磁性氧化石墨烯纳米复合物及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种磁性氧化石墨烯纳米复合物及其制备方法和应用。该磁性氧化石墨烯纳米复合物包括氧化石墨烯，氧化石墨烯表面负载有铁氧化物磁性纳米颗粒。制备方法包括氧化石墨烯分散液的制备、铁氧化物磁性纳米颗粒分散液的制备和磁性氧化石墨烯纳米复合物的制备。该磁性氧化石墨烯纳米复合物可应用于水体灭菌。本发明的磁性氧化石墨烯纳米复合物抗菌性能优异、高效易分离，制备方法简单、成本低廉，水体灭菌处理效果好，不易产生消毒副产物和造成二次污染。

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料和水处理新技术领域，具体涉及一种磁性氧化石墨烯纳米复合物及其制备方法和在水体灭菌中的应用。

背景技术

在水资源严重短缺、饮用水安全面临重大挑战的今天，传统的饮用水氯化消毒技术由于可能生成三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物，对人体健康具有潜在危险，已经不能满足要求，因此，新型消毒材料的研究必然不可或缺。饮用水处理研究显示纳米技术对饮用水清洁有着无穷的潜力，而近20年来，碳纳米材料，比如1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管(CNTs)，由于其机械强度大，比表面积大，热稳定和化学稳定性能好并具有金属导体和半导体电学性质，已在超导体、光学设备、传感器、能量存储装置、燃料电池、催化剂制造甚至是生物医药等诸多领域成为了研究热点之一。石墨烯是2004年由曼切斯特大学Geim等从石墨上剥落下的，由碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的单片，被认为是富勒烯、碳纳米管(CNTs)、石墨的基本结构单元。但是，与昂贵的石墨烯和碳纳米管相比，氧化石墨烯价格低廉，原料易得，有着广阔的研究空间和应用前景。尤其近年来的研究发现，氧化石墨烯也具有抗菌特性，能破坏细菌的细胞膜，有效抑制细菌的生长。更重要的是，氧化石墨烯不仅是一种优良的新型抗菌材料，同时对哺乳动物细胞几乎没有毒性。

研究表明，氧化石墨烯表面具有丰富的含氧官能团如羟基、环氧基、羧基等，为氧化石墨烯表面的进一步修饰提供了条件。但是，由于氧化石墨烯具有很强的亲水性，悬浮分散在水体中很难分离，不利于氧化石墨烯抗菌材料的回收再利用，甚至悬浮在水体中的低浓度氧化石墨烯还可能成为一些有害微生物的碳源，助长其生长繁殖而造成水体二次污染。因此，需要寻找合适的方法来解决这些问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种抗菌性能优异、不易生成消毒副产物、高效易分离、成本低廉的磁性氧化石墨烯纳米复合物及其制备方法和应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种磁性氧化石墨烯纳米复合物，所述磁性氧化石墨烯纳米复合物包括氧化石墨烯，所述氧化石墨烯表面负载有铁氧化物磁性纳米颗粒。

上述的磁性氧化石墨烯纳米复合物，优选的，所述铁氧化物磁性纳米颗粒包括Fe₃O₄磁性纳米颗粒和/或γ-Fe₂O₃磁性纳米颗粒。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种磁性氧化石墨烯纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）将石墨粉和NaNO₃加入浓H₂SO₄中充分搅拌，并于冰水浴中降温冷却至0℃～5℃，对降温冷却后的混合液进行搅拌，同时加入KMnO₄进行反应，控制KMnO₄的加入速度为0.15g/h～7.5g/h，使反应液的温度不超过20℃，反应1h～4h后，撤去冰水浴，并将反应液置于30℃～40℃恒温水浴锅中保持0.5h～2h，然后边搅拌边加入30℃～40℃的温水，待冒泡完成后转移至80℃～100℃恒温油浴锅中搅拌15min～120min，再用30℃～40℃的温水稀释并加入双氧水，得到亮黄色悬浮液，对亮黄色悬浮液进行清洗和冷冻干燥，得到氧化石墨，将氧化石墨加入水中进行超声剥落，得到氧化石墨烯分散液；

（2）室温下，将NH₄Fe(SO₄)₂·12H₂O和(NH₄)₂SO₄·FeSO₄·6H₂O加入到N₂保护的水中，搅拌溶解后，将所得混合溶液的pH值调节至8～11，并在70℃～90℃条件下持续搅拌0.5h～2h，将所得产物清洗至中性后，再分散于水中，得到铁氧化物磁性纳米颗粒分散液；

