CN113647411B

CN113647411B - 一种铜纳米粒子/二硫化钼复合材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN113647411B
Application number: CN202110886239.3A
Authority: CN
Inventors: 洪流; 张玉媛; 李京泽; 马镓鑫; 杨成
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2041-08-03
Also published as: CN113647411A

Abstract

本发明公开了一种铜纳米粒子/二硫化钼复合材料及其制备方法和应用，属于纳米材料技术领域。本发明利用二硫化钼作为载体，通过光照法实现铜纳米粒子在寡层二硫化钼表面的原位生长，并对其尺寸进行精细调控，制备得到的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。本发明方法简单、高效，所得铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的粒径较小且分布均一，并对金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)和大肠杆菌(革兰氏阴性菌)都表现出显著的抑菌活性，能够更好的应用在抗菌领域，具有较好的应用前景。

Description

一种铜纳米粒子/二硫化钼复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种铜纳米粒子/二硫化钼复合材料及其制备方法和应用，属于纳米材料技术领域。

背景技术

细菌感染是对人类健康的严重威胁。尽管抗生素的发现已使其受到一定程度的控制，但在过去的几十年中滥用抗生素使得抗菌药物日益萎缩。因此，迫切需要开发高效的新型抗菌剂。

超薄二维纳米材料不仅广泛用于催化、光子学、电子学、能量存储、传感和诊断等各个领域，而且在生物医学领域的发展也备受关注。学者们已经发现某些二维材料(例如石墨烯等)对细菌和真菌具有细胞毒性，为微生物感染问题提供了新的解决思路。二维材料不仅具有超大的比表面积，可作为抗菌药物的合适载体，还能与微生物发生物理或化学相互作用，从而有效避免了耐药性的产生。此外，某些二维材料具有出色的光热/光催化性能，大大提高了杀菌效率。

作为一种典型的二维纳米材料，二硫化钼在光电器件、催化、能源生产和能量储存等应用方面具有巨大潜力。近年来，二硫化钼独特的物理化学性质使其成为了不可多得的抗菌材料。二硫化钼具有超薄的带隙(1.2～1.8eV)，能在可见光波长范围内激发产生电子和空穴，并与环境中的氧气和水形成活性氧(ROS)。钼是细胞中各种酶的必需微量元素，而硫是常见的生物元素，因此二硫化钼对于人类是相对安全的。此外，少层的二硫化钼具有丰富的活性位点，可以通过物理吸附或化学键合与其它抗菌材料结合，从而实现协同抗菌。

贵金属纳米颗粒被广泛用于抗菌，因为它们可以释放金属离子(例如Ag⁺)，破坏细菌细胞膜。然而，此类金属纳米粒子的成本通常很高，过度使用金属也可能诱发皮肤疾病甚至死亡。同上述金属相比，铜相对便宜，并且已被证明能够有效抗菌。研究还表明，铜对人类的毒性较小，这使得铜成为一种安全、经济且有前景的抗菌剂。然而，裸露的铜纳米粒子由于尺寸较小而趋于聚集，这将大大降低其抗菌效率。因此，如何通过简单有效的方法将铜纳米粒子负载到二硫化钼表面，形成铜纳米粒子/二硫化钼复合材料依然是一个挑战，也是进一步实现两者协同抗菌的关键问题之一。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种铜纳米粒子/二硫化钼复合材料及其制备方法和应用，本发明利用光照还原法使铜纳米粒子均匀生长在寡层二硫化钼纳米片上，制得的的复合材料能够应用于抗菌领域，二者协同作用提高了复合材料对细菌的杀灭能力。

本发明首先提供了一种制备铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将二硫化钼粉末分散在水中得到二硫化钼分散液，再加入有机溶剂，超声处理得分散液；

(2)取二价铜盐水溶液加入到步骤(1)得到的分散液中，再次超声得到分散液；

(3)将步骤(2)得到分散液用紫外光照射一定时间后，过滤得到产物，洗涤，干燥，制得铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所选用的二硫化钼粉末为已被剥离成寡层的二硫化钼纳米片，优选为2～3层。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述有机溶剂为甲醇，作为空穴捕获掺杂剂。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中有机溶剂与分散液总体积之比为1：2-1：6。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中得到的二硫化钼分散液的质量浓度为0.5-2mg/mL。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中超声处理的时间优选为30-60min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中二价铜盐水溶液为包括硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、葡糖酸铜、天冬氨酸铜、叶绿素铜、乙酸铜、乙酰蛋氨酸铜或吡咯烷酮羧酸铜的水溶液。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中二价铜盐水溶液的浓度为0.001-0.02M。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中二价铜盐水溶液与总分散液的体积比为2:3-2:7。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中超声处理时间优选为30-60min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中紫外光的波长为300-400nm。

