硫化鉍@鐵酸銅異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑及光觸發(fā)抗菌性能研究*

韓秋陽，于照晗，何 帥，楊為中，謝克難，謝 璐，鄧 怡

(1. 四川大學 化學工程學院， 成都 610065； 2. 四川大學 生物醫(yī)學工程學院， 成都 610065；3. 四川大學 華西口腔醫(yī)院， 成都 610041)

0 引 言

病原體細菌作為一種微生物，易引發(fā)嚴重的傷口感染與手術(shù)部位感染，最終導致嚴重的并發(fā)癥[1]。目前，治療細菌引發(fā)的感染的主流方法是抗生素治療[2]。然而，由于抗生素的濫用引發(fā)的細菌耐藥性在全球范圍內(nèi)每年會引起約70萬人的死亡，其引發(fā)的一系列問題使感染治療變得越發(fā)困難[3]。因此，開發(fā)一種不依賴抗生素且高效殺菌的智能治療手段是當前乃至今后一段時間內(nèi)抗菌治療領(lǐng)域的熱點研究之一。

近年來，光治療作為一種效果顯著的抗菌治療方法引起了研究人員的廣泛關(guān)注[4-5]。目前，光治療主要衍生出兩大治療機制，分別為光熱治療與光動力治療[6-7]。前者依靠光熱轉(zhuǎn)換材料在外界光照射下產(chǎn)生的高溫來破壞細菌的細胞膜，后者則是通過在外界光照條件下產(chǎn)生的光生電子與空氣中的氧氣發(fā)生反應產(chǎn)生活性氧，進而破壞細菌細胞內(nèi)蛋白與DNA從而使得細菌失活[8-9]。相對于傳統(tǒng)的抗生素藥物療法，光熱/光動力療法不僅不會產(chǎn)生全身性的毒副作用，還具有較高的組織穿透性，選擇性和殺傷能力，同時不會引發(fā)細菌耐藥性[10]。目前，多種具有優(yōu)異的光熱或光催化性能的納米功能材料已應用于抗菌領(lǐng)域，其中，因為優(yōu)異的光吸收能力，特殊的形貌結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)點，直接帶隙半導體Bi2S3受到研究人員的廣泛關(guān)注[11-13]。然而，由于其本身較窄的帶隙結(jié)構(gòu)(1.25 eV)會導致近紅外光激發(fā)產(chǎn)生的光生電子-光生空穴對容易發(fā)生再復合，極大限制了活性氧的產(chǎn)生。因此，如何有效的分離光生電子與光生空穴，從而提高材料的光催化效應是解決Bi2S3應用缺陷的關(guān)鍵問題。目前，引入其他半導體材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)誘導光生電子-光生空穴的分離是提高半導體材料光催化能力的主流方法。研究表明，由兩種不同能級和帶隙的半導體納米材料構(gòu)筑的納米異質(zhì)結(jié)可以顯著提高半導體材料的光催化性能[14-15]。CuFe2O4作為一種新型的鐵銅氧化物材料，其由于光吸收范圍廣，催化能力強和表面反應位點多等優(yōu)勢，目前已被廣泛地應用于有機危害物的吸附降解，水污染處理和生物組織工程領(lǐng)域[16-18]。因此，將CuFe2O4與Bi2S3兩種不同的半導體材料結(jié)合起來形成的新型異質(zhì)結(jié)功能材料有望提高材料體系的光催化效果，從而有效地針對細菌進行殺傷。

基于此，本研究設(shè)計并制備了一種新型的異質(zhì)結(jié)功能材料(Bi2S3@CuFe2O4)。在808 nm近紅外光的激發(fā)下，Bi2S3@CuFe2O4能夠有效的實現(xiàn)光生電子與光生空穴的分離，從而產(chǎn)生足量的熱與活性氧，實現(xiàn)光熱/光動力協(xié)同抗菌，為抗菌治療提供了一種新思路及理論依據(jù). 實驗示意圖與抗菌機理圖見圖1所示。

圖1 (a) Bi2S3@GO制備流程圖；(b) Bi2S3@GO光熱/光動力協(xié)同抗菌機理圖Fig 1 (a) the preparation process of Bi2S3@GO; (b) the photothermal/photodynamic synergistic antibacterial mechanism of Bi2S3@GO

1 實 驗

1.1 實驗試劑

五水硝酸鉍(Bi(NO3)3·5H2O，AR)，L-半胱氨酸(L-Cys，AR)，六水氯化鐵(FeCl3·6H2O，AR)，二水氯化銅(CuCl2·2H2O，AR)，醋酸鈉(NaAC，AR)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP，AR)，乙醇(CH3CH2OH，AR)，乙二醇(OHCH2CH2OH，AR)和二甲基亞砜(DMSO，AR)均購買于成都市科隆化學品公司。

