CN104525270A - 一种纳米复合材料在降解有机毒性分子和杀菌中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米复合材料在降解有机毒性分子和杀菌中的应用，属于抗菌剂及污染控制与技术领域。具体涉及一种用邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯（PDDA）修饰负载于石墨烯上的银（Ag）形成的纳米复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE，利用石墨烯良好的电荷传导性及PDDA带正电荷的性质，同时增强该材料的催化活性和抗菌性能；通过Ag/AgCl/PDDA/GE催化H2O2或空气中的O2对有机毒性分子的降解实验，表明该纳米材料不仅能在短时间内催化H2O2降解有机毒性分子，还可以催化空气中的氧降解有机毒性分子；通过对常见代表性致病菌及某些抗性菌株的杀菌实验，表明该纳米材料对革兰氏阳性致病菌、革兰氏阴性致病菌及一些抗性菌均具有显著的致死效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米复合材料在降解有机毒性分子和杀菌中的应用，属于抗菌剂及污染控制与技术领域。
背景技术
随着经济的发展，工业规模不断扩大，环境中有机毒性分子的处理一直是环境污染处理的一个难题。石墨烯 ( Graphene)是单原子厚度的二维碳原子晶体，具有电阻率极低，电子迁移的速度极快、比表面积高和化学性能稳定等优点使其成为一种优越的光电材料，在太阳能电池和光催化材料领域，是一种优良的电子受体。此外，石墨烯还具有高的机械强度，较大的比表面积，便捷的表面处理以及低廉的制备成本，使得石墨烯成为了纳米粒子的潜在载体。目前，已有一些研究将Ag/AgCl与氧化石墨烯（GO）复合获得Ag/AgCl/GO新型光催化剂，然而该Ag/AgCl颗粒尺寸很大（约为400 nm），粒径分布很宽，而纳米材料的尺寸及粒径分布对其性能影响很大。
另一方面，由于抗生素的滥用，使得无机抗菌剂尤其是纳米银及其复合材料成为人们研究的热点。但其稳定性和分散性一直是纳米银抗菌剂研究中的一个难题。一些研究者发现发现，用GO为模板、硝酸银为前驱体、PDDA为修饰试剂，水热反应制备得到复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE。该材料具有分散性高和稳定性的特点，且对大肠杆菌具有很强的致死效果。然而人类生存环境存在着各种有害人体健康的微生物，随时损害人们的身体，其中绿脓杆菌和金黄色葡萄球菌的感染对人类的健康威胁最为突出。
本发明通过对具有代表性的有机毒性分子甲基橙的催化降解实验以及对具有代表性致病菌（革兰氏阳性致病菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性致病菌绿脓杆菌）和一些抗性菌的杀菌实验，发现Ag/AgCl/PDDA/GE纳米材料不仅能降解环境中的有机毒性分子还可以杀死常见的致病菌及抗性菌。
发明内容
本发明的目的是利用PDDA修饰负载于石墨烯上的纳米银，从而获得一种兼具石墨烯的电荷传导性以及PDDA的正电荷性质的纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE。此纳米复合材料不仅能够催化环境中有机毒性分子的降解还能够杀死多种常见的致病菌及抗生素抗性菌。
本发明是通过以下技术方案来达到目的效果的：
通过Ag/AgCl/PDDA/GE催化3‰的H2O2或者空气中的O2对具有代表性的有机毒性分子甲基橙的降解实验，表明该纳米材料不仅在短时间内能催化低浓度H2O2降解有机毒性分子，并且该纳米材料还可以催化空气中的氧降解有机毒性分子；
通过对常见代表性致病菌（革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌绿脓杆菌）以及抗性菌（氨苄青霉素抗性菌和卡纳青霉素抗性菌）的杀菌实验，表明该纳米材料对革兰氏阳性致病菌、革兰氏阴性致病菌以及某些抗性菌均具有显著的致死效果。
本发明的效果和益处是：
（1）作为催化剂
1）Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料无需所提供资源稀缺、价格昂贵的贵金属组分，大大降低了降解有机毒性分子催化剂的生产成本；
