/mL，向其中一只锥形瓶中添加2mL无菌水，作为空白对照样；向其中一只锥形瓶中添加2 mL 0.02g/L氧化石墨烯，向另一只锥形瓶中添加2 mL抑菌复合材料。将三只锥形瓶置于转速为150rpm/min，温度为37℃的摇床中培养4小时。

向三只250mL锥形瓶中分别添加88mL的胰蛋白胨大豆肉汤培养基（TSB），培养基组成为：胰蛋白胨17.0g/L，大豆蛋白胨3.0g/L，氯化钠5.0g/L，pH值7.2，高压蒸汽121℃灭菌20分钟。再添加10mL的步骤1）中的大肠杆菌菌液，使得锥形瓶内菌液密度均为1×10⁶CFU/mL，向其中一只锥形瓶中添加2mL无菌水，作为空白对照样；向其中一只锥形瓶中添加2mL0.02g/L氧化石墨烯，向另一只锥形瓶中添加2mL抑菌复合材料。将三只锥形瓶置于转速为150rpm/min，温度为37℃的摇床中培养4小时。

c）抑菌率计算

采用逐级稀释涂平板的方法，分别对锥形瓶内的存活细菌进行计数，抑菌率由下列公式计算：R（%）＝（N_空白-N_试样）/N_试样×100%，其中，N_空白和N_试样分别为空白对照锥形瓶和添加氧化石墨烯或抑菌复合材料锥形瓶内的菌落数。

氧化石墨烯抑菌复合材料和氧化石墨烯的抑制金黄色葡萄糖球菌的抑菌率结果，如图4所示。可以看出氧化石墨烯的抑菌率（图4-a）为22%，实施例1中抑菌复合材料的抑菌率（图4-e）为80%，氧化石墨烯抑菌复合材料具有良好的抑制金黄色葡萄糖球菌效果。

氧化石墨烯复合材料和氧化石墨烯的抑制大肠杆菌的抑菌率结果，如图5所示。可以看出氧化石墨烯的抑菌率（图5-a）为24%，实施例1中抑菌复合材料的抑菌率（图5-e）为95%，氧化石墨烯抑菌复合材料具有优越的抑制大肠杆菌效果。

实施例2

将氧化石墨烯1mg溶于50mL去离子水溶液中，超声40分钟，得到单层氧化石墨烯分散液。称取3.4mg硝酸银溶于25mL氧化石墨烯分散液中，加热至80℃，加入2mg可溶性淀粉，搅拌至溶解。1.8mg葡萄糖溶于25mL氧化石墨烯分散液中，预热至80℃。将硝酸银/氧化石墨烯溶液加入到葡萄糖/氧化石墨烯溶液中，在80℃恒温下混合搅拌，反应4个小时。将所得的反应物溶液，在10000转/分的转速下，离心分离，倾去上清液，用去离子水重新悬浮，重复该过程2～3遍，以洗去过量反应试剂，即得到氧化石墨烯抑菌复合材料。性能测试方法同实施例1，其中，抑制金黄色葡萄糖球菌的抑菌率（图4-b）为53%，抑制大肠杆菌的抑菌率（图5-b）为52%。

实施例3

将氧化石墨烯1mg溶于50mL去离子水溶液中，超声20分钟，得到单层氧化石墨烯分散液。称取5.1mg硝酸银溶于25mL氧化石墨烯分散液中，加热至80℃，加入1mg可溶性淀粉，搅拌至溶解。2.7mg葡萄糖溶于25mL氧化石墨烯分散液中，预热至80℃。将硝酸银/氧化石墨烯溶液加入到葡萄糖/氧化石墨烯溶液中，在80℃恒温下混合搅拌，反应4个小时。将所得的反应物溶液，在10000转/分的转速下，离心分离，倾去上清液，用去离子水重新悬浮，重复该过程2～3遍，以洗去过量反应试剂，即得到氧化石墨烯抑菌复合材料。性能测试方法同实施例1，其中，抑制金黄色葡萄糖球菌的抑菌率（图4-c）为67%，抑制大肠杆菌的抑菌率（图5-c）为69%。

