小尺寸氧化銅的制備及其抗菌性能研究

黃鵬杰，鄭敏，鄭康，趙松銘，沈凱旋

（蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇蘇州215006）

作為一種優良的p型半導體材料，近年來納米尺度的氧化銅受到科研工作者的廣泛關注[1]。制備小尺寸氧化銅的方法有很多，如水熱法、溶膠-凝膠法、微波法等[2]。但這些方法過程都比較復雜，水解法相對來說比較簡單。氧化銅具有穩定的物理和化學性能，在太陽能電池、氣體傳感、超電容、光催化降解有機廢水、抗菌等方面有著巨大的應用前景[3]。氧化銅的抗菌性正在被人們深入地研究并應用于紡織領域。Montazer M[4]將銅粒子沉積在纖維上合成出氮摻雜氧化銅復合纖維，賦予織物優良的抗菌性。美國Nanophase[5]技術公司推出的氧化銅系列抗菌劑具有廣譜長效的特點，已具有商業實用性[5]。因氧化銅粒徑對抗菌性有很大影響，故本研究通過水解法制備出3種不同尺寸的氧化銅并對其抗菌性進行檢測。

1 實驗

1.1 試劑

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、一水合乙酸銅、無水乙醇、無水碳酸鈉（Na2CO3）、十二烷基硫酸鈉（SDS）（均為分析純），二次去離子水。

1.2 氧化銅的制備

稱取0.399 3 g Cu（CH3COO）2·H2O溶解在100 mL含0.4 g PVP的無水乙醇中，倒入250 mL三口燒瓶內，超聲10 min。將三口燒瓶置于恒溫水浴鍋中，安裝冷凝管后加熱攪拌，當溫度升至80℃時通過恒壓滴液漏斗向反應液中緩慢滴加5 mL去離子水，反應15 min，再滴加7 mL 0.2 mol/L的無水碳酸鈉溶液，保溫15 min后反應結束，冷卻，陳化，離心，洗滌，真空干燥。所制備氧化銅標記為CuO-1。

將上述制備條件中的表面活性劑PVP用SDS替代，其他條件不變，所得氧化銅標記為CuO-2。

將上述反應溶劑無水乙醇用去離子水替代，其他反應條件相同，所制得的氧化銅標記為CuO-3。

1.3 樣品表征

X-射線衍射（XRD）：通過XRD測試分析可以知道未知晶體材料的晶相組成、晶粒尺寸以及缺陷等信息。所使用的分析儀器為RigaKuD/max-ⅢC型X射線粉末衍射儀，測試條件：銅靶（λ=0.154 18 nm），管電壓40 kV，管電流100 mA，衍射角10°～90°。

透射電子顯微鏡（TEM）：通過TEM圖像可以顯示出樣品的形貌、粒徑以及結構等信息。所采用的儀器為FEI Tecnai G20型透射電子顯微鏡。

紫外可見漫反射光譜（UV-Vis）：在一定波長范圍內提供材料對光的吸收以及反射情況。所采用的儀器是UV-240紫外可見漫反射光譜儀（波長范圍200～800 nm，日本島津公司）。

1.4 抗菌性實驗

1.4.1 最小抑菌質量濃度（MIC）和最小殺菌質量濃度（MBC）的測定

將CuO-1、CuO-2和CuO-3分別稀釋至1 000 mg/mL滅菌備用。取若干試管，標記1～7。第一支試管中加入5 mL雙倍營養肉湯和4 mL去離子水，其余試管中均加入2.5 mL雙倍營養肉湯和2.5 mL水，滅菌。取1 mL已滅菌的氧化銅稀釋液至1號試管中，震蕩分散。然后從1號試管中取5 mL溶液至2號試管中，依次進行至7號試管，最后從7號試管中取5 mL棄去。每支試管中接入0.5 mL 1×108～2×108CFU/mL菌液。對照組為2.5 mL水加2.5 mL雙倍肉湯，一支加入0.5 mL水（空白對照），另一支加入0.5 mL菌液（陽性對照）。37℃恒溫培養24 h，試管中溶液開始澄清即可確定其最小抑菌質量濃度（MIC）。

