本發(fā)明涉及了一種多孔石墨烯載銀/二氧化鈦抗菌復(fù)合材料及制備方法。
背景技術(shù)：
抗菌材料的開發(fā)和應(yīng)用為保護(hù)人類健康樹起了一道綠色的屏障，對(duì)于改善人類生活環(huán)境，減少疾病、保護(hù)全民健康具有十分重要的意義。人類很早就認(rèn)識(shí)到某些金屬如銀、銅、鋅、汞、鉍、鎘等具有抗菌效果，且對(duì)人和動(dòng)物均安全。和有機(jī)抗菌劑相比，金屬抗菌劑具有耐高溫、抗菌廣譜性、長效、安全、無二次污染等特點(diǎn)，正逐漸成為抗菌領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。
石墨烯作為碳的同素異形體，是碳原子按 sp2軌道雜化形成的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的單層二維晶體材料，石墨烯具有的良好的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性等也將在復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
在以往的研究中發(fā)現(xiàn)石墨烯具有一定的抗菌性能，例如在《美國化學(xué)會(huì)- 納米》（ACS-Nano，2010年第4卷4317頁）報(bào)道了一種由氧化石墨烯還原的石墨烯紙具有一定的抗菌性。隨后出現(xiàn)一系列的具有較好抗菌性能的石墨烯/ 銀納米復(fù)合抗菌材料，研究發(fā)現(xiàn)此類材料在使用效果具有一定的局限性；由于納米銀呈顆粒狀，粒度為納米級(jí)別，往往只能聚集在石墨烯的特定部位，無法均勻分布在表面，從而影響的抗菌效果；另一方面，納米銀與石墨烯無法緊密結(jié)合（特別是當(dāng)納米銀顆粒含量增加時(shí)，容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象），在使用過程中容易脫落，從而影響使用壽命及抗菌效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供了一種多孔石墨烯載銀/二氧化鈦抗菌復(fù)合材料及制備方法。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
一種多孔石墨烯載銀/二氧化鈦抗菌復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟：
（1）制備石墨烯量子點(diǎn)懸浮液：稱取0.5~0.8g C60粉末，量取50~100ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸，將C60粉末和濃硫酸在燒杯中混合，燒杯放在冰水浴中，同時(shí)以300~500rpm的速度攪拌，得混合液；稱取0.5~3g 高錳酸鉀粉末，緩慢的加入上述混合液中；移去冰水浴，換成水浴，保持水浴溫度30~40℃，反應(yīng)5~8h；快速加入100~200ml純水，過濾，然后用截留分子量為1000的透析袋透析3天，得石墨烯量子點(diǎn)懸浮液；100rpm速度攪拌石墨烯量子點(diǎn)懸浮液，同時(shí)激光輻照30~60min，激光輻照功率為1~2W。
（2）制備負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)：超聲攪拌（300~500W超聲功率，200~300rpm攪拌速度）50~60ml石墨烯量子點(diǎn)懸浮液，滴加濃度為0.001~0.005mol/L硝酸銀溶液，控制反應(yīng)溫度為45~60℃，滴加濃度為0.01～0.08mol/L二水合檸檬酸三鈉，繼續(xù)超聲攪拌60~120min；陳化，清洗，烘干得負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)；石墨烯量子點(diǎn)懸浮液、硝酸銀溶液與二水合檸檬酸三鈉的體積比為3~4:2~3:1~2。
（3）將0.1~0.5g負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)超聲攪拌（500~1000W超聲功率，300~500rpm攪拌速度）分散于乙醇中；之后加入體積比3~5:1的水和氨水，攪拌均勻后加入正硅酸乙酯（與負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)的質(zhì)量比為 1~2:1，調(diào)節(jié)pH值為9~10，反應(yīng)溫度為20~25℃，反應(yīng)1~3小時(shí)；進(jìn)行離心并依次用丙酮和去離子水清洗獲得沉淀；將該沉淀在90oC下干燥3h，以得到SiO2包覆的負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)。
