二硫化钨纳米材料的制备及其光热抗菌效应研究

皮 洋，雍 媛，赵志刚

(西南民族大学 化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)

近年来二维(2D)半导体纳米材料由于其独特的超薄层结构和相应的物理化学性质而引起了科学界的极大关注[1-2]，这些二维(2D)半导体纳米材料主要包括目前研究的石墨烯[3-4]、过渡金属硫化物(如MoS2、WS2)[5-7]、石墨化碳氮化物(g-C3N4)[8]、黑磷[9]、钯[10]和其他材料等。这其中过渡金属硫化物由于具有良好的生物相容性和光热吸收性能而被广泛应用于生物医学领域。

过渡金属硫化物是由一个过渡金属原子与两个硫原子组成的化合物，表现出强的层内硫-金属共价键(金属原子处在硫与硫原子之间)和弱层间范德华堆积，具有层状结构的优良性质，可以被相对容易的剥离。目前，关于过渡金属硫化物纳米材料的抗菌应用大部分都集中于被功能化的二硫化钼(MoS2)[11-12]，二硫化钨(WS2)有着类似于二硫化钼的结构与电子状态，然而关于二硫化钨的抗菌应用的研究却很少。因此本文通过将商品化二硫化钨固体酸洗插层，并经过离心、水洗、超声破碎以得到WS2纳米材料，同时对合成的WS2纳米材料进行结构表征，并研究了其光热性能和抗菌效果，说明WS2纳米材料用于光热抗菌的潜力和良好的应用前景。

1 实验

1.1 实验原料

浓硫酸：分析纯，四川西陇化工有限公司；商品化WS2：99.80%，上海阿尔法埃莎试剂公司；大豆酪蛋白琼脂(TSA)培养基：北京奥博星生物技术有限责任公司；实验用水为去离子水。

1.2 二硫化钨纳米材料的合成

WS2纳米材料是根据先前描述的方法通过酸洗插层合成的[13]。简而言之，首先称取2.00 g商品化WS2固体置于立式行星球磨机(XQM-0.4)中研磨6h，取60 mg研磨好的WS2粉末分散在60 mL的浓硫酸中，并在90℃下持续水浴加热搅拌24h。反应完成后，将酸洗插层的WS2样品进行离心分离，并用去离子水反复洗涤以除去过量的浓硫酸。随后，将样品分散在30 mL的去离子水中，使用超声波细胞粉碎机(SCIENTZ-II D)破碎样品8h至其水溶性良好。之后将获得的WS2溶液以3000 r/min离心10min，取上清液，去除离心管壁上WS2大分子。最后将上清液以12000 r/min离心10min即可获得固体WS2纳米材料。

1.3 分析仪器设备

傅里叶红外光谱仪(WQF-520A，北京北分瑞利分析仪器公司)；X射线衍射仪(XD-6，北京普析通用仪器有限责任公司)；紫外可见分光光度计(UV-6100，上海美谱达仪器有限公司)；拉曼光谱仪；红外热成像仪(E40，FLIR)。

1.4 光热效应研究

将WS2纳米材料溶于超纯水中，以得到不同浓度的WS2溶液(50,100,200,300 ppm)，取1 mL溶液置于塑料比色皿中，盖上盖玻片，将808 nm激光器探头对准比色皿正中心照射15min，并用红外热成像仪(E40,FLIR)检测溶液的温度变化。同时还检测了WS2溶液(100 ppm)用808 nm激光照射15min，然后关闭808 nm激光进行15min冷却的温度变化，如此循环五个周期以测定WS2纳米材料的光热稳定性。相似地，WS2纳米材料在不同激光功率密度照射下的光热效应测定也是如此。

1.5 抗菌性能研究

1.5.1 大肠杆菌的培养

将大肠杆菌(ATCC 25922)菌种培养在LB固体琼脂平板上，然后挑选较好的菌落移至10 mL LB液体培养基中，并在恒温摇床37℃下振荡8h。当达到对数生长期(A600=0.4)时，以8000 r/min离心1 min收集细菌，随后将收集到的细菌洗净，重悬于磷酸缓冲液(PBS,10 mM,pH 值=7.4)中,并稀释至106 CFU·mL-1，保存于4℃冰箱用于后续实验。

1.5.2 抗菌性能的测试

首先准确配制好不同浓度的WS2溶液(0,12.5,25,50,100,200 ppm)，每个浓度配制两份，将不同浓度的WS2溶液与上述培养的细菌混合均匀，并在恒温摇床37℃下培养30 min，之后每个浓度取一份用808 nm激光发射器以1.0 W/cm2激光功率密度照射15min，并且使用红外热像仪(E40，FLIR)监测温度，其余不照激光组继续孵育。共孵育60分钟后，将所有分组全部取出，取100 μL细菌悬浮液用凃棒均匀铺于固体培养基中，并置于恒温培养箱中37℃培养12～18 h，最后取出拍照并以平板计数法计算菌落数。所有细菌实验均平行重复三次。

