CuInS2納米材料的制備及其光熱抗菌效應(yīng)

趙 妍,歐 翔,夏 萌,舒 浩,夏亞穆

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院,山東 青島266042)

從人類發(fā)現(xiàn)抗生素到使用抗生素,再到如今抗生素的廣泛使用,使抗生素的發(fā)現(xiàn)從人類的一大革命轉(zhuǎn)變成一大危機(jī)。細(xì)菌耐藥性的出現(xiàn),使人類的健康受到了威脅,迫使我們尋找新的抗菌途徑[1-2]。近年來(lái)利用半導(dǎo)體產(chǎn)生的光熱效應(yīng)來(lái)進(jìn)行抗菌得到了廣泛研究。光熱抗菌(PTT)是利用光熱劑材料在近紅外光的照射下產(chǎn)生高熱,破壞細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì),從而影響細(xì)菌的生命活動(dòng)達(dá)到殺菌的目的[3]。目前用作光熱劑(PTAs)的納米材料有貴金屬、金屬硫化物/氧化物、聚合物基等納米材料等。貴金屬納米材料在吸收特定波長(zhǎng)的光能之后,電子發(fā)生局域表面等離子共振,從而產(chǎn)生熱量導(dǎo)致細(xì)菌死亡[4]。將貴金屬納米材料進(jìn)行改性或者進(jìn)行復(fù)合不僅提高光熱性能,抗菌能力也得到一定的提高。通過(guò)形成核殼結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)金納米棒的光熱轉(zhuǎn)換效率,以金納米棒為核外面包裹雙層氫氧化物(GNR＠LDH)的抗菌光熱劑,在808 nm 激光照射下,GNR＠LDH 的光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%,在抗菌治療傷口愈合和腫瘤治療中都表現(xiàn)出了優(yōu)異的效果[5]。金屬硫化物硫化銅與碳基材料石墨烯復(fù)合后,經(jīng)過(guò)氨基糖苷類抗生素妥布霉素進(jìn)行修飾得到的抗菌劑,在近紅外光的照射下對(duì)耐藥性細(xì)菌有一定的殺傷性[6]。這都表明了材料的復(fù)合可更好的提高光熱轉(zhuǎn)換效率和抗菌效果,然而隨著抗菌劑中所含元素的增加,其成本也隨之增加,生物相容性也會(huì)更加的不可控。

CuInS2作為新型半導(dǎo)體材料,是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ三元化合物半導(dǎo)體材料,具有禁帶寬度穩(wěn)定、光吸收系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),其合成方法簡(jiǎn)單溫和,所需原料經(jīng)濟(jì)易得。CuInS2納米材料目前常被用來(lái)作為太陽(yáng)能電池及發(fā)光二極管等[7]。同時(shí)由于CuInS2不含有毒重金屬材料,被認(rèn)為是一種無(wú)毒的,潛在的臨床可用的替代品,目前可用來(lái)進(jìn)行生物成像等[8]。在之前的抗菌研究中還沒(méi)有使用CuInS2納米材料進(jìn)行抗菌。本研究使用CuInS2納米材料進(jìn)行光熱抗菌,利用CuInS2優(yōu)異的光熱性能促使周圍溫度升高,來(lái)達(dá)到抗菌的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

五水硫酸銅(CuSO4·5 H2O)、丙酮(C3H6O)、氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、磷酸二氫鉀(KH2-PO4)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4)、硫脲(TA),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;四水氯化銦(InCl3·4H2O),上海笛柏化學(xué)品技術(shù)有限公司;乙醇胺(MEA),青島科鑫生物科技有限公司;無(wú)水乙醇(C2H5OH),天津市巴斯夫化工有限公司;LB培養(yǎng)基、瓊脂粉,生工生物工程股份有限公司

電子天平,EL204 型,德國(guó)梅特勒科學(xué)儀器有限公司;超高速離心機(jī),TDL-16型,凱達(dá)離心機(jī),真空干燥箱,DZF-6050型,上海林頻儀器股份有限公司;恒溫震蕩器,THZ-98AB 型,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;隔水式恒溫培養(yǎng)箱,GHP-9160型,上海齊欣科學(xué)儀器有限公司;立式壓力蒸汽滅菌鍋,LDZX-50KBS型,上海申安醫(yī)療器械廠;超凈工作臺(tái),SW-CJ-IFD 型,蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司。