（4）將0.1~0.3mol/L鈦源（鈦源為氟鈦酸鉀、氟鈦酸銨、鈦酸異丙酯或四氯化鈦）加入到1 mol/L硫酸溶液中，混合均勻；加入步驟（3）制得的SiO2包覆載銀石墨烯量子點(diǎn)，升溫至100~110℃，反應(yīng)2~4h后，用濃氨水溶液調(diào)pH值至7，陳化6小時(shí)后，清洗，干燥，得到載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)。
（5）載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)的表面處理：將0.005~0.01g氧化石墨加入到5~10mL的分散劑（DMSO）中，超聲攪拌（300~500W超聲功率，200~300rpm攪拌速度）并加入0.1~0.3g載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)，繼續(xù)超聲攪拌10~30min，移至內(nèi)襯為聚四氟乙烯的微波水熱反應(yīng)釜（50 mL）中，密封后置于微波輔助水熱合成儀中，微波功率為200~400W，200~240℃下反應(yīng)60~90min；冷卻，過濾，烘干得表面處理的載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)。
（6）稱取多孔石墨烯（2~5層，孔大小約3~6nm）配制成濃度為0.2~0.8mg/ml的石墨烯分散溶液，溶劑為水、丙酮或二甲基亞砜；超聲攪拌（500~1000W超聲功率，600~800rpm攪拌速度）80~100ml石墨烯分散溶液，加入步驟（5）制得的載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)，超聲攪拌10~30min，然后移至聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，在80~120℃下保溫15~30min；冷卻，離心，清洗，烘干得抗菌復(fù)合材料。
本發(fā)明具有如下有益效果：
本發(fā)明方法采用激光輻照后的石墨烯量子點(diǎn)作為銀的載體，然后包覆二氧化硅薄層和二氧化鈦，表面處理，最后附著在多孔石墨烯上，可以更好地負(fù)載并固定銀納米粒子和納米二氧化鈦，防止其團(tuán)聚，顯著提高銀納米粒子的穩(wěn)定性，使銀納米粒子具有更長效的抗菌活性；同時(shí)復(fù)合了銀粒子和二氧化鈦的抗菌性能，相比于單一的銀納米抗菌劑有著更好的抗菌效果，抗菌持久，可以廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、生活用品等方面。而且，提高其安全性，降低使用成本，在工業(yè)化應(yīng)用中具有廣闊的前景。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明，實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不是對(duì)本發(fā)明的限定。
實(shí)施例1
一種多孔石墨烯載銀/二氧化鈦抗菌復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟：
（1）制備石墨烯量子點(diǎn)懸浮液：稱取0.5g C60粉末，量取100ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸，將C60粉末和濃硫酸在燒杯中混合，燒杯放在冰水浴中，同時(shí)以500rpm的速度攪拌，得混合液；稱取3g 高錳酸鉀粉末，緩慢的加入上述混合液中；移去冰水浴，換成水浴，保持水浴溫度30~40℃，反應(yīng)5h；快速加入200ml純水，過濾，然后用截留分子量為1000的透析袋透析3天，得石墨烯量子點(diǎn)懸浮液；100rpm速度攪拌石墨烯量子點(diǎn)懸浮液，同時(shí)激光輻照30min，激光輻照功率為2W。
（2）制備負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)：超聲攪拌（500W超聲功率，300rpm攪拌速度）50ml石墨烯量子點(diǎn)懸浮液，滴加濃度為0.005mol/L硝酸銀溶液，控制反應(yīng)溫度為50℃，滴加濃度為0.08mol/L二水合檸檬酸三鈉，繼續(xù)超聲攪拌90min；陳化，清洗，烘干得負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)；石墨烯量子點(diǎn)懸浮液、硝酸銀溶液與二水合檸檬酸三鈉的體積比為4:2:1。
（3）將0.1g負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)超聲攪拌（1000W超聲功率， 500rpm攪拌速度）分散于乙醇中；之后加入體積比5:1的水和氨水，攪拌均勻后加入正硅酸乙酯，與負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)的質(zhì)量比為 1:1，調(diào)節(jié)pH值為9~10，反應(yīng)溫度為20~25℃，反應(yīng)2小時(shí)；進(jìn)行離心并依次用丙酮和去離子水清洗獲得沉淀；將該沉淀在90oC下干燥3h，以得到SiO2包覆的負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)。
