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        不同形態(tài)納米銀的制備及其殺菌性能的研究

        2015-07-28 08:16:36孫彩華何佳奇余朝輝
        中國醫(yī)藥導(dǎo)報 2015年34期
        關(guān)鍵詞:納米銀納米線立方體

        孫彩華 何佳奇 余朝輝

        浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院藥劑科,浙江 杭州 310004

        納米銀是一種新型材料,其殺菌能力強(qiáng)、殺菌廣譜、應(yīng)用安全,在殺菌領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價值。納米銀的形態(tài)有多種,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有球形、立方體、銀納米線、八面體、三角片等,其形態(tài)不同,則制備方法各異。傳統(tǒng)的物理法不易控制條件,且費(fèi)用較高,化學(xué)法操作簡單且條件易控制[1-2]。其中微波法以操作簡單、制備速率快等優(yōu)點(diǎn)受到大量重視,本文以微波法制備不同形態(tài)納米銀,并對其殺菌性能進(jìn)行研究。

        1 納米銀的制備

        1.1 材料

        微波爐(Galanz G80F23CN1L-SD)、掃描電子顯微鏡(NOVANANOSEM 430)、透射電子顯微鏡(JEOL JEM-2100HR)、紫外-可見光分光光度儀(HACH DR 5000)、X 射線衍射儀(Bruker D8 ADVANCE)、電子天平(奧豪斯 AR2140)、高速離心機(jī)(中佳 HC-3017)。

        1.2 儀器

        硝酸銀(AgNO3)(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、聚乙烯吡咯烷酮 (PVPK30)(上海生物科技有限公司)、乙二醇(EG)(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、氯化鈉(NaCl)(廣州化學(xué)試劑廠)、乙醇(廣州化學(xué)試劑廠)、丙酮(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、去離子水與超純水為實(shí)驗(yàn)室(浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室)自制。

        1.3 制備方法

        利用微波合成法制備納米銀的步驟如下:在50 mL聚四氟乙烯反應(yīng)容器中加入經(jīng)準(zhǔn)確稱取的AgNO3、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、EG以及NaCl,可見在加入NaCl后溶液由澄清透明狀逐漸變渾濁,溶液泛白、透光性變低,表示反應(yīng)中產(chǎn)生了不溶于水的AgCl;充分?jǐn)嚢枞芤汉螳@得納米銀溶膠;溶液經(jīng)分離、洗滌后得到目標(biāo)產(chǎn)物納米銀[3]。制備過程中設(shè)定的變量分別為NaCl的投入量(NaCl加入量設(shè)置為 0、0.05、0.1、1、5 mg)、反應(yīng)條件(微波爐320 W加熱,加熱時間為30 min)、反應(yīng)的時間(1.5~4 min)、PVP/AgNO3比例(0、2∶1、8∶1),對不同條件下制備的納米銀產(chǎn)物進(jìn)行分析。利用X線衍射確定物相,區(qū)分納米銀的形態(tài);利用紫外-可見光分光光度計區(qū)分銀納米線,判定銀納米線的產(chǎn)率及線粒比;利用電子顯微鏡觀察產(chǎn)物的形貌,以確定晶體結(jié)構(gòu)(單晶、孿晶或多晶);通過紅外光譜分析測定產(chǎn)物中是否存在有機(jī)物來判定納米銀清洗是否干凈。

        1.4 結(jié)果

        1.4.1 不同NaCl加入量下的納米銀形態(tài) 對不同NaCl加入量所得的納米銀產(chǎn)物進(jìn)行形態(tài)分析顯示,反應(yīng)體系中沒有NaCl或NaCl加入量少時,得到的納米銀顆粒未見結(jié)構(gòu)整齊、形態(tài)單一的準(zhǔn)球形,其粒徑為(60±10)nm;NaCl的量增加到0.1 mg時所得到的產(chǎn)物中不僅有準(zhǔn)球形,還出現(xiàn)了立方體、右椎體、納米棒等球形以外的結(jié)構(gòu);NaCl的加入量再增加后,所得到的產(chǎn)物中納米顆粒所占的比例減少,銀納米線所占比例增加;將5 mg NaCl加入反應(yīng)中所得到的產(chǎn)物中納米銀顆粒含量很少,而是以銀納米線為主,其線徑為(60±10)nm,線長為 2~4 μm。

