2-3毕设正文i - 图文

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1 引言

1.1 g-C3N4的结构特征

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1996年，Teter和Hemley对C3N4重新进行了计算，推测C3N4可能具有5种结构，即α相、β相、立方相、准立方相和类石墨相[1]。在室温条件下，类石墨结构氮化碳最稳定。类石墨氮化碳g-C3N4，顾名思义，具有与石墨相似的层状结构，层间含有C3N3环或C6N7环，环与环之间通过末端的N原子相连而形成一层无限扩展的平面，如图1。三嗪和3-s-三嗪是构成g-C3N4同素异形体的两种结构单元，由于两种结构中的氮孔的大小不同，使氮原子所处的电子环境不同，从而两者的稳定性也不同[2]。Kroke等[3]通过密度泛函理论(DET)计算认为，基于3-s-三嗪结构的g-C3N4更稳定。

图1 g-C3N4同素异形体的连接形式：(a) C3N3环，(b) C6N7环[4]

1.2 g-C3N4的应用

1.2.1 铺膜材料

薄膜材料是相对于块体材料而言的，它具备一些块体材料所不具备的性能，比如说薄膜材料比较容易形成细晶、非晶状态，具有特殊的材料表面能态等。此外，相对于块体材料来说，薄膜材料比较节省药品更加降低成本。

由于g-C3N4的结构类似于石墨的层状结构，所以延展性比较好，易于铺膜，但其

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的基础上具备抑菌的本领。 1.2.2 生物方面的功能

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本身的抗菌性极其微弱，所以用壳聚糖或者纳米银对其进行改性，使其在具有铺膜性能

由于其抗腐蚀、抗氧化的特性，所以将其用于医学领域，比如涂在人造牙齿的表面，可以使人造牙齿耐酸耐碱，延长人造牙齿的使用时间。氮化碳薄膜拥有较高的硬度，较低的摩擦系数和表面粗糙度，耐腐蚀性能以及良好的血液相容性[14]等，所以可以涂在医用生物材料上，以增强材料的力学性能。 1.2.3 其他功能

g-C3N4是一种性能优良的半导体材料，在力学、光学等领域都具有广阔的应用前景。它的半导体光学特性，使其可以作为可见光响应的催化剂应用于光催化反应中[2]。也可以通过掺杂多种金属离子或者与氧化物复合制备新型的光催化剂，例如将其应用于光解水制氢，可以提高该过程的效率。此外由于其耐高温，耐摩擦的性能，制成膜以后，涂覆在机器和其他器件上，可以起到防护的作用。

1.3 纳米银的特性

纳米材料是指材料的三维结构中至少有一维处于纳米(1~100 nm)尺度范围构成的材料，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应，在光、电、磁、热力学和化学反应等方面都表现出不同于普通材料的性能，是一种重要的功能材料[16]。纳米银具有纳米材料和单质银的双重特性，具有很高的表面活性和氧化性，在光学和抗菌等方面都具有广阔的应用前景。

纳米银粒子由于具有表面增强拉曼散射(SERS)、表面荧光增强效应[17,18]等独特的光学性能。Miljanic等[19]制备了银/水凝胶复合材料，并通过增强拉曼散射发现了二-（S-苯丙氨酸）乙二酰胺凝胶分子和包覆在其中的纳米银分子间具有微弱的相互作用。

在抗菌领域，纳米银作为无机抗菌材料[9-10]，由于其原子排列表现为介于固体和分子之间的“介态”，表现出量子效应、小尺寸效应和极大的比表面积，具有其他载银无机抗菌材料无法比拟的抗菌活性，可以有效地杀灭细菌、真菌、支原体等致病微生物

[11-13]

。由于它的抗菌性，可以将纳米银制成某种材料，从而用于水体消毒，这样可以解

决当前饮用水短缺的现状[15]。

1.4 存在的问题及展望

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本课题介绍了通过三聚氰胺自身缩聚来合成g-C3N4，并进一步对壳聚糖或者纳米银，或者两者复合后对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、霉菌的抑菌效果进行了研究。由于薄膜材料的发展以及其日渐明显的优势，又因为壳聚糖和纳米银本身的铺膜效果差，所以采用类石墨氮化碳进行铺膜，然后将壳聚糖或纳米银涂在薄膜上对其进行改性，从而使此薄膜具有良好的抑菌性能。

1.5 课题研究的意义及解决的问题

纳米银作为无机抗菌材料，具有其他载银无机抗菌材料无法比拟的抗菌活性，可以有效地杀灭细菌、真菌、支原体等致病微生物，通过纳米银对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉的抑菌效果进行研究，发现高浓度的纳米银对大肠杆菌的抑制效果明显好于金黄色葡萄球菌和黑曲霉。

