聚吡咯包裹WO3-x 納米粒子的制備及光動(dòng)力光熱和殺菌性能

祁星瑞，靳 燾,3,4,5,6*

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州化學(xué)研究所，廣東 廣州 510650；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中科檢測(cè)技術(shù)服務(wù)（廣州）股份有限公司，廣東 廣州 510650；4. 中國(guó)科學(xué)院新型特種精細(xì)化學(xué)品工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；5. 國(guó)科廣化韶關(guān)新材料研究院，廣東 南雄 512400；6. 國(guó)科廣化（南雄）新材料研究院有限公司，廣東 南雄 512400）

全球第二大死亡原因是病原微生物引起的傳染病[1-2]。而抗生素濫用多數(shù)情況下會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性，所以探究新的殺菌方法有重要意義。

近年來(lái)，非化學(xué)計(jì)量的氧化鎢作為具有豐富缺陷結(jié)構(gòu)和良好物理化學(xué)特性的光催化劑引起了廣泛關(guān)注。其禁帶寬度約為2.4～2.8 eV[3-4]。目前，許多研究已經(jīng)證明了WO3-x作為殺菌光催化劑的可行性。WO3-x的缺陷結(jié)構(gòu)促進(jìn)了其在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域的光吸收。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，純WO3-x光生載流子的重組速度較快，光生載流子的利用率較低，因此作為光催化殺菌劑的效率相對(duì)較低[5]。構(gòu)建有機(jī)/無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)被認(rèn)為是設(shè)計(jì)高效光催化劑的有效策略[6]。聚吡咯（PPy）是一類(lèi)由π 共軛單元組成的新型有機(jī)半導(dǎo)體，已廣泛應(yīng)用于聚合物電致發(fā)光和有機(jī)光伏等光電器件中。PPy 結(jié)構(gòu)中π 鍵和π*鍵的躍遷使其具有較寬的吸收范圍和較強(qiáng)的近紅外區(qū)吸收能力以及良好的光熱轉(zhuǎn)換能力。所以考慮利用PPy 與WO3-x形成有機(jī)/無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。目前，聚吡咯/WO3-x材料的制備主要應(yīng)用于傳感器[7]，而應(yīng)用于光動(dòng)力光熱殺菌較少報(bào)道。

針對(duì)WO3-x光催化和光熱性能不佳等缺點(diǎn)，本文計(jì)劃通過(guò)原位還原制備PPy/WO3-x有機(jī)/無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，用掃描電鏡和紅外光譜表征復(fù)合材料。對(duì)PPy/WO3-x的近紅外光下活性氧生成能力和光熱性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)殺菌性能進(jìn)行探究，以期達(dá)到增強(qiáng)WO3-x的光動(dòng)力光熱殺菌性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑和儀器

試劑：蒸餾水；無(wú)水乙醇，分析純，廣州創(chuàng)試生物科技有限公司；異丙醇，色譜純，廣州市同源化工科技有限公司；氯化鎢，分析純，廣州創(chuàng)試生物科技有限公司；吡咯，分析純，廣州創(chuàng)試生物科技有限公司；氯化鐵六水合物，分析純，廣州創(chuàng)試生物科技有限公司；大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，中科檢測(cè)技術(shù)服務(wù)（廣州）股份有限公司。

儀器：掃描電子顯微鏡（SEM），Zeiss Sigma 300，HITACHI SU8010；紅外光譜儀（FTIR），Bruker Vertex 70；紅外激器，808nm-20w；熱成像儀（FLIR），E5-XT。

1.2 聚吡咯包裹的WO3-x 納米粒子制備

WO3-x納米粒子的制備在文獻(xiàn)[8]基礎(chǔ)上改進(jìn)為：采用溶劑熱法制備WO3-x納米粒子。首先，將WCl6溶解于異丙醇中，在磁力攪拌下形成前驅(qū)體溶液。攪拌一段時(shí)間后，將溶液加入100 ml 的特氟龍內(nèi)襯不銹鋼高壓反應(yīng)釜中。在160℃烤箱中加熱24 h。產(chǎn)品冷卻后離心，用乙醇和蒸餾水洗滌數(shù)次去除雜質(zhì)，然后真空干燥。

