Cu/ZnO-RGO的抗菌性能及應(yīng)用

姜國(guó)飛,李旭飛,呂 艷,車陽麗,劉 芳

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Cu/ZnO-RGO的抗菌性能及應(yīng)用

姜國(guó)飛,李旭飛,呂 艷,車陽麗,劉 芳*

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院環(huán)境與安全工程系 山東 青島 266580)

采用溶膠-凝膠法制備銅鋅復(fù)合氧化物(Cu/ZnO),并將Cu/ZnO納米粒子負(fù)載到還原氧化石墨烯(RGO)表面制備Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料.對(duì)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料進(jìn)行表征分析及抗菌性能考察,結(jié)果表明,Cu/ZnO納米粒子成功負(fù)載在RGO表面,負(fù)載前后Cu/ZnO納米粒子形態(tài)不發(fā)生改變,復(fù)合材料純度較高.Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌與金黃色葡萄球菌均有著優(yōu)異的抗菌性能,可以破壞細(xì)菌細(xì)胞膜,導(dǎo)致細(xì)菌內(nèi)容物流出,延長(zhǎng)細(xì)菌進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期所需的時(shí)間.當(dāng)RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%?Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料使用量為120μg/mL時(shí),在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中作用2h即可擁有96.76%的抗菌率.

還原氧化石墨烯；Cu/ZnO納米粒子；復(fù)合材料；抗菌

目前研究發(fā)現(xiàn)多種納米材料具有強(qiáng)抗菌性能,如Ag、TiO2、SiO2、Au等[1-3].這些納米材料在單獨(dú)使用時(shí)由于活性較高可能會(huì)造成一些環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[4-5],而將納米顆粒制備成復(fù)合材料會(huì)使其在環(huán)境中的流動(dòng)性降低使環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)下降.目前使用納米材料制備具有生物相容性和優(yōu)異抗菌性的復(fù)合材料已應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)裝置[6]、水凈化膜[7]及薄膜纖維傷口敷料[8]等,這些應(yīng)用可以改善材料抗菌性能、使用壽命[9-11]等.

石墨烯(Graphene)是由單層碳原子之間依靠sp2雜化組成的具有六角形晶體結(jié)構(gòu)的二維碳納米材料[12],因具有優(yōu)異的機(jī)械、熱和光學(xué)等性質(zhì)[13-15]而被全世界關(guān)注,近年來發(fā)現(xiàn)石墨烯材料具有強(qiáng)抗菌性能[16],但在實(shí)際應(yīng)用中還存在不穩(wěn)定易團(tuán)聚、團(tuán)聚的石墨烯可能成為細(xì)菌生物膜生長(zhǎng)的基體等問題,因此如何利用石墨烯制備抗菌材料成為了重要研究.納米氧化鋅是一種廣泛應(yīng)用于抗菌劑制備的、廉價(jià)的半導(dǎo)體材料,在體外對(duì)原核細(xì)胞、真核細(xì)胞及大腸桿菌的生長(zhǎng)均可以產(chǎn)生抑制作用[17].ZnO在含水介質(zhì)中還可以緩慢釋放鋅離子與蛋白質(zhì)上的-SH基團(tuán)反應(yīng),破壞電子傳遞系統(tǒng)的酶,從而破壞細(xì)菌細(xì)胞和生理活性達(dá)到殺菌目的[18].研究表明,細(xì)菌在銅表面不易形成保護(hù)性的生物膜[19-20].將銅離子注入到其他抗菌材料后,還可明顯提高材料的抗菌性能.

本文將采用溶膠-凝膠法制備銅鋅復(fù)合氧化物(Cu/ZnO),并將Cu/ZnO納米粒子負(fù)載在RGO表面制備Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料.考察復(fù)合材料的抗菌性能,并將Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用,以解決循環(huán)冷卻水系統(tǒng)因細(xì)菌滋生導(dǎo)致的生物粘泥及設(shè)備腐蝕等問題.

1 材料與方法

1.1 材料

還原氧化石墨烯(以甲脒亞磺酸為還原劑還原氧化石墨所得);無水乙醇、二甲基乙酰胺,分析純,四川西隴化工有限公司產(chǎn)品;牛肉膏、胰蛋白粉、瓊脂,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品.

