技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种可用于可见光高效杀菌的金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
抗菌剂是一种以杀死细菌和抑制细菌生长为主要功能的材料，主要用于农业、医学、工业等领域。抗菌剂其种类繁多，主要可以分为有机抗菌剂和无机抗菌剂两大类，有机抗菌材料存在耐热性差、易分解和使用寿命短等缺点。随着纳米技术的发展目前越来越多的无机材料被应用于抗菌领域，其中最令人关注的抗菌剂就是二氧化钛，其具有无毒、无味、无刺激性、耐热性能好、不易分解、不易挥发、来源广等特点，广泛应用于陶瓷、涂料、化纤、化妆品、电子、塑料、橡胶等行业。
二氧化钛半导体材料作为抗菌剂主要是因为这类半导体材料可以在光的激发下使其价带电子跃迁到导带，而同时在价带留下空穴，自由电子和空穴分别与环境中的溶解氧以及水反应生成超氧阴离子和羟基自由基等活性氧物种。这些活性氧物种可以直接攻击细菌细胞引起氧化应激损伤，从而起到杀死和抑制细菌生长的作用。然而，由于二氧化钛的禁带宽度为3.2eV，只能被紫外光所激发，而自然光中只有约4％为紫外光；并且激发出的电子和空穴容易发生复合，从而降低了二氧化钛的抗菌性能。因此如何提高二氧化钛可见光杀菌性能成为热门话题。
发明内容
本发明为了提高二氧化钛可见光杀菌性能，提供一种可用于可见光高效杀菌的金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料及其制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：
一种可用于可见光高效杀菌的金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料，该复合材料首先通过静电吸引的方式连接金簇和二氧化钛纳米粒子，然后利用石墨烯上的功能基团使金簇和二氧化钛复合物连接在石墨烯上，金簇、二氧化钛和石墨烯的质量比为(2.5-6.4)％：(78.6-92.5)％：(4.2-15)％。
在上述技术方案中，所述金簇、二氧化钛和石墨烯的质量比为6.4％：86.6％：7％。
一种可用于可见光高效杀菌的金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取3-15mg石墨烯粉末加入到超纯水和无水乙醇的混合溶液中，超声分散，得到石墨烯分散液；
(2)取10-50mL谷胱甘肽保护的金簇溶液，称取0.1g二氧化钛粉末室温下搅拌；离心以上溶液获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀烘干获得金簇-二氧化钛样品；
(3)将步骤(2)合成的金簇-二氧化钛样品加入到上述石墨烯分散液中，超声、室温搅拌后于100-150℃下水热反应3h后，离心获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀烘干获得金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料。
在上述技术方案中，所述石墨烯通过下述方法制得：
(1)称取1g石墨粉、0.5g硝酸钠加入到250mL圆底烧瓶，然后加入25mL浓硫酸，搅拌使其混合均匀；
(2)将上述反应混合液置于冰浴，称取3g高锰酸钾，缓慢加入到混合液中；
(3)将圆底烧瓶移至油浴，温度设定为35℃，搅拌2h；
(4)加入46ml超纯水，将温度控制在98℃，搅拌15min；
(5)加入140mL 15％的双氧水溶液，待温度降到室温后离心取沉淀用10％的盐酸溶液清洗，重复5次后将沉淀分散在超纯水中，冷冻干燥获得石墨烯粉末。
在上述技术方案中，所述谷胱甘肽保护的金簇溶液通过下述方法制得：
(1)将75mL 18.2MΩ的Milli-Q超纯水加入到250ml圆底烧瓶中，然后加入4.125mL 48.56mM氯金酸溶液，搅拌使其混合均匀；
(2)称取0.092g谷胱甘肽加入到上述反应溶液中，搅拌20min后将反应转移到油浴，温度设定为75℃，搅拌回流24h停止反应。
用上述金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抗菌的方法，包括以下步骤：
步骤1、细菌培养
(1)液体细菌培养液的配制：称取10g胰蛋白胨、5g酵母粉、5g氯化钠加入到1L超纯水中，用5M的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，放入高压灭菌锅中灭菌，取出备用；
(2)固体细菌培养液的配制：称取10g胰蛋白胨、5g酵母粉、5g氯化钠、20g琼脂加入到1L超纯水中，用5M的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，放入高压灭菌锅中灭菌，60℃取出倒入培养品中，冷却后备用；
(3)取灭菌后的培养基加入抗生素，终浓度为20μg/mL，取冻存的细菌菌种15μL加入到20mL培养液中，37℃摇床培养过夜，转数为150rpm；
步骤2、称取5mg金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料加入到1mL细菌培养液中，配制成5mg/mL的溶液；