1.2 Bi2S3, CuFe2O4及Bi2S3@CuFe2O4的制備

1.2.1 Bi2S3的制備

分別取2.5 g Bi(NO3)3·5H2O與3 mg L-Cys加入至40 mL的去離子水中，待超聲均勻后將混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓水熱釜的對位聚四氟乙烯內(nèi)襯中，在180 ℃防爆干燥箱中反應24 h。反應結(jié)束后，待釜自然冷卻至室溫，收集內(nèi)襯中黑色沉淀，乙醇超聲清洗5 min后使用臺式高速離心機在7 000 r/min條件下離心10 min，重復上述操作3次以去除產(chǎn)物中殘余的H2S副產(chǎn)物。洗滌完畢后，收集反應產(chǎn)物，放置于60 ℃的條件下烘干得到產(chǎn)物Bi2S3。

1.2.2 CuFe2O4的制備

分別取2.16 g FeCl3·6H2O，0.68 g CuCl2·2H2O，1.5 g NaAC與0.5 g PVP加入至50 mL的乙二醇中，待超聲均勻后將混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓水熱釜的對位聚四氟乙烯內(nèi)襯中，在180 ℃防爆干燥箱中反應24 h。反應結(jié)束后，待釜自然冷卻至室溫，收集內(nèi)襯中黑色沉淀，乙醇超聲清洗5 min后使用臺式高速離心機在8 000 r/min條件下離心10 min，重復上述操作3次。洗滌完畢后，收集反應產(chǎn)物，放置于60 ℃的條件下烘干得到產(chǎn)物CuFe2O4。

1.2.3 Bi2S3@CuFe2O4的制備

分別取0.5 g Bi2S3與2.0 g CuFe2O4加入至40 mL的去離子水中，將反應液置于超聲機中超聲1 h，兩者之間通過靜電相互作用結(jié)合。使用臺式高速離心機在8 000 r/min條件下離心10 min，重復上述操作3次。洗滌完畢后，收集反應產(chǎn)物，放置于60 ℃的條件下烘干得到產(chǎn)物Bi2S3@CuFe2O4。

1.3 材料表征

使用場電子掃描電子顯微鏡(FE-SEM，日本Hitachi公司，S-4800型)對材料的形貌進行分析研究。晶體物相結(jié)構(gòu)采用X射線衍射儀(XRD，Panalytical公司，X’Pert Pro型)進行研究，選用Cu靶和Kα射線，λ=0.15444 nm，角度測試范圍為10°～90°。使用能譜儀(EDS，英國Oxford公司，X-Max80型)對材料的元素組成和化學狀態(tài)進行分析。通過使用紫外-可見-近紅外分光光度計(UV-vis，中國Aoelab公司，UV-1800PC)對材料在不同波長下的光吸收能力進行研究。

1.4 帶隙計算

本文通過Tauc plot方法計算了材料的帶隙結(jié)構(gòu)，該方法所用方法見公式(1)[10, 19]：

(αhν)n=B(hν-Eg)

(1)

其中α為吸收系數(shù)，B為常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，ν為入射光頻率，Eg表示半導體帶隙。指數(shù)n與半導體帶隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中直接帶隙結(jié)構(gòu)半導體對應公式中n=2， 間接帶隙結(jié)構(gòu)半導體對應公式中n=1/2。以(αhν)n為縱坐標，以hν為橫坐標做曲線圖，對曲線線性部分做切線，切線交于X軸上的截距值為所求半導體帶隙值。

1.5 光熱性能表征

本研究通過使用紅外成像儀對樣品在紅外激光照射下的溫度變化進行實時監(jiān)測，并以此來評估材料的光熱性能及光熱穩(wěn)定性。將1 mL 的300 μg/mL的不同樣品(Bi2S3，CuFe2O4，Bi2S3@CuFe2O4)注入48孔板內(nèi)，使用不同密度的808 nm波長的NIR激光(0.5，1.0，1.5 W/cm2)照射各組樣品12 min，期間每隔1 min使用紅外熱成像儀進行溫度的記錄。此外，光熱穩(wěn)定性通過5個激光開關(guān)循環(huán)來進行評估，即選擇一定功率的紅外光照射樣品12 min后，再關(guān)閉激光器15 min，重復5次，期間每1 min使用紅外成像儀進行一次溫度的記錄。

