聚吡咯包裹WO3-x 纳米粒子的制备及光动力光热和杀菌性能

祁星瑞，靳 焘,3,4,5,6*

（1. 中国科学院广州化学研究所，广东 广州 510650；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 中科检测技术服务（广州）股份有限公司，广东 广州 510650；4. 中国科学院新型特种精细化学品工程实验室，广东 广州 510650；5. 国科广化韶关新材料研究院，广东 南雄 512400；6. 国科广化（南雄）新材料研究院有限公司，广东 南雄 512400）

全球第二大死亡原因是病原微生物引起的传染病[1-2]。而抗生素滥用多数情况下会导致细菌耐药性，所以探究新的杀菌方法有重要意义。

近年来，非化学计量的氧化钨作为具有丰富缺陷结构和良好物理化学特性的光催化剂引起了广泛关注。其禁带宽度约为2.4～2.8 eV[3-4]。目前，许多研究已经证明了WO3-x作为杀菌光催化剂的可行性。WO3-x的缺陷结构促进了其在可见光和近红外区域的光吸收。然而现有文献表明，纯WO3-x光生载流子的重组速度较快，光生载流子的利用率较低，因此作为光催化杀菌剂的效率相对较低[5]。构建有机/无机异质结被认为是设计高效光催化剂的有效策略[6]。聚吡咯（PPy）是一类由π 共轭单元组成的新型有机半导体，已广泛应用于聚合物电致发光和有机光伏等光电器件中。PPy 结构中π 键和π*键的跃迁使其具有较宽的吸收范围和较强的近红外区吸收能力以及良好的光热转换能力。所以考虑利用PPy 与WO3-x形成有机/无机异质结构。目前，聚吡咯/WO3-x材料的制备主要应用于传感器[7]，而应用于光动力光热杀菌较少报道。

针对WO3-x光催化和光热性能不佳等缺点，本文计划通过原位还原制备PPy/WO3-x有机/无机异质结构，用扫描电镜和红外光谱表征复合材料。对PPy/WO3-x的近红外光下活性氧生成能力和光热性能进行测试，并对杀菌性能进行探究，以期达到增强WO3-x的光动力光热杀菌性能。

1 实验

1.1 试剂和仪器

试剂：蒸馏水；无水乙醇，分析纯，广州创试生物科技有限公司；异丙醇，色谱纯，广州市同源化工科技有限公司；氯化钨，分析纯，广州创试生物科技有限公司；吡咯，分析纯，广州创试生物科技有限公司；氯化铁六水合物，分析纯，广州创试生物科技有限公司；大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，中科检测技术服务（广州）股份有限公司。

仪器：扫描电子显微镜（SEM），Zeiss Sigma 300，HITACHI SU8010；红外光谱仪（FTIR），Bruker Vertex 70；红外激器，808nm-20w；热成像仪（FLIR），E5-XT。

1.2 聚吡咯包裹的WO3-x 纳米粒子制备

WO3-x纳米粒子的制备在文献[8]基础上改进为：采用溶剂热法制备WO3-x纳米粒子。首先，将WCl6溶解于异丙醇中，在磁力搅拌下形成前驱体溶液。搅拌一段时间后，将溶液加入100 ml 的特氟龙内衬不锈钢高压反应釜中。在160℃烤箱中加热24 h。产品冷却后离心，用乙醇和蒸馏水洗涤数次去除杂质，然后真空干燥。

聚吡咯包裹的WO3-x制备在文献[9]基础上改进为：将 0.1 克 WO3-x纳米粒子加入 25 毫升FeCl3·6H2O 溶液，并不断搅拌使吡咯聚合在WO3-x上。在剧烈搅拌下，将特定量的40%吡咯加入到该混合物中，并形成黑色沉淀。搅拌6 小时后，用蒸馏水和乙醇多次洗涤，然后在60℃下干燥24 小时。得到的复合材料记为PW。

1.3 ROS 检测及光热性能测试

将含有1,3-二苯基异苯并呋喃（1 mg/mL）的N,N-二甲基甲酰胺溶液加入3 mL 超纯水或PW 溶液中。然后，在磁力搅拌下将这两种溶液置于黑暗中，再用808 nm 红外激光照射。离心后，使用紫外可见分光光度计测定上清液在410 nm 波长处的吸光度。可以根据吸光度值的变化反映ROS 生成能力。

红外激光照射PW 溶液引起的温度升高，使用热成像仪（FLIR）记录。

1.4 细菌培养及体外杀菌性能测试

工作中使用的菌株是大肠杆菌（ATCC8099）和金黄色葡萄球菌（ATCC6538）。细菌培养基为大豆酪蛋白琼脂（TSA）。在无菌环境中将细菌接种到培养基中，然后在37℃恒温培养24 小时至对数期。细菌悬浮在0.85% NaCl 溶液中使其浓度约为109cfu/mL，然后用 0.85% NaCl 溶液稀释至所需的细胞密度（107cfu/mL）。在灭菌实验中，称取PW 纳米粒子并将其分散在生理盐水中。将细菌溶液加入到96 孔板中，随后加入PW 溶液，PW 的最终浓度为0.125 mg/mL。最后在808 nm 激光器下照射10 分钟。平板计数法评价PW 的灭菌率。灭菌实验分三次进行。实验中使用的玻璃器皿均经过高压灭菌处理。

