二硫化鎢納米材料的制備及其光熱抗菌效應研究

皮 洋，雍 媛，趙志剛

(西南民族大學 化學與環(huán)境保護工程學院，四川 成都 610041)

近年來二維(2D)半導體納米材料由于其獨特的超薄層結構和相應的物理化學性質而引起了科學界的極大關注[1-2]，這些二維(2D)半導體納米材料主要包括目前研究的石墨烯[3-4]、過渡金屬硫化物(如MoS2、WS2)[5-7]、石墨化碳氮化物(g-C3N4)[8]、黑磷[9]、鈀[10]和其他材料等。這其中過渡金屬硫化物由于具有良好的生物相容性和光熱吸收性能而被廣泛應用于生物醫(yī)學領域。

過渡金屬硫化物是由一個過渡金屬原子與兩個硫原子組成的化合物，表現(xiàn)出強的層內硫-金屬共價鍵(金屬原子處在硫與硫原子之間)和弱層間范德華堆積，具有層狀結構的優(yōu)良性質，可以被相對容易的剝離。目前，關于過渡金屬硫化物納米材料的抗菌應用大部分都集中于被功能化的二硫化鉬(MoS2)[11-12]，二硫化鎢(WS2)有著類似于二硫化鉬的結構與電子狀態(tài)，然而關于二硫化鎢的抗菌應用的研究卻很少。因此本文通過將商品化二硫化鎢固體酸洗插層，并經過離心、水洗、超聲破碎以得到WS2納米材料，同時對合成的WS2納米材料進行結構表征，并研究了其光熱性能和抗菌效果，說明WS2納米材料用于光熱抗菌的潛力和良好的應用前景。

1 實驗

1.1 實驗原料

濃硫酸：分析純，四川西隴化工有限公司；商品化WS2：99.80%，上海阿爾法埃莎試劑公司；大豆酪蛋白瓊脂(TSA)培養(yǎng)基：北京奧博星生物技術有限責任公司；實驗用水為去離子水。

1.2 二硫化鎢納米材料的合成

WS2納米材料是根據先前描述的方法通過酸洗插層合成的[13]。簡而言之，首先稱取2.00 g商品化WS2固體置于立式行星球磨機(XQM-0.4)中研磨6h，取60 mg研磨好的WS2粉末分散在60 mL的濃硫酸中，并在90℃下持續(xù)水浴加熱攪拌24h。反應完成后，將酸洗插層的WS2樣品進行離心分離，并用去離子水反復洗滌以除去過量的濃硫酸。隨后，將樣品分散在30 mL的去離子水中，使用超聲波細胞粉碎機(SCIENTZ-II D)破碎樣品8h至其水溶性良好。之后將獲得的WS2溶液以3000 r/min離心10min，取上清液，去除離心管壁上WS2大分子。最后將上清液以12000 r/min離心10min即可獲得固體WS2納米材料。

1.3 分析儀器設備

傅里葉紅外光譜儀(WQF-520A，北京北分瑞利分析儀器公司)；X射線衍射儀(XD-6，北京普析通用儀器有限責任公司)；紫外可見分光光度計(UV-6100，上海美譜達儀器有限公司)；拉曼光譜儀；紅外熱成像儀(E40，F(xiàn)LIR)。

1.4 光熱效應研究

將WS2納米材料溶于超純水中，以得到不同濃度的WS2溶液(50,100,200,300 ppm)，取1 mL溶液置于塑料比色皿中，蓋上蓋玻片，將808 nm激光器探頭對準比色皿正中心照射15min，并用紅外熱成像儀(E40,FLIR)檢測溶液的溫度變化。同時還檢測了WS2溶液(100 ppm)用808 nm激光照射15min，然后關閉808 nm激光進行15min冷卻的溫度變化，如此循環(huán)五個周期以測定WS2納米材料的光熱穩(wěn)定性。相似地，WS2納米材料在不同激光功率密度照射下的光熱效應測定也是如此。

1.5 抗菌性能研究

1.5.1 大腸桿菌的培養(yǎng)

將大腸桿菌(ATCC 25922)菌種培養(yǎng)在LB固體瓊脂平板上，然后挑選較好的菌落移至10 mL LB液體培養(yǎng)基中，并在恒溫搖床37℃下振蕩8h。當達到對數(shù)生長期(A600=0.4)時，以8000 r/min離心1 min收集細菌，隨后將收集到的細菌洗凈，重懸于磷酸緩沖液(PBS,10 mM,pH 值=7.4)中,并稀釋至106 CFU·mL-1，保存于4℃冰箱用于后續(xù)實驗。

1.5.2 抗菌性能的測試

首先準確配制好不同濃度的WS2溶液(0,12.5,25,50,100,200 ppm)，每個濃度配制兩份，將不同濃度的WS2溶液與上述培養(yǎng)的細菌混合均勻，并在恒溫搖床37℃下培養(yǎng)30 min，之后每個濃度取一份用808 nm激光發(fā)射器以1.0 W/cm2激光功率密度照射15min，并且使用紅外熱像儀(E40，F(xiàn)LIR)監(jiān)測溫度，其余不照激光組繼續(xù)孵育。共孵育60分鐘后，將所有分組全部取出，取100 μL細菌懸浮液用凃棒均勻鋪于固體培養(yǎng)基中，并置于恒溫培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)12～18 h，最后取出拍照并以平板計數(shù)法計算菌落數(shù)。所有細菌實驗均平行重復三次。