由于类石墨氮化碳材料不具有抗菌活性，其应用受到了极大的限制。将高抗菌性的纳米银与其复合，可赋予氮化碳材料优良的抑菌性能，从而拓宽其应用领域。据此，本课题通过热解有机物前驱体三聚氰胺，利用其自身的缩聚过程来制备类石墨结构氮化碳(g-C3N4)聚合物；并利用超声分散技术将纳米银与g-C3N4复合，制备g-C3N4/Ag复合物。实验研究过程的关键技术是纳米银在g-C3N4膜中的均匀分散。

2 实验部分

2.1 实验试剂

表1 实验药品及材料

实验药品 三聚氰胺 硝酸银

聚乙烯吡咯烷酮K30

香草醛 无水乙醇 冰乙酸 营养琼脂 牛肉膏 蛋白胨 氯化钠

规格 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 生化试剂 生化试剂 生化试剂 分析纯

生产厂家

国药集团化学试剂有限公司 天津市天感化工技术开发有限公司

天津市博迪化工有限公司 天津市大茂化学试剂厂 石家庄市华迪化工工贸有限公司 天津市富宇精细化工有限公司 北京双旋微生物培养基制品厂

北京市联利生物制剂厂

北京奥博星生物技术有限责任公司

天津市大茂化学试剂厂

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2.2 实验仪器

表2 实验设备

实验设备 电子天平 超声波清洗器 磁力搅拌器 台式离心机 电热恒温鼓风干燥箱

荧光光谱仪 紫外可见分光光度仪 电热式高压蒸汽灭菌器 电热恒温培养箱 洁净工作台 电子显微镜

型号 FA1004型 KQ3200E 98-2 TDL-60B DHG-9076A F-4600 UV-2550 YXQG02型 HHB11-600型 SW-Cy-2FD型

BI型

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生产厂家

上海良平仪器仪表有限公司 昆山市超声仪器有限公司 上海司乐仪器有限公司 上海安亭科学仪器厂 上海精宏实验设备有限公司 日本东京日立高新技术公司

日本岛津公司

山东新华医疗器械股份有限公司 天津市华北实验仪器有限公司 上海博讯实业有限公司医疗设备厂 山东新华医疗器械股份有限公司

2.3 g-C3N4/Ag复合物的制备

2.3.1 g-C3N4的制备

通过热解三聚氰胺，利用其自身的缩聚过程来制备类石墨结构氮化碳(g-C3N4)聚合物。称取15.0 g的三聚氰胺，放入小广口瓶中，盖盖放入马弗炉中（为防止广口瓶底部玻璃融化沾到马弗炉中，所以广口瓶底部垫一瓷碗），打开马弗炉，初设温度为300 ℃；40 min后，设温度为350 ℃；再过20 min后，设温度为400 ℃；依次，每过20 min，重新设置温度，即在上一温度的基础上加50 ℃，直至温度被设为500 ℃；30 min后，温度设置为520 ℃，2 h后，关闭马弗炉。第二天取出，称量，研磨，将研磨好的样品放入坩埚中，不盖盖放入马弗炉中，打开马弗炉，初始温度设为400 ℃，40 min后温度设置为450 ℃，1 h后温度设置为500 ℃，30 min后温度设置为520 ℃，2 h后关闭马弗炉。第三天，取出，称重，研磨，得g型氮化碳，即g-C3N4。 2.3.2 g-C3N4/Ag复合物的制备

采用化学还原法来制备g-C3N4/Ag复合物。

(1) 保持聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的量不变，为0.3 g，依次改变硝酸银(AgNO3)的加入量，做五组对比试验，得到五份样品：

称取0.5 g的g-C3N4放入锥形瓶中，加入10 ml的无水乙醇和90 ml的蒸馏水，混合摇匀，用超声波分散10 min，再加入0.3 g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，超声分散10 min；再依次加入0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L、0.4 mol/L、0.5 mol/L的硝酸银溶液3 ml，

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超声10 min；边搅拌边滴加浓度为1 mol/L的香草醛的乙酸/水(1:1)溶液（务必保持硝酸银的物质的量与香草醛的比为1:5），因此，依次加入香草醛的乙酸/水溶液的体积为1.5 ml、3 ml、4.5 ml、6 ml、7.5 ml,继续搅拌2 h。反应后的混合液用离心机分离（转速6000 r/min），转了10 min，倒出上清液，向每个离心管中加入4 ml的丙酮，洗去多余的PVP，再离心10 min，倒去上清液，用蒸馏水洗出固体，倒入小烧杯中，然后用0.45目的水膜进行抽滤，并用蒸馏水淋洗6遍，然后取出水膜，放在蒸发皿上，放入60 ℃的烘箱中烘干，最后研磨，称重。

