硫化铋@铁酸铜异质结的构筑及光触发抗菌性能研究*

韩秋阳，于照晗，何 帅，杨为中，谢克难，谢 璐，邓 怡

(1. 四川大学 化学工程学院， 成都 610065； 2. 四川大学 生物医学工程学院， 成都 610065；3. 四川大学 华西口腔医院， 成都 610041)

0 引 言

病原体细菌作为一种微生物，易引发严重的伤口感染与手术部位感染，最终导致严重的并发症[1]。目前，治疗细菌引发的感染的主流方法是抗生素治疗[2]。然而，由于抗生素的滥用引发的细菌耐药性在全球范围内每年会引起约70万人的死亡，其引发的一系列问题使感染治疗变得越发困难[3]。因此，开发一种不依赖抗生素且高效杀菌的智能治疗手段是当前乃至今后一段时间内抗菌治疗领域的热点研究之一。

近年来，光治疗作为一种效果显著的抗菌治疗方法引起了研究人员的广泛关注[4-5]。目前，光治疗主要衍生出两大治疗机制，分别为光热治疗与光动力治疗[6-7]。前者依靠光热转换材料在外界光照射下产生的高温来破坏细菌的细胞膜，后者则是通过在外界光照条件下产生的光生电子与空气中的氧气发生反应产生活性氧，进而破坏细菌细胞内蛋白与DNA从而使得细菌失活[8-9]。相对于传统的抗生素药物疗法，光热/光动力疗法不仅不会产生全身性的毒副作用，还具有较高的组织穿透性，选择性和杀伤能力，同时不会引发细菌耐药性[10]。目前，多种具有优异的光热或光催化性能的纳米功能材料已应用于抗菌领域，其中，因为优异的光吸收能力，特殊的形貌结构与优异的光热转化效率等优点，直接带隙半导体Bi2S3受到研究人员的广泛关注[11-13]。然而，由于其本身较窄的带隙结构(1.25 eV)会导致近红外光激发产生的光生电子-光生空穴对容易发生再复合，极大限制了活性氧的产生。因此，如何有效的分离光生电子与光生空穴，从而提高材料的光催化效应是解决Bi2S3应用缺陷的关键问题。目前，引入其他半导体材料形成异质结构诱导光生电子-光生空穴的分离是提高半导体材料光催化能力的主流方法。研究表明，由两种不同能级和带隙的半导体纳米材料构筑的纳米异质结可以显著提高半导体材料的光催化性能[14-15]。CuFe2O4作为一种新型的铁铜氧化物材料，其由于光吸收范围广，催化能力强和表面反应位点多等优势，目前已被广泛地应用于有机危害物的吸附降解，水污染处理和生物组织工程领域[16-18]。因此，将CuFe2O4与Bi2S3两种不同的半导体材料结合起来形成的新型异质结功能材料有望提高材料体系的光催化效果，从而有效地针对细菌进行杀伤。

基于此，本研究设计并制备了一种新型的异质结功能材料(Bi2S3@CuFe2O4)。在808 nm近红外光的激发下，Bi2S3@CuFe2O4能够有效的实现光生电子与光生空穴的分离，从而产生足量的热与活性氧，实现光热/光动力协同抗菌，为抗菌治疗提供了一种新思路及理论依据. 实验示意图与抗菌机理图见图1所示。

图1 (a) Bi2S3@GO制备流程图；(b) Bi2S3@GO光热/光动力协同抗菌机理图Fig 1 (a) the preparation process of Bi2S3@GO; (b) the photothermal/photodynamic synergistic antibacterial mechanism of Bi2S3@GO

1 实 验

1.1 实验试剂

五水硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O，AR)，L-半胱氨酸(L-Cys，AR)，六水氯化铁(FeCl3·6H2O，AR)，二水氯化铜(CuCl2·2H2O，AR)，醋酸钠(NaAC，AR)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP，AR)，乙醇(CH3CH2OH，AR)，乙二醇(OHCH2CH2OH，AR)和二甲基亚砜(DMSO，AR)均购买于成都市科隆化学品公司。

