一种抗菌材料的制备方法转让专利
申请号 : CN201810788318.9
文献号 : CN108684708B
文献日 : 2021-03-05
发明人 : 高莉 , 王林变 , 赵英虎 , 史楠 , 王芳 , 王海宾 , 郭建峰 , 杨柳 , 宋雅丽
申请人 : 中北大学
摘要 :
本发明公开了一种抗菌材料的制备方法，包括：硅藻土(DE)的预处理；载银氧化石墨烯(Ag+‑GO)的制备；载银氧化石墨烯/硅藻土(Ag+‑GO/DE)的制备；纳米银/氧化石墨烯/硅藻土(AgNPs/GO‑DE)的制备。与现有技术相比，本发明通过将银离子与氧化石墨烯结合，再将载银氧化石墨烯与硅藻土复合，再将载银氧化石墨烯负载到硅藻土上以后利用硼氢化钠将银离子还原成纳米银，这一步骤避免了还原过程中将氧化石墨烯还原，含氧官能团减少，作用力减弱，既提高硅藻土对细菌的吸附能力和抗菌能力，又能解决纳米银及氧化石墨烯的安全问题，提高纳米银的缓释性能；本发明的制备方法步骤简单，且能将所提供的抗菌复合物全部复合上，从成本以及工艺上来说更为简单，易于实现大批量生产。
权利要求 :
1.一种抗菌材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、硅藻土DE的预处理；
步骤二、载银氧化石墨烯Ag+-GO的制备：
在磁力搅拌下向1mg/mL的氧化石墨烯GO的分散液中逐滴滴加0.1mol/L的硝酸银溶液，其中氧化石墨烯GO与AgNO3溶液的体积比为1:1，使得银离子均匀地结合在氧化石墨烯GO片层上，在180w，60KHZ下超声30min，然后在13000r离心分离，获得载银氧化石墨烯Ag+-GO，将上述得到的载银氧化石墨烯Ag+-GO在180w，60KHZ下超声2h，分散到去离子水中得到载银氧+化石墨烯Ag-GO分散液，4℃保藏备用；
步骤三、载银氧化石墨烯/硅藻土Ag+-GO/DE的制备：
称取10g预处理过的硅藻土DE，将载银氧化石墨烯Ag+-GO分散液移取20mL加入到预处理过的硅藻土DE中，调成糊状，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛，再加入20mL载银氧化石墨+烯Ag-GO分散液，调成糊状，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛，得到载银氧化石墨烯硅藻土Ag+-GO/DE；
步骤四、纳米银/氧化石墨烯/硅藻土AgNPs/GO-DE的制备：将干燥研磨过后的载银氧化石墨烯硅藻土Ag+-GO/DE加入到0.2mol/L、50mL硼氢化钠溶液中，磁力搅拌1h，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛，得到纳米银/氧化石墨烯/硅藻土AgNPs/GO/DE；
所述步骤一硅藻土的预处理的具体步骤为：按固液比1:2.5取体积比为20％的盐酸溶液和硅藻土混合，用磁力搅拌器充分搅拌反应2h，然后用去离子水反复洗涤，直至硅藻土与水混合液为中性，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛；将干燥以后的硅藻土在500℃下煅烧
4h后，取出备用。
说明书 :
一种抗菌材料的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及抗菌材料的制备技术领域，特别是一种抗菌材料的制备方法。
背景技术
[0002] 2014年，据世界卫生组织（World Health Organization，简称WHO）统计，由病原微生物引起的水源性疾病感染导致每年约8.42万人腹泻死亡，严重威胁公众健康造成。大约一个世纪以前，沙过滤和氯消毒系统的出现降低了流行性传染病的流行率，但是还没有从全球各地被完全消除。事实上，根据2015年WHO的报告，全球有18亿人没有安全饮用水。
[0003] 消毒是传统净水工艺中最重要的环节之一，包括物理方法和化学方法，其中，紫外线消毒法、微电解消毒法、二氧化氯消毒法、臭氧消毒法等消毒方法是饮用水消毒领域最广泛应用的方法。各种消毒方法各有利弊，通过经济技术对比分析发现，二氧化氯消毒法和臭氧消毒法成本较为低廉。然而，其存在大量的缺点，严重限制了其应用，包括：杀灭细菌病原体的处理时间长；消耗大量的化学试剂；有害消毒副产物如致癌三卤甲烷的形成副作用。因此，开发高效抗菌剂用于净水应用仍然是一个挑战。
