CN114314666A - 一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂及其制备方法，将钼盐分散于水中，制得钼盐水溶液；将还原剂分散于水与有机溶剂的混合液中，制得还原剂溶液；将钼盐水溶液与氨基酸盐酸盐类还原剂溶液混合均匀，于室温下反应12h～48h，得到MoO3前驱物，再进行分段煅烧处理，得到微米级MoO3；将微米级MoO3进行球磨，制得氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂。本发明以氨基酸盐酸盐类还原剂为绿色还原剂制备MoO3的过程，氨基酸盐酸盐类还原剂本身能够提供弱酸性环境，未带入其他具有毒副作用的杂质，无需外加酸液调节pH值，并采用球磨法对MoO3纳米颗粒晶粒尺寸进行控制的同时构建氧空位，制备工艺简单、成本低廉，易于规模生产。
Description
技术领域
本发明属于纳米无机抗菌剂领域，特别涉及一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂及其制备方法。
背景技术
空气是人类生存的重要环境，也是微生物借以扩散的媒介。细菌等微生物在室内孳生繁殖而污染空气，已成为目前重要的公共环境卫生问题。情况严重时，可引起眼刺激感、哮喘、过敏性皮炎、过敏性肺炎和传染性疾病，重者甚至导致死亡。细菌感染的危险性日益增加，加速了对抗菌疗法和强效抗菌剂的迫切需求。
常温催化抗菌剂能够原位活化空气中的O2，自发产生活性氧(ROS，如羟基自由基、超氧自由基、单线态氧等)，氧化损伤细菌细胞物质(例如，核酸、蛋白质和脂质)，被认为是具有前途的抗菌疗法。三氧化钼作为典型的二维过渡金属氧化物(TMO)，具有比表面积大、生物相容性好等独特的理化性质，丰富的价态和结构灵活性，在抗菌领域中得到广泛应用。然而，目前大多数MoO3抗菌剂都需要在有额外的能量(专利CN112915204 A)或与其他抗菌策略协同(Yin et al.,Applied Catalysis B:Environmental 224(2018)671–680；专利CN111017996A)下表现出良好的杀菌性能。所以，开发在常温下具有较高细菌灭杀效率的氧化钼抗菌剂尤为必要，其中氧空位工程是一种有效提高抗菌剂灭杀效率的策略。通过构筑氧空位(OV)，在催化剂表面不断自发吸附活化空气中O2，能够持续产生高浓度的ROS，实现在常温条件下长效持久抗菌。近年来，研究人员常采用元素掺杂法(专利CN202011442754.4)，化学处理法(专利CN 108539190 A)制备氧空位型氧化钼，但是由于氧空位的形成受制备过程的强烈影响，上述复杂的方法不适用于氧空位浓度的有效控制和大规模生产，这对其实际应用有着较大的局限性，而物理法构建纳米抗菌剂氧空位是一种低廉绿色的技术手段。此外，目前氧化钼制备过程中大多需要外加酸液(HCl，HNO3)，调节其反应体系的pH值(专利CN201810663570.7)，增加了其制备成本，降低了抗菌剂的生物安全性。因此，开发一种易于规模生产，无需外加酸液和额外能量的能够一步法控制晶粒尺寸持续产生ROS，实现高效持久杀灭细菌的氧空位型氧化钼抗菌剂具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂及其制备方法，利用机械球磨法同步实现了MoO3纳米颗粒晶粒尺寸的控制及氧空位的构建，促进常温下氧在MoO3表面的活化及细菌的催化氧化。该制备方法简单，易于规模生产，能够持续产生高浓度的ROS，实现高效持久抗菌效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钼盐分散于水中，制得浓度为5mg/mL～30mg/mL的钼盐水溶液；