1.2 Bi2S3, CuFe2O4及Bi2S3@CuFe2O4的制备

1.2.1 Bi2S3的制备

分别取2.5 g Bi(NO3)3·5H2O与3 mg L-Cys加入至40 mL的去离子水中，待超声均匀后将混合溶液转移到高压水热釜的对位聚四氟乙烯内衬中，在180 ℃防爆干燥箱中反应24 h。反应结束后，待釜自然冷却至室温，收集内衬中黑色沉淀，乙醇超声清洗5 min后使用台式高速离心机在7 000 r/min条件下离心10 min，重复上述操作3次以去除产物中残余的H2S副产物。洗涤完毕后，收集反应产物，放置于60 ℃的条件下烘干得到产物Bi2S3。

1.2.2 CuFe2O4的制备

分别取2.16 g FeCl3·6H2O，0.68 g CuCl2·2H2O，1.5 g NaAC与0.5 g PVP加入至50 mL的乙二醇中，待超声均匀后将混合溶液转移到高压水热釜的对位聚四氟乙烯内衬中，在180 ℃防爆干燥箱中反应24 h。反应结束后，待釜自然冷却至室温，收集内衬中黑色沉淀，乙醇超声清洗5 min后使用台式高速离心机在8 000 r/min条件下离心10 min，重复上述操作3次。洗涤完毕后，收集反应产物，放置于60 ℃的条件下烘干得到产物CuFe2O4。

1.2.3 Bi2S3@CuFe2O4的制备

分别取0.5 g Bi2S3与2.0 g CuFe2O4加入至40 mL的去离子水中，将反应液置于超声机中超声1 h，两者之间通过静电相互作用结合。使用台式高速离心机在8 000 r/min条件下离心10 min，重复上述操作3次。洗涤完毕后，收集反应产物，放置于60 ℃的条件下烘干得到产物Bi2S3@CuFe2O4。

1.3 材料表征

使用场电子扫描电子显微镜(FE-SEM，日本Hitachi公司，S-4800型)对材料的形貌进行分析研究。晶体物相结构采用X射线衍射仪(XRD，Panalytical公司，X’Pert Pro型)进行研究，选用Cu靶和Kα射线，λ=0.15444 nm，角度测试范围为10°～90°。使用能谱仪(EDS，英国Oxford公司，X-Max80型)对材料的元素组成和化学状态进行分析。通过使用紫外-可见-近红外分光光度计(UV-vis，中国Aoelab公司，UV-1800PC)对材料在不同波长下的光吸收能力进行研究。

1.4 带隙计算

本文通过Tauc plot方法计算了材料的带隙结构，该方法所用方法见公式(1)[10, 19]：

(αhν)n=B(hν-Eg)

(1)

其中α为吸收系数，B为常数，h为普朗克常数，ν为入射光频率，Eg表示半导体带隙。指数n与半导体带隙结构有关，其中直接带隙结构半导体对应公式中n=2， 间接带隙结构半导体对应公式中n=1/2。以(αhν)n为纵坐标，以hν为横坐标做曲线图，对曲线线性部分做切线，切线交于X轴上的截距值为所求半导体带隙值。

1.5 光热性能表征

本研究通过使用红外成像仪对样品在红外激光照射下的温度变化进行实时监测，并以此来评估材料的光热性能及光热稳定性。将1 mL 的300 μg/mL的不同样品(Bi2S3，CuFe2O4，Bi2S3@CuFe2O4)注入48孔板内，使用不同密度的808 nm波长的NIR激光(0.5，1.0，1.5 W/cm2)照射各组样品12 min，期间每隔1 min使用红外热成像仪进行温度的记录。此外，光热稳定性通过5个激光开关循环来进行评估，即选择一定功率的红外光照射样品12 min后，再关闭激光器15 min，重复5次，期间每1 min使用红外成像仪进行一次温度的记录。

1.6 光催化性能表征

预先以DMSO作为溶剂配置DPBF溶液(10 mmol/L)，向900 μL的DPBF溶液中加入100 μL不同组的样品悬浊液，使样品浓度为300 μg/mL。各组混合液分别在激光照射/黑暗条件下反应12 min后，收集上清液，使用UV-Vis光谱仪检测上清液在280～550 nm波段的光吸收。