聚吡咯包裹的WO3-x制備在文獻(xiàn)[9]基礎(chǔ)上改進(jìn)為：將 0.1 克 WO3-x納米粒子加入 25 毫升FeCl3·6H2O 溶液，并不斷攪拌使吡咯聚合在WO3-x上。在劇烈攪拌下，將特定量的40%吡咯加入到該混合物中，并形成黑色沉淀。攪拌6 小時(shí)后，用蒸餾水和乙醇多次洗滌，然后在60℃下干燥24 小時(shí)。得到的復(fù)合材料記為PW。

1.3 ROS 檢測(cè)及光熱性能測(cè)試

將含有1,3-二苯基異苯并呋喃（1 mg/mL）的N,N-二甲基甲酰胺溶液加入3 mL 超純水或PW 溶液中。然后，在磁力攪拌下將這兩種溶液置于黑暗中，再用808 nm 紅外激光照射。離心后，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定上清液在410 nm 波長(zhǎng)處的吸光度?？梢愿鶕?jù)吸光度值的變化反映ROS 生成能力。

紅外激光照射PW 溶液引起的溫度升高，使用熱成像儀（FLIR）記錄。

1.4 細(xì)菌培養(yǎng)及體外殺菌性能測(cè)試

工作中使用的菌株是大腸桿菌（ATCC8099）和金黃色葡萄球菌（ATCC6538）。細(xì)菌培養(yǎng)基為大豆酪蛋白瓊脂（TSA）。在無(wú)菌環(huán)境中將細(xì)菌接種到培養(yǎng)基中，然后在37℃恒溫培養(yǎng)24 小時(shí)至對(duì)數(shù)期。細(xì)菌懸浮在0.85% NaCl 溶液中使其濃度約為109cfu/mL，然后用 0.85% NaCl 溶液稀釋至所需的細(xì)胞密度（107cfu/mL）。在滅菌實(shí)驗(yàn)中，稱(chēng)取PW 納米粒子并將其分散在生理鹽水中。將細(xì)菌溶液加入到96 孔板中，隨后加入PW 溶液，PW 的最終濃度為0.125 mg/mL。最后在808 nm 激光器下照射10 分鐘。平板計(jì)數(shù)法評(píng)價(jià)PW 的滅菌率。滅菌實(shí)驗(yàn)分三次進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中使用的玻璃器皿均經(jīng)過(guò)高壓滅菌處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 PPy/WO3-x 納米材料的表征

WO3-x和PW 的形貌可以通過(guò)SEM 進(jìn)行表征。圖1 為合成樣品的SEM 圖像。圖1a 顯示了WO3-x納米粒子的形貌，由圖可知，其由長(zhǎng)度300nm 左右的納米棒捆綁形成，粒徑分布較為均勻。圖1b 顯示了聚吡咯包裹的WO3-x形貌。在WO3-x的基礎(chǔ)上，PPy 原位聚合后使其表面變得光滑，未明顯改變粒徑的大小。

圖1 WO3-x(a)和P(b)納米粒子的SEM 圖

圖2 顯示了PPy、WO3-x和PW 的傅立葉變換紅外光譜。PW 的紅外光譜顯示，WO3-x在與PPy復(fù)合后于1541 cm-1處的特征峰是PPy 環(huán)的拉伸振動(dòng)，而1039 cm-1處的特征峰是C-N 鍵。這些結(jié)果表明PPy 與WO3-x成功復(fù)合。

