CN110548047B - 一种黑磷纳米粒子-纳米铜相互掺杂的纳米复合物及其制备方法与应用 - Google Patents

一种黑磷纳米粒子-纳米铜相互掺杂的纳米复合物及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物及其制备方法与应用。该制备方法包括以下步骤：通过超声剥离法制备超小尺寸的黑磷纳米粒子；将黑磷纳米粒子分散到五水硫酸铜或氯化铜和聚乙烯吡咯烷酮混合溶液中，于水浴锅中缓慢逐滴地加入还原剂并磁力搅拌反应2～4h后，离心洗涤制得黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物。本发明提供的方法首先通过铜离子和黑磷周边孤对电子的相互作用，使得铜离子均匀地分散到黑磷纳米粒子周围，然后在还原剂的作用下铜离子被还原原位生长为纳米铜，并在聚乙烯吡咯烷酮的保护下制得该纳米复合物。该纳米复合物中的纳米铜与高电子活性的黑磷纳米粒子结合，可实现协同增强的抗菌作用。

Description

一种黑磷纳米粒子-纳米铜相互掺杂的纳米复合物及其制备 方法与应用
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物及其制备方法与应用。
背景技术
二维层状纳米材料自诞生以来由于其独特的性质就格外受到关注，特别是石墨烯以及以石墨烯为基底的各种复合物，具有广泛的应用前景，包括传感、肿瘤治疗，生物成像、催化等众多领域。近几年，新兴的纳米材料黑磷(BP)被认为是比石墨烯更具发展潜力的二维材料，其并不是规则的平面结构，而是每个P原子都与其他三个P原子相互连接，呈褶皱的片状，使得其孤对电子裸露在外，具有高度活跃性质，进行电荷转移，且比表面积也大大增加，再加上其优异的生物相容性且降解产物为磷酸盐、磷酸酯等无毒物质。因此 BP在生物医药、诊断成像等方面具有更大研究价值，研究成果也呈现持续上升趋势,但是在抗菌方面的研究却略显弱势，因此将黑磷应用到抗菌治疗仍然需要不懈的努力。
在无机抗菌剂中最常用于广谱抗菌的就是银或金元素，但是不管是银离子还是金离子都会造成体内重金属过量积累而损害健康，现在已经不提倡使用。然而铜元素就不存在这种担忧，铜在人体微量元素中占据重要地位，且能随新陈代谢顺利排出。并且金银的成本相对较高，为了节约成本，铜代替金银抗菌制品已经成为一种流行趋势。值得注意的是，相比于银，铜的抗菌效果略显薄弱，因此怎样改进和提高其抗菌性能是重中之重。
发明内容
本发明的目的是提供一种黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物及其制备方法与应用。所述的纳米复合物中黑磷纳米粒子和纳米铜之间具有协同的抗菌作用，显著提升抗菌效率，该纳米复合物可用于制备抑菌剂或杀菌剂。
本发明采取的技术方案如下：
一种黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备方法，其是由黑磷纳米粒子和纳米铜相互掺杂而制得的纳米复合物。
优选，将五水硫酸铜溶液或氯化铜溶液，与聚乙烯吡咯烷酮混合均匀后，加入黑磷纳米粒子混合均匀，将此混合液放入40-60℃水浴锅中，加入硼氢化钠或者水合肼溶液进行反应，离心收集沉淀，洗涤干燥后即得黑磷纳米粒子和纳米铜相互掺杂的纳米复合物。
进一步优选，包括以下步骤：
(1)黑磷纳米粒子的制备：
S1：将黑磷晶体分散到有机溶剂中，在功率为80～100W条件下水浴超声2～6h，然后进行探头脉冲超声，功率为300～600W，脉冲频率为开2s，关4s，持续时间为4～8h，得到混合液；
S2：将S1得到的混合液在4000～6000rpm下离心20～40min，弃去沉淀取上清液，将上清液在10000～14000rpm下离心20～40min，收集沉淀，沉淀用去离子水洗涤，经冻干后制得黑磷纳米粒子；
(2)黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备：
将五水硫酸铜或者氯化铜和聚乙烯吡咯烷酮同时溶解于去离子水中，得到溶液A，往溶液A中加入步骤(1)制得的黑磷纳米粒子，于40～60℃水浴超声混合均匀，然后缓慢逐滴加入硼氢化钠溶液，恒温搅拌反应2～4h，离心收集沉淀，沉淀用去离子水洗涤，经冻干后制得黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物。
优选，所述步骤(1)中的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
优选，所述步骤(1)制得的黑磷纳米粒子的粒径为5～20nm。
优选，所述步骤(1)进行探头脉冲超声时，要将黑磷晶体分散液放在冰水中，超声过程中注意持续加冰，防止分散液过热，促进黑磷过度氧化。
优选，所述步骤(2)中聚乙烯吡咯烷酮和五水硫酸铜或氯化铜的质量比为1:2～1:5。