1.7 抗菌实验

Bi2S3@CuFe2O4对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)的光触发抗菌特性通过再涂平板法来评价。将灭菌处理的100 μL的各组材料与900 μL的S.aureus或E.coli(1 × 107CFU/mL)混合。材料同菌液经808 nm近红外光光照处理或黑暗处理 20 min后，吸出残余菌液，将菌液稀释1 000倍后，移取100 μL的菌液均匀涂布于预先准备的LB固体培养基上，将琼脂板置于37 °C烘箱中孵育24 h后拍照记录。

2 结果与讨论

2.1 材料的表征

Bi2S3，CuFe2O4与Bi2S3@CuFe2O4异质结构的XRD光谱图如图2所示。其中Bi2S3组的衍射峰在2θ为24.76°，28.44°，32.76°，46.38°处，其分别对应(130)，(211)，(221)，(431)晶面(PDF#17-0320)，这证明了制备的硫化铋材料为正交晶型[12]。而CuFe2O4组的衍射峰在2θ为30.18°，35.54°，43.20°，57.14°，62.74°和74.24°处，其分别对应立方晶型CuFe2O4的(220)，(311)，(400)，(511)，(440)，(533)晶面(PDF#77-0010)，证明了立方晶型CuFe2O4的成功制备[20]。特别的是，Bi2S3@CuFe2O4组的XRD谱图中同时具有Bi2S3与CuFe2O4的特征峰，该结果证明了异质结材料的成功制备。此外，相比于Bi2S3与CuFe2O4，Bi2S3@CuFe2O4异质结的衍射峰没有表现出明显的偏移，表明CuFe2O4的引入并没有破坏Bi2S3材料的晶格结构。但是，我们也能观察到Bi2S3@CuFe2O4异质结组中Bi2S3的特征衍射峰强度变弱，这是因为CuFe2O4附着在Bi2S3的表面遮蔽了一部分Bi2S3衍射信号导致的。

图2 Bi2S3，CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4的XRD谱图Fig 2 XRD patterns of Bi2S3, CuFe2O4 and Bi2S3@CuFe2O4

FE-SEM所拍摄的各组样品的SEM图像如图3(a)-(c)所示。可以清楚的观察到采用水热合成法所制备的硫化铋呈现纳米海胆结构，与先前文献的制备方法得到的Bi2S3形貌保持一致[21]。图3(b)显示利用溶剂热法制备的CuFe2O4呈现均匀的纳米花形态。图3(c)为Bi2S3纳米海胆与CuFe2O4纳米花所形成的Bi2S3@CuFe2O4异质结材料的 SEM 图像。结果表明，CuFe2O4均匀的包裹在Bi2S3的表面。图3(d)-(f)为EDS图谱结果，其中Bi2S3组材料中的元素组成为Bi与S，CuFe2O4组中的元素组成为Cu，Fe，O。在合成的异质结后，其元素组成为Bi， S，Cu，Fe和O，证明了Bi2S3@CuFe2O4异质结材料的成功制备。图3(g)为水热产物Bi2S3@CuFe2O4异质结的EDS Mapping照片，从图中可以看出负载在表面的纳米花状物质的元素组成为Cu，Fe和O，而尺寸较大的底部纳米海胆结构主要元素组成为Bi和S。结合SEM图像可知，Bi2S3@CuFe2O4图像中表面的纳米花为CuFe2O4，而底部的纳米海胆结构为Bi2S3，其中CuFe2O4密集的生长在Bi2S3表面。上述XRD，SEM，EDS的结果能够有效的证明Bi2S3@CuFe2O4异质结材料的成功构筑。

图3 (a-c) Bi2S3, CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4的SEM图像；(d-f) Bi2S3, CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4的EDS谱图；(e) Bi2S3@CuFe2O4的EDS Mapping图像Fig 3 (a-c) SEM images of Bi2S3, CuFe2O4 and Bi2S3@CuFe2O4; (d-f) EDS pattern of Bi2S3, CuFe2O4 and Bi2S3@CuFe2O4; (e) EDS Mapping of Bi2S3@CuFe2O4

