CN114213718B - 一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化壳聚糖‑氧化石墨烯复合材料制备方法及应用，其中，制备方法包括：将壳聚糖‑氧化石墨烯复合材料加入到冰乙酸中，获得第一混合液；搅拌所述第一混合液，并向所述第一混合液中通入NO2气体，以使所述壳聚糖‑氧化石墨烯复合材料均匀分散在冰乙酸中，获得第二混合液；向所述第二混合液中加入与所述第二混合液体积相同的无水乙醇，获得第三混合液；对所述第三混合液经洗涤、抽滤和干燥处理，即可获得氧化壳聚糖‑氧化石墨烯复合材料。本发明通过NO2气体选择性的将壳聚糖分子中氨基葡萄糖单元的6位羟甲基氧化成羧基，使壳聚糖生成氧化壳聚糖，以实现对壳聚糖‑氧化石墨烯复合材料进行氧化处理。

Description

一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法及应用
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法及应用。
背景技术
在植物病原菌中，真菌所引起的病害种类最多，化学防治是控制植物病害的主要措施之一，但是存在以下问题，一是杀菌剂的反复使用，使得植物病原菌产生抗药性，限制了杀菌剂的使用，同时也为植物病害的防治带来了新的挑战。二是杀菌剂的使用，会对环境造成一定的危害，会破坏生态环境，严重则危害人类的身体健康。因此，寻找环境友好型防治植物病害的材料成为进一步需要解决的问题。
壳聚糖是一无毒无害的天然聚合物，具有良好的生物相容性，提高植物抗病性的同时还可以有效的抑制病原菌的生长，为植物病原菌的防治提供了新的策略。氧化石墨烯作为一种碳基纳米材料，具有良好的物理和化学性能。研究表明，氧化石墨烯可以作为农药的增效剂抑制植物病原菌的生长。使用氧化石墨烯对天然产物进行改性，以提高天然产物的抗菌性能。
壳聚糖本身不溶于碱性或中性溶液中，这一缺陷限制了壳聚糖在生产生活中的应用，所以如何使壳聚糖具备优异性能的同时拥有良好水溶性成为近年的热门研究趋势之一。
发明内容
鉴于上述技术状况，本发明提供了一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法及应用，其中，通过本发明制备出的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料对于小麦赤霉菌具有良好的抑制作用。
本发明第一方面提供的一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法，包括：
将壳聚糖-氧化石墨烯复合材料加入到冰乙酸中，获得第一混合液；
搅拌所述第一混合液，并向所述第一混合液中通入NO2气体，以使所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料均匀分散在冰乙酸中，获得第二混合液；
向所述第二混合液中加入与所述第二混合液体积相同的无水乙醇，获得第三混合液；
对所述第三混合液经洗涤、抽滤和干燥处理，即可获得氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料。
进一步的，在对所述第三混合液进行干燥处理时，所用的干燥温度不超过40℃。
进一步的，还包括对壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备，所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备包括：
将所述氧化石墨烯水分散液加入到所述壳聚糖醋酸溶液中，经超声搅拌混匀后，加入交联剂和催化剂，并在反应得到均一的悬浮液后，将所述悬浮液在-80℃的温度下进行冷冻干燥处理，即可获得壳聚糖-氧化石墨烯复合材料。
进一步的，所述壳聚糖醋酸的浓度为0.001～0.01g/mL。
进一步的，所述氧化石墨烯水分散液的浓度为0.01～0.05g/mL。
进一步的，所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料中的氧化石墨烯质量浓度为2％～50％。
进一步的，所述壳聚糖的分子量为20KDa～1000KDa。
进一步的，所述交联剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，所述催化剂为N-羟基琥珀酰亚胺。
进一步的，所述交联剂和所述催化剂之间的质量比为1:1，所述交联剂和所述催化剂的质量之和为氧化石墨烯和壳聚糖的质量之和的六分之一。
本发明第二方面提供的一种如上述所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料制备方法制备的壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在抗菌剂中的应用。
本发明提供的本发明提供的一种壳聚糖-氧化石墨烯复合材料制备方法，通过NO2气体选择性的将壳聚糖分子中氨基葡萄糖单元的6位羟甲基氧化成羧基，使壳聚糖生成氧化壳聚糖，以实现对壳聚糖-氧化石墨烯复合材料进行氧化处理，且经氧化处理后壳聚糖-氧化石墨烯复合材料具有良好的水分散性，进而使磺化处理后的壳聚糖-氧化石墨烯复合材料适合应用在生产生活中；同时通过经本发明制备出的壳聚糖-氧化石墨烯复合材料对小麦赤霉菌具有良好的抑制作用。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明示例性实施例的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料制备方法的流程示意图；
图2为本发明示例性实施例的壳聚糖、氧化石墨烯、壳聚糖-氧化石墨烯复合材料、氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的扫描电镜图。
