互花米草綠色合成ZnO納米顆粒及其光催化和抑菌性能

景 花， 紀(jì)麗麗*， 周亞蕊， 郭 健， 孫佳星， 陸詩堯

(1. 浙江海洋大學(xué)/國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心， 舟山 316022; 2. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院， 舟山 316021; 3. 浙江海洋大學(xué)食品與醫(yī)藥學(xué)院， 舟山 316022)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米材料在材料、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]，由于納米粒子具有小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及介電限域效應(yīng)等，納米粒子比常規(guī)材料性能更加優(yōu)良[3]，ZnO是繼TiO2以來第二代半導(dǎo)體光催化劑，具有和TiO2相似的禁帶寬度和導(dǎo)帶位置，并且具有更好的電子遷移率和穩(wěn)定性[4]。此外，低劑量的ZnO即可對多種病原菌產(chǎn)生抗菌活性[5]。由于納米ZnO具有更優(yōu)越的光催化活性和抑菌性能，因此，近年來納米ZnO的合成一直是國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前合成納米ZnO的方法主要分為物理法、化學(xué)法、生物法，其中生物法的原料來源十分廣泛，包括植物、細(xì)菌、藻類等[6-7]。研究發(fā)現(xiàn)，植物中含有豐富的還原性小分子物質(zhì)(如萜烯類、多酚類、生物堿、酚酸類、黃酮類、醌類等)，可替代化學(xué)試劑，在合成ZnO納米顆粒過程中發(fā)揮還原劑和分散劑的作用，并且制備的ZnO納米顆粒比其他原料制備的納米顆粒更加穩(wěn)定[8]。此外，采用植物提取液為原料制備納米ZnO還具有工藝溫和、環(huán)保、高效、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

互花米草(Spartinaalterniflora)是多年生的根莖草，原產(chǎn)于北美大西洋沿岸，在1979年被引入江蘇沿海，在保灘護(hù)岸發(fā)揮短暫的作用后，與當(dāng)?shù)刂参锔偁?。近年來，互花米草作為我國濱海濕地最主要的外來入侵物種，不僅在黃河三角洲的潮汐地區(qū)迅速擴(kuò)張，取代了本地物種，威脅了當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有訹9]，進(jìn)而對我國造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，除了對互花米草治理，合理利用成為另一種生態(tài)途徑。研究發(fā)現(xiàn)互花米草中黃酮類含量較高，尤其在葉片中的含量最高，黃酮總質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到27.584 mg/g，并且發(fā)現(xiàn)互花米草中含有蛋白質(zhì)、氨基酸、生物堿類等還原性成分[10]，可作為前驅(qū)體綠色合成ZnO納米顆粒，目前尚無利用互花米草制備Nano-ZnO納米顆粒的研究報(bào)道。

本文提出Nano-ZnO的綠色化學(xué)法制備方法，即利用互花米草葉提取液，以聚乙烯吡咯烷酮為修飾劑，乙酸鋅為原料，采用溶膠-凝膠法制備ZnO納米顆粒；采用掃描電子顯微鏡 (SEM)、傅里葉紅外光譜 (FTIR)、X射線衍射 (XRD)、紫外-可見漫反射光譜 (UV-Vis DRS)分析了綠色合成的納米ZnO表面形貌、活性基團(tuán)、晶型結(jié)構(gòu)和光吸收特性；探討了納米ZnO對有機(jī)染料孔雀石綠(MG)的光催化降解活性以及對金黃色葡萄球菌的抑菌性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料制備

互花米草提取液的制備：將新鮮收集的互花米草葉用蒸餾水洗凈后在烘箱中60 ℃下烘干5 h，粉碎至粉末。稱取2 g粉末置于1 L容量瓶中，加入400 mL體積分?jǐn)?shù)為95.0%的乙醇，置于恒溫水浴鍋中80 ℃下提取2 h，紗布過濾得到互花米草提取液。

