一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法及应用

1.本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法及应用。


背景技术：

2.植物真菌所引起的病害是导致粮食减产减收的重要原因之一，化学杀菌剂的使用是应对植物发病的重要措施之一。但是化学杀菌剂的使用不仅会污染环境，还会使病菌具有一定的抗药性而降低其在抗菌方面的应用效果。
3.随着公众对环境污染和食品安全的关注，化学杀菌剂的使用越来越受到限制，因此具有生物安全性的天然杀菌剂的研发成为国内外研究的热点。壳聚糖作为一类生物安全性的天然高分子备受研究者的亲睐。
4.壳聚糖具有良好的生物相容性，在分子结构上和组成上具有许多个羟基和多个氨基，容易形成分子间氢键，化学性质比较活泼，并且壳聚糖无毒安全、来源广泛、可生物降解，对植物病菌有一定的抑制作用。壳聚糖只能在酸性条件下溶解，且机械性能较差，限制了其在生产生活中的应用。
5.氧化石墨烯作为一种纳米材料具有良好的物理性能和化学性能。氧化石墨烯作为杀菌材料在植物病害防治领域已展示出诱人的应用前景。使用纳米氧化石墨烯用于添加改性天然产物，可以开发出新型的功能复合材料。


技术实现要素：

6.鉴于上述技术状况，本发明提供了一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法及应用，其中，通过本发明制备出的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料对于小麦赤霉菌具有良好的抑制作用。
7.本发明第一方面提供的一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法，包括：
8.将甲酰胺和氯磺酸按体积比为20～30:6～9混合，获得磺化试剂；
9.将氧化石墨烯-壳聚糖复合材料加入到所述磺化试剂中，在65～75℃的温度下反应3～5h；
10.待所述氧化石墨烯-壳聚糖复合材料均匀的分散在所述磺化试剂中后，将上述反应液经洗涤抽滤处理，直至滤饼为中性；
11.对所述滤饼进行透析处理24h后，再经冷冻干燥，即可获得磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料。
12.进一步的，在将甲酰胺和氯磺酸按体积比为20～30:6～9混合时，包括：
13.将甲酰胺置于冰盐浴中，并在甲酰胺被搅拌的状态下，逐滴加入氯磺酸，制成磺化试剂。
14.进一步的，还包括对氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备，所述氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备包括：
15.将壳聚糖溶解在浓度为0.2wt％的稀醋酸溶液中，获得壳聚糖醋酸溶液；
16.取氧化石墨烯在水中超声分散均匀，获得氧化石墨烯水分散液；
17.将所述氧化石墨烯水分散液加入到所述壳聚糖醋酸溶液中，经超声搅拌混匀后，加入交联剂和催化剂，并在反应得到均一的悬浮液后，将所述悬浮液经冷冻干燥，即可获得氧化石墨烯-壳聚糖复合材料。
18.进一步的，在制备所述壳聚糖醋酸溶液时，包括：将0.06g～0.4g壳聚糖溶解在浓度为0.2wt％的稀醋酸溶液中，获得浓度为0.001～0.01g/ml壳聚糖醋酸溶液。
19.进一步的，在制备氧化石墨烯水分散液时，包括：取0.004g～0.02g氧化石墨烯在水中超声分散均匀，获得浓度为0.01～0.05g/ml氧化石墨烯水分散液。
20.进一步的，在将所述氧化石墨烯水分散液加入到所述壳聚糖醋酸溶液中时，壳聚糖和氧化石墨烯的质量比为100:1～50。
21.进一步的，所述壳聚糖的分子量为20kda～1000kda。
22.进一步的，所述交联剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，所述催化剂为n-羟基琥珀酰亚胺。
23.进一步的，所述交联剂和所述催化剂之间的质量比为1:1，所述交联剂和所述催化剂的质量之和为氧化石墨烯和壳聚糖的质量之和的六分之一。
24.本发明第二方面提供的一种如上述所述磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料制备方法制备的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料在抗菌剂中的应用。
25.本发明提供的一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料制备方法，通过甲酰胺和氯磺酸制得的磺化试剂对氧化石墨烯-壳聚糖复合材料进行磺化处理，使经磺化处理后氧化石墨烯-壳聚糖复合材料具有良好的水分散性，进而使磺化处理后的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料适合应用在生产生活中；同时通过经本发明制备出的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料对小麦赤霉菌具有良好的抑制作用。