图3为本发明示例性实施例的制备出的壳聚糖、壳聚糖-氧化石墨烯复合材料、氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的红外光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法，参见图1，包括：
S100、将壳聚糖-氧化石墨烯复合材料加入到冰乙酸中，获得第一混合液；
S200、搅拌所述第一混合液，并向所述第一混合液中通入NO2气体，以使所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料均匀分散在冰乙酸中，获得第二混合液；
S300、向所述第二混合液中加入与所述第二混合液体积相同的无水乙醇，获得第三混合液；
S400、对所述第三混合液经洗涤、抽滤和干燥处理，即可获得氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料。
本发明提供的一种壳聚糖-氧化石墨烯复合材料制备方法，通过NO2气体选择性的将壳聚糖分子中氨基葡萄糖单元的6位羟甲基氧化成羧基，使壳聚糖生成氧化壳聚糖，以实现对壳聚糖-氧化石墨烯复合材料进行氧化处理，且经氧化处理后壳聚糖-氧化石墨烯复合材料具有良好的水分散性，进而使磺化处理后的壳聚糖-氧化石墨烯复合材料适合应用在生产生活中；同时通过经本发明制备出的壳聚糖-氧化石墨烯复合材料对小麦赤霉菌具有良好的抑制作用。
在一些实施方式中，在对所述第三混合液进行干燥处理时，所用的干燥温度不超过40℃。本实施例中的干燥温度的温度包括但不限于40℃、35℃、30℃、25℃、20℃或15℃。
在一些实施方式中，氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法还包括对壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备，所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备包括：
将所述氧化石墨烯水分散液加入到所述壳聚糖醋酸溶液中，经超声搅拌混匀后，加入交联剂和催化剂，并在反应得到均一的悬浮液后，将所述悬浮液在-80℃的温度下进行冷冻干燥处理，即可获得壳聚糖-氧化石墨烯复合材料。
由于壳聚糖较氧化石墨烯更加廉价，因此通过将壳聚糖作为前体，再通过氧化石墨烯接枝在壳聚糖上，可降低壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备成本。本实施方式通过交联剂活化氧化石墨烯表面的羧基，再通过催化剂接枝在活化的羧基上促进壳聚糖取代交联剂与氧化石墨烯发生交联，已完成对壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备。
在一些实施方式中，所述壳聚糖醋酸的浓度为0.001～0.01g/mL，其中，在制备壳聚糖醋酸溶液时，包括：将0.06g～0.4g壳聚糖溶解在浓度为0.2wt％的稀醋酸溶液中，获得浓度为0.001～0.01g/mL壳聚糖醋酸溶液。本实施例中的壳聚糖醋酸溶液的浓度包括但不限于0.001g/mL、0.002g/mL、0.003g/mL、0.004g/mL、0.005g/mL、0.006g/mL、0.007g/mL、0.008g/mL、0.009g/mL、0.01g/mL。
在一些实施方式中，所述氧化石墨烯水分散液的浓度为0.01～0.05g/mL，其中，在制备氧化石墨烯水分散液时，包括：取0.004g～0.02g氧化石墨烯在水中超声分散均匀，获得浓度为0.01～0.05g/mL氧化石墨烯水分散液。本实施例中的氧化石墨烯水分散液的浓度包括但不限于0.01g/mL、0.02g/mL、0.03g/mL、0.04g/mL、0.05g/mL。
在一些实施方式中，所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料中的氧化石墨烯质量浓度为2％～50％，本实施例中的氧化石墨烯质量浓度包括但不限于2％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。
在一些实施方式中，所述壳聚糖的分子量为20KDa～1000KDa。
在一些实施方式中，所述交联剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，所述催化剂为N-羟基琥珀酰亚胺。
本实施方式通过加入质量比为1：1的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)作为反应的交联剂和催化剂，其中，EDC用于活化氧化石墨烯表面的羧基起到交联剂的作用；NHS则先接枝在活化的羧基上促进壳聚糖取代NHS与GO发生交联，起到催化剂的作用。
进一步的，所述交联剂和所述催化剂之间的质量比为1:1，所述交联剂和所述催化剂的质量之和为氧化石墨烯和壳聚糖的质量之和的六分之一。
本发明还提供了一种如上述所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料制备方法制备的壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在抗菌剂中的应用。
下面通过实施例对本发明提供的一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法做具体说明。
实施例1
一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将0.05g/mL氧化石墨烯水分散溶液加入0.01g/mL分子量为50KDa壳聚糖溶液中，超声两小时混合均匀；