將出現澄清的溶液各取1 mL至培養皿中，加入瓊脂，搖勻，放入恒溫箱中培養24 h。當培養皿中的菌落數少于5個時，最低的質量濃度即為最小殺菌質量濃度（MBC）。

1.4.2 細菌的生長曲線

分別將50 mL營養肉湯加入至4個相同大小的錐形瓶中，再加入20 mL PBS磷酸緩沖液，并分組為1、2、3和4號；取5 mL 1 000 mg/mL的3種氧化銅分散液至1、2和3號錐形瓶中，4號作為空白樣，121℃滅菌備用。再取0.5 mL稀釋至一定倍數的大腸桿菌至已冷卻的上述培養液中，震蕩、分散，取3 mL在600 nm處測吸光度。此后每隔1～2 h取3 mL測吸光度。

2 結果與討論

2.1 表征

2.1.1 XRD

從圖1中可以看出，樣品的衍射峰與標準卡片對比完全一致且無雜峰出現，說明所制備的樣品是純相氧化銅。但是，CuO-1的衍射峰寬度比CuO-2和CuO-3寬，這是由于其粒徑較小（圖2也能證明這一點）。與CuO-2相比，在制備CuO-1的過程中，乙酸銅以分子形式溶解于無水乙醇中，當水解反應發生時，生成的粒子表面有乙醇，其表面張力小，粒子不易團聚生長。再加上PVP會吸附在粒子表面形成空間位阻，起到了很好的分散作用，阻礙了粒子的團聚。當以水為溶劑時，水解生成的粒子很容易生長團聚，粒子變大。對于CuO-3來說，加入的SDS為陰離子表面活性劑，根據DLVO理論，陰離子表面活性劑和碳酸鈉會影響粒子間范德華力和靜電斥力的平衡，使粒子生長變大。同時，由謝樂公式（d=kλ/βcosθ，k為常數0.89，λ為射線波長，β為衍射峰的半峰寬，θ為所對應的布拉格角）可以計算出3種氧化銅的平均粒徑：CuO-1 4.8 nm，CuO-2 58.7 nm，CuO-3 436.0 nm。

圖1 CuO-1、CuO-2和CuO-3的XRD圖譜

2.1.2 TEM

如圖2所示，CuO-1為粒徑2～6 nm的球狀顆粒，顆粒分布均勻，分散性好，無明顯的團聚；而CuO-2和CuO-3的粒徑明顯大于CuO-1。

圖2 CuO-1、CuO-2和CuO-3的透射電鏡圖

2.1.3 UV-Vis

由于樣品粒徑小，通過紫外可見吸收光譜來證明樣品在溶液中有很好的分散性，如圖3所示，小尺寸氧化銅（CuO-1）的紫外吸收峰出現在310 nm左右，與粒徑大的樣品相比有明顯的藍移，表明所制備的氧化銅處于量子狀態[6]，因而具有很好的分散性。

圖3 CuO-1、CuO-2和CuO-3的UV-Vis圖譜

2.2 抗菌性

2.2.1 MIC和MBC值

CuO-1、CuO-2及CuO-3對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC、MBC值見表1。

表1 CuO-1、CuO-2及CuO-3對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC、MBC值

從表1中可以看出，小尺寸CuO-1對兩種菌的MIC值均為12.5 mg/mL，而尺寸較大的CuO-2 MIC值均為31.0 mg/mL，CuO-3的MIC值均為37.5 mg/mL。同時，CuO-1對兩種菌的MBC值均小于CuO-2和CuO-3，說明CuO-1的抗菌性優于CuO-2和CuO-3。這是CuO-1顆粒尺寸小的緣故，在Gedanken A等的報道中有說明，由于小尺寸氧化銅粒子在溶液中與細菌接觸時能產生活性氧自由基（ROS）[7]，從而達到抑菌、殺菌的目的。

2.2.2 細菌的生長曲線

在0～2.0范圍內，吸光度數值越大，說明營養液中的細菌質量濃度越高。從圖4中可以看出，當不加抗菌劑時，細菌質量濃度不斷增高，2 h后細菌質量濃度呈指數性增長；加入抗菌劑后，細菌的生長情況明顯受到抑制，2 h后細菌質量濃度緩慢增長。說明氧化銅對細菌的生長起到了抑制作用。與CuO-1相比，CuO-2和CuO-3的抗菌性要差一些，表明小尺寸氧化銅對細菌的抑制能力更強。

圖4 加入氧化銅后細菌的生長曲線圖

3 結論

以乙酸銅為原料、乙醇為溶劑、水為沉淀劑成功地制備出粒徑小、分布均勻、分散性好的氧化銅。與以水為溶劑制備的粒徑較大的氧化銅相比，小尺寸氧化銅對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性更強。