2.2 材料的结合机理，光吸收能力及带隙的分析

为研究Bi2S3@CuFe2O4异质结中两者之间的结合机理，我们测定了Bi2S3,CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4的 Zeta 电位。如图4(a)所示，Bi2S3为表面带负电荷的纳米材料((-9.19±1.07)eV)，而CuFe2O4为表面带有正电荷的纳米材料((8.62±0.40)eV)。 两者结合后 Bi2S3@CuFe2O4呈正电荷((5.54±0.58)eV)，这是由于两者结合后CuFe2O4均匀的包裹在Bi2S3的表面。上述Zeta电位结果证明了Bi2S3与CuFe2O4主要通过静电相互作用而结合。

图4(b)为Bi2S3，CuFe2O4和Bi2S3@CuFe2O4异质结材料的UV-vis谱图。从图中可以观察到Bi2S3与CuFe2O4从紫外光到近红外光均有较好的吸收能力，其具有在外界光激发下进行光治疗的潜力。特别的是，当Bi2S3与CuFe2O4形成异质结后，在808 nm附近的光吸收能力有显著提升，这说明该种异质结的成功构筑能够有效地提升材料体系的近红外光的吸收能力从而增强材料的光热效果与光催化效果。

图4(c)，(d)分别为通过 UV-vis 漫反射光谱计算得到的Bi2S3和 CuFe2O4的带隙宽度。经计算，Bi2S3的带隙为1.25 eV， CuFe2O4的带隙为1.72 eV。与先前文献中报导的带隙结构保持一致[15,20]。

2.3 光热效应表征

本研究通过使用组织穿透性较强的808 nm波长的近红外光为基础，研究了材料在近红外光触发下的光热效应，记录了样品的实时光热照片和温度变化曲线。图5(a)-(c)与图6显示了各组材料暴露在不同功率近红外光下的温度升高曲线和红外成像图。近红外光激发的12 min内，去离子水的温度几乎没有变化，而其他各材料组的温度均有显著的上升。Bi2S3, CuFe2O4, Bi2S3@CuFe2O4组的温度均有显著增加，且随着近红外光功率的增加，温度的提升效果也随之增加。值得注意的是，相比于Bi2S3与CuFe2O4，Bi2S3@CuFe2O4异质结的光热效果有显著的提升，这是由于异质结结构形成后，Bi2S3@CuFe2O4在808 nm的近红外光下的光吸收能力显著增强，能够更为有效地将光能转化为热能。图5(d)展示了Bi2S3@CuFe2O4在5个光照-黑暗循环下的光热循环曲线，可以看出Bi2S3@CuFe2O4在5个光热循环内的温度变化趋势(温度顶点/低点和升温/降温趋势)均未出现明显的差异，说明Bi2S3@CuFe2O4异质结材料具有较好的光热转化稳定性。

图5 (a) 0.5 W/cm2， (b) 1.0 W/cm2, (c) 1.5 W/cm2的808 nm近红外光下的各组材料的光热温度变化曲线; (d) Bi2S3@CuFe2O4的光热循环曲线Fig 5 Photothermal heating curves of Bi2S3, CuFe2O4, and Bi2S3@ CuFe2O4 under (a) 0.5 W/cm2, (b) 1.0 W/cm2, and (c) 1.5 W/cm2 808 nm NIR irradiation; (d) cyclic photothermal curves of Bi2S3@GO

图6 在0.5，1.0和1.5 W/cm2 的808 nm近红外光下的各组材料的光热成像图Fig 6 Representative real-time infrared thermal images of various materials upon 0.5, 1.0, and 1.5 W/cm2 808 nm NIR irradiation

2.4 光催化性能研究

图7 在808 nm的近红外光照射下(a) Bi2S3，(b) CuFe2O4和(c) Bi2S3@CuFe2O4的DPBF降解结果(用于检测1O2 and Fig 7 Reduction of DPBF for the detection of 1O2 and in (a) Bi2S3, (b) CuFe2O4 and (c) Bi2S3@CuFe2O4 with 808 nm NIR irradiation