步骤3、取生长好的细菌溶液稀释不同倍数测其600nm处的吸收值，调节吸收值＝0.1后，待用；
步骤4、金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抗菌检测
取144μL配制好的5mg/mL的金团簇-二氧化钛-石墨烯细菌培养液加入156μL细菌培养液配制成2.4mg/mL的溶液，分别将其对倍稀释得到浓度为1.2、0.6、0.3、0.15、0.75、0.375mg/mL的溶液，各取50μL加入到96孔板，其中每孔重复三次，然后每孔分别加入100μL吸收值＝0.1的细菌溶液，置于太阳光模拟装置下辐照20min后移入细菌培养摇床，37℃、150rpm培养，每隔1h检测细菌生长600nm处的吸收值，绘制生长曲线。
在上述技术方案中，步骤(4)用涂布平板法对金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料进行抗菌检测，具体步骤如下：
取160μL配制好的5mg/mL的金团簇-二氧化钛-石墨烯细菌培养液，加入到840μL吸收值＝0.1的细菌溶液中；取840μL吸收值＝0.1的细菌溶液加160μL细菌培养液作为对比；将上述加和不加金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的细菌培养液在太阳光模拟装置下辐照20min后移入细菌培养摇床，37℃、150rpm培养30min；将上述加和不加金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的细菌培养液分别稀释10000倍，取30μL加入到固体培养基中，涂布均匀后放入37℃、150rpm培养24h，拍照。
本发明的有益效果是：
本发明提供的可用于可见光高效杀菌的金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料是以谷胱甘肽保护金团簇为光敏化剂、石墨烯为电子转移材料，通过金团簇的可见光吸收性质使二氧化钛可以被可见光激发，利用石墨烯的超级电子传导特性使激发出电子转移到石墨烯上，降低电子和空穴的复合率，从而有效地提高复合材料的抗菌作用。该复合材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌在可见光下的灭杀率均可达到80％。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为谷胱甘肽保护金簇的透射电子显微镜照片。
图2为金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的透射电子显微镜照片。
图3为涂布平板法对金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制大肠杆菌生长性能的检测照片。
图4为涂布平板法对金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制金黄色葡萄球菌生长性能的检测照片。
图5为金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制大肠杆菌生长作用的细菌生长曲线图。
图6为金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制金黄色葡萄球菌生长作用的细菌生长曲线图。
图7为金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制大肠杆菌生长作用的细菌存活率曲线图。
图8为金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制金黄色葡萄球菌生长作用的细菌存活率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以详细说明。
本发明提供的一种可用于可见光高效杀菌的金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的制备方法具体步骤如下：
1、谷胱甘肽保护金团簇的合成：
(1)将75mL 18.2MΩ的Milli-Q超纯水加入到250ml圆底烧瓶中，然后加入4.125mL氯金酸溶液(48.56mM)，搅拌使其混合均匀；
(2)称取0.092g谷胱甘肽加入到反应溶液中，搅拌20min后将反应转移到油浴，温度设定为75℃，搅拌回流24h停止反应。
图1为谷胱甘肽保护金团簇的透射电子显微镜照片，该图表明合成出的金团簇的大小为1-2nm。
2、石墨烯的合成：
(1)称取1g石墨粉、0.5g硝酸钠加入到250mL圆底烧瓶，然后加入25mL浓硫酸，搅拌使其混合均匀；
(2)将上述反应混合液置于冰浴，称取3g高锰酸钾，缓慢加入到混合液中；
(3)将圆底烧瓶移至油浴，温度设定为35℃，搅拌2h；
(4)加入46ml超纯水，将温度控制在98℃，搅拌15min；
(5)加入140mL 15％的双氧水溶液，待温度降到室温后离心取沉淀用10％的盐酸溶液清洗，重复5次后将沉淀分散在超纯水中，冷冻干燥获得石墨烯粉末。
3、金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的合成