[0004] 硅藻土（diatomite,DE）是由单细胞水生植物的骨骼遗体组成的非金属，主要成分为SiO2。DE的外表面或内表面上有许多排列有序的微孔，具有很强的吸附性、耐碱、耐酸等性质而被用作过滤器、吸附剂和建筑材料。此外，硅藻土矿产丰富、价格低廉，极具应用潜力。硅藻土作为水源过滤材料可以去除部分细菌，但其本身没有杀菌作用，细菌会在其表面大量繁殖，这样不仅会影响以后的净水功能，而且给水质安全留下隐患。
[0005] 纳米银（AgNPs）作为灭菌试剂具有稳定性高、耐热性好、广谱抗菌等优势。通常，尺寸越小、比表面积越大的AgNPs颗粒具有较高的杀菌性能，然而当AgNPs的颗粒直径小于20 nm时，AgNPs颗粒易于团簇聚集，从而严重影响其灭菌活性。此外，纳米颗粒由于其纳米级尺寸难于从溶液中分离，致使纳米技术难于在水处理中应用。为了解决之前所述的问题，提出了一种AgNPs颗粒负载于载体材料上的方案防止颗粒的团簇聚集并维持其纳米级尺寸；同时，将AgNPs负载于载体材料上易于将其从水中分离。但是，纳米银很难通过物理混合牢[0006] 固地固定在载体上，缓释性能较差，减少材料的使用寿命。
[0007] 石墨烯(graphene)是由SP2杂化的碳原子构成的二维蜂窝状物质，氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是石墨烯的衍生物，含有大量含氧官能团，是固载纳米银颗粒的最佳基底材料之一，可将其固定在其片层结构上，能使纳米银颗粒获得很好的分散性，起到了稳定和保护作用。通过将纳米银固定在氧化石墨烯片层上，既提高纳米银的抗菌性能，又减少了纳米银的流失，延长抗菌材料的使用寿命。
[0008] 因此，亟待开发一种将载银氧化石墨烯通过物理混合方法负载到硅藻土上的抗菌材料的制备方法。
发明内容
[0009] 本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种抗菌材料的制备方法，将载银氧化石墨烯通过物理混合方法负载到硅藻土上，既提高硅藻土对细菌的吸附能力和抗菌能力，又能解决纳米银及氧化石墨烯的安全问题，提高纳米银的缓释性能。
[0010] 为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
[0011] 一种抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤一、硅藻土DE的预处理；
[0013] 步骤二、载银氧化石墨烯Ag+-GO的制备：
[0014] 在磁力搅拌下向1mg/mL的氧化石墨烯GO的分散液中逐滴滴加0.1mol/L的硝酸银溶液，其中氧化石墨烯GO与AgNO3溶液的体积比为1:1，使得银离子均匀地结合在氧化石墨烯GO片层上，在180w，60KHZ下超声30min，然后在13000r离心分离，获得载银氧化石墨烯Ag+-GO，将上述得到的载银氧化石墨烯Ag+-GO在180w，60KHZ下超声2h，分散到去离子水中得到载银氧化石墨烯Ag+-GO分散液，4℃保藏备用；
[0015] 步骤三、载银氧化石墨烯/硅藻土Ag+-GO/DE的制备：
[0016] 称取10g预处理过的硅藻土DE，将载银氧化石墨烯Ag+-GO分散液移取20mL加入到预处理过的硅藻土DE中，调成糊状，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛，得到载银氧化石墨烯硅藻土Ag+-GO/DE；
[0017] 步骤四、纳米银/氧化石墨烯/硅藻土AgNPs/GO/DE的制备：
[0018] 将干燥研磨过后的载银氧化石墨烯硅藻土Ag+-GO/DE加入到0.2mol/L、50mL硼氢化钠溶液中，磁力搅拌1h，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛，得到纳米银/氧化石墨烯/硅藻土AgNPs/GO/DE。