(2) 保持 AgNO3的量不变，为0.4 mol/L的硝酸银溶液3 ml，依次改变PVP的量，做四组对比实验。

称取0.5 g的g-C3N4放入四个锥形瓶中，加入10 ml的无水乙醇和90 ml的蒸馏水，混合摇匀，用超声波分散10 min，再依次加入0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.5 g的PVP，超声分散10 min；再加入3 ml的0.4 mol/L的硝酸银溶液，超声10 min；边搅拌边滴加浓度为1 mol/L的香草醛的乙酸/水(1:1)溶液（务必保持硝酸银的物质的量与香草醛的比为1:5）6 ml，继续搅拌2 h。反应后的混合液用离心机分离（转速6000 r/min），转了10 min，倒出上清液，向每个离心管中加入4 mL的丙酮，洗去多余的PVP，再离心10 min，倒去上清液，用蒸馏水洗出固体，倒入小烧杯中，然后用0.45目的水膜进行抽滤，并用蒸馏水淋洗6遍，然后取出水膜，放在蒸发皿上，放入60 ℃的烘箱中烘干，最后研磨，称重。

2.4 g-C3N4/Ag复合物的结构表征

2.4.1 g-C3N4/Ag复合物的紫外-可见漫反射光谱(DRS)表征

由日本岛津公司生产的UV-2500型紫外-可见分光光度计（带积分球）测定g-C3N4/Ag复合物的紫外-可见(UV-Vis)光吸收光谱，从而得到样品的紫外-可见漫反射光谱，扫描范围200~800 nm。

2.4.2 g-C3N4/Ag复合物的光致发光光谱(PL)表征

由日本东京日立高新技术公司生产的F-4600型荧光光谱仪测定g-C3N4/Ag复合物的光致发光光谱，激发波长为220 nm，电压为950 V。

2.5 g-C3N4/Ag复合物的抑菌测试

2.5.1 固液体培养基的制备

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使其溶解。

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固体培养基的制备：将200 mL蒸馏水边加热，边加入8.4 g营养琼脂，并不断搅拌

液体培养基的制备：细菌液体培养基制备：将1.2 g牛肉膏、4 g蛋白胨、2 g NaCl倒入400 mL蒸馏水中，持续搅拌，加热至牛肉膏脱离纸，将液体培养基的pH调节至7.4，迅速将液体培养基装入4个锥形瓶中，用牛皮纸封口，捆绑，待灭菌。 2.5.2 培养基的灭菌

向高压蒸汽灭菌器中加入自来水至淹没加热圈，把固体培养基、液体培养基及其它玻璃仪器放入灭菌器中，对称拧紧灭菌器盖的阀门，直立起排气阀，将工作电压调至200 V，等灭菌器中的水煮沸至排气5~8 min后关闭排气阀；待高压蒸汽灭菌器内气压上升至0.1 MPa后，调节电压至140~160 V，维持灭菌器内气压稳定在0.1 MPa，用高压蒸汽灭菌20 min；最后关闭电源，将电压调零，等灭菌器内压力自然降至零后，直立排气阀排出蒸气，立即取出物品，密闭、烘干。 2.5.3 菌种的活化

一次活化：按照(1)中的操作步骤制备固体培养基，固体培养基被高温灭菌后，在灭菌室内趁热将固体培养基倒入平板中，等平板内的固体培养基凝固后，进行无菌操作，用 “之”字划线方法分别将两种待接细菌菌种接入新鲜固体培养基中（不可划破固体培养基），分组做好标记，放入恒温电热恒温培养箱中在35~37 ℃下培养24 h。

二次活化：按照(2)中的操作步骤制备液体培养基，把液体培养基高温灭菌完毕后，用无菌操作方法，将两种均为一次活化培养好的待接菌种接入新鲜液体培养基中，做好标记，将已经接种的液体培养基放入气浴恒温培养箱中在35~37 ℃、转速为180~200 r·min-1培养24 h。

2.5.4 纳米粉末抑菌效果测试

将直径1 cm的片灭菌后，吸取0.2 mL 预先培养好的菌悬液至固体培养基表面涂布均匀，用灭过菌的镊子夹取滤纸片贴在各含菌平皿上，分别在滤纸片上滴加0.01 mL空白溶剂（编号1）、g-C3N4/Ag(0.1 mol/L)复合溶液（编号2）、g-C3N4/Ag(0.3 mol/L)复合溶液（编号3）、g-C3N4/Ag(0.5 mol/L)复合溶液（编号4）(质量浓度均为10 g/L)。置37 ℃恒温培养箱中培养24 h后观察是否具有抑菌圈。根据抑菌圈判断抗菌性能，抑菌圈的大小表现了抗菌剂的抑菌效果。