2）通过对常见有机毒性分子甲基橙的降解实验，结果表明，100mg/L的Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料在10分钟内即可催化3‰的H2O2或空气中的氧气降解90%左右的甲基橙分子，高于现有催化剂Ag/AgX/GO（X=Br,Cl）对甲基橙催化降解的效率；
3）该纳米复合材料作为催化剂的存在形式可以多种多样。可以纳米颗粒分散在液体中降解水体中的有机毒性分子，还可以做成薄膜或者涂层的形式附着于固体上降解空气中的有机毒性分子（如作为汽车排气筒上的涂层，催化汽车尾气中有机毒性分子的降解）；此外，该纳米材料还可以粉体和固体等形式存在；
（2）作为抗菌剂
1）通过对具有代表性的革兰氏阳性致病菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性致病菌绿脓杆菌的杀菌实验，结果表明，用1mg/L 的Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料处理这两种类型的致病菌，2小时之内即可100%杀死测试菌种；
2）通过对常见的氨苄青霉素抗性菌（Ampr）和卡纳青霉素抗性菌（kanr）的杀菌实验，结果表明，用2mg/L 的Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料处理这两种类型的抗性菌，2小时之内即可100%杀死所测试菌种；
3）Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料也可作为医疗器械表面的涂层，杀死临床上常见的致病菌从而降低临床上致病菌的感染率。
此外，由于该纳米复合材料兼具催化有机毒性分子降解及杀菌两种功能，可以极大的提高污染物处理的时间和效率。
附图说明
图1为Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料的透射电子显微镜（TEM）图片。其中（a）PDDA用量为800 mg时，制备得到Ag/AgCl/PDDA/GE的TEM图；（b）为图（a）的纳米颗粒粒径分布图；
图2为在100 mg/L的Ag/AgCl/PDDA/GE复合材料分别催化3‰的H2O2或空气中O2降解有机毒性分子甲基橙的效率（反应时间（Time）与甲基橙降解率（D（%））之间的关系）；
图3为Ag/AgCl/PDDA/GE复合材料催化甲基橙降解的效率与已知催化剂Ag/AgX/GO（X=Br，Cl）催化甲基橙降解效率的比较（甲基橙瞬时浓度C与初始浓度C0之比随反应时间（Time）的变化）；
图4为同一条件下，未加材料处理的革兰氏阳性致病菌金黄色葡萄球菌（Sau）、革兰氏阴性致病菌绿脓杆菌（Pae）与浓度为1 mg/L的Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料分别处理后菌株（Ag/AgCl/PDDA/GE + Sau、Ag/AgCl/PDDA/GE + Pae）细菌的存活率（Survival rate）曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料的制备
参考专利CN 103416436 A中纳米材料的方法制备Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料：
1)将采用Hummers法制备的氧化石墨烯（GO）配制成浓度为0.5 mg/mL的GO水溶液；
2)称取10 mg AgNO3溶于5 mL去离子水中，然后将该溶液与20 mL的GO溶液混匀，并超声振荡30 min，获得Ag+/GO前驱体溶液；
3)将800 mg的PDDA分别加入三组上述制备的Ag+/GO前驱体溶液中，搅拌几分钟后转入到高压釜中，设置真空干燥箱为140 ℃24 h后取出；
4)将获得的复合物离心水洗，乙醇洗若干次后30 ℃干燥，所得复合粉体记为Ag/AgCl/PDDA/GE。其TEM照片及粒径分布见图1。
如图1 所示，图1(a)为是PDDA用量为 800 mg时所得复合物的TEM图。可以看到当PDDA用量为800 mg时，可以看到平均尺寸为4.5 nm的纳米颗粒布满了整个GE片层，颗粒的粒径非常窄(图1(b))，此时，经过PDDA修饰后该复合物的电位变成正电荷，且浓度为0.1 mg/mL该复合物的溶液Zeta电位为+7.8 mV。