1.2 Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的制備

取0.35mol醋酸鋅與0.15mol醋酸銅溶于100mL體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇中,超聲處理使溶液混合均勻.使用氨水調(diào)節(jié)溶液pH值至5.5~6.7,并加入0.6mol一水合檸檬酸,80℃水浴攪拌2h獲得淺藍(lán)色沉淀.將沉淀用無水乙醇洗滌后80℃烘干,研磨成粉末,并將粉末置于500℃煅燒2h,獲得銅鋅復(fù)合氧化物(Cu/ZnO).將RGO與Cu/ZnO納米粒子按一定質(zhì)量比在二甲基乙酰胺中混合均勻,使RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總質(zhì)量的5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%,超聲處理6h.通過離心回收納米Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料,乙醇洗滌3次后60℃烘干即為所得.制備流程圖見圖1.

圖1 Cu/ZnO-RGO制備示意

1.3 納米材料的表征

用帕納科公司生產(chǎn)的X射線衍射儀(X’Pert PRO MPD)分析納米粒子的晶相結(jié)構(gòu),用美國(guó)尼高力公司生產(chǎn)的傅立葉變換紅外光譜儀(NEXUS FT-IR)分析納米材料的分子結(jié)構(gòu),用日本電子生產(chǎn)的透射電子顯微鏡(JEM-2100UHR)分析納米材料的微觀結(jié)構(gòu).

1.4 抑菌圈實(shí)驗(yàn)

將滅菌后的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中,制備平板.用移液槍移取100μL濃度為106cfu/mL的菌液并在平板表面均勻涂布.平板表面菌液干燥后,在平板表面放置滅菌后的牛津杯,并向杯內(nèi)分別加入50μL不同質(zhì)量濃度的Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料懸浮液,蓋好培養(yǎng)皿,置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h.抗菌材料會(huì)抑制細(xì)菌的生長(zhǎng),并產(chǎn)生一個(gè)無菌的抑菌圈,觀察結(jié)果,并用游標(biāo)卡尺測(cè)量抑菌圈的直徑.

1.5 蛋白泄漏實(shí)驗(yàn)

將Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料與對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)菌共同培養(yǎng)(大腸桿菌中Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料濃度為100μg/mL,金黃色葡萄球菌中Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料濃度為125μg/mL),每隔2h取細(xì)菌菌液樣品用緩沖溶液稀釋,用移液槍移取稀釋后菌液20mL于EP管中,并加入考馬斯亮藍(lán)溶液1mL,在37℃搖床中震蕩2min使之混合均勻.在595nm處測(cè)定混合溶液的吸光值,并與蛋白濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比,從而計(jì)算菌液蛋白濃度.

1.6 細(xì)菌PI染色實(shí)驗(yàn)

將Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料與對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)菌混合培養(yǎng)2h(大腸桿菌中Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料濃度為100μg/mL,金黃色葡萄球菌中Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料濃度為125μg/mL),并用緩沖溶液稀釋.用移液槍取出1mL菌液于EP管中離心并去上清液.向EP管內(nèi)加入5μL 1mg/mL PI(碘化丙啶)染液,輕輕混勻,避光放置15min.取一滴溶液滴加于載玻片上制備觀察樣片,在熒光顯微鏡下觀察拍照,并與正常生長(zhǎng)細(xì)胞對(duì)比.

1.7 微生物生長(zhǎng)曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)

將細(xì)菌接種到含有150mL牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基的錐形瓶中,并向內(nèi)加入一定質(zhì)量的Cu/ZnO- RGO復(fù)合材料,在恒溫振蕩培養(yǎng)箱中37℃震蕩培養(yǎng).培養(yǎng)過程中每隔2h取一次菌液并在600nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度OD600值(以未接種的液體培養(yǎng)基作背景),以O(shè)D600值為縱坐標(biāo),培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo),繪制生長(zhǎng)曲線,并與細(xì)菌正常生長(zhǎng)的生長(zhǎng)曲線做對(duì)比.

1.8 平板記數(shù)法計(jì)算抗菌率

將滅菌后的牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿中,制備平板.用移液槍移取200μL的待測(cè)液并在平板表面均勻涂布.37℃培養(yǎng)24h后數(shù)出生長(zhǎng)菌落數(shù).抗菌率計(jì)算方式見公式(1):

式中:為抗菌率,%;0為空白菌落個(gè)數(shù),個(gè);為添加材料后菌落個(gè)數(shù),個(gè).