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3 结果与讨论

3.1 g-C3N4/Ag复合物的结构表征

3.1.1 g-C3N4/Ag复合物的DRS谱图

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1.21.0Absorbance/a.u.0.80.60.40.20.0200 CAgNO3=0.1 mol/L CAgNO3=0.2 mol/L CAgNO3=0.3 mol/L CAgNO3=0.4 mol/L CAgNO3=0.5 mol/L250300350400450500550600Wavelength/nm

图1 g-C3N4/Ag复合物的DRS谱图 其他条件：g-C3N4 0.5 g，PVP 2.72g/L

图1为在保持PVP的量不变时，改变硝酸银的量从而制得的g-C3N4/Ag复合物的DRS谱图，在260 nm处的峰表明有C3N4的存在，400 nm处的吸收峰是由于复合物中纳米银等离子振荡引起的[21]。由图可知，当加入的AgNO3的浓度为0.3 mol/L时的吸收峰最高，所以说明吸收峰的强度（即代表纳米银的含量）随着银加入量的增多先增加再减小，之所以会减小，是因为随着银加入量的增多，产生的纳米银发生团聚，所以强度先增加再减小，在加入的AgNO3浓度为0.3 mol/L处达到最大值，即得到的纳米银含量最多。 3.1.2 g-C3N4/Ag复合物的PL谱图

图2为在保持PVP的量不变（即其质量浓度为2.72 g/L）时，改变硝酸银的量从而制得的g-C3N4/Ag复合物的PL谱图，由于荧光测量的激发波长为220 nm，因此荧光效应是由电子和空穴间的复合所致[20]，氮化碳在此激发波长范围内不会出现发射峰，表明荧光主要来源于纳米银粒子，由图可知，随着银加入量的增加，样品产生的荧光效应越来

本科毕业论文 第 8 页 共15页 越强，由此可说明随着银加入量的增加，产生的纳米银的粒径越来越小，其中当加入的AgNO3浓度为0.5 mol/L时，样品产生的荧光效应最强，说明此时得到的纳米银的粒径最小。 300025002000Intensity/a.u. CAgNO3=0.2 mol/L CAgNO3=0.3 mol/L CAgNO3=0.4 mol/L CAgNO3=0.5 mol/L150010005000250300350Wavelength/nm400450 图2 g-C3N4/Ag复合物的PL谱图 其他条件: g-C3N4 0.5 g ，PVP 2.72 g/L 2000 mPVP=0.91g/L1500Intensity/a.u. mPVP=1.82g/L mPVP=3.64g/L mPVP=4.54g/L10005000250300350Wavelength/nm400450

图3 g-C3N4/Ag复合物的PL光谱

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其他条件：g-C3N4 0.5 g ，AgNO3溶液 0.4 mol/L，香草醛乙酸/水(1:1) 6mL

图3为在保持AgNO3的加入量不变（始终为0.4 mol/L）时，改变PVP的加入量从而制得的g-C3N4/Ag复合物的PL谱图，220 nm的激发光源使纳米银中5d轨道上的电子跃迁至6s轨道，因此产生空穴，费米能级上的电子与该空穴复合从而产生荧光。从谱图上看，当PVP浓度为1.82 g/L时，产生的荧光效应最强，由于荧光效应和粒子的粒径密切相关，粒径越小，产生的荧光效应越强，所以说明此时生成的纳米银的粒径最小，由图可知，随着PVP含量的增多，荧光效应先增强后减弱，由此说明，纳米银的粒径随着PVP含量的增加，先减小后增加。

3.2 g-C3N4/Ag复合物的抑菌效果分析

图4 g-C3N4/Ag复合抗菌剂抑制大肠杆菌的效果图

1- 空白溶剂；2- g-C3N4/Ag(0.1 mol/L)悬浮液；3-g-C3N4/Ag(0.3 mol/L)悬浮液；4-g-C3N4/Ag(0.5

mol/L)悬浮液

图4为g-C3N4/Ag复合物对大肠杆菌的抑菌效果图，其中编号1代表空白溶剂、编号2代表g-C3N4/Ag(0.1 mol/L)复合溶液、编号3代表g-C3N4/Ag(0.3 mol/L)复合溶液、编号4代表g-C3N4/Ag(0.5 mol/L)复合溶液，观察图中的抑菌圈可知，编号3的圆的直径最大，表示其抑菌效果最好，即银的加入量为0.3 mol/L时制得的g-C3N4/Ag复合物中纳米银的含量最高，抑菌效果最好，正好符合了DRS谱图的结论。纳米银的粒径越小，其抑菌活性越高[22]，因此PL谱图表明当加入的AgNO3