将还原剂分散于水与有机溶剂的混合液中，制得浓度为10mg/mL～40mg/mL的还原剂溶液；
(2)将钼盐水溶液与盐酸盐类还原剂溶液混合均匀，于室温下反应12h～48h，得到MoO3前驱物，再进行分段煅烧处理，得到微米级MoO3；
(3)将微米级MoO3进行球磨，制得氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂。
进一步的，钼盐为二水合钼酸钠、四水合钼酸铵与七钼酸铵中的一种。
进一步的，氨基酸盐类还原剂为半胱氨酸盐酸盐、酪氨酸盐酸盐、赖氨酸盐酸盐或组氨酸盐酸盐。
进一步的，有机溶剂为分析纯级的乙醇、异丙醇与乙二醇中的一种。
进一步的，水与有机溶剂的体积比为2:1～5:1。
进一步的，钼盐水溶液与盐酸盐类还原剂溶液的体积比为1：2～1：4。
进一步的，分段煅烧处理在空气气氛下进行。
进一步的，分段煅烧处理的具体过程为：首先在300℃～420℃下煅烧1h～2h，然后在420℃～550℃下煅烧2h～4h。
进一步的，球磨转速为200rpm/min～500rpm/min。
一种根据上述方法制备的氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂，该抗菌剂对大肠杆菌抗菌率为98.5％-99.9％，对金黄葡萄球菌的抗菌率为98.5％-99.9％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明以氨基酸盐类还原剂为绿色还原剂制备MoO3的过程，这类还原剂本身能够提供弱酸性环境，未带入其他具有毒副作用的杂质，无需外加酸液调节pH值，并采用球磨法对MoO3纳米颗粒晶粒尺寸进行控制的同时构建氧空位，制备工艺简单、成本低廉，易于规模生产。本发明的氧空位型纳米MoO3采用二次煅烧工艺使其更加稳定，避免MoO3溶解，利于该抗菌剂在极湿的条件下灭菌，增加了该抗菌剂的实际应用范围。本发明制备的氧空位型MoO3纳米抗菌剂能够同步实现对细菌的高效吸附和表面高浓度ROS的持续产生，达到高效持久杀菌的目的，具有催化剂用量少、杀菌持久、生物安全可靠等优点。其抗菌机理为：氧空位型MoO3纳米抗菌剂通过MoO3层间的范德华力以及带正电的Mo原子和带负电的磷酸基团(PO4-)之间的静电力吸附细菌，再通过表面氧空位活化吸附空气中的O2，原位自发持续产生高浓度的ROS，通过ROS氧化损伤细菌细胞膜，导致钾离子泄露，破坏细菌的氧化防御系统使细菌死亡。经测试，该氧空位型纳米MoO3抗菌剂最低抑菌浓度为50μg/mL，抗菌效率高达99.99％。
进一步的，以半胱氨酸盐酸盐、酪氨酸盐酸盐、赖氨酸盐酸盐、组氨酸盐酸盐为绿色还原剂制备MoO3的过程，半胱氨酸盐酸盐、酪氨酸盐酸盐、赖氨酸盐酸盐与组氨酸盐酸盐本身能够提供弱酸性环境，未带入其他具有毒副作用的杂质，无需外加酸液调节pH值，并采用机械球磨法对MoO3纳米颗粒晶粒尺寸进行控制的同时构建氧空位，制备工艺简单、成本低廉，易于规模生产。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的氧空位型纳米MoO3抗菌剂的XRD谱图。
图2是本发明实施例2制备的氧空位型纳米MoO3抗菌剂的TEM谱图。其中，(a)为微米MoO3TEM图，(b)为纳米MoO3TEM图。
图3是本发明实施例4制备的氧空位型纳米MoO3抗菌剂的EPR-氧空位谱图。
图4是本发明实施例7制备的氧空位型纳米MoO3抗菌剂的抗菌效果图。
具体实施方式
以下是具体实施例对本发明作详细的说明。以下所举实施例仅用于解释本发明，而非用于限制本发明的范围。
本发明一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将钼盐分散于水中，制得浓度为5mg/mL～30mg/mL的钼盐水溶液；