(2)向步骤(1)中的混合溶液中，加入1-(3-二甲胺丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)作为反应的交联剂，加入N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)作为反应的催化剂，使氧化石墨烯接枝壳聚糖上，反应完成后，放置-80℃超低温冰箱冷冻，经冷冻干燥得到10％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料；
(3)利用铜片与浓硝酸反应制备，以广口瓶用向上排空气法收集得到NO2气体；
(4)将步骤(2)制备得到的1g氧化10％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料加入80mL冰乙酸中，获得第一混合液；
(5)对第一混合液边搅拌边通入1.6L NO2气体至10％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料可以均匀分散在冰乙酸中，获得第二混合液；
(6)向第二混合液中加入无水乙醇，获得第三混合液，对第三混合液过滤和洗涤处理后，将滤饼在30℃下进行干燥处理，得到氧化10％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料的复合产物。
本实例还提供氧化10％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料的表征手段。如图2所示，氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料与壳聚糖,氧化石墨烯,壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的电镜形貌具有明显差异，壳聚糖(A)为表面较为粗糙的块状结构；氧化石墨烯(B)表面有大量的褶皱，且为片层结构；壳聚糖-氧化石墨烯复合材料(C)整体为片状，内部呈现交联的网状结构；氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料(D)为较为规则的网状结构，极易分散于水中，为其良好的化学活性奠定基础。
由图3可知，壳聚糖(A)红外光谱图中3430cm-1为壳聚糖分子中-OH和N-H的伸缩振动吸收峰，2870cm-1和2920cm-1为-CH对称伸缩振动吸收峰和-CH2不对称伸缩振动吸收峰，1656cm-1为酰胺Ⅰ带吸收峰，1600cm-1归因于-NH2的弯曲振动，1078cm-1对应于环氧基团的C-O-C键拉伸振动。壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料(B)的红外谱图中，3430cm-1处的-OH变得更加宽泛，1571cm-1，1644cm-1处的吸收峰对应-NHCO-中的N-H伸缩振动峰和-C＝O的伸缩振动峰，结果表明CS和GO以酰胺键的形式结合。氧化10％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料(C)红外光谱图中，原本3430cm-1出的羟基峰减弱，在1725cm-1处出现了新的羧基的-C＝O伸缩振动峰，1244cm-1羧基C-O伸缩振动峰增强，表明氧化成功。
本实例还提供氧化10％壳聚糖-氧化石墨烯(5W)复合材料作为一种抗菌剂的用途。
(1)PDA培养基的制备
将马铃薯洗净去皮后切块，称取已经切好的小块，煮至熟而不烂，纱布过滤，得到马铃薯汁，定容至2000mL，再次煮沸，加入称好的蔗糖和琼脂，边加热边搅拌，待到完全溶解后，纱布过滤，搅拌均匀，定容至2000mL，得到PDA培养基备用。
(2)抗菌实验
称取15mg氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料放入小烧杯中，加入30mL去离子水溶解，溶液进行梯度稀释为50μg/mL，40μg/mL，30μg/mL，20μg/mL，10μg/mL五种不同浓度的溶液。
将溶液与PDA培养基混合后，倒入四个培养皿中做平行实验，然后用记号笔在培养皿上标注编号，待其冷却凝固之后备用。
将小麦赤霉菌接种到培养基，将培养皿倒置，用封口膜进行封口后，置于26～28℃的生化培养箱中培养。培养72小时后，采用十字交叉法对菌落的直径进行测量并记录数据，计算抑菌率和菌落平均直径，整理数据。
Figure BDA0003347508630000081
菌落直径＝菌落总直径(cm)-菌落直径(cm)
(3)抗菌效果
抗菌效果表1，表2所示，通过对表1和2进行分析，可知抑制率随浓度的增加而增加，所得到的抗菌毒力回归方程为y＝2.43x+0.7519。
表1为实施例的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料抑菌率表格
Figure BDA0003347508630000082
表2为实施例的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料毒力回归方程
Figure BDA0003347508630000083
实施例2
一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将0.01g/mL氧化石墨烯水分散溶液加入0.01g/mL分子量为50KDa壳聚糖溶液中，超声两小时混合均匀；
(2)向步骤(1)中的混合溶液中，加入1-(3-二甲胺丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)作为反应的交联剂，加入N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)作为反应的催化剂，使氧化石墨烯接枝壳聚糖上，反应完成后，放置-80℃超低温冰箱冷冻，经冷冻干燥得到25％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料；