1.6 光催化性能表征

預先以DMSO作為溶劑配置DPBF溶液(10 mmol/L)，向900 μL的DPBF溶液中加入100 μL不同組的樣品懸濁液，使樣品濃度為300 μg/mL。各組混合液分別在激光照射/黑暗條件下反應12 min后，收集上清液，使用UV-Vis光譜儀檢測上清液在280～550 nm波段的光吸收。

1.7 抗菌實驗

Bi2S3@CuFe2O4對金黃色葡萄球菌(S.aureus)和大腸桿菌(E.coli)的光觸發(fā)抗菌特性通過再涂平板法來評價。將滅菌處理的100 μL的各組材料與900 μL的S.aureus或E.coli(1 × 107CFU/mL)混合。材料同菌液經(jīng)808 nm近紅外光光照處理或黑暗處理 20 min后，吸出殘余菌液，將菌液稀釋1 000倍后，移取100 μL的菌液均勻涂布于預先準備的LB固體培養(yǎng)基上，將瓊脂板置于37 °C烘箱中孵育24 h后拍照記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的表征

Bi2S3，CuFe2O4與Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)構(gòu)的XRD光譜圖如圖2所示。其中Bi2S3組的衍射峰在2θ為24.76°，28.44°，32.76°，46.38°處，其分別對應(130)，(211)，(221)，(431)晶面(PDF#17-0320)，這證明了制備的硫化鉍材料為正交晶型[12]。而CuFe2O4組的衍射峰在2θ為30.18°，35.54°，43.20°，57.14°，62.74°和74.24°處，其分別對應立方晶型CuFe2O4的(220)，(311)，(400)，(511)，(440)，(533)晶面(PDF#77-0010)，證明了立方晶型CuFe2O4的成功制備[20]。特別的是，Bi2S3@CuFe2O4組的XRD譜圖中同時具有Bi2S3與CuFe2O4的特征峰，該結(jié)果證明了異質(zhì)結(jié)材料的成功制備。此外，相比于Bi2S3與CuFe2O4，Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)的衍射峰沒有表現(xiàn)出明顯的偏移，表明CuFe2O4的引入并沒有破壞Bi2S3材料的晶格結(jié)構(gòu)。但是，我們也能觀察到Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)組中Bi2S3的特征衍射峰強度變?nèi)酰@是因為CuFe2O4附著在Bi2S3的表面遮蔽了一部分Bi2S3衍射信號導致的。

圖2 Bi2S3，CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4的XRD譜圖Fig 2 XRD patterns of Bi2S3, CuFe2O4 and Bi2S3@CuFe2O4

FE-SEM所拍攝的各組樣品的SEM圖像如圖3(a)-(c)所示。可以清楚的觀察到采用水熱合成法所制備的硫化鉍呈現(xiàn)納米海膽結(jié)構(gòu)，與先前文獻的制備方法得到的Bi2S3形貌保持一致[21]。圖3(b)顯示利用溶劑熱法制備的CuFe2O4呈現(xiàn)均勻的納米花形態(tài)。圖3(c)為Bi2S3納米海膽與CuFe2O4納米花所形成的Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)材料的 SEM 圖像。結(jié)果表明，CuFe2O4均勻的包裹在Bi2S3的表面。圖3(d)-(f)為EDS圖譜結(jié)果，其中Bi2S3組材料中的元素組成為Bi與S，CuFe2O4組中的元素組成為Cu，F(xiàn)e，O。在合成的異質(zhì)結(jié)后，其元素組成為Bi， S，Cu，F(xiàn)e和O，證明了Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)材料的成功制備。圖3(g)為水熱產(chǎn)物Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)的EDS Mapping照片，從圖中可以看出負載在表面的納米花狀物質(zhì)的元素組成為Cu，F(xiàn)e和O，而尺寸較大的底部納米海膽結(jié)構(gòu)主要元素組成為Bi和S。結(jié)合SEM圖像可知，Bi2S3@CuFe2O4圖像中表面的納米花為CuFe2O4，而底部的納米海膽結(jié)構(gòu)為Bi2S3，其中CuFe2O4密集的生長在Bi2S3表面。上述XRD，SEM，EDS的結(jié)果能夠有效的證明Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)材料的成功構(gòu)筑。

圖3 (a-c) Bi2S3, CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4的SEM圖像；(d-f) Bi2S3, CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4的EDS譜圖；(e) Bi2S3@CuFe2O4的EDS Mapping圖像Fig 3 (a-c) SEM images of Bi2S3, CuFe2O4 and Bi2S3@CuFe2O4; (d-f) EDS pattern of Bi2S3, CuFe2O4 and Bi2S3@CuFe2O4; (e) EDS Mapping of Bi2S3@CuFe2O4