在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中紫外光照射时间为30-60min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中过滤为真空抽滤。

在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中干燥是使用真空烘箱进行干燥，真空度为-0.1MPa，干燥温度为40-60℃。

在本发明的一种实施方式中，，步骤(3)中所述洗涤为水洗，优选用去离子水洗涤。

在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括如下过程：

(1)将10mg的二硫化钼粉末分散在10mL去离子水和2mL甲醇中，超声处理30min，其中甲醇用作空穴捕获掺杂剂，用于促进二价铜离子在二硫化钼表面上的光沉积；

(2)然后将20mL氯化铜溶液(0.02M)加入到步骤(1)得到的分散液中，再超声处理30min。

(3)接着从分散液的上侧方向用紫外光(波长：365nm)照射30min，过滤并用去离子水洗涤，50℃真空干燥制得铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。

本发明提供了利用上述方法得到的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。

在本发明的一种实施方式中，所述铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的粒径约为5nm及以下。

本发明还提供了上述铜纳米粒子/二硫化钼复合材料在抗菌领域中的应用。

本发明还提供了一种抗菌剂，所述抗菌剂包括上述铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。

本发明还提供了一种抗菌方法，所述方法以上述铜纳米粒子/二硫化钼复合材料作为抗菌剂进行抗菌。

在本发明的一种实施方式中，所述抗菌方法优选需要可见光照射。

在本发明的一种实施方式中，所述抗菌方法或抗菌剂适用于革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌。

本发明的有益效果

本发明利用简单有效的方法(光照还原法)使铜纳米粒子均匀生长在寡层二硫化钼纳米片上，通过调节反应条件可将颗粒尺寸控制在5nm以下。本发明所制备的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料能够应用于抗菌领域，铜纳米粒子/二硫化钼复合材料在与细菌接触过程中会产生电子传递，同时生成的羟基自由基(·OH)也会对细菌的重要组分造成破坏，从而使其失去细胞活力。而铜纳米粒子促进了·OH的生成，提高了复合材料对细菌的杀灭能力。

附图说明

图1为实施例1制得材料的TEM图像，其中，(a)、(b)和(c)分别来自表1中的002、003、004号实验。

图2为实施例1制得材料的TEM图像，其中，(a)、(b)和(c)分别来自表1中的007、008、009号实验。

图3为实施例1制得材料的TEM图像，其中，(a)、(b)和(c)分别来自表1中的010、008、011号实验。

图4为010(a)、008(b)号实施例1中制得的材料的生长颗粒的粒径直方图，其中，(a)和(b)分别来自表1中的010和008号实验。

图5为实施例1的008号实验制得的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的XRD图谱。

图6为实施例1的008号实验制得的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的Raman图谱。

图7为实施例1的008号实验制得的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的XPS图，其中，(a)为全谱图；(b)、(c)、(d)分别为Cu、Mo、S元素的XPS图。

图8为实施例1的008号实验制得的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的AFM图像。

图9为实施例1的008号实验制得的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的HRTEM图像。

图10为用(i)PBS，(ii)CuNPs，(iii)MoS₂，(iv)CuNPs/MoS₂，(v)PBS+光，(vi)CuNPs+光，(vii)MoS₂+光，(viii)CuNPs/MoS₂+光处理的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的SEM图像。

图11为用(i)PBS，(ii)CuNPs，(iii)MoS₂，(iv)CuNPs/MoS₂，(v)PBS+光，(vi)CuNPs+光，(vii)MoS₂+光，(viii)CuNPs/MoS₂+光处理后的(a)金黄色葡萄球菌和(b)大肠杆菌形成的细菌菌落的照片；(c)金黄色葡萄球菌和(d)大肠杆菌对应的抗菌效率直方图。

图12为银纳米粒子/二硫化钼复合材料的TEM图谱(插图为高分辨TEM图像)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。本发明提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或制备方法均为本领域技术人员熟知的工艺步骤或制备方法。