2 結(jié)果與討論

2.1 納米Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的表征

圖2中RGO的紅外光譜在1607cm-1處出現(xiàn)一吸收峰,這屬于石墨晶體sp2結(jié)構(gòu)中的C=C伸縮振動(dòng)峰,證明了石墨烯石墨結(jié)構(gòu)的存在,除此之外,僅在3500~4000cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)一些由殘留的-OH和吸附的水分子產(chǎn)生的雜峰,證明以甲脒亞磺酸為還原劑所制備的RGO還原較徹底.Cu/ZnO-RGO樣品的紅外光譜中保留了1607cm-1處出現(xiàn)的C=C伸縮振動(dòng)峰,證明在復(fù)合過程中RGO的石墨結(jié)構(gòu)依舊保留,此外在3374~3576cm-1處出現(xiàn)一強(qiáng)度較低的寬峰,這是由于在復(fù)合過程中以二甲基乙酰胺為溶劑,從而使復(fù)合材料顯示出N-H伸縮振動(dòng)峰,Cu/ZnO-RGO樣品的紅外光譜在448cm-1處出現(xiàn)一明顯的強(qiáng)吸收峰,這一特點(diǎn)證明Cu/ZnO納米粒子的形成.納米復(fù)合材料中Cu/ZnO納米粒子的存在也通過XRD測(cè)量得到證實(shí)(圖3),Cu/ZnO-RGO的XRD譜圖在2=31.77°、34.41°、36.34°、47.60°及56.61°處出現(xiàn)強(qiáng)度較高的衍射峰,在2=38.70°出現(xiàn)一小尖銳衍射峰,衍射峰的位置分別對(duì)應(yīng)氧化鋅的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)晶面和對(duì)應(yīng)氧化銅(111)晶面[21], Cu/ZnO納米粒子的衍射峰位置和標(biāo)準(zhǔn)卡片相比略微向高角度偏移,證明Cu已進(jìn)入氧化鋅晶體結(jié)構(gòu)中.Cu/ZnO負(fù)載到RGO表面后,在2=24.68°處出現(xiàn)的RGO衍射峰基本消失[22],這是由于在復(fù)合過程中Cu/ZnO納米粒子在RGO表面的堆疊導(dǎo)致RGO的片層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致RGO衍射峰發(fā)生變化.

圖2 RGO和Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的FT-IR圖譜

圖3 Cu/ZnO、RGO和Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的XRD圖譜

圖4 Cu/ZnO、RGO和Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的TEM照片 Fig.4 TEM photos of Cu/ZnO, RGO and Cu/ZnO-RGO nanocomposites

使用透射電子顯微鏡(TEM)分析Cu/ZnO-RGO納米復(fù)合材料的形態(tài)(圖4),TEM照片顯示Cu/ZnO納米粒子成功附著在RGO上.由對(duì)比圖可發(fā)現(xiàn),附著在RGO表面的Cu/ZnO納米顆粒平均尺寸約為30nm,而沒有參與合成的Cu/ZnO納米顆粒平均尺寸約為40~60nm,這一結(jié)果表明在復(fù)合過程中RGO薄片與Cu/ZnO納米顆粒發(fā)生反應(yīng),從而形成了更小的納米粒子.結(jié)合之前的紅外表征結(jié)果,猜測(cè)這一結(jié)果的原因是由于RGO表面存在部分殘余的羥基和羧基,這些基團(tuán)可以為RGO表面上納米粒子的錨定和生長(zhǎng)提供位點(diǎn)[23-24],同時(shí)可以與鋅離子和銅離子發(fā)生反應(yīng),參與納米粒子形成的成核反應(yīng),最終使負(fù)載到RGO表面的Cu/ZnO納米粒子平均尺寸降低.Cu/ZnO納米粒子在RGO表面發(fā)生輕微團(tuán)聚現(xiàn)象,這是由于Cu/ZnO顆粒尺寸較小,顆粒間小尺寸效應(yīng)及表面效應(yīng)導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象的產(chǎn)生.