2.5 光热/光催化机理

图8展示了Bi2S3@CuFe2O4异质结光催化与光热机理图。根据先前文献所报道，Bi2S3材料价带顶处于0.85 eV[25], CuFe2O4的价带顶处于0.46 eV[19]。我们计算了Bi2S3与CuFe2O4的禁带宽度，分别为1.25与1.72 eV(图4(c), (d))。因此CuFe2O4的导带底所处电位比Bi2S3的导带底所处电位更负。在近红外光激发下，处于半导体材料价带位置上的电子跃迁至高能级的导带上，形成光生电子-光生空穴对[26]。在CuFe2O4的导带上的激发电子可以有效地转移至Bi2S3结构中，而在Bi2S3的价带上的光生空穴可以转移至CuFe2O4的价带上，从而有效地实现了光生电子与光生空穴的分离，提高了光生电子的运动时间，增加了材料体系中的载流子密度,从而有效地提高了材料体系的光催化性能。其中一部分光生电子与吸附在材料表面的氧气发生Ⅰ型与Ⅱ型光催化反应(Ⅰ型与Ⅱ型同时进行反应)，从而产生单线氧和超氧根[27]；另一部分光生电子向低能级跃迁与空穴重新结合，在电子与空穴的结合过程中，电子运动过程会与晶格进行摩擦碰撞引发晶格振动，从而产生热[28]。此外, Bi2S3@CuFe2O4因其较强的近红外光吸收能力，能够有效地将光能转化为热能，从而产生光热效应。

图8 光热/光动力效应机理图Fig 8 Mechanism of photothermal/photodynamic effect

2.6 抗菌实验表征

上述研究结果表明，Bi2S3@CuFe2O4异质结材料在近红外光激发下拥有良好的光热转换和光催化产生活性氧的能力，因此接下来我们以S.aureus和E.coli为模型细菌，通过再涂平板法探究了异质结材料的体外抗菌性能。图9为金黄色葡萄球菌与大肠杆菌在不同条件下处理的细菌涂板图，以黑暗条件下的纯菌液做为对照组。从琼脂培养板的照片可以看出，不论是对于S.aureus还是E.coli，黑暗条件下处理的各组均存在大量活性细菌菌落(图10(a),(b))。然而，在近红外光照射处理12 min后，对照组仍生长有大量菌落，说明近红外光本身无抗菌效果。而在近红外光照射处理12 min后，Bi2S3@CuFe2O4异质结组的琼脂板上的菌落急剧减少，这表明Bi2S3@CuFe2O4异质结材料具有优异的近红外光介导的广谱抗菌性能，其对于革兰氏阳性菌与革兰阴性菌均具有优异的杀菌能力。

图9 Bi2S3@CuFe2O4的抗菌性能评估Fig 9 Antibacterial performance of Bi2S3@CuFe2O4

基于上述实验结果，Bi2S3@CuFe2O4的光热/光动力效应的协同杀菌机理如图1(b)所示。在近红外激光照射下，近红外光触发产生的高热能够有效地破坏细菌膜的完整性。与此同时，近红外光照射下产生的ROS能够有效的穿过细菌的膜，进入细菌细胞内，使细菌内的蛋白质和DNA失活，最终导致细菌死亡。

3 结 论

通过水热/溶剂热方法成功地制备出了Bi2S3与CuFe2O4，再通过超声作用，使两者通过静电作用力相互结合，制备了一种新型的异质结材料Bi2S3@CuFe2O4。紫外吸收光谱结果证明，这种新型的异质结材料相比于单一的Bi2S3和CuFe2O4具有更为优异的光吸收能力。光热实验结果与光催化实验结果表明，Bi2S3@CuFe2O4相比于单一的半导体材料具有更为优异的光热效应和光催化能力。这是由于Bi2S3@CuFe2O4异质结构具有更强的光吸收能力，且异质结结构能够有效的进行电子的迁移，从而抑制光生电子-空穴对的复合效率，延长光生自由电子的运动时间。体外抗菌结果表明Bi2S3@CuFe2O4异质结材料对S.aureus和E.coli的均具有优异的抗菌能力。综上所述，本研究深入探讨了异质结材料的抗菌机制，为抗菌治疗提供了一种新的思路，同时也为制备新型的异质结功能材料，提高半导体材料的光催化性能与光吸收性能提供了实验依据及理论支持。