（4）將0.3mol/L鈦源（鈦源為氟鈦酸鉀）加入到1 mol/L硫酸溶液中，混合均勻；加入步驟（3）制得的SiO2包覆載銀石墨烯量子點(diǎn)，升溫至100℃，反應(yīng)2h后，用濃氨水溶液調(diào)pH值至7，陳化6小時(shí)后，清洗，干燥，得到載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)。
（5）載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)的表面處理：將0.005g氧化石墨加入到10mL的分散劑（DMSO）中，超聲攪拌（500W超聲功率，300rpm攪拌速度）并加入0.3g載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)，繼續(xù)超聲攪拌30min，移至內(nèi)襯為聚四氟乙烯的微波水熱反應(yīng)釜（50 mL）中，密封后置于微波輔助水熱合成儀中，微波功率為200W， 240℃下反應(yīng)60min；冷卻，過濾，烘干得表面處理的載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)。
（6）稱取多孔石墨烯（2~5層，孔大小約3~6nm）配制成濃度為0.2mg/ml的石墨烯分散溶液，溶劑為水、丙酮或二甲基亞砜；超聲攪拌（1000W超聲功率，800rpm攪拌速度）100ml石墨烯分散溶液，加入步驟（5）制得的載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)，超聲攪拌30min，然后移至聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，在100℃下保溫30min；冷卻，離心，清洗，烘干得抗菌復(fù)合材料。
實(shí)施例2
一種多孔石墨烯載銀/二氧化鈦抗菌復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟：
（1）制備石墨烯量子點(diǎn)懸浮液：稱取0.6g C60粉末，量取50~100ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸，將C60粉末和濃硫酸在燒杯中混合，燒杯放在冰水浴中，同時(shí)以500rpm的速度攪拌，得混合液；稱取1g 高錳酸鉀粉末，緩慢的加入上述混合液中；移去冰水浴，換成水浴，保持水浴溫度30~40℃，反應(yīng)7h；快速加入200ml純水，過濾，然后用截留分子量為1000的透析袋透析3天，得石墨烯量子點(diǎn)懸浮液；100rpm速度攪拌石墨烯量子點(diǎn)懸浮液，同時(shí)激光輻照45min，激光輻照功率為1.2W。
（2）制備負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)：超聲攪拌（500W超聲功率，300rpm攪拌速度）60ml石墨烯量子點(diǎn)懸浮液，滴加濃度為0.003mol/L硝酸銀溶液，控制反應(yīng)溫度為50℃，滴加濃度為0.05mol/L二水合檸檬酸三鈉，繼續(xù)超聲攪拌90min；陳化，清洗，烘干得負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)；石墨烯量子點(diǎn)懸浮液、硝酸銀溶液與二水合檸檬酸三鈉的體積比為3:3:2。
（3）將0.3g負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)超聲攪拌（1000W超聲功率， 500rpm攪拌速度）分散于乙醇中；之后加入體積比4:1的水和氨水，攪拌均勻后加入正硅酸乙酯，與負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)的質(zhì)量比為 2:1，調(diào)節(jié)pH值為9~10，反應(yīng)溫度為20~25℃，反應(yīng)1小時(shí)；進(jìn)行離心并依次用丙酮和去離子水清洗獲得沉淀；將該沉淀在90oC下干燥3h，以得到SiO2包覆的負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)。
（4）將0.2mol/L鈦源（鈦源為氟鈦酸銨）加入到1 mol/L硫酸溶液中，混合均勻；加入步驟（3）制得的SiO2包覆載銀石墨烯量子點(diǎn)，升溫至100℃，反應(yīng)3h后，用濃氨水溶液調(diào)pH值至7，陳化6小時(shí)后，清洗，干燥，得到載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)。