实施例1铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的制备

(1)将5mg、10mg、15mg、20mg、30mg的二硫化钼粉末分别分散在10mL去离子水中制备浓度为0.5、1、1.5、2、3mg/mL的分散液，加入2mL甲醇作为空穴捕获掺杂剂，超声处理30min，然后再加入20mL氯化铜溶液(0.02M)，继续超声处理30min。接着从溶液的上侧方向用紫外光(波长：365nm)照射溶液1h，最后将获得的混合液过滤并用去离子水洗涤3遍，50℃真空干燥下制得铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。对制备得到的产物进行透射电镜检测，结果如图1所示。

(2)控制二硫化钼分散液浓度为1mg/mL，氯化铜溶液的浓度为0.02M。改变紫外光(波长365nm)照射时间分别为5min、30min、1h、2h，按照(1)中所述步骤制备铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。对制备得到的产物进行透射电镜检测，结果如图2所示。

(3)控制二硫化钼分散液浓度为1mg/mL，紫外光光照时间为30min。改变氯化铜溶液浓度分别为0.01M、0.02M、0.03M，按照(1)中所述步骤制备铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。所制得样品的实验条件见表1。对制备得到的产物进行透射电镜检测，结果如图3所示。

表1调控CuNPs生长的实验条件一览表

如图1所示，当二硫化钼分散液浓度为1.5mg/mL(003号实验，对应图1(b))时，二硫化钼部分发生卷曲和团聚，而且并未在表面发现大量的颗粒附着。当二硫化钼分散液浓度为2mg/mL(004号实验，对应图1(c))时，二硫化钼分散液呈现出规则的条形，且仅有的铜纳米粒子都长在其边缘处。与这两组相比，从图1(a)(对应002号实验)中可以明显看到铜纳米颗粒均匀地分布在二硫化钼表面且颗粒数量较多。因此，二硫化钼分散液的最适浓度为1mg/mL。

由图2可见，虽然紫外光光照5min(007号实验)可以得到较多的铜纳米粒子，但是铜纳米粒子的大小严重不均(图2(a))。图2(c)显示009号实验得到的二硫化钼出现严重的团聚现象。而图2(b)呈现了较好的复合效果(对应008号实验)，所对应的光照时间为30min。

图3中，当氯化铜浓度为0.03M时，二硫化钼表面负载的颗粒数量太少(见图3(c))。氯化铜浓度为0.01M(见图3(a))和0.02M(见图3(c))时铜纳米粒子的生长状况较好。而氯化铜浓度为0.01M时铜纳米粒子的直径多数处于4-7nm之间(图4(a))，浓度为0.02M时的直径多数处于2-4nm之间(图4(b))，显然当氯化铜浓度为0.02M时得到的铜纳米粒子粒径更小。

综上所述，铜纳米粒子生长的最佳条件即二硫化钼分散液的浓度为1mg/mL，氯化铜溶液的浓度为0.02M，光照时间为30min。图1、2、3未涉及的实验组皆出现上述类似的问题或根本无法获得可观察的图像。

对008号实验制备所得的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料进行X射线衍射分析，如图5所示，位于10°和14°处的峰分别对应于MoS₂六角晶体的(002)(1T相)和(002)(2H相)平面。在43°和50°处的峰归因于CuNPs的(111)和(200)平面。而来自(-111)(-202)(-113)的衍射峰经分析应属于CuO。CuO出现的原因可能是制得的CuNPs较小，在空气中极易被氧化，从而形成CuO。

对008号实验制备所得的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料进行拉曼图谱分析(图6)，MoS₂纳米片上负载了CuNPs之后，J₁(156cm^-1)、J₂(229cm^-1)、J₃(320cm^-1)声子模式和振动模式E¹ _2g(381cm^-1)和A_1g(407cm^-1)依然存在，说明CuNPs的原位生长不会对MoS₂的结构造成破坏。除此之外，在288cm^-1处还发现了一个微弱的峰，有可能来源于CuO。

