專利名稱：一種擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑及其制備和應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于納米復合材料技術，具體的說是一種擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑及其制備和應用。
背景技術：
食品和應用水安全問題一直以來倍受人們關注和注意，近年來，由于水體污染事件不斷發生，尤其是看不見的水體微生物和一些致病菌，嚴重威脅人們的飲用水安全。目前，工業上采用向水體中添加常規的無機物，如氯氣、漂白劑、臭氧等來起到殺菌效果，但是，這些添加的常規殺菌物大多是一些致癌性物質，并且由于細菌等的不斷變異進化，耐受性不斷增強，人們亟待開發可以用于飲用水消毒的新型殺菌劑。由于銀具有高效、安全、殺菌譜廣、耐熱性、無耐藥性和高選擇性等優點，很久以來，人們就開始使用銀制品和器具進行消毒，隨著納米科技的崛起和發展，納米銀開始進入人們的日常生活，現在已經被廣泛應用在醫療保健和食品衛生領域，其殺菌機理存在三種機理，包括一是納米銀顆粒本身可以吸附并在細菌細胞壁表面富集，引起菌體細胞裂解； 二是納米銀顆粒可以釋放出銀離子，銀離子可以穿透細胞壁進入細胞內，與微生物體內的蛋白質、核酸中存在的巰基(-SH)、氨基(-NH2)等含硫、氮的官能團發生反應，破壞酶和遺傳物質的活性，引起細菌死亡；三是納米銀可以產生高氧化性的活性氧基團，像超氧離子、過氧化氫和氫氧自由基等，與細菌體內的物質發生反應氧化反應，引起細菌死亡。但是，在水處理方面，還存在諸多問題，制約著納米銀在該領域的大規模應用，諸如，團聚問題，納米銀在水溶液中很容易發生團聚現象，使得殺菌效果大大削弱；安全問題或者說是回收問題，就是在殺死水體中的細菌以后，納米顆粒要進行有效地回收，這樣才不會引起新的污染。在本發明中，我們用納米氧化石墨烯片作為擔載納米銀的載體，可以有效地避免納米銀顆粒之間的團聚，由于納米氧化石墨烯片的尺寸在十幾個微米左右，可以很容易地被多孔陶瓷濾膜截流，有利于回收再利用。制備的復合殺菌劑不僅可以作為單獨組分使用，而且，可以嵌入到濾膜中，與現有材料復合使用，中國專利CN1010M218公布了一種以多孔陶瓷為載體的納米銀復合抗菌材料及其制備方法。通過對過濾水用的多孔陶瓷進行改性，采用偶聯劑化學鍵合的方式將納米銀固定于多孔陶瓷的內部及表面，可以達到分散均勻且不改變多孔陶瓷原有的力學性質的效果，在摩擦和沖擊的情況下也不容易脫落，達到持續殺菌的效果。中國專利 CN101161336公布了一種負載納米金屬銀粒子氧化石墨的制備方法，但是該方法需要在暗室條件下進行攪拌，條件要求嚴格，且制備過程中使用有機溶劑，不環保。
發明內容
本發明的目的在于提供一種安全高效，價格便宜，制備簡單，便于回收利用的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑及其制備和應用。為實現上述目的，本發明所采用的技術方案為
其組成按重量百分比計為，硝酸銀0. 05 5 %，還原劑0. 01 0. 5 %，氧化石墨烯 0. 5 10%，余量為檸檬酸緩沖溶液。所述的氧化石墨烯為納米級粉末，其直徑為5 20微米。所述的檸檬酸緩沖溶液由檸檬酸和檸檬酸鈉組成，其pH = 3 6 ；所述還原劑為
對苯二酚。制備步驟為1)按照權利要求1所述的配比，將氧化石墨粉末溶于檸檬酸緩沖液中，經過20 240分鐘的超聲，得到單層氧化石墨烯分散溶液；2)將硝酸銀和還原劑分別溶于水和檸檬酸緩沖溶液中，然后分別加到步驟1)所得的單層氧化石墨烯溶液中，使得混合溶液中，各組分按重量百分比計為，硝酸銀0. 05 5%，還原劑0.01 0.5%，氧化石墨烯0.5 10%，余量為檸檬酸緩沖溶液；3)將步驟2)得到的混合液振蕩混合均勻，室溫下放置15 120分鐘；4)將步驟3)所得的混合液，離心分離，過濾，用蒸餾水對過濾得到的物質重新離心分離，重復2 3遍，即得到擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑。