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作者：

吴赟炎

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摘要：

针对日益严重的细菌污染问题,高效、持久光催化抗菌材料的研发是一种有效的解决途径。光催化剂在太阳光照射下会产生一些活性基团(·OH,O_2~(·-)和h~+等),破坏细菌的有机结构,达到杀死细菌的目的。石墨相氮化碳(g-C_3N_4)是一种具有良好生物相容性、适合带隙宽度、优异稳定性的半导体光催化剂,但是它仍具有比表面积小、光生载流子复合速率高等缺点。所以,本文通过形貌调控和化学复合等手段对g-C_3N_4纳米片进行改性和修饰以提高光催化抗菌性能。本工作重点研究了多孔g-C_3N_4纳米片、银/聚多巴胺(PDA)/石墨相氮化碳复合材料和银@氯化银/聚多巴胺/石墨相氮化碳复合材料的可控制备方法,通过对大肠杆菌(E.coli)的抗菌性能测试(抑菌圈、最低抑菌浓度、最低杀菌浓度等),证明了g-C_3N_4基光催化材料用于抗菌应用的可行性,并进一步探究抗菌性能与材料结构之间的关系。本工作主要的研究内容和结论如下:1.以尿素为原料,采用多次热氧化剥离法成功制备了多孔g-C_3N_4纳米片。SEM、TEM和AFM等形貌分析结果表明随着热氧化剥离的进行,材料的厚度变小,出现了大量规则孔洞,厚度可降低至0.45 nm,比表面积高达~148.50 m~2g~(-1)。抗菌测试结果表明多孔g-C_3N_4纳米片在光照下具有良好的抗菌作用,对大肠杆菌(E.coli)的最低抑菌浓度(minimum inhibitory concentration,MIC)为800 ppm。2.以NaBH_4为还原剂,采用冰水浴原位自组装法成功制备了Ag/PDA/g-C_3N_4复合材料。粒径约为10 nm的球形银纳米颗粒(Ag NPs)负载于g-C_3N_4片层上,由于Ag的电荷转移机制加上Ag NPs优异的抗菌能力,实现了活性氧基团(ROS)和Ag NPs的协同杀菌。在可见光下实现了低Ag含量的高效抗菌,对大肠杆菌(E.coli)的最低抑菌浓度(MIC)和最低杀菌浓度(minimal bactericidal concentration,MBC)分别45 ppm和30 ppm。在PDA的作用下,复合材料还表现出良好的生物相容性和循环稳定性。3.以绿色、无毒、简便的光照还原法,通过调节pH值可控制备了Ag@AgCl/PDA/g-C_3N_4复合材料。当pH值调至9时,材料上纳米颗粒分散最为均匀。该复合材料具有更加优异的光催化抗菌性能,MIC值最低可以降至25 ppm。该材料对正常细胞HOSEpic和HUVEC毒性较低,而对卵巢癌细胞A2780和SKOV3毒性较高,预示着该材料在生物领域具有很好的研究前景。

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关键词：

石墨相氮化碳(g-C_3N_4) 银纳米颗粒(Ag NPs) 聚多巴胺(PDA) 抗菌性能 协同作用