胡亞微， 賀惠蓉， 張弘弛， 馬養(yǎng)民， 顧 鑫

(1.陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021； 2.太倉中化環(huán)?；び邢薰?， 江蘇 太倉 215433)

0 引言

近年來，隨著人們對衛(wèi)生環(huán)境的要求日益提高，抗菌材料受到了廣泛的關(guān)注.抗菌材料是指本身具有殺滅或抑制微生物功能的一類新型功能材料，而抗菌材料可分為無機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑兩大類.常用的無機(jī)抗菌劑大部分是利用銀、銅、鋅等金屬本身所具有抗菌能力的材料，通過物理吸附或離子交換等方法，將銀、銅、鋅等金屬(或其離子)固定在沸石、硅膠等多孔材料的表面制成抗菌劑，然后將其加入到制品中獲得具有抗菌性的材料[1-3].而TiO2、ZnO、ZnS等則屬于另一類新型的無機(jī)抗菌劑——即光催化型無機(jī)抗菌劑，這一類半導(dǎo)體氧化物需要在光照條件下，吸光后產(chǎn)生大量的活性基團(tuán)來抑制細(xì)菌的生長和繁殖.無機(jī)抗菌材料在紡織品、衛(wèi)生潔具等方面均有很重要的應(yīng)用，但是目前國內(nèi)外文獻(xiàn)報道的這一系列抗菌材料一般采用共沉淀法或浸漬法制備，且均需經(jīng)過紫外光照才能發(fā)揮其抗菌性能，因而其應(yīng)用也受到限制[4-6].為了突破這一材料應(yīng)用的局限，提高這類無機(jī)材料的抗菌性能，本文采用溶膠凝膠法制備了ZnO納米粒子，不需經(jīng)過紫外光照即可顯示優(yōu)良的抗菌性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

(1)制備ZnO化學(xué)試劑為：Zn(NO3)2·6H2O(AR，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)；無水乙醇(AR，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠)；聚乙烯吡咯烷酮(PVP，AR，天津市科密歐化學(xué)試劑廠).

(2)指示菌株及來源：革蘭氏陽性菌：金色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis(Ehrenberg)Cohn)；革蘭氏陰性菌：大腸桿菌(Escherichiacoli)、綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa).以上菌種由陜西科技大學(xué)生命學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供.

(3)培養(yǎng)基：細(xì)菌指示菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基.主要成分為：蛋白胨l0g，牛肉膏5g，氯化鈉5g，瓊脂10 g，蒸餾水1000 mL，調(diào)pH值至7.2～7.4.滅菌條件為121 ℃、30 min.

(4)菌懸液使用試劑：磷酸鹽緩沖液[PBS，0.03 mol·L-1，pH(7.2～7.4)]：磷酸氫二鈉(Na2HPO4，無水)2.83 g，磷酸二氫鉀(KH2PO4)1.85 g，非離子表面活性劑吐溫-801.0g、蒸餾水1000 mL，調(diào)pH值至7.2～7.4.

(5)樣品表征：ZnO粉末的物相組成和晶型結(jié)構(gòu)采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的D/Max-3c型X射線粉末衍射儀(XRD)(銅靶，電壓40 kV，電流35 mA，掃描范圍：30°～75°)進(jìn)行表征；薄膜的表面形貌通過日本JOEL公司生產(chǎn)的JSM-6700F冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，加速電壓15 kV，電流10μA)進(jìn)行觀察.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1ZnO的制備

取0.1g PVP溶于8mL無水乙醇中，室溫條件下采用磁力攪拌器攪拌1h，得到溶液a.稱取2.98 g六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)溶于2mL去離子水中，待其完全溶解，緩慢加入到溶液a中，室溫攪拌8～10 h，得到溶膠b.于120 ℃烘箱干燥后，放入馬弗爐中以16 ℃·min-1的升溫速度升至500 ℃，并保溫2h，自然冷卻后取出、研磨，得到ZnO粉體.

1.2.2抗菌實(shí)驗(yàn)

(1)菌懸液的制備.無菌條件，取冷凍保藏的各測試菌種各接種于營養(yǎng)瓊脂斜面培養(yǎng)基上，于恒溫培養(yǎng)箱中，在37 ℃下培養(yǎng)18～24 h后作為活化的供測試用的菌種.用滅菌的竹簽將活化的菌種，加入已滅菌的 PBS緩沖液的錐形瓶中，振蕩使細(xì)菌懸浮均勻，制成菌懸液，菌懸液濃度約為107 cfu·mL-1.

(2)供試樣品的制備.取一定量ZnO粉體顆粒，在無菌條件下超聲分散于無水乙醇中，將已滅菌濾紙片浸入到樣品的懸浮液中，靜置.無水乙醇完全揮發(fā)后，在濾紙片上自然沉積得到供抗菌試驗(yàn)的ZnO樣品.

