微波加熱法所制Ag/Cu雙金屬納米粒子的表征及其抗菌性能分析

李培義，宋述鵬，王今朝，張遠(yuǎn)卓，萬 天

(1. 武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2. 武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081；3. 湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢，430062)

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微波加熱法所制Ag/Cu雙金屬納米粒子的表征及其抗菌性能分析

李培義1，2，宋述鵬1，2，王今朝3，張遠(yuǎn)卓2，萬 天2

(1. 武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2. 武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081；3. 湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢，430062)

以AgNO3和Cu(CH3COO)2·H2O為前驅(qū)體，PVP為分散劑，分別以乙醇和乙二醇為還原劑，采用微波加熱法制備Ag/Cu雙金屬納米粒子，利用XRD、TEM、XPS等技術(shù)對其進(jìn)行表征，并分析反應(yīng)溫度、n(Ag+)∶n(Cu2+)等因素對Ag/Cu雙金屬納米粒子微觀形貌及抗菌性能的影響。結(jié)果表明，以乙二醇為還原劑，當(dāng)反應(yīng)溫度為169 ℃、n(Ag+)∶n(Cu2+)為4∶1時，所制Ag/Cu雙金屬納米粒子粒徑小且分散均勻，粒子粒徑在20～60 nm范圍內(nèi)，并呈現(xiàn)出各種多面體結(jié)構(gòu)，其對大腸桿菌具有良好的抗菌效果。

Ag/Cu；雙金屬；納米粒子；醇還原；微波加熱；抗菌性能

納米級粒子由于具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)，已成為材料研究的熱點(diǎn)之一，而由不同金屬組成的雙金屬合金納米顆粒更是備受關(guān)注[1]。雙金屬是將兩種金屬材料在納米尺度上進(jìn)行復(fù)合，形成核殼、空心等結(jié)構(gòu)的納米粒子，能提高材料的物理化學(xué)性能。雙金屬納米材料可應(yīng)用于催化、抗菌、電化學(xué)傳感器、水處理、生物傳感等諸多領(lǐng)域[2]。雙金屬納米材料的制備方法主要有置換法[3]、激光燒蝕法[4]、化學(xué)還原法[5]、多元醇法[6]、水熱法、微波法[7]、化學(xué)氣相沉積法[8]、膠體晶種法等，不同方法合成的雙金屬納米材料具有不同的微觀形貌和物理化學(xué)性能[9]。

微波加熱與傳統(tǒng)加熱方式相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢，微波加熱是通過被加熱物體內(nèi)部偶極分子高頻往復(fù)運(yùn)動，產(chǎn)生“內(nèi)摩擦熱”而使被加熱物質(zhì)溫度升高，不需任何熱傳導(dǎo)過程，就能使物料內(nèi)外部同時加熱、同時升溫，不存在溫度梯度，加熱速度快且均勻，而且能耗僅需傳統(tǒng)加熱方式的幾分之一甚至幾十分之一[10]。徐偉等[11]采用微波加熱法，數(shù)分鐘內(nèi)制備出平均粒徑在50 nm左右且分散均勻的球狀納米鎳。Wang等[12]采用多元醇還原法，制備出平均粒徑小于3 nm，具有核殼結(jié)構(gòu)的Pt/Pd雙金屬納米顆粒，其催化活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Pt、Pd單金屬納米顆粒。為此，本文以AgNO3和Cu(CH3COO)2·H2O為前驅(qū)體，PVP為分散劑，分別以乙醇和乙二醇為還原劑，采用微波加熱法制備Ag/Cu雙金屬納米粒子，利用XRD、TEM、XPS等技術(shù)對其進(jìn)行表征，并分析反應(yīng)溫度、n(Ag+)∶n(Cu2+)等因素對Ag/Cu雙金屬納米粒子微觀形貌及抗菌性能的影響，以期為新型雙金屬納米材料的制備提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

主要試劑有硝酸銀(AgNO3，99.8%)、一水合乙酸銅(Cu(CH3COO)2·H2O，99.0%)、無水乙醇(CH3COOH，99.0%)、乙二醇(C2H6O2，99.0%)，以上均為分析純。聚乙烯吡咯烷酮(PVP,Mw = 30000)為國產(chǎn)優(yōu)級純試劑，試驗(yàn)用水均為二次去離子水。

主要儀器有WBFY-201型微波化學(xué)反應(yīng)器、H1850型臺式高速離心機(jī)、CJJ79-1磁力加熱攪拌器、KX-1730QT超聲波清洗機(jī)。