26.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.图1为本发明示例性实施例的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料制备方法的流程示意图；
29.图2为本发明示例性实施例的制备出的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的扫描电镜元素分布图；
30.图3为本发明示例性实施例的制备出的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的红外光谱图；
31.图4为本发明示例性实施例的壳聚糖、氧化石墨烯、氧化石墨烯-壳聚糖复合材料、磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明提供的一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法，参见图1，包括：
34.s100、将甲酰胺和氯磺酸按体积比为20～30:6～9混合，获得磺化试剂；
35.s200、将氧化石墨烯-壳聚糖复合材料加入到所述磺化试剂中，在65～75℃的温度下反应3～5h；
36.s300、待所述氧化石墨烯-壳聚糖复合材料均匀的分散在所述磺化试剂中后，将上述反应液经洗涤抽滤处理，直至滤饼为中性；
37.s400、对所述滤饼进行透析处理24h后，再经冷冻干燥，即可获得磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料。
38.本发明提供的一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料制备方法，通过甲酰胺和氯磺酸制得的磺化试剂对氧化石墨烯-壳聚糖复合材料进行磺化处理，使经磺化处理后氧化石墨烯-壳聚糖复合材料具有良好的水分散性，进而使磺化处理后的氧化石墨烯-壳聚糖复合材料适合应用在生产生活中；同时通过经本发明制备出的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料对小麦赤霉菌具有良好的抑制作用。其中，本发明选用氯磺酸作为磺化试剂，能够使磺化的反应条件简单且产物的产率较高。
39.在一些实施方式中，在将甲酰胺和氯磺酸按体积比为20～30:6～9混合时，包括：将甲酰胺置于冰盐浴中，并在甲酰胺被搅拌的状态下，逐滴加入氯磺酸，制成磺化试剂。在本实施方式中，通过将甲酰胺被搅拌的状态下逐滴加入氯磺酸，可使氯磺酸均匀的分散在甲酰胺中；其中，甲酰胺和氯磺酸之间的体积比包括但不限于20:6、23:7、25:8、27:7、28:8、29:9、30:9。
40.在一些实施方式中，磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法还包括对氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备，所述氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备包括：
41.(1)将壳聚糖溶解在浓度为0.2wt％的稀醋酸溶液中，获得壳聚糖醋酸溶液；
42.(2)取氧化石墨烯在水中超声分散均匀，获得氧化石墨烯水分散液；
43.(3)将所述氧化石墨烯水分散液加入到所述壳聚糖醋酸溶液中，经超声搅拌混匀后，加入交联剂和催化剂，并在反应得到均一的悬浮液后，将所述悬浮液经冷冻干燥，即可获得氧化石墨烯-壳聚糖复合材料。
44.由于壳聚糖较氧化石墨烯更加廉价，因此通过将壳聚糖作为前体，再通过氧化石墨烯与壳聚糖结合，可降低磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备成本。本实施方式通过交联剂活化氧化石墨烯表面的羧基，再通过催化剂接枝在活化的羧基上促进壳聚糖取代交联剂与氧化石墨烯发生交联，已完成对氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备。
45.在一些实施方式中，在制备所述壳聚糖醋酸溶液时，包括：将0.06g～0.4g壳聚糖溶解在浓度为0.2wt％的稀醋酸溶液中，获得浓度为0.001～0.01g/ml壳聚糖醋酸溶液。本实施例中的壳聚糖醋酸溶液的浓度包括但不限于0.001g/ml、0.002g/ml、0.003g/ml、0.004g/ml、0.005g/ml、0.006g/ml、0.007g/ml、0.008g/ml、0.009g/ml、0.01g/ml。
46.在一些实施方式中，在制备氧化石墨烯水分散液时，包括：取0.004g～0.02g氧化石墨烯在水中超声分散均匀，获得浓度为0.01～0.05g/ml氧化石墨烯水分散液。本实施例中的氧化石墨烯水分散液的浓度包括但不限于0.01g/ml、0.02g/ml、0.03g/ml、0.04g/ml、0.05g/ml。
47.在一些实施方式中，在将所述氧化石墨烯水分散液加入到所述壳聚糖醋酸溶液中时，壳聚糖和氧化石墨烯的质量比为100:1～50。
48.由于壳聚糖较氧化石墨烯更加廉价，因此，可以通过调整壳聚糖和氧化石墨烯的质量比来制备氧化石墨烯-壳聚糖复合材料，其中，壳聚糖和氧化石墨烯的质量比包括但不限于100：50、100：45、100：40、100：35、100：30、100：25、100：20、100：15、100：10、100：5。