2 結果與討論

2.1 材料的表征

圖1 WS2納米材料的(a)紫外光譜，(b)紅外光譜，(c)拉曼光譜和(d)XRD圖譜Fig.1 (a) UV-vis absorption spectrum (b) FT-IR spectrum,(c)Raman spectrum and (d)XRD patterns of WS2 nanomaterial

對合成的WS2納米材料進行FT-IR、UV-vis、XRD、Raman表征以觀察其微觀結構，如圖1所示。圖1(a)是WS2納米材料的紫外光譜，在644 nm處出現(xiàn)了特征峰，且在近紅外區(qū)域也有很強的吸收；圖1(b)是WS2納米材料的紅外光譜，出現(xiàn)了2937 cm-1、1665 cm-1、1505 cm-1特征譜帶，其結果與文獻是相符合的[13]；圖1(c)是WS2納米材料的拉曼光譜，在349.9 cm-1和415.6 cm-1處出現(xiàn)了特征峰，分別對應于E12g和A1g振動量子[14-15]；圖1(d)是WS2納米材料的XRD圖譜，其中2θ角14.2°、32.8°、33.5°、39.7°、49.7°分別對應于(002)、(100)、(101)、(006)、(106)晶面[16]，沒有其他雜質峰，表明樣品純度很高。

2.2 WS2的光熱性能測試

由紫外圖譜可知，二硫化鎢在近紅外區(qū)域具有強烈吸收，于是我們對WS2的光熱性能進行了探究。首先配置了不同濃度的WS2溶液(50,100,200,300 ppm)，然后取1mL不同濃度的WS2溶液和去離子水用808 nm激光器以1 W/cm2的激光功率密度照射15 min，同時使用紅外熱成像儀(E40,FLIR)監(jiān)測溶液的溫度變化，以探究不同材料濃度對WS2溶液溫度改變的影響，如圖2所示。結果表明，隨著濃度的增大，WS2納米材料的溫度也變得越來越高，其中濃度為300 ppm的WS2溶液溫度升高到54.8℃，而水在相同的條件下則沒有明顯的溫度變化。

接著我們探究了不同激光功率密度對WS2溶液溫度改變的影響，取濃度為100 ppm的WS2溶液用808 nm激光器分別以0 ,0.3 ,0.6 ,0.8 ,1.0 W/cm2的激光功率密度照射15 min，同時使用紅外熱成像儀監(jiān)測溶液的溫度變化，如圖3所示。結果表明，WS2納米材料溶液的溫度改變與激光功率密度密切相關，濃度為100 ppm的WS2溶液以1 W/cm2的激光功率密度照射15 min后，溫度上升到50.3℃，而不照射808 nm激光則沒有明顯的溫度變化。

圖2 WS2納米材料在不同濃度下的光熱效應Fig.2 Photothermal effects of different concentrations of WS2 nanomaterials

圖3 WS2在不同激光功率 密度照射下的光熱效應Fig.3 Photothermal effects of WS2 under different laser power densityirradiation

為了評估光熱吸收劑的一個基本參數(shù)-光熱穩(wěn)定性，我們將濃度為100 ppm的WS2溶液用808 nm激光照射15min，然后關閉808 nm激光進行15min的冷卻，同時使用紅外熱成像儀監(jiān)測溶液的溫度變化，如此循環(huán)五個周期，如圖4所示。從圖中可以看出，循環(huán)五個周期后，WS2納米材料的光熱性能也沒有明顯的下降，表明其具有很高的光熱穩(wěn)定性。

以上結果表明：WS2納米材料可以有效地將近紅外光能量轉換為熱能，其光熱效應與材料的濃度、激光功率密度相關，且具有很高的光熱穩(wěn)定性，是一種很好的光熱吸收劑。

圖4 WS2納米材料的光熱穩(wěn)定性測試Fig.4 Photothermal stability test of WS2 nanomaterials

2.3 抗菌實驗

選取最常見的細菌-革蘭氏陰性大腸桿菌為研究對象，探究了WS2納米材料的生物毒性和光熱抗菌效果，如圖5所示。結果表明：與對照組相比，將WS2納米材料與細菌一起孵育12小時后，即便其濃度高達200mg/L，也沒有觀察到明顯的細菌菌落減少，表明WS2納米材料具有優(yōu)異的生物相容性和低細菌毒性，然而將WS2納米材料與細菌混合并使用808 nm激光照射15 min后，可以觀察到細菌菌落數(shù)量急劇減少，且WS2納米材料的濃度達到200 mg/L并在808 nm激光照射下，細菌的抑制率高達到97.5%，具有顯著的光熱抗菌效果。

圖5 WS2納米材料的抗菌效果(a)圖片和(b)細菌存活率Fig.5 Antibacterial effects of WS2 nanomaterials (a) pictures and (b) bacterial survival rate

3 結論

(1)通過對WS2納米材料進行FT-IR、UV-vis、XRD、Raman等一系列表征，證明了WS2納米材料的成功合成。

(2)WS2納米材料可以有效地將近紅外光能量轉換為熱能，其光熱效應與材料的濃度、激光功率密度相關，且具有很高的光熱穩(wěn)定性，是很好的光熱吸收劑。

(3)WS2納米材料具有優(yōu)異的生物相容性和低細菌毒性，且WS2納米材料的濃度達到200 mg/L并在近紅外808 nm激光照射下15min對革蘭氏陰性大腸桿菌的抑制率高達到97.5%，具有顯著的光熱抗菌效果。