优选，所述步骤(2)中的黑磷纳米粒子的加入量为五水硫酸铜或者氯化铜和聚乙烯吡咯烷酮总重量的0.002倍。
优选，所述步骤(2)中的硼氢化钠溶液的浓度为0.5mol/L，溶剂为去离子水，其加入量为溶液A体积的百分之一。
上述步骤(2)中，分散均匀的铜离子，在还原剂硼氢化钠的作用下于黑磷纳米粒子周围原位生长为纳米铜，并在聚乙烯吡咯烷酮的保护下，形成黑磷纳米粒子和纳米铜相互掺杂的纳米复合物。
由于颗粒越小，纳米尺寸效应越明显，其理化性质越活跃，本发明为了制得尽可能小的黑磷纳米粒子，步骤(1)中，采用水浴超声和探头超声共同协助剥离黑磷晶体的方式，将黑磷晶体加入到有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中，水浴超声2～6h后，再进行探头脉冲超声 4～8h，其中水浴超声功率为80～100W，探头超声功率300～600W，脉冲频率为开2s、关 4s。并且后期探头超声时，要将黑磷晶体分散液放在冰水中，超声过程中注意持续加冰，防止分散液过热，促进黑磷过度氧化。最后，先低速离心以4000～6000rpm的转速除去沉淀大颗粒，再将上清液以10000～14000rpm转速高速离心收集沉淀，即可制得超小尺寸的黑磷纳米粒子。
步骤(2)中具体操作是，将聚乙烯吡咯烷酮和五水硫酸铜或氯化铜以质量比为1:2～1:5 的比例加入到去离子水中混合均匀，聚乙烯吡咯烷酮的目的是保护纳米铜，防止被快速氧化。然后加入黑磷纳米粒子超声混合均匀，通过金属阳离子铜离子和黑磷周边的孤对电子的相互作用，使得铜离子均匀地分散在黑磷纳米粒子周围，然后放入水浴锅中，缓慢地逐滴加入硼氢化钠溶液，磁力搅拌反应2～4h。对于纳米铜的生成，仅仅靠黑磷本身的还原性，相对较弱，加入适量的硼氢化钠溶液，其强还原性有助于纳米铜的快速生长。分布在黑磷周围的铜离子在还原剂硼氢化钠的作用下，迅速被还原并原位生长为纳米铜，并同时被聚乙烯吡咯烷酮保护，制得黑磷纳米粒子与纳米铜相互掺杂的纳米复合物。
本发明还请求保护由上述的制备方法制得的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物。
本发明的技术方案将超小尺寸的黑磷纳米粒子与纳米铜相互掺杂复合，能通过协同作用大大提高抗菌效率，一方面纳米铜本身就可以通过产生活性氧破坏细菌结构，达到杀菌目的；另一方面，该纳米复合物中，黑磷纳米粒子的尺寸较小，理化性质相对活跃，其周围的电子流动性较好，通过电子传递效应会提高活性氧的产量,两者协同作用杀菌效果更明显。所述的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物可用于制备抑菌剂或杀菌剂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的制备方法操作简单，条件温和，成本低；所制得的纳米复合物将黑磷纳米粒子和纳米铜有效结合，能发挥协同增效的抗菌作用；该纳米复合物降解产物均可通过新陈代谢排出体外，生物安全性很高，应用前景非常广泛。
附图说明
图1为本发明制备黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的流程示意图。
图2为本发明制备的黑磷纳米粒子(左侧图)及黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物(右侧图)的透射电镜扫描图。
图3为本发明制备的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物以及纳米铜的抗菌效果流式细胞仪统计图，BP/Cu：黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂纳米复合物，Cu：纳米铜， BP：黑磷纳米粒子，PBS：PBS溶液。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
下述实施例制备黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的流程示意图见图1所示。
实施例1
1、一种黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：
(1)黑磷纳米粒子的制备：
将50mg黑磷晶体粉末均匀地分散到100mL N-甲基吡咯烷酮中，在功率为100W条件下水浴超声2h，然后将超声探头没入液面以下进行探头脉冲超声，功率为600W，脉冲频率为开2s、停4s，时间持续4h，得到混合液，进行探头脉冲超声时，要将黑磷晶体分散液放在冰水中，超声过程中注意持续加冰，防止分散液过热，促进黑磷过度氧化。
然后将上述得到的混合液在6000rpm下离心40min，弃去沉淀取上清液，将上清液在 14000rpm下离心40min，收集沉淀，沉淀用去离子水清洗3次，经冻干后制得黑磷纳米粒子，保存待用。所制得的黑磷纳米粒子的透射电镜扫描图见图2所示，其尺寸在10nm左右。