1.2 樣品制備

0.6 mmol五水硫酸銅(CuSO4·5 H2O)和0.6 mmol四水氯化銦(InCl3·4 H2O)混合在30 m L 單乙醇胺(MEA)中。80℃攪拌15 min形成透明的藍(lán)色溶液。氮?dú)庵脫Q3次,將混合物加熱至140℃,溶液顏色從深藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色。然后在流動(dòng)氮?dú)庀?將硫脲(TA)溶液(1.8 mmol TA 溶于5 m L單乙醇胺中)注入前一混合物中。在注射過(guò)程中,溶液變成棕色,1 min內(nèi)變成黑色。在整個(gè)過(guò)程中溫度保持在140 ℃持續(xù)1 h,反應(yīng)結(jié)束溶液冷卻至室溫,以轉(zhuǎn)速5 000 r·min－1離心5 min分離產(chǎn)物收集沉淀,然后用乙醇和丙酮洗滌沉淀3～5次。最終的黑色產(chǎn)物在真空下于45 ℃干燥4 h[9]。

1.3 光熱特性

將不同質(zhì)量的CuInS2半導(dǎo)體材料超聲分散在去離子水中,配置不同濃度的樣品分散液(100、150、200、250、300、350、400、450、500μg·m L－1),用近紅外光(808 nm,0.5 W·cm－2)照射440 s,用熱電偶每20 s記錄一次實(shí)時(shí)溫度。改變激光燈功率密度(0.5、1.0、1.5 W·cm－2)照射樣品濃度為50μg·m L－1的分散液,同樣用熱電偶每20 s記錄一次實(shí)時(shí)溫度。為了研究光熱穩(wěn)定性,將500μg·m L－1樣品水分散液重復(fù)激光照射(0.5 W·cm－2)5個(gè)周期,熱電偶每20 s記錄一次實(shí)時(shí)溫度。然后,使用水分散液(500μg·m L－1)一次激光開(kāi)/關(guān)照射評(píng)估光熱轉(zhuǎn)換效率(η)[10]。

1.4 抗菌實(shí)驗(yàn)

將革蘭氏陰性菌(大腸桿菌)及革蘭氏陽(yáng)性菌(金黃色葡萄球菌)菌種通過(guò)平板劃線法分離出單個(gè)菌落,將分離出的單個(gè)菌落移至30 m L LB 液體培養(yǎng)基中,在恒溫?fù)u床37 ℃下震蕩10 h。結(jié)束后,置于4 ℃環(huán)境保存。

將不同質(zhì)量的CuInS2材料分散在磷酸緩沖液(PBS,p H＝7.4)中,超聲分散20 min。將20μL不同濃度的CuInS2PBS分散液與180μL 菌液(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌)在96孔板中混合,然后黑暗下,恒溫?fù)u床37 ℃孵育30 min?；旌衔镉媒t外光(808 nm,0.5 W·cm－2)照射3 min,并在振蕩培養(yǎng)箱中于37 ℃孵育20 min。對(duì)上述菌液進(jìn)行平板涂布,通過(guò)平板計(jì)數(shù)法確定菌落數(shù)數(shù)量。將沒(méi)有任何樣品(加入20μL磷酸緩沖液)或沒(méi)有激光照射的細(xì)菌溶液設(shè)置為對(duì)照組。每組做3組平行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)平板計(jì)數(shù)法確定菌落數(shù)量,從而計(jì)算抗菌率[11]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

抗菌實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)在圖表中以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,每組樣品進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行單因素方差分析以確定樣品間是否存在顯著差異,p值＜0.05被認(rèn)為存在顯著性差異。本研究是將不同濃度的樣品與Control組進(jìn)行比較確定是否存在顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為樣品的XRD 譜圖。譜圖與標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡數(shù)據(jù)庫(kù)中報(bào)告的不匹配,因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)中為四方型CuInS2。根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]模擬的纖鋅礦CuInS2衍射峰與圖譜對(duì)比,顯示有良好的匹配度,因此此圖譜衍射峰符合纖鋅礦型CuInS2。

