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本科毕业论文第1页共15页1引言1.1g-C3N4的结构特征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1g-C3N4同素异形体的连接形式：(a)C3N3环，(b)C6N7环[4]1.2g-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，但其本科毕业论文第2页共15页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的基础上具备抑菌的本领。1.2.2生物方面的功能由于其抗腐蚀、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(1~100nm)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存在的问题及展望本科毕业论文第3页共15页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规格生产厂家三聚氰胺分析纯国药集团化学试剂有限公司硝酸银分析纯天津市天感化工技术开发有限公司聚乙烯吡咯烷酮K30分析纯天津市博迪化工有限公司香草醛分析纯天津市大茂化学试剂厂无水乙醇分析纯石家庄市华迪化工工贸有限公司冰乙酸分析纯天津市富宇精细化工有限公司营养琼脂生化试剂北京双旋微生物培养基制品厂牛肉膏生化试剂北京市联利生物制剂厂蛋白胨生化试剂北京奥博星生物技术有限责任公司氯化钠分析纯天津市大茂化学试剂厂本科毕业论文第4页共15页2.2实验仪器表2实验设备实验设备型号生产厂家电子天平FA1004型上海良平仪器仪表有限公司超声波清洗器KQ3200E昆山市超声仪器有限公司磁力搅拌器98-2上海司乐仪器有限公司台式离心机TDL-60B上海安亭科学仪器厂电热恒温鼓风干燥箱DHG-9076A上海精宏实验设备有限公司荧光光谱仪F-4600日本东京日立高新技术公司紫外可见分光光度仪UV-2550日本岛津公司电热式高压蒸汽灭菌器YXQG02型山东新华医疗器械股份有限公司电热恒温培养箱HHB11-600型天津市华北实验仪器有限公司洁净工作台SW-Cy-2FD型上海博讯实业有限公司医疗设备厂电子显微镜BI型山东新华医疗器械股份有限公司2.3g-C3N4/Ag复合物的制备2.3.1g-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15.0g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℃；40min后，设温度为350℃；再过20min后，设温度为400℃；依次，每过20min，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℃；30min后，温度设置为520℃，2h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℃，40min后温度设置为450℃，1h后温度设置为500℃，30min后温度设置为520℃，2h后关闭马弗炉。第三天，取出，称重，研磨，得g型氮化碳，即g-C3N4。2.3.2g-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0.3g，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0.5g的g-C3N4放入锥形瓶中，加入10ml的无水乙醇和90ml的蒸馏水，混合摇匀，用超声波分散10min，再加入0.3g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，超声分散10min；再依次加入0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、0.4mol/L、0.5mol/L的硝酸银溶液3ml，本科毕业论文第5页共15页超声10min；边搅拌边滴加浓度为1mol/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1.5ml、3ml、4.5ml、6ml、7.5ml,继续搅拌2h。反应后的混合液用离心机分离（转速6000r/min），转了10min，倒出上清液，向每个离心管中加入4ml的丙酮，洗去多余的PVP，再离心10min，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0.4mol/L的硝酸银溶液3ml，依次改变PVP的量，做四组对比实验。称取0.5g的g-C3N4放入四个锥形瓶中，加入10ml的无水乙醇和90ml的蒸馏水，混合摇匀，用超声波分散10min，再依次加入0.1g、0.2g、0.4g、0.5g的PVP，超声分散10min；再加入3ml的0.4mol/L的硝酸银溶液，超声10min；边搅拌边滴加浓度为1mol/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）6ml，继续搅拌2h。反应后的混合液用离心机分离（转速6000r/min），转了10min，倒出上清液，向每个离心管中加入4mL的丙酮，洗去多余的PVP，再离心10min，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。2.4g-C3N4/Ag复合物的结构表征2.4.1g-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200~800nm。2.4.2g-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220nm，电压为950V。2.5g-C3N4/Ag复合物的抑菌测试2.5.1固液体培养基的制备本科毕业论文第6页共15页固体培养基的制备：将200mL蒸馏水边加热，边加入8.4g营养琼脂，并不断搅拌使其溶解。液体培养基的制备：细菌液体培养基制备：将1.2g牛肉膏、4g蛋白胨、2gNaCl倒入400mL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200V，等灭菌器中的水煮沸至排气5~8min后关闭排气阀；待高压蒸汽灭菌器内气压上升至0.1MPa后，调节电压至140~160V，维持灭菌器内气压稳定在0.1MPa，用高压蒸汽灭菌20min；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24h。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180~200r·min-1培养24h。2.5.4纳米粉末抑菌效果测试将直径1cm的片灭菌后，吸取0.2mL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0.01mL空白溶剂（编号1）、g-C3N4/Ag(0.1mol/L)复合溶液（编号2）、g-C3N4/Ag(0.3mol/L)复合溶液（编号3）、g-C3N4/Ag(0.5mol/L)复合溶液（编号4）(质量浓度均为10g/L)。置37℃恒温培养箱中培养24h后观察是否具有抑菌圈。根据抑菌圈判断抗