ZnO納米顆粒的制備：準(zhǔn)確稱取1.756 g(0.02 mol/L)二水合乙酸鋅(Zn(Ac)2·2H2O)，置于容積為500 mL錐形瓶中，加入200 mL蒸餾水，磁力攪拌1 min后加入0.1 g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),繼續(xù)攪拌5 min，緩慢添加100 mL互花米草提取液，然后攪拌1 h，最后加入100 mL濃度為0.4 mol/L的NaOH溶液，攪拌1 h后生成乳綠色絡(luò)合物，即ZnO納米顆粒前驅(qū)體。將前驅(qū)體在8 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心，放入烘箱60 ℃下干燥8 h，將干燥后的樣品轉(zhuǎn)移到管式爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下以5 ℃/min的速率由室溫升溫至400 ℃并在400 ℃下煅燒2 h，自然冷卻到室溫后得到ZnO納米顆粒(Nano-ZnO)。

1.2 材料表征

采用粉末X射線衍射(XRD)表征樣品的晶型結(jié)構(gòu)，通過Debye Sherrer方程確定晶粒粒徑；利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)在400～4 000 cm-1波數(shù)范圍分析綠色合成ZnO和ZnO標(biāo)樣的組成及活性基團(tuán)。通過紫外-可見漫反射吸收光譜(UV-Vis DRS)測定樣品的光吸收特性；通過掃描電子顯微鏡(SEM)表征樣品的微觀結(jié)構(gòu)及形貌。

1.3 光催化活性測試

光催化降解有機(jī)染料實(shí)驗(yàn)在光化學(xué)反應(yīng)器(XPA-7，中國江蘇省徐江機(jī)電廠)中進(jìn)行，稱取40 mg樣品加入到100 mL(50 mg/L)孔雀石綠溶液中，黑暗環(huán)境下磁力攪拌，每隔10 min取樣直至吸附平衡。將300 W氙氣燈(FSX-300，波長范圍為：180～700 nm，北京NBeT集團(tuán)公司)置于距液面25 cm處，每隔10 min取出20 mL溶液，以8 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心2 min取上清液，采用UV-Vis分光光度計(jì)在617 nm波長處測量吸光度，以ZnO光催化劑降解MG作為對照空白實(shí)驗(yàn)。

光催化降解率:

(1)

其中，A0為MG的初始吸光度，At為在某個(gè)反應(yīng)時(shí)間點(diǎn)測得的吸光度。

1.4 活性物種測試

進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別向反應(yīng)體系中加入2 mL二甲基亞砜(DMSO，0.1 moL/L)、甲酸(FA，0.1 moL/L)和對苯醌(BQ，0.05 moL/L)分別作為·OH、h+和·O2-的自由基捕獲劑。

1.5 抗菌分析

采用濾紙片法，測定綠色合成Nano-ZnO的抗菌性能。將6 mm圓形濾片浸泡在10 mg/mL的Nano-ZnO溶液中，超聲5 min。將100 μL金黃色葡萄球菌懸液接種至50 mL LB液體肉湯培養(yǎng)基中，放置在搖床37 ℃下培養(yǎng)8 h，測定光密度OD并計(jì)算菌群密度為5.6×107mL-1(CFU)，然后滴加在LB固體肉湯培養(yǎng)基上并均勻涂布。取濾紙片放置于培養(yǎng)基表面，然后置于培養(yǎng)箱中37 ℃下培養(yǎng)12 h，測其抑菌圈的直徑，平行做3次實(shí)驗(yàn)，并以ZnO的抑菌實(shí)驗(yàn)作為對照。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料表征

分析綠色合成Nano-ZnO和ZnO的XRD圖譜(圖1)可知，Nano-ZnO和ZnO的衍射峰基本一致，在2θ=31.76°、34.42°、36.24°、47.51°、56.57°、62.80°和 67.93°處的衍射峰與ZnO的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)(JCPDS：36-1451)的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(200)衍射晶面一致[11]。然而Nano-ZnO的衍射峰更加尖銳，表明其結(jié)晶性更好，粒子尺寸更小，預(yù)示著互花米草提取液綠色合成的納米ZnO具有更優(yōu)秀的尺寸效應(yīng)[12]。