圖2 制備樣品的傅立葉變換紅外光譜

2.2 PPy/WO3-x 的光動(dòng)力及光熱性能

1,3-二苯基異苯并呋喃（DPBF）探針來(lái)檢測(cè)ROS 的產(chǎn)生。ROS 產(chǎn)生的能力表現(xiàn)在410 nm 處吸光度值的降低。1,3-二苯基異苯并呋喃與單線態(tài)氧結(jié)合會(huì)被其不可逆氧化，所以會(huì)導(dǎo)致在410 nm 處吸光度值下降。圖3a 顯示了808 nm 激光下，純水環(huán)境中，WO3-x和PW 的單線態(tài)氧生成能力。從中可以看出，PW 的DPBF 溶液吸光度顯著下降，表明WO3-x和PPy 復(fù)合之后產(chǎn)生大量單線態(tài)氧。證明PPy 在WO3-x表面原位聚合后，兩者之間形成的有機(jī)/無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)增強(qiáng)了WO3-x的光催化性能，而光催化性能的提高會(huì)促進(jìn)活性氧的生成，這有利于材料的殺菌性能提高。

圖3 a. 紅外光觸發(fā)的單線態(tài)氧生成；b. 不同濃度的PW水溶液和作為對(duì)照的超純水在近紅外輻照下的溫度變化

圖3b 顯示了不同濃度的PW 水溶液和作為對(duì)照的超純水在近紅外輻照下的溫度變化，紅外波長(zhǎng)為808 nm，功率密度為1 W/cm2。如圖4 所示，純水作為對(duì)照組在激光照射下的溫度升高比較有限。而PW分散溶液隨著時(shí)間的推移都表現(xiàn)出顯著的溫度升高。這表明PW 能夠在808 nm 照射下快速和有效地將近紅外光能轉(zhuǎn)化為熱能。此外，與濃度相關(guān)的光熱效應(yīng)進(jìn)一步證明了PW是一種有效的光熱劑，能夠引起光熱效應(yīng)。

圖4 a. PW 對(duì)金黃色葡萄球菌的殺菌性能；b. PW 對(duì)大腸桿菌的殺菌性能

上述結(jié)果表明，PPy/WO3-x納米材料具有較強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換能力和產(chǎn)生ROS 的能力。因此，通過(guò)PPy 在WO3-x上的原位聚合可以作為PTT/PDT 聯(lián)合殺菌的潛在候選材料。

2.3 PPy/WO3-x 的體外殺菌性能

圖4顯示了金黃色葡萄球菌和大腸桿菌進(jìn)行近紅外光輻射下的抗菌性測(cè)試。在808 nm 紅外光照射10 min 后，空白組對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率較低。而在沒(méi)有紅外光照射的情況下，僅在菌液中加入PW 納米粒子，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率分別為10.76%和12.91%。相比之下，加入PW 后并在808 nm 照射下對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率分別為99.89%和99.71%。以上說(shuō)明，體系中僅存在PW 納米粒子或僅有808 nm 照射下，沒(méi)有明顯的殺菌性能，只有在PW納米粒子在紅外光下產(chǎn)生的光催化和光熱性能對(duì)細(xì)菌有明顯的滅活作用。

用PW處理的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的瓊脂平板菌落見(jiàn)圖5。很明顯，PW 處理10 分鐘后，細(xì)菌存活率明顯降低。

圖5 PW 對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌處理后瓊脂平板的代表圖片

表1 顯示了該工作與其他報(bào)道的對(duì)比，可以看出該工作在光動(dòng)力光熱殺菌方面具有優(yōu)勢(shì)。

表1 本文材料的殺菌性能與其他文獻(xiàn)對(duì)比

3 結(jié)論

綜上所述，利用簡(jiǎn)單的溶劑熱法合成了WO3-x納米粒子，用原位還原的方法制備了聚吡咯包裹的WO3-x。將合成的PPy/WO3-x納米材料用于光動(dòng)力光熱聯(lián)合殺菌。PPy/WO3-x構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)使其光催化性能得到增強(qiáng)，從而提高了活性氧的生成能力，進(jìn)而增強(qiáng)了光動(dòng)力殺菌性能。并且PPy/WO3-x良好的光熱性能也有利于殺菌。經(jīng)PPy/WO3-x光照處理10 分鐘后，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率均能超過(guò)99%。總之，這種價(jià)格低廉、易于合成的材料有望成為光動(dòng)力和光熱聯(lián)合殺菌的潛在候選材料。