(1)称取3-15mg石墨烯粉末加入到30mL超纯水和9mL无水乙醇的混合溶液中，超声分散；
(2)取10-50mL合成的谷胱甘肽保护的金团簇溶液，称取0.1g二氧化钛粉末室温下搅拌5h；离心以上溶液获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
(3)将上述合成好的金团簇-二氧化钛样品加入到上述石墨烯分散液中，超声20min后室温搅拌20min；移至反应釜100-150℃水热反应3h后，离心获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
图2为金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的透射电子显微镜照片，该图说明用此种方法可以成功的合成金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料。
实施例1：质量比为6.4％：86.6％：7％的金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的合成
(1)称取5mg石墨烯粉末加入到30mL超纯水和9mL无水乙醇的混合溶液中，超声分散；
(2)取25mL合成的谷胱甘肽保护的金团簇溶液，称取0.1g二氧化钛粉末室温下搅拌5h；离心以上溶液获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
(3)将上述合成好的金团簇-二氧化钛样品加入到上述石墨烯分散液中，超声20min后室温搅拌20min；移至反应釜120℃水热反应3h后，离心获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
实施例2：质量比为6.4％：89.4％：4.2％的金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的合成
(1)称取3mg石墨烯粉末加入到30mL超纯水和9mL无水乙醇的混合溶液中，超声分散；
(2)取50mL合成的谷胱甘肽保护的金团簇溶液，称取0.1g二氧化钛粉末室温下搅拌5h；离心以上溶液获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
(3)将上述合成好的金团簇-二氧化钛样品加入到上述石墨烯分散液中，超声20min后室温搅拌20min；移至反应釜150℃水热反应3h后，离心获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
实施例3：质量比为2.5％：82.5％：15％的金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的合成
(1)称取15mg石墨烯粉末加入到30mL超纯水和9mL无水乙醇的混合溶液中，超声分散；
(2)取10mL合成的谷胱甘肽保护的金团簇溶液，称取0.1g二氧化钛粉末室温下搅拌5h；离心以上溶液获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
(3)将上述合成好的金团簇-二氧化钛样品加入到上述石墨烯分散液中，超声20min后室温搅拌20min；移至反应釜100℃水热反应3h后，离心获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
实施例4：质量比为6.4％：78.6％：15％的金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的合成
(1)称取15mg石墨烯粉末加入到30mL超纯水和9mL无水乙醇的混合溶液中，超声分散；
(2)取50mL合成的谷胱甘肽保护的金团簇溶液，称取0.1g二氧化钛粉末室温下搅拌5h；离心以上溶液获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
(3)将上述合成好的金团簇-二氧化钛样品加入到上述石墨烯分散液中，超声20min后室温搅拌20min；移至反应釜120℃水热反应3h后，离心获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
实施例5：质量比为2.5％：92.5％：5％的金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的合成
(1)称取4mg石墨烯粉末加入到30mL超纯水和9mL无水乙醇的混合溶液中，超声分散；
(2)取10mL合成的谷胱甘肽保护的金团簇溶液，称取0.1g二氧化钛粉末室温下搅拌5h；离心以上溶液获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
(3)将上述合成好的金团簇-二氧化钛样品加入到上述石墨烯分散液中，超声20min后室温搅拌20min；移至反应釜130℃水热反应3h后，离心获得沉淀，用超纯水清洗沉淀，重复3次后将沉淀置于干燥箱60℃烘干获得粉末样品。
用实施例1制备的金簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抗菌的方法实施例：
1、细菌培养