2 结果与讨论

2.1 PPy/WO3-x 纳米材料的表征

WO3-x和PW 的形貌可以通过SEM 进行表征。图1 为合成样品的SEM 图像。图1a 显示了WO3-x纳米粒子的形貌，由图可知，其由长度300nm 左右的纳米棒捆绑形成，粒径分布较为均匀。图1b 显示了聚吡咯包裹的WO3-x形貌。在WO3-x的基础上，PPy 原位聚合后使其表面变得光滑，未明显改变粒径的大小。

图1 WO3-x(a)和P(b)纳米粒子的SEM 图

图2 显示了PPy、WO3-x和PW 的傅立叶变换红外光谱。PW 的红外光谱显示，WO3-x在与PPy复合后于1541 cm-1处的特征峰是PPy 环的拉伸振动，而1039 cm-1处的特征峰是C-N 键。这些结果表明PPy 与WO3-x成功复合。

图2 制备样品的傅立叶变换红外光谱

2.2 PPy/WO3-x 的光动力及光热性能

1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）探针来检测ROS 的产生。ROS 产生的能力表现在410 nm 处吸光度值的降低。1,3-二苯基异苯并呋喃与单线态氧结合会被其不可逆氧化，所以会导致在410 nm 处吸光度值下降。图3a 显示了808 nm 激光下，纯水环境中，WO3-x和PW 的单线态氧生成能力。从中可以看出，PW 的DPBF 溶液吸光度显著下降，表明WO3-x和PPy 复合之后产生大量单线态氧。证明PPy 在WO3-x表面原位聚合后，两者之间形成的有机/无机异质结增强了WO3-x的光催化性能，而光催化性能的提高会促进活性氧的生成，这有利于材料的杀菌性能提高。

图3 a. 红外光触发的单线态氧生成；b. 不同浓度的PW水溶液和作为对照的超纯水在近红外辐照下的温度变化

图3b 显示了不同浓度的PW 水溶液和作为对照的超纯水在近红外辐照下的温度变化，红外波长为808 nm，功率密度为1 W/cm2。如图4 所示，纯水作为对照组在激光照射下的温度升高比较有限。而PW分散溶液随着时间的推移都表现出显著的温度升高。这表明PW 能够在808 nm 照射下快速和有效地将近红外光能转化为热能。此外，与浓度相关的光热效应进一步证明了PW是一种有效的光热剂，能够引起光热效应。

图4 a. PW 对金黄色葡萄球菌的杀菌性能；b. PW 对大肠杆菌的杀菌性能

上述结果表明，PPy/WO3-x纳米材料具有较强的光热转换能力和产生ROS 的能力。因此，通过PPy 在WO3-x上的原位聚合可以作为PTT/PDT 联合杀菌的潜在候选材料。

2.3 PPy/WO3-x 的体外杀菌性能

图4显示了金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行近红外光辐射下的抗菌性测试。在808 nm 红外光照射10 min 后，空白组对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率较低。而在没有红外光照射的情况下，仅在菌液中加入PW 纳米粒子，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率分别为10.76%和12.91%。相比之下，加入PW 后并在808 nm 照射下对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率分别为99.89%和99.71%。以上说明，体系中仅存在PW 纳米粒子或仅有808 nm 照射下，没有明显的杀菌性能，只有在PW纳米粒子在红外光下产生的光催化和光热性能对细菌有明显的灭活作用。

用PW处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的琼脂平板菌落见图5。很明显，PW 处理10 分钟后，细菌存活率明显降低。

图5 PW 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌处理后琼脂平板的代表图片

表1 显示了该工作与其他报道的对比，可以看出该工作在光动力光热杀菌方面具有优势。

表1 本文材料的杀菌性能与其他文献对比

3 结论

综上所述，利用简单的溶剂热法合成了WO3-x纳米粒子，用原位还原的方法制备了聚吡咯包裹的WO3-x。将合成的PPy/WO3-x纳米材料用于光动力光热联合杀菌。PPy/WO3-x构成的异质结构使其光催化性能得到增强，从而提高了活性氧的生成能力，进而增强了光动力杀菌性能。并且PPy/WO3-x良好的光热性能也有利于杀菌。经PPy/WO3-x光照处理10 分钟后，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率均能超过99%。总之，这种价格低廉、易于合成的材料有望成为光动力和光热联合杀菌的潜在候选材料。