(2)黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备：
将聚乙烯吡咯烷酮和五水硫酸铜以质量比为1:2混合，溶于50mL去离子水中，制成浓度为10mg/mL的溶液A，然后加入1mg/mL的黑磷纳米粒子分散液(将黑磷纳米粒子分散于去离子水中制得)，所述的溶液A和黑磷纳米粒子分散液的体积比为50:1，于40℃水浴超声混合均匀，然后缓慢逐滴加入0.5mL浓度为0.5M的硼氢化钠溶液(将硼氢化钠溶于去离子水制得)，磁力搅拌恒温反应2h后离心，收集沉淀，将所得沉淀用去离子水洗涤多次后冻干保存，制得黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物。所制得的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的透射电镜扫描图见图2所示，该纳米复合物的尺寸在50 nm左右。
2、抗菌效果的检测：
首先将斜面保存的金黄色葡萄球菌菌种接种到灭菌后的LB培养基上活化，取1×107cfu 活化后的金黄色葡萄球菌重悬于1mL PBS缓冲液中，加入10L浓度为10mg/mL的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂纳米复合物分散液(将上述步骤制得的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂纳米复合物分散于去离子水中制得，图中以BP/Cu表示)，混合，放入37℃培养箱3h后，加入10L PI染料染色20min，然后离心收集菌体并重悬于PBS缓冲液中，使用流式细胞仪统计细菌死亡比例，以单独的PBS溶液和加入纳米铜(用量相当于黑磷纳米粒子/ 纳米铜相互掺杂纳米复合物中的铜的量)或者黑磷纳米粒子(用量相当于黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂纳米复合物中的黑磷纳米粒子的量)替代上述黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂纳米复合物作为对照。由流式细胞仪统计结果可知(图3)，在相同条件处理下，该纳米复合物的杀菌率可达到99％。
加入纳米铜的对照的实验方法如下：
1、纳米铜的制备：将聚乙烯吡咯烷酮和五水硫酸铜以质量比为1:2混合，溶于50mL去离子水中，制成浓度为10mg/mL的溶液，于40℃水浴超声混合均匀，然后缓慢逐滴加入0.5mL浓度为0.5M的硼氢化钠溶液，磁力搅拌恒温反应2h后离心，收集沉淀，将所得沉淀用去离子水洗涤多次后冻干保存，制得纳米铜。
2、抗菌效果的检测：取1×107cfu活化后的金黄色葡萄球菌重悬于1mL PBS缓冲液中，加入10L与实施例1中纳米复合物铜含量等量的纳米铜分散液，混合，放入37℃培养箱3h后，加入10L PI染料染色20min，然后离心收集菌体并重悬于PBS缓冲液中，使用流式细胞仪统计细菌死亡比例。由流式细胞仪统计结果可知(图3)，该纳米铜的杀菌率为 50％。
实施例2
1、一种黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：
(1)黑磷纳米粒子的制备：
将50mg黑磷晶体粉末均匀地分散到100mL N-甲基吡咯烷酮中，在功率为80W条件下水浴超声6h，然后将超声探头没入液面以下进行探头脉冲超声，功率为300W，脉冲频率为开2s、停4s，时间持续8h，得到混合液，进行探头脉冲超声时，要将黑磷晶体分散液放在冰水中，超声过程中注意持续加冰，防止分散液过热，促进黑磷过度氧化。
然后将上述得到的混合液在4000rpm下离心20min，弃去沉淀取上清液，将上清液在10000rpm下离心20min，收集沉淀，沉淀用去离子水清洗3次，经冻干后制得黑磷纳米粒子，保存待用，所制得的黑磷纳米粒子的尺寸在10nm左右。
(2)黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备：
将聚乙烯吡咯烷酮和五水硫酸铜以质量比为1:5混合，溶于50mL去离子水中，制成浓度为10mg/mL的溶液A，然后加入1mg/mL的黑磷纳米粒子分散液(将黑磷纳米粒子分散于去离子水中制得)，所述的溶液A和黑磷纳米粒子分散液的体积比为50:1，于60℃水浴超声混合均匀，然后缓慢逐滴加入0.5mL浓度为0.5M的硼氢化钠溶液(将硼氢化钠溶于去离子水制得)，磁力搅拌恒温反应4h后离心，收集沉淀，将所得沉淀用去离子水洗涤多次后冻干保存，制得黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物。
2、抗菌效果的检测：