2 结果与讨论

2.1 材料的表征

图1 WS2纳米材料的(a)紫外光谱，(b)红外光谱，(c)拉曼光谱和(d)XRD图谱Fig.1 (a) UV-vis absorption spectrum (b) FT-IR spectrum,(c)Raman spectrum and (d)XRD patterns of WS2 nanomaterial

对合成的WS2纳米材料进行FT-IR、UV-vis、XRD、Raman表征以观察其微观结构，如图1所示。图1(a)是WS2纳米材料的紫外光谱，在644 nm处出现了特征峰，且在近红外区域也有很强的吸收；图1(b)是WS2纳米材料的红外光谱，出现了2937 cm-1、1665 cm-1、1505 cm-1特征谱带，其结果与文献是相符合的[13]；图1(c)是WS2纳米材料的拉曼光谱，在349.9 cm-1和415.6 cm-1处出现了特征峰，分别对应于E12g和A1g振动量子[14-15]；图1(d)是WS2纳米材料的XRD图谱，其中2θ角14.2°、32.8°、33.5°、39.7°、49.7°分别对应于(002)、(100)、(101)、(006)、(106)晶面[16]，没有其他杂质峰，表明样品纯度很高。

2.2 WS2的光热性能测试

由紫外图谱可知，二硫化钨在近红外区域具有强烈吸收，于是我们对WS2的光热性能进行了探究。首先配置了不同浓度的WS2溶液(50,100,200,300 ppm)，然后取1mL不同浓度的WS2溶液和去离子水用808 nm激光器以1 W/cm2的激光功率密度照射15 min，同时使用红外热成像仪(E40,FLIR)监测溶液的温度变化，以探究不同材料浓度对WS2溶液温度改变的影响，如图2所示。结果表明，随着浓度的增大，WS2纳米材料的温度也变得越来越高，其中浓度为300 ppm的WS2溶液温度升高到54.8℃，而水在相同的条件下则没有明显的温度变化。

接着我们探究了不同激光功率密度对WS2溶液温度改变的影响，取浓度为100 ppm的WS2溶液用808 nm激光器分别以0 ,0.3 ,0.6 ,0.8 ,1.0 W/cm2的激光功率密度照射15 min，同时使用红外热成像仪监测溶液的温度变化，如图3所示。结果表明，WS2纳米材料溶液的温度改变与激光功率密度密切相关，浓度为100 ppm的WS2溶液以1 W/cm2的激光功率密度照射15 min后，温度上升到50.3℃，而不照射808 nm激光则没有明显的温度变化。

图2 WS2纳米材料在不同浓度下的光热效应Fig.2 Photothermal effects of different concentrations of WS2 nanomaterials

图3 WS2在不同激光功率 密度照射下的光热效应Fig.3 Photothermal effects of WS2 under different laser power densityirradiation

为了评估光热吸收剂的一个基本参数-光热稳定性，我们将浓度为100 ppm的WS2溶液用808 nm激光照射15min，然后关闭808 nm激光进行15min的冷却，同时使用红外热成像仪监测溶液的温度变化，如此循环五个周期，如图4所示。从图中可以看出，循环五个周期后，WS2纳米材料的光热性能也没有明显的下降，表明其具有很高的光热稳定性。

以上结果表明：WS2纳米材料可以有效地将近红外光能量转换为热能，其光热效应与材料的浓度、激光功率密度相关，且具有很高的光热稳定性，是一种很好的光热吸收剂。

图4 WS2纳米材料的光热稳定性测试Fig.4 Photothermal stability test of WS2 nanomaterials

2.3 抗菌实验

选取最常见的细菌-革兰氏阴性大肠杆菌为研究对象，探究了WS2纳米材料的生物毒性和光热抗菌效果，如图5所示。结果表明：与对照组相比，将WS2纳米材料与细菌一起孵育12小时后，即便其浓度高达200mg/L，也没有观察到明显的细菌菌落减少，表明WS2纳米材料具有优异的生物相容性和低细菌毒性，然而将WS2纳米材料与细菌混合并使用808 nm激光照射15 min后，可以观察到细菌菌落数量急剧减少，且WS2纳米材料的浓度达到200 mg/L并在808 nm激光照射下，细菌的抑制率高达到97.5%，具有显著的光热抗菌效果。

图5 WS2纳米材料的抗菌效果(a)图片和(b)细菌存活率Fig.5 Antibacterial effects of WS2 nanomaterials (a) pictures and (b) bacterial survival rate

3 结论

(1)通过对WS2纳米材料进行FT-IR、UV-vis、XRD、Raman等一系列表征，证明了WS2纳米材料的成功合成。

(2)WS2纳米材料可以有效地将近红外光能量转换为热能，其光热效应与材料的浓度、激光功率密度相关，且具有很高的光热稳定性，是很好的光热吸收剂。

(3)WS2纳米材料具有优异的生物相容性和低细菌毒性，且WS2纳米材料的浓度达到200 mg/L并在近红外808 nm激光照射下15min对革兰氏阴性大肠杆菌的抑制率高达到97.5%，具有显著的光热抗菌效果。