[0019] 进一步的技术方案为，所述步骤一硅藻土的预处理的具体步骤为：按固液比1:2.5取体积比为20%的盐酸溶液和硅藻土混合，用磁力搅拌器充分搅拌反应2h，然后用去离子水反复洗涤，直至硅藻土与水混合液为中性，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛；将干燥以后的硅藻土在500℃下煅烧4h后，取出备用。
[0020] 与现有技术相比，本发明通过将银离子与氧化石墨烯结合，再将载银氧化石墨烯与硅藻土复合，再将载银氧化石墨烯负载到硅藻土上以后再利用硼氢化钠将银离子还原成纳米银，这一步骤避免了还原过程中将氧化石墨烯还原，含氧官能团减少，作用力减弱，既提高硅藻土对细菌的吸附能力和抗菌能力，又能解决纳米银及氧化石墨烯的安全问题，提高纳米银的缓释性能；本发明的制备方法步骤简单，且能将所提供的抗菌复合物全部复合上，从成本以及工艺上来说更为简单，易于实现大批量生产。
附图说明
[0021] 图1 为本发明实施例中GO、Ag+-GO、DE、AgNPs/GO/DE的拉曼图谱。
[0022] 图2为本发明实施例中GO、Ag+-GO、DE、AgNPs/GO/DE的扫描电镜图：（a）为GO的扫描电镜图；（b）为Ag+-GO的扫描电镜图；（c）为DE的扫描电镜图；（d）为AgNPs/GO/DE的扫描电镜图；（e）为（d）的进一步放大图。
[0023] 图3为本发明实施例中DE、GO/DE、AgNPs/DE、AgNPs/GO/DE对大肠杆菌杀菌效果图。
[0024] 图4为本发明实施例中不同浓度的AgNPs/GO/DE对大肠杆菌的杀菌效果图，其中Ag+-GO含量为20mL。
[0025] 图5为本发明实施例中不同浓度的AgNPs/GO/DE对大肠杆菌的杀菌效果图，其中Ag+-GO含量为40mL。
[0026] 图6为本发明实施例中不同浓度的AgNPs/GO/DE对大肠杆菌的杀菌效果图，其中Ag+-GO含量为60mL。
具体实施方式
[0027] 下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0028] 一种抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：
[0029] 步骤一、硅藻土DE的预处理：
[0030] 按固液比1:2.5取体积比为20%的盐酸溶液和硅藻土混合，用磁力搅拌器充分搅拌反应2h，然后用去离子水反复洗涤，直至硅藻土与水混合液为中性，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛；将干燥以后的硅藻土在500℃下煅烧4h后，取出备用；
[0031] 步骤二、载银氧化石墨烯Ag+-GO的制备：
[0032] 在磁力搅拌下向1mg/mL的氧化石墨烯GO的分散液中逐滴滴加0.1mol/L的硝酸银溶液（GO与AgNO3体积比为1:1），使得银离子均匀地结合在氧化石墨烯GO片层上，在180w，+60KHZ下超声30min，然后在13000r离心分离，获得载银氧化石墨烯Ag -GO，将上述得到的载银氧化石墨烯Ag+-GO在180w，60KHZ下超声2h，分散到去离子水中得到载银氧化石墨烯Ag+-GO分散液，4℃保藏备用；
[0033] 步骤三、载银氧化石墨烯/硅藻土Ag+-GO/DE的制备：
[0034] 称取10g预处理过的硅藻土DE，将载银氧化石墨烯Ag+-GO分散液移取20mL加入到预处理过的硅藻土DE中，调成糊状，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛，得到载银氧化石墨烯硅藻土Ag+-GO/DE；当然，重复该步骤三就可以增加负载的厚度，得到载银氧化石墨烯20mL、40mL、60mL的Ag+-GO/DE；
[0035] 步骤四、纳米银/氧化石墨烯/硅藻土AgNPs/GO-DE的制备：
[0036] 将干燥研磨过后的载银氧化石墨烯硅藻土Ag+-GO/DE加入到0.2mol/L、50mL硼氢化钠溶液中，磁力搅拌1h，在70℃烘箱干燥、研磨并过100目筛，得到纳米银/氧化石墨烯/硅藻土AgNPs/GO-DE。