1.2 試樣制備與表征

Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣制備方案如表1所示。首先，配置濃度為12 mmol/L(或48 mmol/L)硝酸銀的醇溶液，向其中加入一定量的PVP分散劑，磁力攪拌至完全溶解后，將溶液放入微波反應(yīng)器中，在500 W功率下反應(yīng)2 min，制得納米銀溶膠。然后將濃度為12 mmol/L醋酸銅的醇溶液分別與上述制得的納米銀溶膠混合，置于微波反應(yīng)器中，在500 W功率下反應(yīng)3 min，自然冷卻至室溫，得到銀銅雙金屬納米溶膠。再將所制銀銅雙金屬納米溶膠以13000 r/min轉(zhuǎn)速離心15 min，倒掉上層清液后，將沉淀物置于無水乙醇和丙酮的混合液中，超聲分散15 min，再以13000 r/min轉(zhuǎn)速離心15 min，收集沉淀物。重復(fù)上述離心過程兩次，將最終沉淀物真空干燥后分散到去離子水中，配制成不同濃度的納米溶膠。最后將納米溶膠超聲分散后滴在碳微柵支持膜上，室溫干燥，使用FEI Tecnai G20型透射電鏡(TEM)對試樣進(jìn)行組織形貌觀察和選區(qū)電子衍射分析，用XRD、XPS、UV-Vis等技術(shù)對所制銀銅雙金屬納米粒子進(jìn)行表征。

表1 Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣制備方案

Table 1 Preparation scheme of Ag/Cu bimetallic nanoparticle samples

試樣n(Ag+)∶n(Cu2+)反應(yīng)溫度/℃溶劑和還原劑1#1∶178乙醇2#1∶1169乙二醇3#4∶1169乙二醇

1.3 Ag/Cu雙金屬納米材料抗菌性能測試

采用肉湯稀釋法對Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣進(jìn)行最小抑菌濃度(MIC)的測定，并用濾紙片法測試Ag/Cu雙金屬納米材料的抗菌性能。首先，采用稀釋平板計(jì)數(shù)法，將大腸桿菌的濃度稀釋到1×107cfu/mL數(shù)量級，并均勻涂布在LB固體培養(yǎng)基上，然后將不同濃度的溶膠接種到培養(yǎng)基上，在37 ℃恒溫下培養(yǎng)24 h后，觀察培養(yǎng)基中菌落生長情況，以不形成菌落的最低溶膠濃度作為試樣的最小抑菌濃度(MIC)值。最后將直徑為6 mm浸有Ag/Cu雙金屬納米溶膠的小圓紙片點(diǎn)入接種有大腸桿菌的培養(yǎng)基中，在37 ℃恒溫下培養(yǎng)24 h后，觀察濾紙片周圍抑菌環(huán)的大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 XRD分析

圖1為3種Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣的XRD譜圖。從圖1中可以看出，在2θ為38.26°、44.38°、64.67°和77.54°處出現(xiàn)的衍射峰分別對應(yīng)面心立方Ag的(111)、(200)、(220)、(311)晶面；在2θ為43.55°、50.57°、74.23°處出現(xiàn)的衍射峰分別對應(yīng)面心立方Cu的(111)、(200)、(220)晶面，由此可見，2#、3#試樣主要成分是單質(zhì)Ag和單質(zhì)Cu，而1#試樣中只有單質(zhì)Ag，沒有單質(zhì)Cu生成。從圖1中還可看出，1#、2#、3#試樣中均未出現(xiàn)明顯的雜峰，表明Ag/Cu雙金屬納米材料中沒有CuO、Cu2O等雜質(zhì)。銅納米粒子在常溫下極易被氧化，而所制Ag/Cu雙金屬納米粒子卻未被氧化，這是因?yàn)椋阢y和銅的團(tuán)簇中，活性較高的銅原子被銀原子取代，改變了團(tuán)簇中原有的電子狀態(tài)與幾何構(gòu)型，使團(tuán)簇對氧分子發(fā)生化學(xué)吸附的活化能升高，從而導(dǎo)致其團(tuán)簇抗氧化性能的提高[13]。

圖1 3種Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣的XRD譜圖

Fig.1 XRD patterns of three Ag/Cu bimetallic nanoparticle samples

2.2 TEM分析

圖2依次為3種Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣的TEM照片和粒徑分布圖。從圖2中可以看出，1#試樣的納米粒子粒徑范圍為30～120 nm，呈現(xiàn)出不規(guī)則的片狀三角形、六邊形及十面體等多面體形狀，且納米粒子沒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象；2#試樣的納米粒子粒徑范圍為20～100 nm，粒子形狀主要是棒狀、三角片狀和球狀，分散均勻；3#試樣的納米粒子以片狀三角形、球形、短棒狀、十面體以及其它多面體形狀存在，分散均勻，納米粒子的粒徑范圍為20～60 nm。由此可見，與1#、2#試樣相比，3#試樣中納米粒子有較小的粒徑分布和較規(guī)則的形狀，且分散更加均勻，這可能是因?yàn)?#試樣在制備過程中，體系中的Ag+含量和反應(yīng)溫度相對較高，反應(yīng)過程中形成Ag晶核的數(shù)量多且成核速率快，更易形成分散的、粒徑較小的納米粒子。