对008号实验制备所得的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料进行XPS图谱分析(图7)，全谱(图7(a))表明复合材料中存在Cu、Mo、S、C、O峰，其中C和O峰来自于材料表面上的空气吸收。Cu的高分辨率光谱(图7(b))显示Cu单质的Cu 2p_2/3和Cu 2p_1/2峰值位于932.6eV和952.2eV，CuO的Cu 2p_2/3和Cu 2p_1/2峰值位于934.9eV和954.8eV。其中，Cu所占的比率为44.68％。除此之外，在940-945eV和962.8eV处也出现了二价铜的特征卫星峰。结合之前的XRD和Raman图，能够确定Cu纳米颗粒被氧化。由图7(c)可得Mo 3d_5/2和Mo 3d_3/2的1T相峰值位于228.8eV和232.1eV，低于其2H相对应的峰(229.4eV和232.1eV)；图7(d)中，1T-MoS₂的S2p_3/2和S 2p_1/2位于161.3eV和162.8eV，同样低于2H-MoS₂对应的峰(161.8eV和164.2eV)。Mo的高分辨率光谱中在235.4eV处出现的微弱信号可能归因于MoS₂和CuO之间形成的Mo-O键，提高了稳定性，使颗粒不易脱落。

对008号实验制备所得的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料进行原子力显微镜(AFM)分析(图8)，可得铜纳米粒子的尺寸基本小于5nm。使用高分辨透射电镜(HRTEM)对复合材料进行分析，共发现三种晶格条纹。其中，0.27nm的晶格间距代表MoS₂的(100)面(图9(a))，0.21nm的晶格间距与CuNPs的(111)面有关(图9(b))，平面间距为0.25nm的晶格条纹与CuO的(-111)面相吻合(图9(c))。这些证明了长在MoS₂表面的颗粒的确是Cu或CuO。

实施例2铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的抗菌性能

(1)首先，将菌株保存在固体培养基中。在电子天平上分别称取0.6g牛肉粉、2g胰蛋白胨、1g NaCl，加入200mL去离子水，在搅拌的情况下，使用NaOH溶液(1mol/L)调节pH至7.2，配制得到LB培养基。将其分装至若干锥形瓶中，并用封口膜封口。将锥形瓶放置于立式自动压力蒸汽灭菌器中，120℃下高压蒸汽灭菌20min。通过接种环把在固体培养基上保存的细菌转移至已灭菌的LB培养基中培养过夜。利用紫外可见光谱仪测得菌液在600nm波长的光密度值(OD₆₀₀)，并依此将菌液稀释至实验所需浓度。

(2)将浓度为10⁷CFU/mL的金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)分别暴露在PBS、CuNPs分散液(铜纳米颗粒，粒径100nm左右，浓度为1mg/mL)、MoS₂分散液(1mg/mL)、实施例1的008号实验制得的CuNPs/MoS₂分散液(1mg/mL)中，并在光照(660nm，0.9W/cm²，光照时间：15min)及避光的条件下进行抗菌实验对比。将细菌与材料在全温振荡培养箱中(200rpm，37℃)混合培养3h，将混合液滴至处理干净的硅片上，待自然风干后将其置于含有2.5％戊二醛的PBS中固定2小时。接着用PBS洗涤细菌，并通过分级乙醇系列(30、50、70和100v/v％)脱水15分钟。将细菌进一步用金溅射镀膜，并通过SEM观察它们的形态变化(图10)。

图10中的SEM图像可用于研究经上述材料处理过的细菌的细胞膜完整性。研究发现，无论光照与否，经PBS处理的金黄色葡萄球菌(球形)和大肠杆菌(棒状)都保持着光滑完整的形态，说明细菌完全未被破坏。相反，当用其它样品处理细菌时，细胞表面变得粗糙和皱缩，而细菌的形状则出现不同程度的扭曲(见白色箭头处)。这表明细菌被吸附在细胞表面的杀菌剂(白色圆圈处)破坏。特别的，CuNPs/MoS₂组细菌细胞在660nm可见光照射后破坏最为严重，细菌严重收缩和聚集。该结果与菌落计数实验得出的结论一致，证实CuNPs/MoS₂复合材料显示出最优异的杀菌作用。

(3)按照上述操作培养金黄色葡萄球菌，然后稀释至10⁵CFU/mL。100μL PBS、CuNPs分散液(1mg/mL)、MoS₂分散液(1mg/mL)、CuNPs/MoS₂分散液(1mg/mL)在光照(660nm，0.9W/cm²，光照时间：5min)及避光的条件下分别与上述100μL菌液混合，将混合液稀释800倍后取20μL涂布在固体琼脂平板上，37℃下培养13h，对平板上的菌落进行计数(图11)。对于大肠杆菌，实验操作相同，只需将它的混合液稀释300倍。通过下式计算：抗菌功效(％)＝(对照(PBS)数-与不同材料一起孵育的样品数)/对照(PBS)数×100(％)。