其中，钼盐为二水合钼酸钠、四水合钼酸铵与七钼酸铵中的一种。
(2)将还原剂分散于水与有机溶剂的混合液中，制得浓度为10mg/mL～40mg/mL的还原剂溶液；
其中，还原剂为半胱氨酸盐酸盐、酪氨酸盐酸盐、赖氨酸盐酸盐或组氨酸盐酸盐；混合液中有机溶剂为分析纯级的乙醇、异丙醇与乙二醇中的一种。水与有机溶剂的体积比为2:1～5:1。
(3)将钼盐水溶液与还原剂溶液混合均匀(体积比为1：2～1：4)，于室温下搅拌反应12h～48h，离心分离，洗涤沉淀并烘干，得到MoO3前驱物，于空气气氛下进行两次分段煅烧处理，得到微米级MoO3；
其中，两次分段煅烧过程为：首先在300℃～420℃温度范围内煅烧1h～2h，之后再在420℃～550℃温度范围内煅烧2h～4h。
(4)将微米级MoO3置于球磨罐中，加入去离子水与助磨剂共球磨0.5h～5h，离心洗涤沉淀并烘干，制得氧空位型纳米三氧化钼(MoO3)抗菌剂。
其中，步骤(3)和步骤(4)中烘干温度为25℃～80℃，时间为12～24h。
助磨剂为氯化钠、氯化钾与氯化钙中的一种，助磨剂的用量为微米级MoO3质量的3％～8％。
球料比质量为10:1～30:1，球磨转速为200rpm/min～500rpm/min。
本发明制备的一种氧空位型纳米MoO3抗菌剂通过平板计数法进行抗菌效率(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)测试。测试条件：细菌密度为1.0×108CFU/mL，培育温度37℃±2℃，抗菌剂量为50μg/mL。
下面为具体实施例。
实施例1
(1)将四水合钼酸铵分散于水中，制得浓度为15mg/mL的四水合钼酸铵水溶液，将半光氨酸盐酸盐分散于水与乙醇的混合液中，制得浓度为30mg/mL的半光氨酸盐酸盐溶液；水与乙醇的体积比为2:1。
将15mg/mL的四水合钼酸铵水溶液和30mg/mL的半光氨酸盐酸盐溶液混匀(体积比为1：2)，室温下搅拌反应24h，离心，将得到的沉淀洗涤，80℃烘干，制得MoO3前驱物。
(2)将步骤(1)中MoO3前驱物置于空气气氛下先在300℃下保温1h，再在420℃下保温2h制得微米级MoO3。
(3)将步骤(2)中的微米级MoO3置于球磨罐中，以500rpm/min的速度与质量浓度为3％的氯化钠溶液湿法共球磨0.5h，其中，球料质量比为30:1，制得纳米氧空位型MoO3抗菌剂。
对氧空位型纳米MoO3抗菌剂进行XRD测试，测试结果如图1所示。常温条件下，其对大肠杆菌/金黄葡萄球菌的抗菌率为：98.7％和99.3％。
实施例2
(1)将七钼酸铵分散于水中，制得浓度为5mg/mL的七钼酸铵水溶液，将酪氨酸盐酸盐分散于水与异丙醇的混合液中，制得浓度为10mg/mL的酪氨酸盐酸盐溶液；水与异丙醇的体积比为5:1。
将5mg/mL的七钼酸铵水溶液和10mg/mL的酪氨酸盐酸盐溶液混匀(体积比为1：3)，室温下搅拌反应12h，离心，将得到的沉淀洗涤，25℃烘干，制得MoO3前驱物。
(2)将步骤(1)中MoO3前驱物置于空气气氛下先在420℃下保温2h，再在550℃下保温4h，制得微米级MoO3。
(3)将步骤(2)中的微米级MoO3置于球磨罐中，以200rpm/min的速度与质量浓度为8％氯化钾溶液湿法共球磨5h，其中球料质量比为10:1，制得氧空位型纳米MoO3抗菌剂。
对氧空位型纳米MoO3抗菌剂进行TEM测试，测试结果如图2中(a)和(b)所示。常温条件下，其对大肠杆菌/金黄葡萄球菌的抗菌率为：99.5％和98.6％。
实施例3
(1)将四水合钼酸铵分散于水中，制得浓度为30mg/mL的四水合钼酸铵水溶液，将半赖氨酸盐酸盐分散于水与乙二醇的混合液中，制得浓度为40mg/mL的赖氨酸盐酸盐溶液；水与乙二醇的体积比为5:1。