2.2 納米Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料抗菌性能

2.2.1 Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料對(duì)細(xì)菌的抑菌圈實(shí)驗(yàn) 抑菌圈直徑的不同反映了所測(cè)試的細(xì)菌對(duì)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的敏感性程度,對(duì)復(fù)合材料更敏感的細(xì)菌將會(huì)產(chǎn)生更大的抑菌圈. Cu/ZnO- RGO復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌與金黃色葡萄球菌產(chǎn)生的抑菌圈直徑大小隨復(fù)合材料濃度的變化如圖5所示.

圖5 抑菌圈直徑隨Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料濃度的變化

由圖5可看出,當(dāng)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料濃度較低時(shí),對(duì)大腸桿菌產(chǎn)生的抑菌圈直徑明顯高于對(duì)金黃色葡萄球菌產(chǎn)生的抑菌圈直徑,證明當(dāng)復(fù)合材料濃度較低時(shí),大腸桿菌對(duì)復(fù)合材料的敏感度更高.隨Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料濃度的升高,對(duì)大腸桿菌及金黃色葡萄球菌產(chǎn)生的抑菌圈直徑均體現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì),當(dāng)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料濃度大于100μg/mL時(shí),對(duì)大腸桿菌產(chǎn)生的抑菌圈直徑大于17.5mm,當(dāng)濃度大于125μg/mL時(shí),對(duì)金黃色葡萄球菌產(chǎn)生的抑菌環(huán)直徑大于18mm.金黃色葡萄球菌及大腸桿菌對(duì)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的敏感程度均極高[25],這為復(fù)合材料抗菌性能的考察提供基礎(chǔ).

2.2.2 Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)曲線的影響 如圖6所示,對(duì)比添加Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料前后2種細(xì)菌生長(zhǎng)曲線的變化可明顯看出,Cu/ ZnO-RGO復(fù)合材料的添加可以顯著降低2種細(xì)菌生長(zhǎng)曲線的斜率,延緩細(xì)菌進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期[26-27].對(duì)于大腸桿菌而言,大腸桿菌在正常生長(zhǎng)6h后即可進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,而添加復(fù)合材料之后在22h才觀察到細(xì)胞數(shù)目的增加,24h內(nèi)未觀察到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的出現(xiàn);對(duì)金黃色葡萄球菌而言,金黃色葡萄球菌在正常生長(zhǎng)2h后即可進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,而添加復(fù)合材料之后再16h才觀察到細(xì)胞數(shù)目的明顯增加,在22h之后有可能進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,同樣證明了大腸桿菌對(duì)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的敏感度更高[28].

2.2.3 Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜完整性的影響 PI是一種熒光染料,是可以對(duì)DNA染色的細(xì)胞核染色試劑,與DNA結(jié)合后會(huì)釋放紅色熒光,但PI染料不可以通過活細(xì)胞膜,只能穿過受損的細(xì)胞膜從而對(duì)細(xì)胞核進(jìn)行染色,因此PI染料可以用于細(xì)胞凋亡檢測(cè)[29].

由圖7可以看出,在正常生長(zhǎng)狀態(tài)下,大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的熒光照片均是漆黑視野,證明此時(shí)細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整,PI染料無法對(duì)細(xì)菌進(jìn)行染色.當(dāng)大腸桿菌或金黃色葡萄球菌與Cu/ZnO- RGO復(fù)合材料共同培養(yǎng)后,所得熒光照片均有明顯的紅色亮斑出現(xiàn),證明大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料所破壞,這是由于當(dāng)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料與細(xì)菌接觸時(shí),RGO鋒利的片層邊緣會(huì)直接劃破細(xì)菌細(xì)胞膜,使細(xì)菌細(xì)胞膜的內(nèi)膜與外膜均受到損傷[30-32],使得PI染料進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部與DNA結(jié)合,從而顯示出紅色熒光.