图11(a)、(b)显示CuNPs/MoS₂组平板上的菌落数明显减少，甚至没有菌落生长。相较于PBS组，CuNPs和MoS₂组平板上的菌落数则变化不大。依据前述抗菌效率计算公式可定量地评价其抑菌活性。对于金黄色葡萄球菌(图11(c))，在避光条件下，CuNPs和MoS₂样品抗菌效率均低于40％。660nm可见光的照射下，结果几乎没变，即单一组分对金黄色葡萄球菌的抗菌活性非常有限。相比之下，即使不进行光照射，CuNPs/MoS₂复合材料对金黄色葡萄球菌的抗菌效率也达到57％，而在光照5分钟后抗菌率可高达98％。在大肠杆菌中也观察到类似现象(图11(d))，尤其的，光照前CuNPs/MoS₂复合材料也能够产生良好的抗菌效果，这表明小尺寸CuNPs和MoS₂纳米片在抑制细菌生长方面具有协同作用。

对比例1

使用银源代替铜源制备AgNPs/MoS₂复合材料：首先，将银纳米线的溶剂置换为乙醇。然后，将2mL硫脲的水溶液(0.01g/mL)、20mL银纳米线的乙醇分散液(0.3mg/mL)混合并超声震荡3分钟，加入2mL钼酸铵的水溶液(0.005g/mL)后超声震荡2分钟。接着将混合液转移至30mL Teflon衬里的不锈钢高压釜中，在200℃下加热24小时。待冷却至室温，将产物用水和乙醇洗涤多次，在60℃下真空干燥12小时以上。

如图12所示，颗粒直径约为100nm，0.23nm和0.30nm的晶格间距分别对应着Ag的(111)和MoS₂的(004)面，证实在MoS₂层间嵌入了AgNPs。同光化学还原法制备的CuNPs相比，颗粒直径明显增大，说明在该方法下Ag和MoS₂之间的相互作用较弱，无法控制颗粒的形成，并且未能充分利用MoS₂的优势。

对比例3

表2为本发明的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料与其他材料的抗菌性能比较，可见，本发明的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的抗菌效果非常优异。

表2铜纳米粒子/二硫化钼复合材料与其他材料的抗菌性能比较

[a]吕鹏召.铜纳米粒子及复合材料的制备、表征以及抗菌性、催化加氢性能的研究[D].天津理工大学，2019.

[b]唐楷为.二硫化钼基复合材料制备及其抗菌性能研究[D].中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)，2018.

[c]郑正,王芳彬,赵迪,陈扣宝.负载壳聚糖和丁香酚的二维MoS₂的制备及其抑菌活性研究[J].中南药学，2020,18(05):776-780.

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种制备铜纳米粒子/二硫化钼复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)将二硫化钼粉末分散在水中得到二硫化钼分散液，再加入有机溶剂，超声处理得分散液，其中，所述有机溶剂为甲醇；二硫化钼分散液的质量浓度为1 mg/mL；有机溶剂与分散液总体积之比为1：2-1：6；

(2)取二价铜盐水溶液加入到步骤(1)得到的分散液中，再次超声得到分散液；其中，二价铜盐水溶液的浓度为0.001-0.02 M；

(3)将步骤(2)得到分散液用紫外光照射一定时间后，过滤得到产物，洗涤，干燥，制得铜纳米粒子/二硫化钼复合材料；其中，紫外光的波长为300-400 nm，照射时间为30-60min。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中二价铜盐水溶液为包括硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、葡糖酸铜、天冬氨酸铜、叶绿素铜、乙酸铜、乙酰蛋氨酸铜或吡咯烷酮羧酸铜的水溶液。

3.根据权利要求1或2所述的方法得到的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。

4.一种抗菌剂，其特征在于，所述抗菌剂包括权利要求3所述的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料。

5.权利要求3所述的铜纳米粒子/二硫化钼复合材料或权利要求4的抗菌剂在制备抗菌材料中的应用。