将30mg/mL四水合钼酸铵和40mg/mL赖氨酸盐酸盐溶液混匀(体积比为1：4)，室温下搅拌反应48h，离心，将得到的洗涤，80℃烘干，制得MoO3前驱物。
(2)将步骤(1)中MoO3前驱物置于空气气氛下先在380℃下保温1.5h，再在460℃下保温3h，制得微米级MoO3。
(3)将步骤(2)中的微米级MoO3置于球磨罐中，以350rpm/min的速度与质量浓度为5％氯化钙溶液湿法共球磨3h，其中球料质量比为20:1，制得氧空位型纳米MoO3抗菌剂。常温条件下，其对大肠杆菌/金黄葡萄球菌的抗菌率为：99.8％和98.5％。
实施例4
(1)将二水合钼酸钠分散于水中，制得浓度为20mg/mL的二水合钼酸钠水溶液，将组氨酸盐酸盐分散于水与乙醇的混合液中，制得浓度为28mg/mL的组氨酸盐酸盐溶液；水与乙醇的体积比为2:1。
将20mg/mL二水合钼酸钠和28mg/mL组氨酸盐酸盐溶液(体积比为1：3)混匀，室温下搅拌反应24h，离心，将得到的洗涤，80℃烘干，制得MoO3前驱物。
(2)将步骤(1)中MoO3前驱物置于空气气氛下先在380℃下保温1h，再在500℃下保温4h，制得微米级MoO3。
(3)将步骤(2)中的微米级MoO3置于球磨罐中，以350rpm/min的速度与质量浓度为5％氯化钠溶液湿法共球磨3h，其中球料质量比为20:1，制得氧空位型纳米MoO3抗菌剂。
对氧空位型纳米MoO3抗菌剂进一步进行EPR测试，测试结果如图3所示。常温条件下，其对大肠杆菌/金黄葡萄球菌的抗菌率为：99.89％和99.3％。
实施例5
(1)将二水合钼酸钠分散于水中，制得浓度为15mg/mL的二水合钼酸钠水溶液，将半光氨酸盐酸盐分散于水与乙醇的混合液中，制得浓度为20mg/mL的半光氨酸盐酸盐溶液；水与乙醇的体积比为3:1。
将15mg/mL二水合钼酸钠水溶液与20mg/mL半光氨酸盐酸盐溶液(体积比为1：4)混匀，室温下搅拌反应24h，离心，将得到的洗涤，80℃烘干，制得MoO3前驱物。
(2)将步骤(1)中MoO3前驱物置于空气气氛下先在420℃下保温1h，再在550℃下保温2h，制得微米级MoO3。
(3)将步骤(2)中的微米级MoO3置于球磨罐中，以500rpm/min的速度与质量浓度为4％氯化钾溶液湿法共球磨5h，其中球料质量比为30:1，制得氧空位型纳米MoO3抗菌剂。常温条件下，其对大肠杆菌/金黄葡萄球菌的抗菌率为：98.9％和99.6％。
实施例6
(1)将四水合钼酸铵分散于水中，制得浓度为20mg/mL的四水合钼酸铵水溶液，将酪氨酸盐酸盐分散于水与异丙醇的混合液中，制得浓度为28mg/mL的酪氨酸盐酸盐溶液；水与异丙醇的体积比为3:1。
将20mg/mL四水合钼酸铵水溶液与28mg/mL酪氨酸盐酸盐溶液混匀(体积比为1：3)，室温下搅拌反应40h，离心，将得到的洗涤，50℃烘干，制得MoO3前驱物。
(2)将步骤(1)中MoO3前驱物置于空气气氛下先在420℃下保温2h，再在500℃下保温4h，制得微米级MoO3。
(3)将步骤(2)中的微米级MoO3置于球磨罐中，以500rpm/min的速度与质量浓度为4％氯化钙溶液湿法共球磨2.5h，其中球料质量比为25:1，制得氧空位型纳米MoO3抗菌剂。
对氧空位型纳米MoO3抗菌剂进一步进行抗菌活性评估，其对大肠杆菌/金黄葡萄球菌的抗菌率可达：99.1％和98.9％。
实施例7
(1)将七钼酸铵分散于水中，制得浓度为20mg/mL的七钼酸铵水溶液，将酪氨酸盐酸盐分散于水与乙醇的混合液中，制得浓度为28mg/mL的酪氨酸盐酸盐溶液；水与乙醇的体积比为5:1。
将20mg/mL七钼酸铵水溶液与28mg/mL酪氨酸盐酸盐溶液(体积比为1：4)混匀，室温下搅拌反应30h，离心，将得到的洗涤，60℃烘干，制得MoO3前驱物。