（5）載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)的表面處理：將0.008g氧化石墨加入到8mL的分散劑（DMSO）中，超聲攪拌（500W超聲功率，300rpm攪拌速度）并加入0.2g載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)，繼續(xù)超聲攪拌30min，移至內(nèi)襯為聚四氟乙烯的微波水熱反應(yīng)釜（50 mL）中，密封后置于微波輔助水熱合成儀中，微波功率為300W，220℃下反應(yīng)60min；冷卻，過濾，烘干得表面處理的載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)。
（6）稱取多孔石墨烯（2~5層，孔大小約3~6nm）配制成濃度為0.5mg/ml的石墨烯分散溶液，溶劑為水、丙酮或二甲基亞砜；超聲攪拌（1000W超聲功率，800rpm攪拌速度）80ml石墨烯分散溶液，加入步驟（5）制得的載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)，超聲攪拌30min，然后移至聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，在100℃下保溫30min；冷卻，離心，清洗，烘干得抗菌復(fù)合材料。
實(shí)施例3
一種多孔石墨烯載銀/二氧化鈦抗菌復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟：
（1）制備石墨烯量子點(diǎn)懸浮液：稱取0.8g C60粉末，量取100ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸，將C60粉末和濃硫酸在燒杯中混合，燒杯放在冰水浴中，同時(shí)以500rpm的速度攪拌，得混合液；稱取0.5g 高錳酸鉀粉末，緩慢的加入上述混合液中；移去冰水浴，換成水浴，保持水浴溫度30~40℃，反應(yīng)8h；快速加入100ml純水，過濾，然后用截留分子量為1000的透析袋透析3天，得石墨烯量子點(diǎn)懸浮液；100rpm速度攪拌石墨烯量子點(diǎn)懸浮液，同時(shí)激光輻照60min，激光輻照功率為1W。
（2）制備負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)：超聲攪拌（500W超聲功率，300rpm攪拌速度）50ml石墨烯量子點(diǎn)懸浮液，滴加濃度為0.001mol/L硝酸銀溶液，控制反應(yīng)溫度為50℃，滴加濃度為0.01mol/L二水合檸檬酸三鈉，繼續(xù)超聲攪拌90min；陳化，清洗，烘干得負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)；石墨烯量子點(diǎn)懸浮液、硝酸銀溶液與二水合檸檬酸三鈉的體積比為3:2:1。
（3）將0.5g負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)超聲攪拌（1000W超聲功率， 500rpm攪拌速度）分散于乙醇中；之后加入體積比3:1的水和氨水，攪拌均勻后加入正硅酸乙酯，與負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)的質(zhì)量比為 1:1，調(diào)節(jié)pH值為9~10，反應(yīng)溫度為20~25℃，反應(yīng)3小時(shí)；進(jìn)行離心并依次用丙酮和去離子水清洗獲得沉淀；將該沉淀在90oC下干燥3h，以得到SiO2包覆的負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)。
（4）將0.1mol/L鈦源（鈦源為氟鈦酸鉀、氟鈦酸銨、鈦酸異丙酯或四氯化鈦）加入到1 mol/L硫酸溶液中，混合均勻；加入步驟（3）制得的SiO2包覆載銀石墨烯量子點(diǎn)，升溫至110℃，反應(yīng)4h后，用濃氨水溶液調(diào)pH值至7，陳化6小時(shí)后，清洗，干燥，得到載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)。
（5）載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)的表面處理：將0.01g氧化石墨加入到5mL的分散劑（DMSO）中，超聲攪拌（500W超聲功率，300rpm攪拌速度）并加入0.1g載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)，繼續(xù)超聲攪拌30min，移至內(nèi)襯為聚四氟乙烯的微波水熱反應(yīng)釜（50 mL）中，密封后置于微波輔助水熱合成儀中，微波功率為400W，200℃下反應(yīng)60min；冷卻，過濾，烘干得表面處理的載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)。