取1×107cfu活化后的金黄色葡萄球菌重悬于1mL PBS缓冲液中，加入10L浓度为10mg/mL的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂纳米复合物分散液(将上述步骤制得的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂纳米复合物分散于去离子水中制得)，混合，放入37℃培养箱5h后，加入10L PI染料染色20min，然后离心收集菌体并重悬于PBS缓冲液中，使用流式细胞仪统计细菌死亡比例。结果显示，该纳米复合物的杀菌率可达到99％。
实施例3
1、一种黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：
(1)黑磷纳米粒子的制备：
将50mg黑磷晶体粉末均匀地分散到100mL N-甲基吡咯烷酮中，在功率为80W条件下水浴超声2h，然后将超声探头没入液面以下进行探头脉冲超声，功率为300W，脉冲频率为开2s、停4s，时间持续4h，得到混合液，进行探头脉冲超声时，要将黑磷晶体分散液放在冰水中，超声过程中注意持续加冰，防止分散液过热，促进黑磷过度氧化。
然后将上述得到的混合液在4000rpm下离心20min，弃去沉淀取上清液，将上清液在 10000rpm下离心20min，收集沉淀，沉淀用去离子水清洗3次，经冻干后制得黑磷纳米粒子，保存待用，所制得的黑磷纳米粒子的尺寸在15nm左右。
(2)黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备：
将聚乙烯吡咯烷酮和氯化铜以质量比为1:5混合，溶于50mL去离子水中，制成浓度为10mg/mL的溶液A，然后加入1mg/mL的黑磷纳米粒子分散液(将黑磷纳米粒子分散于去离子水中制得)，所述的溶液A和黑磷纳米粒子分散液的体积比为50:1，于50℃水浴超声混合均匀，然后缓慢逐滴加入0.5mL浓度为0.5M的硼氢化钠溶液(将硼氢化钠溶于去离子水制得)，磁力搅拌恒温反应4h后离心，收集沉淀，将所得沉淀用去离子水洗涤多次后冻干保存，制得黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物。
2、抗菌效果的检测：
取1×107cfu活化后的金黄色葡萄球菌重悬于1mL PBS缓冲液中，加入10L浓度为10mg/mL的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂纳米复合物分散液(将上述步骤制得的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂纳米复合物分散于去离子水中制得)，混合，放入37℃培养箱3h后，加入10L PI染料染色20min，然后离心收集菌体并重悬于PBS缓冲液中，使用流式细胞仪统计细菌死亡比例。结果显示，该纳米复合物的杀菌率可达到98％。
综上所述，本发明提供的黑磷纳米粒子和纳米铜互相掺杂的纳米复合物，制备操作简单方便。实验结果证明该纳米复合物的抗菌效果明显优于单独的纳米铜的抗菌效果，说明该纳米复合物具有协同增效的抗菌作用。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物在制备抑菌剂或杀菌剂中的应用，其特征在于，所述的黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：
(1)黑磷纳米粒子的制备：
S1：将黑磷晶体分散到N-甲基吡咯烷酮中，在功率为80～100W条件下水浴超声2～6h，然后进行探头脉冲超声4～8h，得到混合液；
S2：将S1得到的混合液在4000～6000rpm下离心20～40min，弃去沉淀取上清液，将上清液在10000～14000rpm下离心20～40min，收集沉淀，沉淀用去离子水洗涤，经冻干后制得黑磷纳米粒子；
(2)黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物的制备：
将五水硫酸铜或者氯化铜，和聚乙烯吡咯烷酮同时溶解于去离子水中，得到溶液A，浓度为10mg/ml，往溶液A中加入步骤(1)制得的1mg/mL黑磷纳米粒子，所述的溶液A和黑磷纳米粒子分散液的体积比为50:1，于40～60℃水浴超声混合均匀，然后加入0.5mol/L硼氢化钠溶液，其加入量为溶液A体积的百分之一，恒温搅拌反应2～4h，离心收集沉淀，沉淀用去离子水洗涤，经冻干后制得黑磷纳米粒子/纳米铜相互掺杂的纳米复合物；
所述步骤(2)中聚乙烯吡咯烷酮和五水硫酸铜或氯化铜的质量比为1:2～1:5；
所述步骤(1)进行探头脉冲超声，其功率为300～600W，脉冲频率为开2s、关4s，进行探头脉冲超声时，要将黑磷晶体分散液放在冰水中，超声过程中持续加冰。
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