(2)将步骤(1)中MoO3前驱物置于空气气氛下先在480℃下保温1.5h，再在550℃下保温2h，制得微米级MoO3。
(3)将步骤(2)中的微米级MoO3置于球磨罐中，以400rpm/min的速度与质量浓度为7％氯化钠溶液湿法共球磨5h，其中球料质量比为28:1，制得氧空位型纳米MoO3抗菌剂。
以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为目标污染物，从图4可以看出，实施例7所得氧空位型纳米MoO3抗菌剂具有优异的抗菌性能，其对大肠杆菌/金黄葡萄球菌的抗菌率可达：98.5％和99.9％。
实施例1-7的抗菌率结果参见表1。
表1实施例1-7抗菌效率
Claims (10)
1.一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钼盐分散于水中，制得浓度为5mg/mL～30mg/mL的钼盐水溶液；
将还原剂分散于水与有机溶剂的混合液中，制得浓度为10mg/mL～40mg/mL的还原剂溶液；
(2)将钼盐水溶液与氨基酸盐类还原剂溶液混合均匀，于室温下反应12h～48h，得到MoO3前驱物，再进行分段煅烧处理，得到微米级MoO3；
(3)将微米级MoO3进行球磨，制得氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂。
2.根据权利要求1所述的一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，其特征在于，钼盐为二水合钼酸钠、四水合钼酸铵与七钼酸铵中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，其特征在于，氨基酸盐类还原剂为半胱氨酸盐酸盐、酪氨酸盐酸盐、赖氨酸盐酸盐或组氨酸盐酸盐。
4.根据权利要求1所述的一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，其特征在于，有机溶剂为分析纯级的乙醇、异丙醇与乙二醇中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，其特征在于，水与有机溶剂的体积比为2:1～5:1。
6.根据权利要求1所述的一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，其特征在于，钼盐水溶液与还原剂溶液的体积比为1：2～1：4。
7.根据权利要求1所述的一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，其特征在于，分段煅烧处理在空气气氛下进行。
8.根据权利要求1所述的一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，其特征在于，分段煅烧处理的具体过程为：首先在300℃～420℃下煅烧1h～2h，然后在420℃～550℃下煅烧2h～4h。
9.根据权利要求1所述的一种氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂的制备方法，其特征在于，球磨转速为200rpm/min～500rpm/min。
10.一种根据权利要求1-9中任意一项所述方法制备的氧空位型纳米三氧化钼抗菌剂，其特征在于，该抗菌剂对大肠杆菌抗菌率为98.5％-99.9％，对金黄葡萄球菌的抗菌率为98.5％-99.9％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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