（6）稱取多孔石墨烯（2~5層，孔大小約3~6nm）配制成濃度為0.8mg/ml的石墨烯分散溶液，溶劑為水、丙酮或二甲基亞砜；超聲攪拌（1000W超聲功率，800rpm攪拌速度）100ml石墨烯分散溶液，加入步驟（5）制得的載銀/二氧化鈦石墨烯量子點(diǎn)，超聲攪拌30min，然后移至聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，在100℃下保溫30min；冷卻，離心，清洗，烘干得抗菌復(fù)合材料。
對(duì)比例1
一種多孔石墨烯載銀/二氧化鈦抗菌復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟：稱取多孔石墨烯（2~5層，孔大小約3~6nm）配制成濃度為0.8mg/ml的石墨烯分散溶液，溶劑為水、丙酮或二甲基亞砜；超聲攪拌（1000W超聲功率，800rpm攪拌速度）80ml石墨烯分散溶液，滴加濃度為0.001mol/L硝酸銀溶液，控制反應(yīng)溫度為50℃，滴加濃度為0.01mol/L二水合檸檬酸三鈉，繼續(xù)超聲攪拌90min；陳化，清洗，烘干得抗菌復(fù)合材料。
對(duì)比例2
一種多孔石墨烯載銀/二氧化鈦抗菌復(fù)合材料的制備方法，其包括以下步驟：
（1）配制濃度為0.001mol/L硝酸銀溶液，控制反應(yīng)溫度為50℃，滴加濃度為0.01mol/L二水合檸檬酸三鈉，超聲攪拌90min，硝酸銀溶液與二水合檸檬酸三鈉的體積比為2:1；之后加入體積比3:1的水和氨水，攪拌均勻后加入正硅酸乙酯，與負(fù)載銀的石墨烯量子點(diǎn)的質(zhì)量比為 1:1，調(diào)節(jié)pH值為9~10，反應(yīng)溫度為20~25℃，反應(yīng)3小時(shí)；進(jìn)行離心并依次用丙酮和去離子水清洗獲得沉淀；將該沉淀在90oC下干燥3h，以得到Ag/SiO2；
（2）將0.1mol/L鈦源（鈦源為氟鈦酸鉀、氟鈦酸銨、鈦酸異丙酯或四氯化鈦）加入到1 mol/L硫酸溶液中，混合均勻；加入步驟（1）制得的Ag/SiO2，升溫至110℃，反應(yīng)4h后，用濃氨水溶液調(diào)pH值至7，陳化6小時(shí)后，清洗，干燥，得到Ag/SiO2/二氧化鈦；
（3）稱取多孔石墨烯（2~5層，孔大小約3~6nm）配制成濃度為0.8mg/ml的石墨烯分散溶液，溶劑為水、丙酮或二甲基亞砜；超聲攪拌（1000W超聲功率，800rpm攪拌速度）100ml石墨烯分散溶液，加入步驟（3）制得的Ag/SiO2/二氧化鈦，超聲攪拌30min，然后移至聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中，在100℃下保溫30min；冷卻，離心，清洗，烘干得抗菌復(fù)合材料。
本發(fā)明所制備出的抗菌復(fù)合材料的抗菌活性評(píng)價(jià)的具體過程和步驟如下：
測試的細(xì)菌分別為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌；參照最小抑菌濃度（minimal inhibitory concentration, MIC）的測試方法（Xiang Cai, Shaozao Tan,Aili Yu, Jinglin Zhang, Jiahao Liu, Wenjie Mai, Zhenyou Jiang. Sodium1-naphthalenesulfonate- functioned reduced graphene oxide stabilize the silver nanoparticles with lower cytotoxicity and long-term antibacterial activity.Chemistry-An Asian Journal. 2012, 7(7):1664-1670.），先用電子天平稱取一定量的各實(shí)施例和對(duì)比例所制備的抗菌復(fù)合材料，將抗菌復(fù)合材料用MH肉湯對(duì)倍系列稀釋到不同濃度，分別加入到含有一定菌量的MH培養(yǎng)液中，使最終菌液的濃度約為106個(gè)/mL，然后在37℃下振蕩培養(yǎng)24h，觀察其結(jié)果，如表1所示。不加抗菌樣品的試管作為對(duì)照管，無菌生長的實(shí)驗(yàn)管液體透明，以不長菌管的抗菌劑計(jì)量為該抗菌劑的最低抑菌濃度(MIC)。
表1：實(shí)施例1~3和對(duì)比例1、2抗菌復(fù)合材料的抗菌性能
長效性試驗(yàn)：在40℃恒溫水槽中放一錐形瓶，瓶內(nèi)加入1g 各實(shí)施例和對(duì)比例所制備的抗菌復(fù)合材料樣品和200mL鹽水（0.9mass%），并分別在水中浸泡6、24、72h后取樣，測定其最低抑菌濃度，如表2所示。
表2：實(shí)施例1~3和對(duì)比例1、2抗菌復(fù)合材料的長效抗菌活性
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制，但凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術(shù)方案，均應(yīng)落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。