所述檸檬酸緩沖溶液由檸檬酸和檸檬酸鈉組成，pH為3 6。所述的還原劑為對苯二酚；所述的氧化石墨烯為納米級粉末，其直徑為5 20微米。所述復合殺菌劑可作為細菌的殺菌劑。所述復合殺菌劑可作為革蘭氏陰性細菌的殺菌劑。所述復合殺菌劑加入到含有細菌IO5 106CFU/ml的污染物中，經振蕩混合反應 2 6小時，即可殺滅致病菌；復合殺菌劑中氧化石墨烯的最終含量為污染物總重量的0. 005%。所述復合殺菌劑可作為載銀碳納米管的替代品。所進行的反應介質為檸檬酸緩沖溶液，制得的納米銀顆粒表面原位覆蓋有檸檬酸鈉作為穩定劑，來防止納米顆粒之間的相互團聚。所述復合殺菌劑可以單獨使用，也可以作為添加劑與濾膜復合，嵌入到濾膜內或其它材料中，作為載銀碳納米管的替代品。本發明有如下有益效果1.將本發明擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑作用于含IO5 106CFU/ml的大腸桿菌菌液，搖床培養3小時，殺菌率可達100%，殺菌效果顯著；氧化石墨烯片表面豐富的含氧基團如羧基和羥基，還能吸附水中的金屬陽離子，有利于水體純化。2.本發明擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑，可以有效地防止納米銀離子在水溶液中的團聚，另外，由于尺寸在十幾個微米，可以很容易被多孔陶瓷膜截流，回收利用非常方便，不會對環境造成危害。3.本發明擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑，基本溶劑為水，不需要避光，一步合成，操作簡單，成本低廉，不需要特殊設備。
圖1為本發明實施例1所制備的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑透射電鏡照片圖，其中，圖IA對應為實施例1中制備的單層氧化石墨烯片；圖IB對應為實施例1中制備的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑；圖2為本發明實施例1所制備的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑在不同時間和不同濃度下，對應的微量滴定板實驗結果數碼照片；圖3為對應圖2所示的微量滴定板中200微升實驗組的3個孔道中，反應時間分別為15、45、75分鐘反應溶液的紫外光譜吸收圖；圖4為本發明實施例1所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑采用平板擴散法的殺菌效果圖，A圖測試菌種為革蘭氏陰性菌-大腸桿菌hcherichia coli (E. cili)，B圖測試菌種為革蘭氏陽性菌-金黃色葡萄球菌Maphylococcus aureus (S. aureus)；圖5為本發明實施例1制備的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑采用平板計數法的殺菌效果圖，其中A圖測試菌種為大腸桿coli (E. coli)，B圖測試菌種為金Jtfe葡萄 求lif Staphylococcus aureus (S. aureus)。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明做進一步說明。實施例1用檸檬酸和檸檬酸鈉預先配制pH = 4. 2的檸檬酸緩沖溶液，取Hummers法制備的氧化石墨粉末(參見文獻 W. S. Hummers, R. Ε. Offeman, J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 1339) 30mg 溶于15mL該檸檬酸緩沖液中，超聲45分鐘，得到單層氧化石墨烯分散液。稱取0. 025g硝酸銀溶于15mL水中，0. 3g的對苯二酚溶于15mL的檸檬酸緩沖溶液中，硝酸銀水溶液、對苯二酚溶液一起加入到上述單層氧化石墨烯溶液中，振蕩混合均勻，室溫放置75分鐘，在單層氧化石墨烯表面，對苯二酚將銀鹽還原，使其在氧化石墨烯表面原位生長成為納米銀顆粒。