圖7 Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌及金黃色葡萄球菌作用后的熒光照片

2.2.4 Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料對(duì)細(xì)菌蛋白質(zhì)泄漏的影響 由于Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料會(huì)破壞細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物流出,將Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料處理后的細(xì)菌菌液進(jìn)行蛋白含量測(cè)定.由圖8可知,隨Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料與細(xì)菌共同培育時(shí)間的延長(zhǎng),蛋白質(zhì)泄漏量不斷升高.在相同的時(shí)間條件下,Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的加入加速了細(xì)菌蛋白質(zhì)的泄漏,在培養(yǎng)20h后,與正常生長(zhǎng)細(xì)菌蛋白質(zhì)泄漏相比,Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的加入使大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的蛋白質(zhì)泄漏速度分別提高了807.69%與666.92%.由于金黃色葡萄球菌屬于革蘭氏陽性菌,革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁含有90%的排列整齊有序的肽聚糖,且細(xì)胞壁較厚(20~80nm),能有效提高細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度,遭受外來傷害時(shí)依然能夠保持原有細(xì)胞形態(tài).而大腸桿菌屬于革蘭氏陰性菌,革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁有多層結(jié)構(gòu),層間排列疏松,肽聚糖含量低,細(xì)胞壁薄(10~15nm),導(dǎo)致革蘭氏陰性菌的細(xì)胞機(jī)械強(qiáng)度低,在遭受外來傷害時(shí)容易導(dǎo)致細(xì)胞破損變形,因此Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料作用后的大腸桿菌蛋白質(zhì)泄漏速度高于金黃色葡萄球菌.

2.3 納米Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料在循環(huán)冷卻水中的應(yīng)用

2.3.1 循環(huán)冷卻水水質(zhì)分析 以青島某石化煉制企業(yè)循環(huán)冷卻水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,其水質(zhì)分析見表1,菌種鑒定結(jié)果見表2[33].

由菌種鑒定結(jié)果可看出,循環(huán)冷卻水是一個(gè)復(fù)雜的微生物體系,其中既含有革蘭氏陽性菌(腐螺旋菌科、微球菌科、丙酸桿菌科),又含有革蘭氏陰性菌(假單胞菌科、擬桿菌科、屈撓桿菌科、嗜氫菌科、柄桿菌科、紅桿菌科、伯克氏菌科、微球菌科、紅環(huán)菌科),同時(shí)這些細(xì)菌的生理特性又各不相同,因此在循環(huán)冷卻水中對(duì)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料進(jìn)行抗菌性能考察具有代表意義.

表1 循環(huán)冷卻水水質(zhì)分析(mg/L)

表2 循環(huán)冷卻水優(yōu)勢(shì)菌種鑒定結(jié)果匯總4

2.3.2 RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料抗菌性能的影響 將所制備的含不同RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料分別投加到循環(huán)冷卻水中,濃度均為200μg/mL,震蕩2h后采用平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行計(jì)算抗菌率.

由圖9可看出,隨著RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合材料的抗菌率逐漸增大,當(dāng)RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)抗菌率達(dá)到最高,為99.67%.此后繼續(xù)增大RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù),復(fù)合材料抗菌率出現(xiàn)下降趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料相較于Cu/ZnO與RGO相比,在相同濃度下使用時(shí),抗菌性能分別提高了7.95%、19.15%,這是由于Cu/ZnO帶有正電荷,而大部分細(xì)菌表面均攜帶負(fù)電荷,因此當(dāng)Cu/ZnO粒子負(fù)載到RGO表面后,可以使復(fù)合材料很好的通過靜電作用吸附在細(xì)菌表面,將細(xì)菌包覆,切斷細(xì)菌與外界的物質(zhì)、信息交流,同時(shí)增大細(xì)菌與RGO的接觸機(jī)會(huì),Cu/ZnO與RGO在抗菌性能上的協(xié)同作用使抗菌率有著明顯提升[34-35].當(dāng)RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí),復(fù)合材料的抗菌率逐漸下降,這是由于RGO含量增加時(shí),Cu/ZnO含量不足以完全填充GO表面,此時(shí)過多的RGO在復(fù)合過程中會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象[36],復(fù)合材料添加到循環(huán)冷卻水中后,這些團(tuán)聚的RGO反而成為細(xì)菌生長(zhǎng)的基體,從而使復(fù)合材料的抗菌率降低.

圖9 RGO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抗菌率影響曲線

2.3.3 復(fù)合材料濃度對(duì)抗菌率的影響 將制備的Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料按不同投加量投加到循環(huán)冷卻水中,2h后采用平板計(jì)數(shù)法進(jìn)行抗菌率的計(jì)算,結(jié)果如圖10所示.