（3）室温下，将步骤（1）所得的氧化石墨烯分散液加入到步骤（2）所得的铁氧化物磁性纳米颗粒分散液中，搅拌0.5h～2h后用磁铁吸附分离，所得固体产物用水清洗至中性，得到磁性氧化石墨烯纳米复合物。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述石墨粉、NaNO₃、浓H₂SO₄、KMnO₄的比为0.1g～5.0g∶0.05g～2.5g∶2.3mL～115mL∶0.3g～15g，所述浓H₂SO₄的质量浓度≥70%。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述KMnO₄与双氧水的质量体积比为0.3g～15g∶0.25mL～12.5mL，所述双氧水中H₂O₂的质量分数为25wt%～35wt%。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（2）中，所述NH₄Fe(SO₄)₂·12H₂O与(NH₄)₂SO₄·FeSO₄·6H₂O的摩尔比为1.2～2∶1。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的浓度为0.01g/L～10g/L；所述步骤（2）中，所述铁氧化物磁性纳米颗粒分散液中铁氧化物磁性纳米颗粒的浓度为0.01g/L～10g/L；所述步骤（3）中，所述氧化石墨烯分散液与所述铁氧化物磁性纳米颗粒分散液的体积之比为1∶1。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的磁性氧化石墨烯纳米复合物或者上述的制备方法制得的磁性氧化石墨烯纳米复合物在水体灭菌中的应用。

上述的应用包括以下步骤：向浓度为10⁶CFU/mL～10⁷CFU/mL的细菌悬浮液中加入磁性氧化石墨烯纳米复合物，所述磁性氧化石墨烯纳米复合物的加入量为30μg/mL～300μg/mL，在37℃～40℃条件下振荡孵育0.5h～6h后，用磁铁将磁性氧化石墨烯纳米复合物与细菌悬浮液分离，完成对细菌的杀灭。

上述的应用中，优选的，所述细菌为大肠杆菌，所述大肠杆菌为大肠埃希氏菌（Escherichia coli），其在中国医学细菌保藏管理中心的保藏编号为CMCC 44102。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的磁性氧化石墨烯纳米复合物将具有抗菌特性的氧化石墨烯与磁性的纳米粒子结合，既能实现其灭菌后的分离，同时磁性纳米粒子本身能渗透入细胞，具有一定的抗菌活性，能与氧化石墨烯协同抗菌，故而又增强了磁性氧化石墨烯纳米复合物的抗菌效果。

2、本发明的磁性氧化石墨烯纳米复合物的合成原材料来源丰富，成本低廉，且其制备方法简单，能有效实现批量化生产，用于大规模水体灭菌。

3、本发明的磁性氧化石墨烯纳米复合物应用于水体消毒灭菌，不仅处理工艺简单、容易操作、处理效果好，还有效的克服了传统氯消毒工艺会产生消毒副产物、造成二次污染的缺陷。

附图说明

图1为本发明实施例1中磁性氧化石墨烯纳米复合物的透射电镜照片。

图2为本发明实施例1中磁性氧化石墨烯纳米复合物中铁氧化物磁性纳米粒子的粒径分布图。

图3为本发明实施例1中磁性氧化石墨烯纳米复合物的磁滞曲线图。

图4为本发明实施例1中磁性氧化石墨烯纳米复合物的XRD图谱。

图5为本发明实施例2中氧化石墨烯（GO）、铁氧化物磁性纳米颗粒（M）和磁性氧化石墨烯纳米复合物（M-GO）对大肠杆菌的杀灭效果比较图。

图6为本发明实施例3中被磁性氧化石墨烯纳米复合物毒害后的大肠杆菌细胞形态。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种本发明的磁性氧化石墨烯纳米复合物，该磁性氧化石墨烯纳米复合物包括氧化石墨烯，氧化石墨烯表面负载有Fe₃O₄磁性纳米颗粒和γ-Fe₂O₃磁性纳米颗粒，还负载有非磁性的α-Fe₂O₃、FeOOH纳米颗粒。

一种上述本实施例的磁性氧化石墨烯纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）将1g石墨粉分散到23mL浓H₂SO₄（98wt%）中，将此分散液在0～5℃的冰水浴中磁性搅拌0.5h，保证石墨粉已经均匀分散在浓H₂SO₄中，然后加入0.5g NaNO₃，继续磁性搅拌0.5h，保证NaNO₃已经充分溶解在浓H₂SO₄中（石墨粉和NaNO₃也可同时加入浓H₂SO₄中），对降温冷却后的混合液进行搅拌，同时加入3g KMnO₄，此时严格控制KMnO₄的加入速度为1.5g/h，使反应液温度不超过20℃，磁性搅拌2h进行反应后，撤去冰水浴，并将反应液置于35℃恒温水浴锅中保持1h，将适量的（46mL）35℃温水加入反应液中慢慢搅拌，待冒泡完成之后将反应液转移至98℃的恒温油浴锅中保持15min，然后用35℃温水将反应液的总体积稀释到140mL，再加入2.5mL质量分数为30%的双氧水，室温下搅拌0.5h（0.5～2h均可），获得亮黄色悬浮液，将亮黄色悬浮液用体积分数为1%的HCl清洗3次后，再用水反复清洗数次，然后离心并置于冷冻干燥器中干燥24h（一般为18h～76h），得到氧化石墨。称取0.25g氧化石墨分散在100mL超纯水中于室温下超声剥落45min，得到浓度为2.5g/L的氧化石墨烯（GO）分散液。