        1.4.2 不同反應(yīng)時間的納米銀形態(tài) 在反應(yīng)溶液中不加NaCl時,隨著反應(yīng)時間的延長,所得產(chǎn)物的形態(tài)沒有改變,均為準(zhǔn)球形的納米銀顆粒,結(jié)構(gòu)整齊、形態(tài)單一,粒徑為(60±10)nm;而且紫外-可見光分光光度計掃描的結(jié)果顯示,隨著反應(yīng)時間延長,所得產(chǎn)物的波長吸收峰沒有改變,為430~440 nm,據(jù)文獻(xiàn)[4]報道此吸收峰對應(yīng)的是準(zhǔn)球形納米銀顆粒,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與報道相符;隨著反應(yīng)時間的延長,波長掃描特征吸收峰的吸收強(qiáng)度增高,說明所獲得的準(zhǔn)球形納米銀顆粒的量增加。

        在反應(yīng)溶液中加入5 mg NaCl溶液后,隨著反應(yīng)時間的延長,得到的產(chǎn)物不一樣,在1.5 min時得到的為納米銀顆粒,其大小不一、形態(tài)不規(guī)則,表明納米銀生長階段在初期;反應(yīng)2 min時得到納米銀顆粒,顆粒粒徑為(60±10)nm,形態(tài)以立方體為主,也有右椎體、準(zhǔn)球體顆粒,還夾雜少許銀納米棒,表明出現(xiàn)了納米銀的完整結(jié)構(gòu);在時間逐漸延長到3 min時,銀納米線的產(chǎn)量增加,其產(chǎn)生的量與納米顆粒的量一樣多,測量線長為1~2 μm;反應(yīng)時間到4 min時,產(chǎn)物中主要是銀納米線,僅有很少的納米銀顆粒,銀納米線的線長也延長到2~4 μm。通過紫外-可見光分光光度計波長掃描,隨著時間的延長,吸收峰有變化,在1.5 min處的吸收峰為460 nm,吸收峰的強(qiáng)度稍低,因此處的吸收峰對應(yīng)納米顆粒的立方體,故此時納米銀顆粒還少;在反應(yīng)到2 min時吸收峰為460 nm,此時的吸收峰強(qiáng)度很高,說明此時產(chǎn)物中主要是納米銀顆粒的立方體;反應(yīng)時間延長到3 min時,有兩個吸收峰,分別在390 nm處與460 nm處,而390 nm處代表銀納米線,表示此時納米銀顆粒與銀納米線的產(chǎn)量一樣多;反應(yīng)到4 min時,吸收峰為390 nm,即此時產(chǎn)物中主要含有銀納米線,結(jié)果如表1所示。

        1.4.3 不同比例PVP/AgNO3時產(chǎn)物中納米銀的形態(tài)反應(yīng)溶液中不加NaCl時,在不同比例的PVP/AgNO3反應(yīng)體系中,得到的產(chǎn)物均為納米銀顆粒,在不加入PVP時產(chǎn)物中納米銀顆粒大小不規(guī)則,而在加入PVP后,產(chǎn)物中納米銀顆粒形狀為準(zhǔn)球形,大小均勻,形態(tài)規(guī)則,粒徑為60~70 nm。

        表1 不同反應(yīng)時間下納米銀產(chǎn)物的分析

        反應(yīng)溶液中加入5 mg NaCl后,不同比例PVP/AgNO3反應(yīng)體系中,得到的產(chǎn)物形態(tài)明顯不同,反應(yīng)液中未加PVP時,所得結(jié)果為納米銀顆粒,其形態(tài)不規(guī)則;加入PVP使得PVP/AgNO3比例為2∶1時,所得產(chǎn)物主要為納米線;而加入更多PVP使得PVP/Ag-NO3比例為8∶1時,產(chǎn)物中主要是納米顆粒,而納米線的量很少,結(jié)果如表2所示。

        表2 不同比例PVP/AgNO3時產(chǎn)物中納米銀的形態(tài)

        2 不同形態(tài)納米銀的殺菌性能

        2.1 儀器

        2.1.1 儀器 96孔板(廣州普博儀器有限公司)、電子天平(美國奧豪斯,AR2140)、高速離心機(jī)(安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司,HC-3017)、恒溫振蕩器(上海智誠分析儀器制造有限公司,ZHWY-2102C)、透射電子顯微鏡(上海日立高新技術(shù)國際貿(mào)易有限公司,H-7650)。