液体细菌培养液的配制：称取10g胰蛋白胨、5g酵母粉、5g氯化钠加入到1L超纯水中，用5M的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，放入高压灭菌锅中灭菌，取出备用；
固体细菌培养液的配制：称取10g胰蛋白胨、5g酵母粉、5g氯化钠、20g琼脂加入到1L超纯水中，用5M的氢氧化钠溶液调节pH值至7.2，放入高压灭菌锅中灭菌，60℃取出倒入培养品中，冷却后备用；
取灭菌后的培养基加入抗生素，终浓度为20μg/mL，分别取冻存的大肠杆菌或金黄色葡萄球菌15μL加入到20mL培养液中，37℃摇床培养过夜，转数为150rpm；
2、涂布平板法对金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制细菌生长性能的检测：
(1)称取5mg金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料加入到1mL细菌培养液中，配制成5mg/mL的溶液；
(2)分别取生长好的大肠杆菌或金黄色葡萄球菌溶液稀释不同倍数测其600nm处的吸收值，调节吸收值＝0.1后，待用；
(3)取160μL配制好的5mg/mL的金团簇-二氧化钛-石墨烯细菌培养液，加入到840μL吸收值＝0.1的大肠杆菌或金黄色葡萄球菌溶液中；取840μL吸收值＝0.1的大肠杆菌或金黄色葡萄球菌溶液加160μL细菌培养液作为对比，将上述加和不加金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的细菌培养液在太阳光模拟装置下辐照20min后移入细菌培养摇床，37℃、150rpm培养30min；将上述加和不加金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料的大肠杆菌或金黄色葡萄球菌溶液分别稀释10000倍，取30μL加入到固体培养基中，涂布均匀后放入37℃、150rpm培养24h，拍照。
图3为涂布平板法对金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制大肠杆菌生长性能的检测照片，从图中可以看出加入复合材料纳米粒子后大肠杆菌菌落生长的较少，表明复合材料对大肠杆菌具有较好的抑制作用。
图4为涂布平板法对金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制金黄色葡萄球菌生长性能的检测照片，从图中可以看出加入复合材料纳米粒子后金黄色葡萄球菌菌落生长的较少，表明复合材料对金黄色葡萄球菌具有较好的抑制作用。
3、金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制细菌生长曲线测试
(1)称取5mg金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料加入到1mL细菌培养液中，配制成5mg/mL的溶液；
(2)分别取生长好的大肠杆菌或金黄色葡萄球菌溶液稀释不同倍数测其600nm处的吸收值，调节吸收值＝0.1后，待用；
(3)取144μL配制好的5mg/mL的金团簇-二氧化钛-石墨烯细菌培养液加入156μL细菌培养液配制成2.4mg/mL的溶液，分别将其对倍稀释得到浓度为1.2、0.6、0.3、0.15、0.75、0.375mg/mL的溶液，各取50μL加入到96孔板，其中每孔重复三次。然后每孔分别加入100μL吸收值＝0.1的大肠杆菌或金黄色葡萄球菌溶液，置于太阳光模拟装置下辐照20min后移入细菌培养摇床，37℃、150rpm培养。每隔1h检测细菌生长600nm处的吸收值，绘制生长曲线。
图5为金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制大肠杆菌生长作用的细菌生长曲线，从图中可以看出，在不同浓度的复合材料作用下，大肠杆菌生长速率有所减慢，说明复合材料起到了抑制生长的作用，并且复合材料浓度越高，抑制生长效率越高。
图6为金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制金黄色葡萄球菌生长作用的细菌生长曲线，从图中可以看出，在不同浓度的复合材料作用下，金黄色葡萄球菌生长速率有所减慢，说明复合材料起到了抑制生长的作用，并且复合材料浓度越高，抑制生长效率越高。
图7为金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制大肠杆菌生长作用的细菌存活率曲线，从图中可以看出复合材料对大肠杆菌生长的抑制作用随着浓度的增加而增加，其中最大抑制效果可大到77.39％。
图8为金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料抑制金黄色葡萄球菌生长作用的细菌存活率曲线，从图中可以看出复合材料对金黄色葡萄球菌生长的抑制作用随着浓度的增加而增加，其中最大抑制效果可大到73.28％。
用实施例2、3、4、5制备的金团簇-二氧化钛-石墨烯复合材料用于抑制细菌生长，也可以取得很好的抑制效果，这里不再一一例举。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。