（2）在室温下，将N₂通入100mL超纯水中进行保护，然后将摩尔比为1.5∶1的NH₄Fe(SO₄)₂·12H₂O（1.5588g）和(NH₄)₂SO₄·FeSO₄·6H₂O（0.8470g）加入N₂保护的超纯水中，搅拌溶解后，迅速加入适量质量浓度为25%的NH₃·H₂O调节pH为10，并在85℃条件下持续搅拌30min，所得产物再用超纯水清洗至中性，重新分散在100mL超纯水中，得到浓度为5.0g/L的铁氧化物磁性纳米颗粒（M）分散液；

（3）在室温下，取100mL步骤（1）得到的氧化石墨烯（GO）分散液搅拌30min，再加入100mL步骤（2）得到的铁氧化物磁性纳米颗粒（M）分散液，继续搅拌45min，所得产物用磁铁吸附分离，同时用超纯水清洗至中性后，重新分散在100mL超纯水中，得到浓度为7.0g/L的磁性氧化石墨烯纳米复合物（M-GO）分散液。

将上述制备的磁性氧化石墨烯纳米复合物置于透射电镜下观察，其结构如图1所示，可以看出其表面分布大量铁氧化物磁性纳米颗粒，且颗粒尺寸均匀。如图2所示，是本实施例制备的磁性氧化石墨烯纳米复合物中铁氧化物磁性纳米粒子的粒径分布图，平均粒径为11.64nm。图3为磁性氧化石墨烯纳米复合物的磁滞曲线图，由图可知，磁性氧化石墨烯纳米复合物的饱和磁场为68.71emu/g，具备超强磁性，在水体中可以有效的实现固液分离。如图4所示，是本实施例制备的磁性氧化石墨烯纳米复合物的XRD图谱，由图可知，磁性氧化石墨烯纳米复合物中的铁氧化物磁性纳米粒子是磁性的Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃（特征峰表现为30.2°、35.5°、43.3°和57.2°），且磁性氧化石墨烯纳米复合物中还含有非磁性的α-Fe₂O₃（其特征峰表现为53.6°和62.9°）和FeOOH（其特征峰表现为18.3°），而其中氧化石墨烯的特征峰10.0°则完全被铁氧化物的高强度所淹没。

实施例2：

将大肠杆菌活化后接种至去离子水中，使菌液的浓度达到10⁶～10⁷CFU/mL。

上述大肠杆菌为常规菌种大肠埃希氏菌Escherichia coli，可以从市场购买得到，其在中国医学细菌保藏管理中心的保藏编号为CMCC 44102，优选采用该细菌，但不限于此。

将实施例1中制备的氧化石墨烯（GO）、铁氧化物磁性纳米颗粒（M）和磁性氧化石墨烯纳米复合物（M-GO）应用于水体灭菌，以大肠杆菌为例，比较其灭菌效果，包括以下步骤：分别取5mL相同浓度（100μg/mL）的GO分散液、M分散液、M-GO分散液，超声分散1min，加入5mL上述准备的浓度为3.79×10⁶CFU/mL的大肠杆菌菌液中，置于37℃水浴恒温振荡器中孵育，转速为150r/min（一般为120r/min～250r/min），2h后用磁铁将M和M-GO从菌液中分离，为了对照，用离心方法也将GO从菌液中分离，然后分别取分离后的菌悬液将其按10倍浓度梯度稀释涂布在LB琼脂平板上，置于37℃恒温生化培养箱中培养，24h后计数大肠杆菌菌落，以计算比较GO、M和M-GO的灭菌效果。

如图5所示，是GO、M和M-GO在同一浓度表现出的不同的灭菌效果，由图可知，在相同浓度为100μg/mL条件下，磁性氧化石墨烯纳米复合物（M-GO）表现出最强的灭菌率91.49% ± 2.82%。

实施例3：

将实施例2中与磁性氧化石墨烯纳米复合物（M-GO）在37℃条件下振荡孵育2h后的大肠杆菌分离收集后，于4℃条件下，用3wt%戊二醛预固定2h，然后用磷酸缓冲液反复冲洗三次后，再用饿酸固定2h，继续用磷酸缓冲液冲洗两次，每次间隔10min。将固定好的大肠杆菌用1wt%的醋酸双氧铀染色1h，再分别用50%，70%，90%和100%体积浓度的乙醇脱水各10min。将固定脱水处理后的大肠杆菌用体积比为1∶1的丙酮与Spurr树脂的混合液浸透1h以上，再用纯Spurr树脂于37℃浸透过夜，然后在60℃条件下固化48h后降温，切片，然后置于透射电镜下观察大肠杆菌细胞形态。

如图6所示，是本实施例制备的被磁性氧化石墨烯纳米复合物杀灭的大肠杆菌细胞的透射电镜照片，由照片可知，磁性氧化石墨烯纳米复合物已侵入到大肠杆菌细胞质中，被其毒害的大肠杆菌细胞已失去完整的细胞结构，并最终导致细胞死亡。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。