实施例2：Ag/AgCl/PDDA/GE纳米材料催化3‰H2O2降解有机毒性分子
以常见的有机毒性分子甲基橙为例：
1）通过甲基橙扫描光谱图（300-800nm）得到甲基橙在464nm处有最大吸收峰；
2）绘制甲基橙标准曲线；甲基橙的最大吸收波长在464nm左右，配制甲基橙标准溶液5、10、15、20、25、30 mg/L（采用母液稀释法），将各标准溶液在最大吸收波长处的吸光度值与相应的浓度值列于表1，并以甲基橙溶液浓度C为为横坐标，其在464 nm处的吸光度值A为纵坐标，做标准曲线图，得到曲线方程y=0.064x。
表1. 各标准溶液吸光度值与相应浓度
3）配制10 mL 终浓度为30mg/L的甲基橙溶液，加入终浓度为100mg/L的纳米复合材料催化剂和0.1mL的30%H2O2，在37℃，180rpm振荡孵育，普通日光灯光照下反应，每隔一定时间取一次样，取200μL溶液离心分离，取上层清液，使用紫外可见分光光度计对所得滤液进行测定464nm处测其吸光度。
4）经计算公式得到CH2O2值；根据甲基橙浓度标准曲线公式y=0.064x，得到对应浓度值；根据降解率公式 DH2O2＝（C0－CH2O2）/C0］×100％计算甲基橙的降解率DH2O2。
式中C0 和CH2O2分别是Ag/AgCl/PDDA/GE纳米材料催化H2O2降解甲基橙时的初始浓度与瞬时浓度（mg/L）。
注：由于该材料良好的分散性，离心并不能完全将材料沉降，故计算其对应浓度之前需减去微量材料对对应吸光度的影响。
考虑实验条件：甲基橙初始浓度，催化剂投放量，H2O2含量。
催化H2O2降解甲基橙的实验表明，相对于空白对照，Ag/AgCl/PDDA/GE处理后随着时间的增加，甲基橙降解率有显著性增加，当约10 min时，甲基橙的降解率达到90%左右（图 2）。
实施例3：Ag/AgCl/PDDA/GE纳米材料催化空气中的氧降解有机毒性分子
1）配制10 mL 终浓度为30mg/L的甲基橙溶液，加入终浓度为100mg/L的纳米复合材料催化剂使溶液暴露于空气中，在37℃，180rpm振荡孵育，普通日光灯光照下反应，每隔一定时间取一次样，取200μL溶液离心分离，取上层清液，使用紫外可见分光光度计对所得滤液进行测定464nm处测其吸光度。
2）参照实施例2，根据降解率公式 DO2＝（C0－CO2）/C0］×100％计算甲基橙的降解率DO2。
式中C0 和CO2分别是Ag/AgCl/PDDA/GE纳米材料催化空气中氧气降解甲基橙时的初始浓度与瞬时浓度（mg/L）。
催化空气中O2降解甲基橙的实验表明相对于空白对照，Ag/AgCl/PDDA/GE处理后随着时间的增加，甲基橙降解率有显著性增加，当约10 min时，甲基橙的降解率达到90%左右（图 2）。
实施例4：Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料对致病菌的致死效果检测
以革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌绿脓杆菌为例：
1)将保存的在-80℃的两种不同的致病菌接种到LB培养基中，置于37℃、180rpm的摇床中过夜活化；
2)活化的菌种分别按5%的接种量接入到新鲜的培养基中，置于37℃、180rpm的摇床中培养至对数期；
3)将对数期的菌5000rpm离心5分钟，移除上清，并用0.85%的生理盐水洗涤两次去除残余的培养基；
4)将上述离心后的菌沉淀用适量0.85%的生理盐水再悬浮使其初始均浓度保持一致并加入1mg/L的Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料处理，25℃、200 r/min摇床培养，每隔30 min稀释并涂平板统计活菌数。计算其存活率并制作菌株的存活率（Survival rate）曲线（图4）。
考虑实验条件：抗菌剂的剂量，抗菌剂处理时间。
杀菌实验表明，相对于未用Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料处理的对照组菌株，1mg/L该纳米材料的处理后，随着时间的延长菌株的存活率急剧下降。纳米材料处理0.5小时后大部分细菌即可被杀死，2小时内即可杀死100%的细菌。
实施例5：Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料对抗性菌的致死效果检测