圖1 Nano-ZnO和ZnO的XRD圖譜

Nano-ZnO微晶的平均粒徑采用Scherrer方程計(jì)算[13]。

(2)

其中，D為晶粒平均粒徑，λ為波長，β為衍射峰半峰寬，k為Scherrer常數(shù)(0.89)。計(jì)算出Nano-ZnO的晶粒平均粒徑為36.8 nm，表明綠色合成Nano-ZnO顆粒尺寸已達(dá)到納米級別，有利于提高其光催化活性和抑菌活性[14]。

樣品的FTIR光譜如圖2所示，與ZnO相比，Nano-ZnO紅外光譜中出現(xiàn)多個(gè)吸收峰，表明其表面存在多種官能團(tuán)。在波數(shù)480 cm-1處的伸縮振動為ZnO的特征吸收峰。在3 407 cm-1處的寬峰歸因于O—H的振動[15]。在波數(shù)1 590 cm-1處的吸收峰屬于CC鍵，而927 cm-1處的吸收峰歸因于CO的伸縮振動[16]。此外，互花米草制備的Nano-ZnO在波數(shù)2 429～2 291 cm-1范圍出現(xiàn)吸收峰，可能與殘留的生物碎片有關(guān)。在776～634 cm-1范圍的吸收峰表明存在烷基和C—H鍵[17]，1 446 cm-1處的峰藍(lán)移到1 449 cm-1，這歸因于酚環(huán)類化合物(如多元醇、黃酮醇和氨基酸等)與Nano-ZnO表面的相互作用[18]。KARNAN等[19]認(rèn)為，這些小分子在制備Nano-ZnO的過程中起連接劑和穩(wěn)定劑的作用，不易洗脫，在綠色合成ZnO的過程中起重要作用。

圖2 Nano-ZnO和ZnO的FTIR譜

圖3A為ZnO和Nano-ZnO的紫外吸收光譜，ZnO和Nano-ZnO在紫外光區(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)的光吸收性能，Nano-ZnO的吸收帶邊出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，擴(kuò)展了光催化劑對可見光的響應(yīng)范圍。與ZnO相比，Nano-ZnO在可見光區(qū)的光吸收利用效率得到提高。

根據(jù)圖3B，計(jì)算帶隙能(Eg)：

(3)

其中，Eg為帶隙能，h為普朗克斯常數(shù)，c為光速，λ為樣品特征波長。

圖3 Nano-ZnO和ZnO的UV-Vis DRS譜

計(jì)算結(jié)果顯示，ZnO帶隙能為3.21 eV，而Nano-ZnO的帶隙能減小到3.09 eV，帶隙能減小即電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移至導(dǎo)帶(O 2p→Zn 3d)基帶吸收能降低，有利于光催化時(shí)的電子轉(zhuǎn)移[20]，通過費(fèi)米能級原理進(jìn)一步證明綠色合成的Nano-ZnO在可見光區(qū)域的光響應(yīng)顯著改善。

Nano-ZnO顆粒呈球形、橢圓形、棒狀等不規(guī)則形狀(圖4)，顆粒分散性好，團(tuán)聚現(xiàn)象較少，這與互花米草中類黃酮、生物堿類、氨基酸、蛋白質(zhì)等生物小分子有關(guān)，這些小分子在ZnO的氧化鋅合成過程中起分散劑的作用[21]。小的粒徑有利于產(chǎn)生較多的光催化活性位點(diǎn)，同時(shí)團(tuán)聚程度小有助于提高Nano-ZnO光催化及抑菌性能。

圖4 Nano-ZnO和ZnO的SEM圖

2.2 材料對孔雀石綠的光催化降解性能

Nano-ZnO與ZnO對孔雀石綠溶液的光催化降解性能測試結(jié)果(圖5)表明，Nano-ZnO光催化性能明顯優(yōu)于ZnO，在達(dá)到吸附平衡后計(jì)時(shí)(t=0)并光照60 min，Nano-ZnO對孔雀石綠的去除率可達(dá)98.2%。與ZnO相比，較高的光催化活性與Nano-ZnO的禁帶寬度減小有關(guān)，禁帶寬度減小使得光催化劑在相同光照條件下可以產(chǎn)生更多的電子空穴對，同時(shí)通過XRD和SEM表征發(fā)現(xiàn)Nano-ZnO粒徑較小，顆粒團(tuán)聚程度降低，這有利于阻止電子和空穴的復(fù)合以及光生載流子的轉(zhuǎn)移，從而使Nano-ZnO光催化性能得到顯著提高。