將所得的反應物溶液，在10000轉/分的轉速下，離心分離，傾去上清液，用蒸餾水重新懸浮，重復該過程2 3遍，以洗去過量反應試劑，即得到擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑，納米氧化銀在氧化石墨烯片表面均勻覆蓋，并且由于是在檸檬酸緩沖溶液中，納米銀表面吸附有檸檬酸鈉，做納米銀顆粒的穩定劑，可以防止納米銀顆粒的團聚。實施例2用檸檬酸和檸檬酸鈉預先配制pH = 6的檸檬酸緩沖溶液，取Hummers法制備的氧化石墨粉末(參見文獻 W. S. Hummers, R. Ε. Offeman, J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 1339) IOOmg 溶于15mL該檸檬酸緩沖液中，超聲45分鐘，得到單層氧化石墨烯分散液。稱取0. 05g硝酸銀溶于15mL水中，0. 2g的對苯二酚溶于15mL的檸檬酸緩沖溶液中，硝酸銀水溶液、對苯二酚溶液一起加入到上述單層氧化石墨烯溶液中，振蕩混合均勻，室溫放置75分鐘，在單層氧化石墨烯表面，對苯二酚將銀鹽還原，使其在氧化石墨烯表面原位生長成為納米銀顆粒。 將所得的反應物溶液，在10000轉/分的轉速下，離心分離，傾去上清液，用蒸餾水重新懸浮，重復該過程2 3遍，以洗去過量反應試劑，即得到擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑， 納米氧化銀在氧化石墨烯片表面均勻覆蓋，并且由于是在檸檬酸緩沖溶液中，納米銀表面吸附有檸檬酸鈉，做納米銀顆粒的穩定劑，可以防止納米銀顆粒的團聚。實施例3用檸檬酸和檸檬酸鈉預先配制pH = 6的檸檬酸緩沖溶液，取Hummers法制備的氧化石墨粉末(參見文獻 W. S. Hummers, R. Ε. Offeman, J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 1339) IOOmg 溶于15mL該檸檬酸緩沖液中，超聲45分鐘，得到單層氧化石墨烯分散液。稱取0. Ig硝酸銀溶于15mL水中，0. 15g的對苯二酚溶于15mL的檸檬酸緩沖溶液中，硝酸銀水溶液、對苯二酚溶液一起加入到上述單層氧化石墨烯溶液中，振蕩混合均勻，室溫放置75分鐘，在單層氧化石墨烯表面，對苯二酚將銀鹽還原，使其在氧化石墨烯表面原位生長成為納米銀顆粒。將所得的反應物溶液，在10000轉/分的轉速下，離心分離，傾去上清液，用蒸餾水重新懸浮，重復該過程2 3遍，以洗去過量反應試劑，即得到擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑，納米氧化銀在氧化石墨烯片表面均勻覆蓋，并且由于是在檸檬酸緩沖溶液中，納米銀表面吸附有檸檬酸鈉，做納米銀顆粒的穩定劑，可以防止納米銀顆粒的團聚。應用例1將氧化石墨粉末溶于檸檬酸緩沖液中超聲45分鐘，使氧化石墨烯片在檸檬酸緩沖液中的濃度為0. 2mg/ml，取72個容積為2毫升的離心試管，每6個試管標記為一組，向其中的6組試管各添加含氧化石墨烯片的600微升檸檬酸緩沖液，向另外6組試管各添加不含氧化石墨烯片的600微升檸檬酸緩沖液作為對照組。制備濃度為lOmmol/L的硝酸銀水溶液和20mg/ml的對苯二酚溶液，保持硝酸銀水溶液和對苯二酚溶液的體積比不變，向第一組試管分別加入中50、100、150、200、250、300微升的硝酸銀水溶液和對苯二酚溶液， 同樣地，向對照組試管中添加相同量的反應溶液，振蕩混合均勻后，靜置。以后，每隔15分鐘，重復上述步驟5次，并做好標記，至最后實驗組，靜置15分鐘后，將所有試管分別振蕩混合均勻，迅速分別移取300微升到對應的96孔微量滴定板的孔道中，右半側孔道對應含氧化石墨烯片實驗組，左半側孔道對應不含氧化石墨烯片對照組。從反應結果看，如圖2所示，一方面，相同條件下，較之對照組，氧化石墨烯片的加入，使反應明顯加快，另一方面，隨著反應物濃度的增加和反應時間的延長，反應物溶液顏色變化也越來越明顯。