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(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇蘇州215006）

作為一種優(yōu)良的p型半導(dǎo)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(guān)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(fù)雜，水解法相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單。氧化銅具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能，在太陽能電池、氣體傳感、超電容、光催化降解有機(jī)廢水、抗菌等方面有著巨大的應(yīng)用前景[3]。氧化銅的抗菌性正在被人們深入地研究并應(yīng)用于紡織領(lǐng)域。Montazer M[4]將銅粒子沉積在纖維上合成出氮摻雜氧化銅復(fù)合纖維，賦予織物優(yōu)良的抗菌性。美國(guó)Nanophase[5]技術(shù)公司推出的氧化銅系列抗菌劑具有廣譜長(zhǎng)效的特點(diǎn)，已具有商業(yè)實(shí)用性[5]。因氧化銅粒徑對(duì)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(duì)其抗菌性進(jìn)行檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)

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?jī)?nèi)，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(dāng)溫度升至80℃時(shí)通過恒壓滴液漏斗向反應(yīng)液中緩慢滴加5 mL去離子水，反應(yīng)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(yīng)結(jié)束，冷卻，陳化，離心，洗滌，真空干燥。所制備氧化銅標(biāo)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(biāo)記為CuO-2。

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

1.3 樣品表征

X-射線衍射（XRD）：通過XRD測(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)范圍內(nèi)提供材料對(duì)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(zhǎng)范圍200～800 nm，日本島津公司）。

1.4 抗菌性實(shí)驗(yàn)

1.4.1 最小抑菌質(zhì)量濃度（MIC）和最小殺菌質(zhì)量濃度（MBC）的測(cè)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(biāo)記1～7。第一支試管中加入5 mL雙倍營(yíng)養(yǎng)肉湯和4 mL去離子水，其余試管中均加入2.5 mL雙倍營(yíng)養(yǎng)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(hào)試管中，震蕩分散。然后從1號(hào)試管中取5 mL溶液至2號(hào)試管中，依次進(jìn)行至7號(hào)試管，最后從7號(hào)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(duì)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(duì)照），另一支加入0.5 mL菌液（陽性對(duì)照）。37℃恒溫培養(yǎng)24 h，試管中溶液開始澄清即可確定其最小抑菌質(zhì)量濃度（MIC）。

將出現(xiàn)澄清的溶液各取1 mL至培養(yǎng)皿中，加入瓊脂，搖勻，放入恒溫箱中培養(yǎng)24 h。當(dāng)培養(yǎng)皿中的菌落數(shù)少于5個(gè)時(shí)，最低的質(zhì)量濃度即為最小殺菌質(zhì)量濃度（MBC）。

1.4.2 細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線

分別將50 mL營(yíng)養(yǎng)肉湯加入至4個(gè)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(hào)；取5 mL 1 000 mg/mL的3種氧化銅分散液至1、2和3號(hào)錐形瓶中，4號(hào)作為空白樣，121℃滅菌備用。再取0.5 mL稀釋至一定倍數(shù)的大腸桿菌至已冷卻的上述培養(yǎng)液中，震蕩、分散，取3 mL在600 nm處測(cè)吸光度。此后每隔1～2 h取3 mL測(cè)吸光度。

2 結(jié)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(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比完全一致且無雜峰出現(xiàn)，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?。▓D2也能證明這一點(diǎn)）。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(dāng)水解反應(yīng)發(fā)生時(shí)，生成的粒子表面有乙醇，其表面張力小，粒子不易團(tuán)聚生長(zhǎng)。再加上PVP會(huì)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(tuán)聚。當(dāng)以水為溶劑時(shí)，水解生成的粒子很容易生長(zhǎng)團(tuán)聚，粒子變大。對(duì)于CuO-3來說，加入的SDS為陰離子表面活性劑，根據(jù)DLVO理論，陰離子表面活性劑和碳酸鈉會(huì)影響粒子間范德華力和靜電斥力的平衡，使粒子生長(zhǎng)變大。同時(shí)，由謝樂公式（d=kλ/βcosθ，k為常數(shù)0.89，λ為射線波長(zhǎng)，β為衍射峰的半峰寬，θ為所對(duì)應(yīng)的布拉格角）可以計(jì)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(tuán)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(xiàn)在310 nm左右，與粒徑大的樣品相比有明顯的藍(lán)移，表明所制備的氧化銅處于量子狀態(tài)[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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，CuO-1對(duì)兩種菌的MBC值均小于CuO-2和CuO-3，說明CuO-1的抗菌性優(yōu)于CuO-2和CuO-3。這是CuO-1顆粒尺寸小的緣故，在Gedanken A等的報(bào)道中有說明，由于小尺寸氧化銅粒子在溶液中與細(xì)菌接觸時(shí)能產(chǎn)生活性氧自由基（ROS）[7]，從而達(dá)到抑菌、殺菌的目的。

2.2.2 細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線

在0～2.0范圍內(nèi)，吸光度數(shù)值越大，說明營(yíng)養(yǎng)液中的細(xì)菌質(zhì)量濃度越高。從圖4中可以看出，當(dāng)不加抗菌劑時(shí)，細(xì)菌質(zhì)量濃度不斷增高，2 h后細(xì)菌質(zhì)量濃度呈指數(shù)性增長(zhǎng)；加入抗菌劑后，細(xì)菌的生長(zhǎng)情況明顯受到抑制，2 h后細(xì)菌質(zhì)量濃度緩慢增長(zhǎng)。說明氧化銅對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)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(duì)細(xì)菌的抑制能力更強(qiáng)。

圖4 加入氧化銅后細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線圖

3 結(jié)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(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性更強(qiáng)。