2.2 材料的結(jié)合機理，光吸收能力及帶隙的分析

為研究Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)中兩者之間的結(jié)合機理，我們測定了Bi2S3,CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4的 Zeta 電位。如圖4(a)所示，Bi2S3為表面帶負電荷的納米材料((-9.19±1.07)eV)，而CuFe2O4為表面帶有正電荷的納米材料((8.62±0.40)eV)。 兩者結(jié)合后 Bi2S3@CuFe2O4呈正電荷((5.54±0.58)eV)，這是由于兩者結(jié)合后CuFe2O4均勻的包裹在Bi2S3的表面。上述Zeta電位結(jié)果證明了Bi2S3與CuFe2O4主要通過靜電相互作用而結(jié)合。

圖4(b)為Bi2S3，CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)材料的UV-vis譜圖。從圖中可以觀察到Bi2S3與CuFe2O4從紫外光到近紅外光均有較好的吸收能力，其具有在外界光激發(fā)下進行光治療的潛力。特別的是，當Bi2S3與CuFe2O4形成異質(zhì)結(jié)后，在808 nm附近的光吸收能力有顯著提升，這說明該種異質(zhì)結(jié)的成功構(gòu)筑能夠有效地提升材料體系的近紅外光的吸收能力從而增強材料的光熱效果與光催化效果。

圖4(c)，(d)分別為通過 UV-vis 漫反射光譜計算得到的Bi2S3和 CuFe2O4的帶隙寬度。經(jīng)計算，Bi2S3的帶隙為1.25 eV， CuFe2O4的帶隙為1.72 eV。與先前文獻中報導的帶隙結(jié)構(gòu)保持一致[15,20]。

2.3 光熱效應表征

本研究通過使用組織穿透性較強的808 nm波長的近紅外光為基礎(chǔ)，研究了材料在近紅外光觸發(fā)下的光熱效應，記錄了樣品的實時光熱照片和溫度變化曲線。圖5(a)-(c)與圖6顯示了各組材料暴露在不同功率近紅外光下的溫度升高曲線和紅外成像圖。近紅外光激發(fā)的12 min內(nèi)，去離子水的溫度幾乎沒有變化，而其他各材料組的溫度均有顯著的上升。Bi2S3, CuFe2O4, Bi2S3@CuFe2O4組的溫度均有顯著增加，且隨著近紅外光功率的增加，溫度的提升效果也隨之增加。值得注意的是，相比于Bi2S3與CuFe2O4，Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)的光熱效果有顯著的提升，這是由于異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)形成后，Bi2S3@CuFe2O4在808 nm的近紅外光下的光吸收能力顯著增強，能夠更為有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能。圖5(d)展示了Bi2S3@CuFe2O4在5個光照-黑暗循環(huán)下的光熱循環(huán)曲線，可以看出Bi2S3@CuFe2O4在5個光熱循環(huán)內(nèi)的溫度變化趨勢(溫度頂點/低點和升溫/降溫趨勢)均未出現(xiàn)明顯的差異，說明Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)材料具有較好的光熱轉(zhuǎn)化穩(wěn)定性。

圖5 (a) 0.5 W/cm2， (b) 1.0 W/cm2, (c) 1.5 W/cm2的808 nm近紅外光下的各組材料的光熱溫度變化曲線; (d) Bi2S3@CuFe2O4的光熱循環(huán)曲線Fig 5 Photothermal heating curves of Bi2S3, CuFe2O4, and Bi2S3@ CuFe2O4 under (a) 0.5 W/cm2, (b) 1.0 W/cm2, and (c) 1.5 W/cm2 808 nm NIR irradiation; (d) cyclic photothermal curves of Bi2S3@GO

圖6 在0.5，1.0和1.5 W/cm2 的808 nm近紅外光下的各組材料的光熱成像圖Fig 6 Representative real-time infrared thermal images of various materials upon 0.5, 1.0, and 1.5 W/cm2 808 nm NIR irradiation

2.4 光催化性能研究

圖7 在808 nm的近紅外光照射下(a) Bi2S3，(b) CuFe2O4和(c) Bi2S3@CuFe2O4的DPBF降解結(jié)果(用于檢測1O2 and Fig 7 Reduction of DPBF for the detection of 1O2 and in (a) Bi2S3, (b) CuFe2O4 and (c) Bi2S3@CuFe2O4 with 808 nm NIR irradiation