我們對其中 200微升實驗組的三個孔道中的反應物溶液樣品進行紫外光譜掃描，發現，400納米處的納米銀顆粒的紫外特征吸收峰強度隨反應時間的增加而增強，一方面說明，反應確實生成了納米銀顆粒，并且反應物濃度的增加和反應時間的延長，均可以使納米銀顆粒的濃度增力口。應用例2將上述實施例1所制得的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑，采用直徑47毫米， 孔徑0. 22微米的醋酸纖維素濾膜，通過真空抽濾，使納米銀氧化石墨烯在濾膜表面層層堆疊，經空氣干燥，得到紙狀材料，將該紙狀材料裁成直徑5毫米的小圓片，采用未擔載納米銀的純氧化石墨烯作為對照組實驗。分別取表面均勻涂有細菌數量在IO6 107CFU/ml之內的大腸桿菌(E. coli)和金黃色葡萄球菌(S. aureus)的培養板，將擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的試樣紙片和未擔載納米銀的純氧化石墨烯對照試樣紙片輕輕放置在細菌培養平板的中間位置，間隔在2厘米左右。然后，將培養平板置于37°C培養箱內，培養48小時后取出觀察其抑菌圈大小。抑菌圈越大說明殺菌效果越明顯，對于大腸桿菌(E.coli)而言，對照組純氧化石墨烯的抑菌斑大小為10毫米，而擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的抑菌斑大小為21毫米， 遠大于對照組，抑菌效果提升超過100% ；用金黃色葡萄球菌(S. aureus)做測試菌種的實驗結果，同樣表明，擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的抑菌效果遠大于對照組，抑菌斑大小分別為9毫米和18毫米，從比較抑菌斑大小來看，通過縱向對比革蘭氏陰性菌大腸桿菌(E. coli)和革蘭氏陽性菌的金黃色葡萄球菌(S. aureus) 二者的實驗結果，表明擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的對于革蘭氏陰性菌的抑菌效果要稍優于革蘭氏陽性菌的抑菌效果。應用例31)實驗采用液態培養體系，將抗菌實驗放入錐形瓶中進行，不再采用培養板培養。2)抗菌效果表征采用殺菌率進行表征，細菌計數采用涂平板計數法進行，不再采用抑菌斑大小衡量。具體步驟為，a.菌液制備培養細菌采用的培養基為Luria-Bertani (LB)固體培養基，培養基組成為蛋白胨10g/L，酵母提取物5g/L，NaC110g/L，瓊脂15g/L，pH = 7. 0，高壓蒸汽120°C滅菌20分鐘后，倒平板。用滅菌接種環取純化的細菌菌種接種到LB培養板上，置于培養箱37°C恒溫培養48小時，用滅菌接種環挑取菌落到盛有滅菌生理鹽水容積為5毫升的無菌試管中，采用比濁法測量使其細菌濃度在107CFU/ml左右，劇烈振蕩使其混合均勻。b.搖床培養取3只250毫升的錐形瓶，向每只錐形瓶中添加150毫升的蒸餾水，置于高壓蒸汽滅菌鍋內120°C滅菌20分鐘，向每只錐形瓶中各添加15毫升的步驟(1)中的細菌菌液， 使得錐形瓶內的菌液細菌密度控制在IO5 106CFU/ml，向其中一只錐形瓶中添加氧化石墨烯，使其中氧化石墨烯所占的重量百分比為0. 5%,向其中一只錐形瓶中添加復合殺菌劑， 其所占的重量百分比也為0. 5%，最后一只錐形瓶不添加任何物質，作為空白對照。將三只錐形瓶置于轉速為150轉/分，溫度為37°C的搖床培養箱中培養3小時。c.細菌計數取出三只錐形瓶，采用逐級稀釋涂平板的方法，分別對錐形瓶內的存活細菌進行計數，殺菌率由下列公式計算R(%) = (Nse-Nii#)/Nw#X100其中，Nse和分別為空白對照錐形瓶和添加氧化石墨烯或復合殺菌劑錐形瓶內細菌數目。最終得出，對于大腸桿菌(E. coli)而言，氧化石墨烯的殺菌率為51.9%，復合殺菌劑的殺菌率為100% ；而對于金黃色葡萄球菌(S. aureus)而言，氧化石墨烯的殺菌率為61. 3%，復合殺菌劑為87. 6%，得出擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑抑菌效果明顯， 尤其是對于大腸桿菌(E. coli)而言，更是可以使細菌數目下降5 6個數量級，得出的結論與應用例1的結論相同。