(a)

(b)

(c)

圖2 3種Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣的TEM照片和粒徑分布圖

Fig.2 TEM images and particle size distributions of three Ag/Cu bimetallic nanoparticle samples

圖3為3種Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣的選區(qū)電子衍射照片。從圖3中可以看出，1#試樣呈現(xiàn)單個納米銀顆粒的選區(qū)電子衍射花樣，2#、3#試樣呈現(xiàn)多晶環(huán)選區(qū)電子衍射花樣，每個衍射環(huán)照片中箭頭所示分別對應(yīng)面心立方Ag和面心立方Cu的不同晶面。從圖3中還可看出，2#試樣的衍射環(huán)有較明顯的彌散現(xiàn)象，3#試樣的衍射環(huán)基本無彌散，表明3#試樣較2#試樣納米粒子的平均粒徑更小且結(jié)晶效果更好。

(a) 1#

(b) 2#

(c) 3#

圖3 3種Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣的選區(qū)電子衍射照片

Fig.3 Electron diffraction patterns on selected areas of three Ag/Cu bimetallic nanoparticle samples

2.3 紫外可見光譜分析

圖4為3種Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣的紫外可見光譜圖。從圖4中可以看出，1#試樣中只有在波長為400 nm附近出現(xiàn)銀的吸收峰，而2#、3#試樣在波長為400、600 nm附近分別出現(xiàn)銀和銅的吸收峰，表明1#試樣中只有銀納米粒子，2#、3#試樣中不僅有銀納米粒子，還有銅納米粒子。比較三條曲線峰的形狀和位置可以發(fā)現(xiàn)，3#試樣銀的半峰寬最小，表明3#試樣中粒子的粒徑分布范圍更??；3#試樣中銀峰的位置相對其它兩條曲線發(fā)生了藍(lán)移并在360 nm處有一個峰肩，表明3#試樣中粒子分散更均勻，粒子形狀更加多樣化。

圖4 3種Ag/Cu雙金屬納米粒子試樣的紫外可見光譜圖

Fig.4 UV-Vis patterns of three Ag/Cu bimetallic nanoparticle samples

2.4 XPS分析

圖5為Ag/Cu雙金屬納米粒子的XPS譜圖。從圖5(a)中可以看出，在結(jié)合能為367.8、373.8 eV處出現(xiàn)兩個峰，兩峰間距為6.0 eV，對這兩個峰進(jìn)行分峰擬合后，在結(jié)合能為368.2、374.2 eV處出現(xiàn)的峰分別對應(yīng)Ag 3d3/2和Ag 3d5/2的光電子峰，其它兩個分峰是Ag2O的光電子峰。從圖5(b)中可以看出，在結(jié)合能為932.6、952.2 eV處出現(xiàn)的峰分別對應(yīng)Cu 2p3/2和Cu 2p1/2的光電子峰，其它峰分別是CuO和Cu2O的光電子峰。由此可見，試樣中有單質(zhì)Ag、單質(zhì)Cu、Ag2O、Cu2O和CuO，而圖1中的XRD圖譜顯示試樣中只有單質(zhì)Ag和單質(zhì)Cu，這可能是由于試樣在干燥過程中表面被部分氧化生成Ag2O、Cu2O和CuO所致。

(a) Ag

(b) Cu

微波加熱醇還原法制備Ag/Cu雙金屬納米粒子的反應(yīng)方程式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

醇在高溫下發(fā)生熱分解反應(yīng)，釋放出有機(jī)自由基和自由電子，此時溶液中的銀離子和銅離子得到電子，被還原成單質(zhì)銀或銅。Cu2+/Cu0對的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位(+0.34 eV)低于Ag+/Ag0對的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位(+0.78 eV)，因此，Cu2+的還原比Ag+緩慢。同時，銀離子與單質(zhì)銅發(fā)生置換反應(yīng)生成單質(zhì)銀，而納米銀的存在又能促進(jìn)銅離子吸附在其表面并得到電子，被還原成單質(zhì)銅，從而推動整個反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，最終生成Ag/Cu雙金屬納米粒子[14]。

2.5 Ag/Cu雙金屬納米材料抗菌性能分析

表2為Ag/Cu雙金屬納米溶膠試樣的MIC測定結(jié)果。其中，對不加納米溶膠的菌懸液進(jìn)行培養(yǎng)作為陽性對照，陰性對照則只加納米溶膠而不加菌懸液。從表2中可以看出，1#試樣MIC值為64 μg/mL，2#、3#試樣的MIC值均為32 μg/mL，由此表明，2#、3#試樣對大腸桿菌的抑菌效果比1#試樣好。