49.在一些实施方式中，所述壳聚糖的分子量为20kda～1000kda。
50.在一些实施方式中，所述交联剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐，所述催化剂为n-羟基琥珀酰亚胺。
51.本实施方式通过加入质量比为1：1的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(edc)和n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)作为反应的交联剂和催化剂，其中，edc用于活化氧化石墨烯表面的羧基起到交联剂的作用；nhs则先接枝在活化的羧基上促进壳聚糖取代nhs与go发生交联，起到催化剂的作用。
52.进一步的，所述交联剂和所述催化剂之间的质量比为1:1，所述交联剂和所述催化剂的质量之和为氧化石墨烯和壳聚糖的质量之和的六分之一。
53.本发明还提供了一种如上述所述磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料制备方法制备的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料在抗菌剂中的应用。
54.下面通过实施例对本发明提供的一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法做具体说明。
55.实施例1
56.一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法，包括如下步骤：
57.(1)称取分子量为50kda壳聚糖充分溶解在质量分数为2wt％稀醋酸溶液中，得到浓度为0.001g/ml壳聚糖的醋酸溶液；
58.(2)取氧化石墨烯在水中超声分散均匀，得到浓度为0.03g/ml氧化石墨烯水溶液；
59.(3)将氧化石墨烯水溶液加入到壳聚糖醋酸溶液中，超声搅拌混匀，并加入15mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为反应的交联剂、以及15mg n-羟基琥珀酰亚胺催化剂，在反应得到均一的悬浮液后，通过将悬浮液冷冻干燥后，即可得到10％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料；其中，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺的质量之和为氧化石墨烯和壳聚糖的质量之和的六分之一；
60.(4)将25ml的甲酰胺置于冰盐浴中，并在甲酰胺被搅拌的状态下，逐滴加入6ml的氯磺酸，制成磺化试剂；
61.(5)向磺化试剂加入2g 10％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料，70℃反应3h；
62.(5)反应完成后，向上述反应液中加入无水乙醇，清洗抽滤至滤饼中性；
63.(6)将滤饼透析24h后，冷冻干燥得到磺化10％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料。
64.本实例还提供所得到的磺化10％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料的表征手段。如图2，可知所得到的复合材料因含有磺酸基而含有硫元素，表明磺化成功。由图3可知，壳
聚糖(a)红外光谱图中3430cm-1
为壳聚糖分子中-oh和n-h的伸缩振动吸收峰,2870cm-1
和2920cm-1
为-ch对称伸缩振动吸收峰和-ch2不对称伸缩振动吸收峰,1656cm-1
为酰胺ⅰ带吸收峰，1600cm-1
归因于-nh2的弯曲振动，1078cm-1
对应于环氧基团的c-o-c键拉伸振动。在氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料(b)的红外谱图中，3430cm-1
处的-oh和n-h的伸缩振动吸收峰变得更加宽泛，1571cm-1
，1644cm-1
处的吸收峰对应-nhco-中的n-h伸缩振动峰和-c＝o的伸缩振动峰，结果表明cs和go以酰胺键的形式结合。在磺化10％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料(c)红外光谱图中，1226cm-1
处为o＝s＝o弯曲振动吸收峰，810cm-1
为c-o-s的伸缩振动吸收峰，表明磺化成功。图4所示,磺化10％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料电镜形貌与氧化石墨烯,壳聚糖,氧化石墨烯-壳聚糖复合材料不同，氧化石墨烯(b)的表面有大量的褶皱，壳聚糖(a)的表面较为粗糙且是块状结构，氧化石墨烯和壳聚糖复合材料(c)整体结构呈片状，表面较为粗糙，说明壳聚糖包覆在氧化石墨烯的表面，增加了壳聚糖的韧性，也改善了氧化石墨烯的生物相容性。氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料可以溶于稀酸溶液中，不可以溶于水。磺化10％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料(d)呈现出片状和网状结构。且所合成的复合材料遇水极易溶解。