權利要求
1.一種擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑，其特征在于其組成按重量百分比計為， 硝酸銀0. 05 5 %，還原劑0. 01 0. 5 %，氧化石墨烯0. 5 10 %，余量為檸檬酸緩沖溶液。
2.按權利要求1所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑，其特征在于所述的氧化石墨烯為納米級粉末，其直徑為5 20微米。
3.按權利要求1所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑，其特征在于所述的檸檬酸緩沖溶液由檸檬酸和檸檬酸鈉組成，其PH = 3 6 ；所述還原劑為對苯二酚。
4.一種按權利要求1所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的制備方法，其特征在于1)按照權利要求1所述的配比，將氧化石墨粉末溶于檸檬酸緩沖液中，經過20 240 分鐘的超聲，得到單層氧化石墨烯分散溶液；2)將硝酸銀和還原劑分別溶于水和檸檬酸緩沖溶液中，然后分別加到步驟1)所得的單層氧化石墨烯溶液中，使得混合溶液中，各組分按重量百分比計為，硝酸銀0. 05 5%， 還原劑0.01 0.5%，氧化石墨烯0.5 10%，余量為檸檬酸緩沖溶液；3)將步驟2、得到的混合液振蕩混合均勻，室溫下放置15 120分鐘；4)將步驟3)所得的混合液，離心分離，過濾，用蒸餾水對過濾得到的物質重新離心分離，重復2 3遍，即得到擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑。
5.按權利要求4所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的制備方法，其特征在于 所述檸檬酸緩沖溶液由檸檬酸和檸檬酸鈉組成，pH為3 6。
6.按權利要求4所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的制備方法，其特征在于 所述的還原劑為對苯二酚；所述的氧化石墨烯為納米級粉末，其直徑為5 20微米。
7.一種按權利要求1所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的應用，其特征在于 所述復合殺菌劑可作為細菌的殺菌劑。
8.按權利要求7所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的應用，其特征在于所述復合殺菌劑可作為革蘭氏陰性細菌的殺菌劑。
9.根據權利要求7或8所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的應用，其特征在于 所述復合殺菌劑加入到含有細菌IO5 106CFU/ml的污染物中，經振蕩混合反應2 6小時，即可殺滅致病菌；復合殺菌劑中氧化石墨烯的最終含量為污染物總重量的0. 005%。
10.一種根據權利要求1所述的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑的應用，其特征在于所述復合殺菌劑可作為載銀碳納米管的替代品。
全文摘要
本發明屬于納米復合材料技術，具體的說是一種擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑及其制備和應用。本發明提供一種安全高效，價格便宜，制備簡單，便于回收利用的擔載納米銀氧化石墨烯復合殺菌劑及其制備和應用。其組成按重量百分比計為，硝酸銀0.05～5％，還原劑0.01～0.5％，氧化石墨烯0.5～10％，余量為檸檬酸緩沖溶液。
文檔編號C02F1/50GK102224819SQ201110093148
公開日2011年10月26日 申請日期2011年4月2日 優先權日2011年4月2日
發明者張盾, 鮑祺 申請人:中國科學院海洋研究所