圖10 Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料使用量對(duì)抗菌率的影響

由圖10可得,納米Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料抗菌率隨復(fù)合材料使用量的增大而提高.當(dāng)復(fù)合材料投加濃度為40μg/mL時(shí),抗菌率僅為70.09%,這是由于參與復(fù)合的RGO與Cu/ZnO在濃度較低時(shí)抗菌活性均較差,尤其是濃度較低的Cu/ZnO反而會(huì)促進(jìn)某些細(xì)菌的生長(zhǎng),因此復(fù)合材料使用濃度較低時(shí),抗菌性能較差.在復(fù)合材料濃度提高后,RGO與Cu/ZnO的強(qiáng)抗菌性能均得到體現(xiàn),從而使抗菌性能得到大幅度提升.當(dāng)復(fù)合材料投加量為120μg/mL時(shí),抗菌率已經(jīng)達(dá)到96.76%,繼續(xù)增大復(fù)合材料濃度抗菌性能提升不再明顯,因此Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料在本系統(tǒng)中使用時(shí),120μg/mL即可認(rèn)定為最佳投加量.

目前針對(duì)Cu/ZnO-RGO復(fù)合抗菌材料的使用方法是直接將粉體投加至循環(huán)冷卻水中,后期研究將會(huì)把復(fù)合材料制備成涂層使用,使在應(yīng)用方面更經(jīng)濟(jì)、效果更長(zhǎng)效.

3 結(jié)論

3.1 通過TEM照片證明納米Cu/ZnO粒子成功負(fù)載到RGO表面,XRD表征證明負(fù)載后納米Cu/ZnO粒子形態(tài)未發(fā)生改變,復(fù)合材料純度較高.

3.2 大腸桿菌對(duì)Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的敏感度高于金黃色葡萄球菌,Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的添加可以明顯延長(zhǎng)2種細(xì)菌進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期所需時(shí)間.Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料在抗菌過程中會(huì)破壞細(xì)菌細(xì)胞膜,導(dǎo)致細(xì)菌內(nèi)容物流出, Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料的加入使大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的蛋白泄漏率分別提高了807.69%與666.92%.

3.3 將Cu/ZnO-RGO復(fù)合材料應(yīng)用于循環(huán)冷卻水中可明顯抑制微生物的滋生,當(dāng)使用量為120μg/mL可擁有96.76%的抗菌率.

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Antibacterial properties and application of Cu/ZnO-RGO nanocomposites.

JIANG Guo-fei, LI Xu-fei, Lü Yan, CHE Yang-li, LIU Fang*

(Environmental and Safety Engineering, College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)., 2018,38(8)：3121~3128

The sol-gel method was used to prepare the copper and zinc composite oxide (Cu/ZnO), nanoparticles of which were loaded on the surface of reduced graphene oxide (RGO) to synthesize Cu/ZnO-RGO nanocomposites. The characterization analysis of Cu/ZnO-RGO nanocomposites showed that the Cu/ZnO nanoparticles were loaded on the RGO surface successfully. The morphology of the Cu/ZnO nanoparticles did not change after the load and the purity of CuZnO-RGO nanocomposites was higher. Furthermore, Cu/ZnO-RGO nanocomposites exhibited excellent antibacterial properties againstandby destroying bacterial cell membrane, causing the outflow of bacterial content and preventing bacteria entering the obvious logarithmic growth phase within 24h. When the mass fraction of RGO was 15%, the usage of Cu/ZnO-RGO nanocomposites was 120μg/mL, and the treating time was 2h in the circulating cooling water, the antibacterial rate of Cu/ZnO nanocomposites reached 99.76%.

reduced graphene oxide；Cu/ZnO nanoparticles；nanocomposites；antibiosis

X703.5

A

1000-6923(2018)08-3121-08

姜國(guó)飛(1993-),男,山東菏澤人,中國(guó)石油大學(xué)(華東)碩士研究生,主要從事水污染控制及水資源回用研究.發(fā)表論文8篇.

2018-01-22

中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究生創(chuàng)新工程項(xiàng)目(YCX2017047);山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR201702140013)

* 責(zé)任作者, 教授, liufangfw@163.com