(3)抗菌性能測試.取配置好的菌懸液0.1mL，用滅菌涂布器反復(fù)在已凝固的平面培養(yǎng)基表面推移，使表面菌懸液均勻分布.用鑷子輕取制備的ZnO樣品，置于上述處理過的平面培養(yǎng)基上，在37 ℃恒溫箱中培養(yǎng)18～24 h后，觀察ZnO的抗菌效果，測量其抑菌圈的直徑.為了保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，每個樣品在相同的條件下做3個平行實(shí)驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1 ZnO粉末的XRD圖

圖1為所得ZnO粉末的XRD圖譜.由圖看出，所得ZnO粉末的XRD譜圖中的峰位與六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO(結(jié)構(gòu)索引卡片No. 65-3411)相吻合，分別對應(yīng)(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)晶面.譜圖中沒有任何雜質(zhì)衍射峰出現(xiàn)，且衍射峰尖銳，說明所得產(chǎn)物為純的纖鋅礦ZnO結(jié)構(gòu).

2.2 SEM分析

圖2 ZnO粉末的SEM圖

圖2為所得ZnO粉末放大30 000倍和5000倍的SEM照片.30 000倍的電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過500 ℃熱處理后的ZnO粉末顆粒大小基本均勻，粒徑約為200 nm左右.而從低倍的電鏡照片可以看出，ZnO納米顆粒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚顆粒大小約1～3μm.

2.3 抗菌活性分析

經(jīng)溶膠凝膠法制備ZnO納米粒子抗菌實(shí)驗(yàn)照片如圖3，并將抗菌性能結(jié)果列于表1.從表中看出，ZnO納米粒子具有很好的抗菌活性，且對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均有抗菌效果.據(jù)文獻(xiàn)報道，這一類物質(zhì)在沒有摻雜或復(fù)合時對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌基本上無抗菌活性[7].而紫外光照前后對大腸桿菌和金黃葡萄球菌的透明抑菌圈可達(dá)到13～17 mm[8].在本文中，通過對比紫外光照前后的ZnO納米粒子的抗菌活性，看出樣品在未經(jīng)紫外光照射時的抗菌活性比文獻(xiàn)值有所提高，對大腸桿菌的抑菌圈最大可達(dá)到21.5mm，且未經(jīng)過紫外光照的樣品的抗菌活性比紫外光照后樣品有明顯的增強(qiáng)，表明ZnO在可見光照下即可表現(xiàn)優(yōu)良的抗菌活性，提高了ZnO作為抗菌材料的應(yīng)用性.

表1 ZnO納米粒子抗菌性能結(jié)果

ZnO性質(zhì)穩(wěn)定，不同于溶出型無機(jī)抗菌劑通過離子隨水?dāng)U散與微生物接觸發(fā)生殺菌作用，但其在光照條件下產(chǎn)生的活性氧類物質(zhì)已經(jīng)被證實(shí)是一種抗菌物質(zhì)[9-11].Sawai等人發(fā)現(xiàn)H2O2是ZnO產(chǎn)生抗菌性能的主要活性物質(zhì)[12-14],且H2O2產(chǎn)量對抗菌性能有重要的影響.有文獻(xiàn)報道，ZnO體系中H2O2的產(chǎn)生，主要是由于納米結(jié)構(gòu)的晶格失配合懸空鍵引起的表面化學(xué)吸附，經(jīng)過多步驟的中間過渡亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)[15]，釋放出高活性物質(zhì)(或基團(tuán)).可能的產(chǎn)生機(jī)理如下[16]：

圖3 紫外光照前后的ZnO樣品對4種細(xì)菌的抗菌實(shí)驗(yàn)照片培養(yǎng)皿上方樣品為經(jīng)過紫外光照射3 h后的ZnO樣品，下方為未經(jīng)過紫外光照的樣品(A：大腸桿菌 B：枯草芽孢桿菌 C：綠膿桿菌 D：金黃色葡萄球菌)

針對紫外光照前后抗菌活性的不同，可能是羥基自由基等活性物質(zhì)在光照下加速產(chǎn)生，而活性物質(zhì)之間往往存在相互轉(zhuǎn)化或干擾，導(dǎo)致H2O2產(chǎn)量變化[16].

3 結(jié)論

采用溶膠凝膠法制備了ZnO納米粒子，粒徑約為200 nm，所制備的ZnO納米粒子在抗菌性能測試中顯示出特殊的抗菌性.傳統(tǒng)方法制備的ZnO粉體顆粒需經(jīng)過紫外光照才能發(fā)揮其抗菌性能，而本實(shí)驗(yàn)中采用溶膠凝膠法制備的ZnO納米粒子，不需紫外光照射就具有較強(qiáng)的抗菌性能(未經(jīng)過紫外光照的樣品對大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的抗菌圈均達(dá)到19 mm以上)，提高了ZnO作為抗菌材料的應(yīng)用范圍.

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