圖1 樣品的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of sample

2.2 FT-IR分析

為了進(jìn)一步研究樣品的結(jié)構(gòu),使用了傅里葉變換紅外光譜技術(shù)得到了紅外光譜圖,見(jiàn)圖2。從譜圖上可以觀察到,約在3 417、1 638、1 120、614、519 cm－1有明顯出峰。根據(jù)參考文獻(xiàn)[13-14],在3 417 cm－1附近的峰被指定為羥基的O—H 伸縮振動(dòng),在1 638 cm－1可以歸屬于與Cu(Ⅱ)相關(guān)的C＝O 鍵的伸縮振動(dòng),其他的3 處出峰位置1 120、614、519 cm－1可分別歸屬于SO2－4、CuS和Cu O。

圖2 樣品的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of sample

2.3 XPS分析

樣品CuInS2的XPS光譜見(jiàn)圖3。圖3(a)證明了Cu、In、S元素的存在。Cu 2p的區(qū)域光譜顯示了一對(duì)結(jié)合能在951.6 和931.7 e V 的出峰,歸屬于Cu 2p 1/2和Cu 2p 3/2,并且從圖中觀察到在942 e V 的結(jié)合能位置沒(méi)有峰出現(xiàn),表示Cu＋沒(méi)有被氧化成Cu2＋,結(jié)果表明Cu為＋1。In 3d的出峰在結(jié)合能452.3和444.8 eV 位置,分別對(duì)應(yīng)于特征In 3d 3/2和In 3d5/2。在S 2p中,162.1和161.0 eV的出峰是S 2p 1/2和S 2p 3/2的特征峰,是二價(jià)硫的典型峰(S2－)[15],確定了材料為CuInS2。

圖3 樣品的XPS光譜Fig.3 XPS spectra of sample

2.4 形貌分析

圖4是纖鋅礦CuInS2的掃描電子顯微鏡照片。圖4顯示,形成了大量的CuInS2納米晶體,顆粒大小均勻,約為300～400 nm。在聚集體中觀察到大量的六邊形板狀多面體,符合纖鋅礦相結(jié)構(gòu)[9]。

圖4 纖鋅礦CuInS2的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of wurtzite CuInS2

2.5 光熱特性

光熱材料CuInS2通過(guò)光熱特性試驗(yàn)得知具有良好的光熱特性,在升溫、穩(wěn)定性以及光熱轉(zhuǎn)換效率上有優(yōu)異的表現(xiàn),見(jiàn)圖5～圖8。由圖5 和圖6 可見(jiàn),溫度隨著濃度的增加而快速上升。同樣,延長(zhǎng)照射時(shí)間或提高激光的功率密度溫度也隨之上升。當(dāng)CuInS2的水分散液濃度保持在100μg·m L－1時(shí),激光照射(808 nm,2.0 W·cm－2)440 s后溫度升高34.3℃,而純水的溫度變化可以忽略不計(jì)。通過(guò)近紅外照射進(jìn)行5次激光開(kāi)/關(guān)循環(huán),進(jìn)一步研究了光熱材料CuInS2的光穩(wěn)定性。如圖7,與第一次激光照射后的溫度變化相比,在接下來(lái)的4個(gè)附加循環(huán)中,觀察到樣品溶液的溫度波動(dòng)可以忽略不計(jì)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[16],通過(guò)對(duì)光熱材料CuInS2進(jìn)行一次激光照射開(kāi)/關(guān)循環(huán),對(duì)特征熱時(shí)間常數(shù)τs進(jìn)行線性擬合(R2＝0.998 95)計(jì)算得到τs為220.40 s。進(jìn)而計(jì)算光熱轉(zhuǎn)換效率(η)為62.398% (圖8),符合前面測(cè)量的升溫變化。所有這些都表明光熱材料CuInS2表現(xiàn)出誘人的光熱穩(wěn)定性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

圖5 不同濃度的CuInS2在近紅外激光照射下(808 nm,2.0 W·cm－2)的溫度變化Fig.5 Temperature variation of CuInS2 with different concentrations under near-infrared laser irradiation(808 nm,2.0 W·cm－2)

圖6 近紅外激光照射下CuInS2溶液(500μg·m L－1)的溫度變化與功率密度的關(guān)系Fig.6 Relationship between the temperature change and the power density of CuInS2 solution(500μg·m L－1)irradiated by near-infrared laser