65.本实例还提供磺化10％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料作为一种抗菌剂的用途。
66.(1)pda培养基的制备
67.将马铃薯洗净并去皮，将其晾干之后切块，称取400g已经切好的马铃薯块，水中煮沸，直至马铃薯块达到熟而不烂，停止加热。将煮熟的马铃薯汁和上清液用双层干净的纱布严密过滤后，再次大火加热煮沸，加入已经称好的蔗糖34g，搅拌至其溶化，再缓慢的向其中加入34g琼脂，一边煮沸一边用玻璃棒进行搅拌，搅拌均匀后，定容2000ml。得到pda培养基备用。
68.(2)抗菌实验
69.称取15mg复合材料放入小烧杯中，加入30ml纯净水溶解，溶液进行梯度稀释为五种不同浓度的溶液。
70.将溶液与pda培养基混合后，倒入四个培养皿中做平行实验，然后用记号笔在培养皿上标注编号，待其冷却凝固之后备用。
71.将小麦赤霉菌接种到培养基，将培养皿倒置，用封口膜进行封口后，置于26～28℃的生化培养箱中培养。培养72小时后，采用十字交叉法对菌落的直
72.径进行测量并记录数据，计算抑菌率和菌落平均直径，整理数据。
[0073][0074]
菌落直径＝菌落总直径(cm)-菌落直径(cm)
[0075]
(3)抗菌效果
[0076]
抗菌效果如表1，表2所示，通过对表1和2进行分析，可知抑制率随浓度的增加而增加，所得到的抗菌毒力回归方程为y＝2.26x+1.1884。
[0077]
表1为本实施例的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料抑菌率表格
[0078][0079]
表2为本发明实施例的磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料毒力回归方程
[0080][0081]
实施例2
[0082]
一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0083]
(1)称取分子量为100kda壳聚糖充分溶解在质量分数为2wt％稀醋酸溶液中，得到浓度为0.005g/ml壳聚糖的醋酸溶液；
[0084]
(2)取氧化石墨烯在水中超声分散均匀，得到浓度为0.03g/ml氧化石墨烯水溶液；
[0085]
(3)将氧化石墨烯水溶液加入到壳聚糖醋酸溶液中，超声搅拌混匀，并加入15mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为反应的交联剂、以及15mg n-羟基琥珀酰亚胺催化剂，在反应得到均一的悬浮液后，通过将悬浮液冷冻干燥后，即可得到10％氧化石墨烯-壳聚糖(10w)复合材料；其中，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺的质量之和为氧化石墨烯和壳聚糖的质量之和的六分之一；
[0086]
(4)将28ml的甲酰胺置于冰盐浴中，并在甲酰胺被搅拌的状态下，逐滴加入7ml的氯磺酸，制成磺化试剂；
[0087]
(5)向磺化试剂加入2g 10％氧化石墨烯-壳聚糖(10w)复合材料，70℃反应3h；
[0088]
(5)反应完成后，向上述反应液中加入无水乙醇，清洗抽滤至滤饼中性；
[0089]
(6)将滤饼透析24h后，冷冻干燥得到磺化10％氧化石墨烯-壳聚糖(10w)复合材料。
[0090]
实施例3
[0091]
一种磺化氧化石墨烯-壳聚糖复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0092]
(1)称取分子量为5kda壳聚糖充分溶解在质量分数为2wt％稀醋酸溶液中，得到浓度为0.01g/ml壳聚糖的醋酸溶液；
[0093]
(2)取氧化石墨烯在水中超声分散均匀，得到浓度为0.05g/ml氧化石墨烯水溶液；
[0094]
(3)将氧化石墨烯水溶液加入到壳聚糖醋酸溶液中，超声搅拌混匀，并加入30mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为反应的交联剂、以及30mg n-羟基琥珀酰亚胺催化剂，在反应得到均一的悬浮液后，通过将悬浮液冷冻干燥后，即可得到2％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料；其中，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和n-羟基琥珀酰亚胺的质量之和为氧化石墨烯和壳聚糖的质量之和的六分之一；
[0095]
(4)将30ml的甲酰胺置于冰盐浴中，并在甲酰胺被搅拌的状态下，逐滴加入6ml的氯磺酸，制成磺化试剂；
[0096]
(5)向磺化试剂加入2g 2％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料，70℃反应3h；
[0097]
(5)反应完成后，向上述反应液中加入无水乙醇，清洗抽滤至滤饼中性；
[0098]
(6)将滤饼透析24h后，冷冻干燥得到磺化2％氧化石墨烯-壳聚糖(5w)复合材料。
[0099]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。