实施例4

将氧化石墨烯1mg溶于50mL去离子水溶液中，超声20分钟，得到单层氧化石墨烯分散液。称取6.8mg硝酸银溶于25mL氧化石墨烯分散液中，加热至80℃，加入1mg可溶性淀粉，搅拌至溶解。3.6mg葡萄糖溶于25mL氧化石墨烯分散液中，预热至80℃。将硝酸银/氧化石墨烯溶液加入到葡萄糖/氧化石墨烯溶液中，在80℃恒温下混合搅拌，反应4个小时。将所得的反应物溶液，在10000转/分的转速下，离心分离，倾去上清液，用去离子水重新悬浮，重复该过程2～3遍，以洗去过量反应试剂，即得到氧化石墨烯抑菌复合材料。性能测试方法同实施例1，其中，抑制金黄色葡萄糖球菌的抑菌率（图4-d）为75%，抑制大肠杆菌的抑菌率（图5-d）为83%。

实施例5

将氧化石墨烯2mg溶于50mL去离子水溶液中，超声20分钟，得到单层氧化石墨烯分散液。称取1.7mg硝酸银溶于25mL氧化石墨烯分散液中，加热至80℃，加入2mg可溶性淀粉，搅拌至溶解。0.9mg葡萄糖溶于25mL氧化石墨烯分散液中，预热至80℃。将硝酸银/氧化石墨烯溶液加入到葡萄糖/氧化石墨烯溶液中，在80℃恒温下混合搅拌，反应6个小时。将所得的反应物溶液，在10000转/分的转速下，离心分离，倾去上清液，用去离子水重新悬浮，重复该过程2～3遍，以洗去过量反应试剂，即得到氧化石墨烯抑菌复合材料。性能测试同实施例1，结果显示均具有较好的金黄色葡萄糖球菌和大肠杆菌的抑菌率。

实施例6

将氧化石墨烯1.5mg溶于50mL去离子水溶液中，超声20分钟，得到单层氧化石墨烯分散液。称取2.55mg硝酸银溶于25mL氧化石墨烯分散液中，加热至80℃，加入1.5mg可溶性淀粉，搅拌至溶解。1.35mg葡萄糖溶于25mL氧化石墨烯分散液中，预热至80℃。将硝酸银/氧化石墨烯溶液加入到葡萄糖/氧化石墨烯溶液中，在80℃恒温下混合搅拌，反应6个小时。将所得的反应物溶液，在10000转/分的转速下，离心分离，倾去上清液，用去离子水重新悬浮，重复该过程2～3遍，以洗去过量反应试剂，即得到氧化石墨烯抑菌复合材料。性能测试同实施例1，结果显示均具有较好的金黄色葡萄糖球菌和大肠杆菌的抑菌率。

Claims

1.一种氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）取氧化石墨烯加入去离子水中，经过20～40分钟的超声，得到氧化石墨烯浓度为0.01～0.05g/L的单层氧化石墨烯分散溶液；

2）取硝酸银加入单层氧化石墨烯分散溶液中，获得硝酸银浓度为0.0004～0.0024M的硝酸银/氧化石墨烯混合液；取葡萄糖加入单层氧化石墨烯分散溶液中，获得葡萄糖浓度为0.0002～0.0012M的葡萄糖/氧化石墨烯混合液；

3）将硝酸银/氧化石墨烯混合液加热至80℃，加入可溶性淀粉，使溶液中可溶性淀粉的浓度为0.02～0.1g/L，搅拌均匀；将葡萄糖/氧化石墨烯混合液预热至80℃，混合所得的两种混合液，在80℃恒温下搅拌，反应4-6小时；

2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法，其特征在于：所述的氧化石墨烯为微米级，其直径为0.5～2微米。

3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法，其特征在于：所述的单层氧化石墨烯分散溶液的浓度为0.02～0.04g/L。

4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法，其特征在于：所述的硝酸银/氧化石墨烯混合液的浓度为0.0012～0.002M。

5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法，其特征在于：所述的葡萄糖/氧化石墨烯混合液的浓度为0.0006～0.001M。

6.根据权利要求1所述的氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法，其特征在于：所述的可溶性淀粉的浓度为0.04～0.08 g/L。

7.一种由权利要求1-6 任意一项所述的氧化石墨烯抑菌复合材料的制备方法所得到的氧化石墨烯抑菌复合材料。