(3)利用铜片与浓硝酸反应制备，以广口瓶用向上排空气法收集得到NO2气体；
(4)将步骤(2)制备得到的1g氧化25％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料加入80mL冰乙酸中，获得第一混合液；
(5)对第一混合液边搅拌边通入1.6L NO2气体至25％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料可以均匀分散在冰乙酸中，获得第二混合液；
(6)向第二混合液中加入无水乙醇，获得第三混合液，对第三混合液过滤和洗涤处理后，将滤饼在30℃下进行干燥处理，得到氧化25％壳聚糖-氧化石墨烯(5w)复合材料的复合产物。
实施例3
一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将0.005g/mL氧化石墨烯水分散溶液加入0.01g/mL分子量为100KDa壳聚糖溶液中，超声两小时混合均匀；
(2)向步骤(1)中的混合溶液中，加入1-(3-二甲胺丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)作为反应的交联剂，加入N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)作为反应的催化剂，使氧化石墨烯接枝壳聚糖上，反应完成后，放置-80℃超低温冰箱冷冻，经冷冻干燥得到10％壳聚糖-氧化石墨烯(100w)复合材料；
(3)利用铜片与浓硝酸反应制备，以广口瓶用向上排空气法收集得到NO2气体；
(4)将步骤(2)制备得到的1g氧化10％壳聚糖-氧化石墨烯(100w)复合材料加入80mL冰乙酸中，获得第一混合液；
(5)对第一混合液边搅拌边通入1.6L NO2气体至10％壳聚糖-氧化石墨烯(100w)复合材料可以均匀分散在冰乙酸中，获得第二混合液；
(6)向第二混合液中加入无水乙醇，获得第三混合液，对第三混合液过滤和洗涤处理后，将滤饼在30℃下进行干燥处理，得到氧化10％壳聚糖-氧化石墨烯(100w)复合材料的复合产物。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在制备抗菌剂中的应用，其特征在于，所述菌为小麦赤霉菌，所述氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备方法包括：
将1g壳聚糖-氧化石墨烯复合材料加入到80mL冰乙酸中，获得第一混合液；
搅拌所述第一混合液，并向所述第一混合液中通入1.6L NO2气体，以使所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料均匀分散在冰乙酸中，获得第二混合液；
向所述第二混合液中加入与所述第二混合液体积相同的无水乙醇，获得第三混合液；
对所述第三混合液经洗涤、抽滤和干燥处理，即可获得氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在制备抗菌剂中的应用，其特征在于，在对所述第三混合液进行干燥处理时，所用的干燥温度不超过40℃。
3.根据权利要求1所述的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在制备抗菌剂中的应用，其特征在于，还包括对壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备，所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料的制备包括：
将氧化石墨烯水分散液加入到壳聚糖醋酸溶液中，经超声搅拌混匀后，加入交联剂和催化剂，并在反应得到均一的悬浮液后，将所述悬浮液在-80℃的温度下进行冷冻干燥处理，即可获得壳聚糖-氧化石墨烯复合材料。
4.根据权利要求3所述的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在制备抗菌剂中的应用，其特征在于，所述壳聚糖醋酸溶液的浓度为0.001～0.01g/mL。
5.根据权利要求3所述的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在制备抗菌剂中的应用，其特征在于，所述氧化石墨烯水分散液的浓度为0.01～0.05g/mL。
6.根据权利要求3所述的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在制备抗菌剂中的应用，其特征在于，所述壳聚糖-氧化石墨烯复合材料中的氧化石墨烯质量浓度为2%～50%。
7.根据权利要求3所述的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在制备抗菌剂中的应用，其特征在于，所述壳聚糖的分子量为20KDa～1000KDa。
8.根据权利要求3所述的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在制备抗菌剂中的应用，其特征在于，所述交联剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，所述催化剂为N-羟基琥珀酰亚胺。
9.根据权利要求8所述的氧化壳聚糖-氧化石墨烯复合材料在制备抗菌剂中的应用，其特征在于，所述交联剂和所述催化剂之间的质量比为1:1，所述交联剂和所述催化剂的质量之和为氧化石墨烯和壳聚糖的质量之和的六分之一。
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