圖5 Nano-ZnO和ZnO對孔雀石綠的去除率

Nano-ZnO光催化降解MG溶液的吸收光譜(圖6)顯示，隨著光照時(shí)間增加，MG在波長617 nm處的特征吸收峰強(qiáng)度逐漸降低，表明MG溶液中主要的發(fā)色基團(tuán)逐漸被破壞，降解液在光照60 min后幾乎觀察不到特征峰，表明降解過程已基本完成。

圖6 孔雀石綠溶液的吸收光譜

2.3 活性物種分析

通過自由基捕獲實(shí)驗(yàn)，分別添加二甲基亞砜、甲酸和對苯醌測試Nano-ZnO在光催化降解MG溶液時(shí)產(chǎn)生的活性氧自由基種類(圖7)。結(jié)果表明：在Nano-ZnO對MG染料光催化降解過程中，h+和·O2-是Nano-ZnO發(fā)揮作用的主要活性物種。

圖7 BQ、FA和DMSO對可見光照射下Nano-ZnO對孔雀石綠去除率的影響

2.4 抗菌分析

通過抑菌圈法對Nano-ZnO的抑菌活性進(jìn)行測試(圖8)，綠色合成ZnO對金黃色葡萄球菌的抑菌圈平均直徑為16.75 mm，作為對照，ZnO對金黃色葡萄球菌的抑菌圈平均直徑為8 mm，表明使用植物提取液綠色制備的Nano-ZnO抗菌性能更好。目前，對抗生素的廣泛使用導(dǎo)致一些耐藥菌株的出現(xiàn)，而使用抗菌藥物或會對身體造成不同程度損傷，ZnO納米顆粒的抗菌機(jī)制與傳統(tǒng)抗菌劑不同，其光催化活性、生物相容性以及選擇性使其成為目前抑菌材料的研究熱點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，ZnO納米粒子接觸細(xì)菌可以產(chǎn)生活性氧(ROS)和鋅離子，進(jìn)而攻擊細(xì)菌細(xì)胞壁達(dá)到抑菌效果[22-23]。本實(shí)驗(yàn)使用互花米草提取液綠色制備的Nano-ZnO具有小尺寸和良好的分散性，能夠有效破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜以及產(chǎn)生活性氧從而提高其抑菌性能。

圖8 Nano-ZnO和ZnO的抑菌性能

3 結(jié)論

利用互花米草提取液，采用溶膠-凝膠法成功制備Nano-ZnO納米顆粒，該納米顆粒具有較好的光催化降解性能，對有機(jī)染料孔雀石綠的降解率達(dá)到98.2%。Nano-ZnO所具有的較小粒徑、良好的分散性、較多的官能團(tuán)以及禁帶寬度的減小是光催化活性增強(qiáng)的因素?；钚晕锓N測試實(shí)驗(yàn)表明：在降解MG染料時(shí)Nano-ZnO中發(fā)揮作用的主要活性物種為h+和·O2-?？咕鷮?shí)驗(yàn)表明：互花米草提取液綠色化學(xué)法制備的Nano-ZnO具有更高的抑菌性能，對金黃色葡萄球菌的抑菌率是ZnO的2倍。

本研究使用植物提取液綠色化學(xué)法制備氧化鋅納米顆粒，不僅有效避免ZnO在化學(xué)合成過程中產(chǎn)生次級代謝廢物以及二次污染，而且在制備過程中體現(xiàn)快速、低成本、環(huán)保的理念，將其應(yīng)用于光催化降解有機(jī)染料的處理工藝，實(shí)現(xiàn)從植物合成到太陽能驅(qū)動的光催化理念，同時(shí)也為外來入侵物種互花米草提供一種高值化利用的新途徑。