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溶液浓度为0.5 mol/L时，其抑菌活性最高，但由于其纳米银的含量较少，所以g-C3N4/Ag(0.5 mol/L)复合物的抑菌效果仅次于g-C3N4/Ag(0.3 mol/L)复合物。

图5 g-C3N4/Ag复合抗菌剂抑制金黄色葡萄球菌的效果图

1-空白溶剂；2-g-C3N4/Ag(0.1 mol/L)悬浮液；3-g-C3N4/Ag(0.3 mol/L)悬浮液；

4-g-C3N4/Ag(0.5 mol/L)悬浮液

图5为g-C3N4/Ag复合物对金黄色葡萄球菌的抑菌效果图，其中编号1代表空白溶剂、编号2代表g-C3N4/Ag(0.1 mol/L)复合溶液、编号3代表g-C3N4/Ag(0.3 mol/L)复合溶液、编号4代表g-C3N4/Ag(0.5 mol/L)复合溶液，观察图中的抑菌圈可知，编号3的圆的直径最大，表示其抑菌效果最好，即银的加入量为0.3 mol/L时制得的g-C3N4/Ag复合物中纳米银的含量最高，抑菌效果最好，正好符合了DRS谱图的结论。纳米银的粒径越小，其抑菌活性越高，因此PL谱图表明当加入的AgNO3溶液浓度为0.5 mol/L时，其抑菌活性最高，但由于其纳米银的含量较少，所以g-C3N4/Ag(0.5 mol/L)复合物的抑菌效果仅次于g-C3N4/Ag(0.3 mol/L)复合物。

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结 论

本论文采用化学还原法制备g-C3N4/Ag复合物，并采用DRS和PL对复合物进行了结构表征；使用g-C3N4/Ag复合物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行了抑菌效果测试，研究了当AgNO3加入量不同时，抑菌效果的变化。主要结论归纳如下：

(1) DRS谱图中400 nm处出现吸收峰，说明g-C3N4/Ag复合物含有纳米银；随着AgNO3加入量的增加，峰的强度先增大后减小，且在加入的AgNO3溶液浓度为0.3 mol/L时，峰的强度最强，说明此时制备的复合物中纳米银的含量最多。

(2) PL谱图表明当加入的AgNO3浓度为0.5 mol/L时，样品产生的荧光效应最强，说明此时得到的纳米银的粒径最小；纳米银的粒径随着PVP含量的增加，先减小后增加，在PVP加入量为0.2 g时达到最小。

(3) 抑菌效果图表明当加入的AgNO3溶液浓度为0.3 mol/L时制得的g-C3N4/Ag复合物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果最佳，并且很好的符合了DRS谱图的分析结果。

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致 谢

时光易逝、韶华难追，落笔于此，意味着我四年的大学学习生涯即将结束，值此毕业之际，遥想当年入学之情景，恍如隔日，回首在学校的点点滴滴，历历在目。俗语说:“鸦有反哺之义，羊知跪乳之恩”，此刻，我内心同样充满了感激之情，衷心感谢所有帮助、支持和鼓励过我的人。

首先，要感谢我的指导老师安静老师，在我的毕业论文研究工作中，安静老师始终给予我精心的指导和亲切的关怀，倾注了大量的精力。在大学学习期间，我有幸得到安静老师在学业上的悉心指导和生活上的热心帮助，她严谨的治学风范、活跃的学术思想和乐观的人生态度，令我获益匪浅。谨此向恩师表达我最崇高的敬意和最衷心的感谢

本论文是在安静老师的精心指导以及各位同学的热心帮助下完成的。指导老师的有效启发，拓展了我的实验思路，使我的专业知识与实践得到了相对应的结合，动手能力、实验水平、创新能力得到了提高。在理论与实践得到结合的同时我还接触了许多其他领域的知识，这使我受益匪浅。在生活方面老师和同学们也都给予了我极大的帮助，我与他们结下了深厚真挚的师生情！在此向老师表示衷心的祝福和诚挚的感谢！同时，也向提供帮助的同学们致以真诚的感谢！

最后，我要特别感谢我的父母，是你们的含辛茹苦和谆谆教导才成就了今天的我，也感谢亲朋好友们在精神和物质上给予的支持;你们的支持和期盼会一直激励着我向更高远的目标迈进！谢谢你们！

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参 考 文 献

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