以抗青霉素抗性菌和抗卡那霉素抗性菌为例：
1)将保存的在-80℃的两种不同的抗性细菌E.coli接种到LB培养基中，置于37℃、180rpm的摇床中过夜活化；
2)活化的菌种分别按5%的接种量接入到新鲜的培养基中，置于37℃、180rpm的摇床中培养至对数期；
3)将对数期的菌5000rpm离心5分钟，移除上清，并用0.85%的生理盐水洗涤两次去除残余的培养基；
4)将上述离心后的菌沉淀用适量0.85%的生理盐水再悬浮使其初始均浓度保持一致并加入2mg/L的Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料或50mg/L的相应抗生素处理，25℃、200 r/min摇床培养，2小时后稀释并涂平板统计活菌数（表2）
表2为同一条件下，50 mg/L的相应抗生素处理的氨苄青霉素抗性菌（Amp + Ampr）、卡纳青霉素抗性菌（Kan + Kanr）与浓度为2 mg/L的Ag/AgCl/PDDA/GE纳米复合材料处理受试菌株（Ag/AgCl/PDDA/GE+ Ampr、Ag/AgCl/PDDA/GE+ kanr）2小时后活菌数统计表。
表2结果如下所示：
考虑实验条件：抗菌剂的剂量，抗菌剂处理时间。
抗性菌致死实验表明，相对于用相应抗生素处理的菌株，2mg/L该纳米材料的处理2小时后，所有的抗性菌均被杀死。
Claims (10)
1.一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE在催化降解环境中有机毒性分子中的应用。
2.根据权利要求1所述的一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE在催化降解环境中有机毒性分子中的应用，其特征在于，所述纳米复合材料能在短时间内能催化低浓度H2O2降解有机毒性分子。
3.根据权利要求1所述的一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE在催化降解环境中有机毒性分子中的应用，其特征在于，所述纳米复合材料能催化空气中的O2降解有机毒性分子。
4.根据权利要求1所述的一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE在催化降解环境中有机毒性分子中的应用，其特征在于，所述有机毒性分子为甲基橙。
5.根据权利要求4所述的一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE在催化降解环境中有机毒性分子中的应用，其特征在于，所述催化甲基橙降解时的有效工作浓度范围为1-1000 mg/L，最佳工作浓度是100 mg/L。
6.一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE对常见致病菌及抗生素抗性菌的致死作用。
7.根据权利要求6所述的一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE对常见致病菌及抗性菌的致死作用，其特征在于，所述的致病菌为革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌或革兰氏阴性菌绿脓杆菌。
8.根据权利要求6所述的一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE对常见致病菌及抗性菌的致死作用，其特征在于，所述的抗性菌为氨苄青霉素抗性菌或卡纳青霉素抗性菌。
9.根据权利要求7所述的一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE对常见致病菌及抗性菌的致死作用，其特征在于，所述纳米复合材料对常见致病菌革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌绿脓杆菌的有效工作浓度为1mg/L。
10.根据权利要求8所述的一种纳米银复合材料Ag/AgCl/PDDA/GE对常见致病菌及抗性菌的致死作用，其特征在于，所述纳米复合材料对氨苄青霉素或卡纳青霉素的抗性菌株有效工作浓度为2mg/L。
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