[0037] 图1为GO、Ag+-GO、DE、AgNPs/GO/DE的拉曼光谱图。由图可以看出，GO有2个显著的特征峰，分别对应碳材料的D带和G带峰。在1359cm-1处的D带因为石墨烯的缺陷存在sp3杂化态的碳原子而引起的。在1597cm-1处的G带是二维石墨六方晶系中的碳原子的sp2杂化振动引起的。Ag+-GO 的D带和G带峰强度都明显地增强，说明Ag+成功负载在氧化石墨烯表面，因为银对石墨材料具有很好的表面增强拉曼响应。在AgNPs/GO/DE复合材料出现了GO的2个显+著特征峰，且D带和G带发生明显的偏移，此外相对于Ag -GO，ID/IG值增大，说明硼氢化钠还原后在其表面形成AgNPs。
[0038] 图2为GO、Ag+-GO、DE、AgNPs/GO/DE的扫描电镜图。从图中可以清楚的看到GO的薄层结构，具有光滑的表面，边缘呈折皱状。从图（2b）中可以看出银离子均匀地分布在GO表面。从图（2c）中可以看出DE具有盘状结构，并且盘状结构表面有丰富的多孔结构。从图（2d）、（2e）中可以看到载银氧化石墨烯覆盖到硅藻土表面，且银离子被还原为纳米银。
[0039] 进一步，为了验证本发明制得的抑菌材料的抑菌性能，对本发明制得的抑菌材料进行定性抑菌性能和定量抑菌性能的研究，定性抑菌性能的研究具体如下：
[0040] （1）将0.2g DE、GO/DE、AgNPs/DE、AgNPs/GO/DE分别加入到20mL、浓度为104 cfu/mL的大肠杆菌菌悬液中，在37℃下使用恒温摇床200rpm孵育3h，静置1min，取上清液200μL与培养皿中观察细菌生长情况。
[0041] （2）结果：图3 DE、GO/DE、AgNPs/DE、AgNPs/GO/DE对大肠杆菌杀菌效果图，从图3中可以看出，用DE和GO/DE处理过的菌悬液培养皿上布满了菌落，AgNPs/DE可以杀死一部分细菌，而AgNPs/GO/DE处理菌液后，在3h内完全发挥了其杀菌能力，可以明显的观察到培养基中没有菌落的存在，细菌被完全杀死。
[0042] 定量抑菌性能的研究具体如下：
[0043] 最小杀菌浓度（MBC）是用于测量抗菌材料的抗菌活性，即杀灭细菌的抗菌材料最小浓度。实验首先将纳米银/氧化石墨烯/硅藻土研磨过100目筛，称取需要检测抗菌性能的5
材料0.4g、0.2g、0.1g、0.05g、0.025g放于三角瓶中，加入20mL 10 cfu/mL菌悬液，这样材料浓度为20mg/mL、10mg/mL、5mg/mL、2.5mg/mL、1.25mg/mL。在37℃下使用恒温摇床200rpm孵育3h，取上清液100μL与培养皿中观察细菌生长情况。固体培养基上未见细菌生长或者菌落数小于5的最低浓度的记为材料的最小杀菌浓度（MBC）。
材料0.4g、0.2g、0.1g、0.05g、0.025g放于三角瓶中，加入20mL 10 cfu/mL菌悬液，这样材料浓度为20mg/mL、10mg/mL、5mg/mL、2.5mg/mL、1.25mg/mL。在37℃下使用恒温摇床200rpm孵育3h，取上清液100μL与培养皿中观察细菌生长情况。固体培养基上未见细菌生长或者菌落数小于5的最低浓度的记为材料的最小杀菌浓度（MBC）。
[0044] 结果分析：图4、图5、图6分别为Ag+-GO含量不同的AgNPs/GO/DE的杀菌效果图，由图可知，当Ag+-GO含量为20mL时，随着AgNPs/GO/DE用量增加时，其杀菌效果越好，但其浓度为20mg/mL时，培养皿中仍有菌落存在。当Ag+-GO含量为40mL时，AgNPs/GO/DE浓度为5mg/mL时，培养皿中没有菌落存在，说明大肠杆菌被全部杀死，其最小杀菌浓度为5mg/mL；当Ag+-GO含量为60mL时，AgNPs/GO/DE浓度为5mg/mL时，大肠杆菌被全部杀死，最小杀菌浓度为5mg/mL，并没有随着Ag+-GO含量增加最小杀菌浓度减小。以上结果说明当Ag+-GO含量为
40mL，效果最佳。
40mL，效果最佳。
[0045] 综述，本发明制备得到的抑菌材料既提高硅藻土对细菌的吸附能力和抗菌能力，又能解决纳米银及氧化石墨烯的安全问题，提高纳米银的缓释性能。
[0046] 本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。