表2 3種Ag/Cu雙金屬納米溶膠試樣的MIC測定結(jié)果

注：“-”表示無菌生長，“+”表示有菌生長。

圖6為Ag/Cu雙金屬納米材料對大腸桿菌的抑菌效果圖片。從圖6中可以看出，1#、2#、3#試樣都出現(xiàn)了大小不同的抑菌環(huán)，并且抑菌環(huán)直徑越大，表明其抑菌效果越明顯，這是因?yàn)椋哂袠O大比表面積的納米尺度的粒子，其表面原子具有很高的活性而極不穩(wěn)定[15]，而Ag/Cu納米材料可以釋放出有較高氧化還原電位的Ag+和Cu2+，這些離子與帶負(fù)電的細(xì)胞壁通過庫侖引力緊密結(jié)合，并與膜蛋白結(jié)合使細(xì)菌結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。結(jié)合圖2中的TEM照片，可知本試驗(yàn)的抑菌效果與Ag/Cu雙金屬納米粒子的粒徑大小、形狀和分散程度均有關(guān)，粒子粒徑越小、形狀越規(guī)則、分散越均勻以及比表面積越大，則其抗菌性能越好。另外，Ag+還可以進(jìn)入菌體內(nèi)，取代氧代謝酶(—SH)中的H+，形成大量穩(wěn)定的—SAg基團(tuán)，影響菌體內(nèi)蛋白質(zhì)的活性和DNA的復(fù)制，從而使細(xì)胞喪失分裂增殖能力而死亡[16]。2#、3#試樣抑菌環(huán)直徑比1#試樣的大，這是由于納米銅粒子也具有抗菌性，且與納米銀粒子產(chǎn)生協(xié)同抗菌作用，使Ag/Cu雙金屬納米粒子比單金屬納米粒子具有更加優(yōu)異的抗菌性能。對比圖6(c)和圖6(d)可知，當(dāng)n(Ag+)∶n(Cu2+)為4∶1時，所制Ag/Cu雙金屬納米材料的抗菌性能較n(Ag+)∶n(Cu2+)為1∶1時所制材料強(qiáng)，由此表明，在制備Ag/Cu雙金屬納米材料時，適當(dāng)增加銀離子的摩爾濃度，可以使雙金屬納米材料的抗菌性能增強(qiáng)。

(a) 未加納米溶膠 (b)1#(c)2#(d)3#

圖6 Ag/Cu雙金屬納米溶膠的抑菌環(huán)圖片

Fig.6 Bacteriostatic ring diagrams of Ag/Cu bimetallic colloidals

3 結(jié)論

(1)以硝酸銀和醋酸銅為前驅(qū)體、乙二醇為還原劑，采用微波輔助加熱法，可快速制備出Ag/Cu雙金屬納米粒子。

(2)當(dāng)反應(yīng)溫度為169 ℃、n(Ag+)∶n(Cu2+)為4∶1時，所制Ag/Cu雙金屬納米粒子的粒徑小且分散均勻，粒子粒徑在20～60 nm范圍內(nèi)，并呈現(xiàn)出各種多面體結(jié)構(gòu)，其對大腸桿菌具有良好的抗菌效果。

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[責(zé)任編輯 張惠芳]

Characterization and antibacterial properties of Ag/Cu bimetallic nanoparticles prepared by microwave heating method

Li Peiyi1,2, Song Shupeng1,2, Wang Jinzhao3, Zhang Yuanzhuo2, Wan Tian2

(1.State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China; 2.College of Materials Science and Metallurgical Engineering, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081, China; 3.School of Materials Science and Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China)

With AgNO3and Cu(CH3COO)2·H2O as the precursors, PVP as dispersing agent, ethylene glycol and ethanol as reductants respectively, Ag/Cu bimetallic nanoparticles were synthesised by microwave heating method. XRD, TEM, XPS, etc. techniques were applied to characterize Ag/Cu bimetallic nanoparticles. At the same time, the effects of reaction temperature,n(Ag+)∶n(Cu2+), etc. on morphology and antibacterial properties of Ag/Cu bimetallic nanoparticles were investigated. The results show that, with ethylene glycol used as the reduction agent ,when the reaction temperature is 169 ℃ andn(Ag+)∶n(Cu2+) is 4∶1, Ag/Cu bimetallic nanoparticles prepared have small particle size and uniform dispersion, the particle size is in the range of 20～60 nm, showing a variety of polyhedral structures with good antibacterial properties againstEscherichiacoli.

Ag/Cu; bimetal; nanoparticle; polyol reduction; microwave heating; antibacterial property

2017-01-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50901053)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (2014CFB799)．

李培義(1991-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生．E-mail: 15671616389@163.com

宋述鵬(1979-)，男，武漢科技大學(xué)副教授，博士．E-mail: spsong@wust.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.03.004

O614

A

1674-3644(2017)03-0178-06