2.5 光熱/光催化機理

圖8展示了Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)光催化與光熱機理圖。根據(jù)先前文獻所報道，Bi2S3材料價帶頂處于0.85 eV[25], CuFe2O4的價帶頂處于0.46 eV[19]。我們計算了Bi2S3與CuFe2O4的禁帶寬度，分別為1.25與1.72 eV(圖4(c), (d))。因此CuFe2O4的導帶底所處電位比Bi2S3的導帶底所處電位更負。在近紅外光激發(fā)下，處于半導體材料價帶位置上的電子躍遷至高能級的導帶上，形成光生電子-光生空穴對[26]。在CuFe2O4的導帶上的激發(fā)電子可以有效地轉(zhuǎn)移至Bi2S3結(jié)構(gòu)中，而在Bi2S3的價帶上的光生空穴可以轉(zhuǎn)移至CuFe2O4的價帶上，從而有效地實現(xiàn)了光生電子與光生空穴的分離，提高了光生電子的運動時間，增加了材料體系中的載流子密度,從而有效地提高了材料體系的光催化性能。其中一部分光生電子與吸附在材料表面的氧氣發(fā)生Ⅰ型與Ⅱ型光催化反應(Ⅰ型與Ⅱ型同時進行反應)，從而產(chǎn)生單線氧和超氧根[27]；另一部分光生電子向低能級躍遷與空穴重新結(jié)合，在電子與空穴的結(jié)合過程中，電子運動過程會與晶格進行摩擦碰撞引發(fā)晶格振動，從而產(chǎn)生熱[28]。此外, Bi2S3@CuFe2O4因其較強的近紅外光吸收能力，能夠有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而產(chǎn)生光熱效應。

圖8 光熱/光動力效應機理圖Fig 8 Mechanism of photothermal/photodynamic effect

2.6 抗菌實驗表征

上述研究結(jié)果表明，Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)材料在近紅外光激發(fā)下?lián)碛辛己玫墓鉄徂D(zhuǎn)換和光催化產(chǎn)生活性氧的能力，因此接下來我們以S.aureus和E.coli為模型細菌，通過再涂平板法探究了異質(zhì)結(jié)材料的體外抗菌性能。圖9為金黃色葡萄球菌與大腸桿菌在不同條件下處理的細菌涂板圖，以黑暗條件下的純菌液做為對照組。從瓊脂培養(yǎng)板的照片可以看出，不論是對于S.aureus還是E.coli，黑暗條件下處理的各組均存在大量活性細菌菌落(圖10(a),(b))。然而，在近紅外光照射處理12 min后，對照組仍生長有大量菌落，說明近紅外光本身無抗菌效果。而在近紅外光照射處理12 min后，Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)組的瓊脂板上的菌落急劇減少，這表明Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)材料具有優(yōu)異的近紅外光介導的廣譜抗菌性能，其對于革蘭氏陽性菌與革蘭陰性菌均具有優(yōu)異的殺菌能力。

圖9 Bi2S3@CuFe2O4的抗菌性能評估Fig 9 Antibacterial performance of Bi2S3@CuFe2O4

基于上述實驗結(jié)果，Bi2S3@CuFe2O4的光熱/光動力效應的協(xié)同殺菌機理如圖1(b)所示。在近紅外激光照射下，近紅外光觸發(fā)產(chǎn)生的高熱能夠有效地破壞細菌膜的完整性。與此同時，近紅外光照射下產(chǎn)生的ROS能夠有效的穿過細菌的膜，進入細菌細胞內(nèi)，使細菌內(nèi)的蛋白質(zhì)和DNA失活，最終導致細菌死亡。

3 結(jié) 論

通過水熱/溶劑熱方法成功地制備出了Bi2S3與CuFe2O4，再通過超聲作用，使兩者通過靜電作用力相互結(jié)合，制備了一種新型的異質(zhì)結(jié)材料Bi2S3@CuFe2O4。紫外吸收光譜結(jié)果證明，這種新型的異質(zhì)結(jié)材料相比于單一的Bi2S3和CuFe2O4具有更為優(yōu)異的光吸收能力。光熱實驗結(jié)果與光催化實驗結(jié)果表明，Bi2S3@CuFe2O4相比于單一的半導體材料具有更為優(yōu)異的光熱效應和光催化能力。這是由于Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有更強的光吸收能力，且異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能夠有效的進行電子的遷移，從而抑制光生電子-空穴對的復合效率，延長光生自由電子的運動時間。體外抗菌結(jié)果表明Bi2S3@CuFe2O4異質(zhì)結(jié)材料對S.aureus和E.coli的均具有優(yōu)異的抗菌能力。綜上所述，本研究深入探討了異質(zhì)結(jié)材料的抗菌機制，為抗菌治療提供了一種新的思路，同時也為制備新型的異質(zhì)結(jié)功能材料，提高半導體材料的光催化性能與光吸收性能提供了實驗依據(jù)及理論支持。