圖7 CuInS2溶液(500μg·mL－1)在5次近紅外激光開(kāi)/關(guān)循環(huán)中的溫度變化Fig.7 Temperature variation of CuInS2 solution(500μg·m L－1)in five NIR laser on/off cycles

圖8 光熱轉(zhuǎn)換效率圖Fig.8 Photothermal conversion efficiency

2.6 抗菌特性

為了研究CuInS2納米材料的光熱抗菌效果,選取了常見(jiàn)細(xì)菌革蘭氏陰性菌大腸桿菌和革蘭氏陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌作為研究對(duì)象,光熱抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。根據(jù)不加CuInS2納米材料組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,激光照射3 min的菌落數(shù)量沒(méi)有明顯的變化,因此激光照射3 min 對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)影響可忽略不計(jì)。根據(jù)無(wú)照射組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,含有CuInS2納米材料的菌落數(shù)量與不含有CuInS2納米材料的菌落數(shù)量相比,可忽略不計(jì),同樣黑暗條件下隨著CuInS2納米材料濃度的增加,菌落數(shù)量變化也可忽略不計(jì)。因此表明CuInS2納米材料對(duì)細(xì)菌不會(huì)造成損害。根據(jù)FT-IR 光譜猜測(cè)可能含有CuSO4、CuS以及Cu O。以往文獻(xiàn)[17-19]表明,CuSO4、CuS和Cu O 具有良好的生物相容性。

圖9 CuInS2納米材料的抗菌效果Fig.9 Antibacterial effect of CuInS2 nanomaterials

在激光照射情況下加入CuInS2納米材料與加入等量PBS緩沖液相比,加入CuInS2納米材料會(huì)導(dǎo)致菌落數(shù)量減少,并隨著濃度的升高,菌落數(shù)量隨之減少。在CuInS2納米材料濃度達(dá)到500μg·m L－1并在808 nm,0.5 W·cm－2激光照射3 min下,對(duì)革蘭氏陰性菌大腸桿菌的殺菌率達(dá)到98.61%,對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌的殺菌率達(dá)到94.38%,表明CuInS2納米材料在激光照射下有著良好的殺菌效果。革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同,因此對(duì)溫度的耐受性會(huì)產(chǎn)生一定的差異。革蘭氏陽(yáng)性菌的細(xì)胞壁為單層膜結(jié)構(gòu),主要成分有肽聚糖、磷壁酸和脂磷壁酸。革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁具有雙層膜結(jié)構(gòu),外膜是一層致密的帶負(fù)電荷的脂多糖和脂蛋白[20]。盡管革蘭氏陰性菌具有雙層膜結(jié)構(gòu),但是其肽聚糖含量遠(yuǎn)不如革蘭氏陽(yáng)性菌,細(xì)胞壁的厚度也不如革蘭氏陽(yáng)性菌,因此革蘭氏陽(yáng)性菌的耐熱性要高于革蘭氏陰性菌,對(duì)CuInS2抗菌劑也表現(xiàn)出了不同的抗菌效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果所表示出的,CuInS2抗菌劑的抗菌活性,抗革蘭氏陰性菌大腸桿菌的效果要好于抗革蘭氏陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌。

3 結(jié) 論

使用經(jīng)濟(jì)易得的CuSO4·5H2O、InCl3·4H2O和TA 為原料,在常壓的條件下合成得到CuInS2納米材料。并通過(guò)XRD、XPS以及SEM 等分析確定其結(jié)構(gòu)形貌。經(jīng)光熱實(shí)驗(yàn)確定CuInS2納米材料是一種良好的光熱材料,光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)62.398%,可以有效的將近紅外光能轉(zhuǎn)換為熱能,并且具有良好的穩(wěn)定性。將CuInS2納米材料應(yīng)用于抗菌,表現(xiàn)出可觀的殺菌效果,殺菌率隨著CuInS2濃度和激光功率的增加而增加。在CuInS2納米材料濃度達(dá)到500μg·m L－1并在808 nm,0.5 W·cm－2激光照射3 min下,對(duì)革蘭氏陰性菌大腸桿菌的殺菌率達(dá)到98.61%,對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌的殺菌率達(dá)到94.38%,有望在臨床上應(yīng)用。