        2.1.2 試劑 LB培養(yǎng)基、瓊脂均購自廣東環(huán)凱微生物科技有限公司;NaCl、碳酸氫鈉(NaHCO3)、磷酸鈉(Na3PO4)、硫化鈉(Na2S)、硝酸(HNO3)均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;去離子水為研究組自制。

        2.1.3 菌種及培養(yǎng) 大腸埃希菌 (E.coil)(廣東省微生物所菌種保藏中心)在LB液體培養(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng)。

        2.2 方法

        2.2.1 測量納米銀的最低抑菌濃度 (MIC)采用對倍稀釋法,把96孔板LB培養(yǎng)基中加入不同形態(tài)的納米銀(銀立方體、銀納米線、準(zhǔn)球形顆粒)與大腸埃希菌液,以2倍稀釋法設(shè)定濃度,納米銀濃度設(shè)定為3~100 μg/mL,大腸埃希菌濃度為 1×103、1×104、1×105、1×106cfu/mL,將孔板放于37℃、200 r/min振蕩器中培養(yǎng)24 h,判定 MIC。

        2.2.2 測定納米銀的殺菌效果 把大腸埃希菌懸浮液中加入2 mmol/L NaHCO3緩沖液以1∶10的比例稀釋,使得大腸埃希菌濃度為1×106cfu/mL,在離心管中以移液槍加入稀釋后的細(xì)菌液,在加入3種形態(tài)的納米銀,將其濃度設(shè)定為 3、6.25、12.5、25、50、100 μg/mL,并設(shè)置空白對照,對照組中未加入納米銀,其他成分則相同。樣品反應(yīng)時間為1 min,各取100 μL樣品接種在LB培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h(放于37℃恒溫?fù)u床),查看大腸埃希菌生長情況。

        2.2.3 透射電鏡觀察 通過透射電鏡觀察納米銀與大腸埃希菌的接觸情況,步驟為:大腸埃希菌稀釋液中加入納米銀,納米銀濃度為100 μg/mL,取一滴混合液經(jīng)銅網(wǎng)固定2 min、濾紙吸去液體、經(jīng)磷鎢酸染色2 min后去掉多余染色液,在透射電鏡下觀察處理后的樣品。

        2.3 結(jié)果

        2.3.1 不同形態(tài)納米銀的MIC 納米銀能抑制大腸埃希菌的生長,且隨著大腸埃希菌濃度的增加,抑制其生長所需的納米銀的量增加,不同形態(tài)納米銀的MIC不同,銀立方體形態(tài)納米銀的MIC最小,即抑制細(xì)菌生長的能力最強(qiáng),準(zhǔn)球形顆粒抑制細(xì)菌生長的能力次之,銀納米線MIC最大,即抑制細(xì)菌生長的能力最弱,結(jié)果如表3所示。

        表3 不同形態(tài)納米銀的最低抑菌濃度(μg/mL)

        2.3.2 納米銀的殺菌效果 將大腸埃希菌中加入不同形態(tài)納米銀進(jìn)行培養(yǎng)的結(jié)果中,隨著納米銀濃度的增加,對大腸埃希菌的抑制作用增強(qiáng),3種形態(tài)納米銀對大腸埃希菌抑制能力不同,銀立方體的濃度為25 μg/mL時即能滅活大腸埃希菌,而準(zhǔn)球形顆粒濃度為100 μg/mL時使大腸埃希菌滅活,銀納米線濃度超過100 μg/mL時仍不能完全滅火大腸埃希菌,可見銀立方體的滅菌效果最優(yōu),銀納米線滅菌效果最差,準(zhǔn)球形顆粒介于兩者之間,結(jié)果如圖1顯示。

        圖1 不同形態(tài)納米銀培養(yǎng)皿中大腸埃希菌培養(yǎng)情況

        2.3.3 不同形態(tài)納米銀與細(xì)菌混合后投射電鏡觀察結(jié)果 大腸埃希菌中沒有加入納米銀時,透射電鏡下觀察到大腸埃希菌表面并無多余的雜質(zhì),其表面光滑、平整。在大腸埃希菌液中加入3種形態(tài)的納米銀后,大腸埃希菌表面不平整,吸附著不同形態(tài)的納米銀。透射電鏡顯示3種形態(tài)的納米銀與細(xì)菌的接觸情況不同,銀立方體與大腸埃希菌能有效接觸,兩者接觸面積大;球形納米銀能與大腸埃希菌有效接觸,兩者的接觸面積亦很大;銀納米線不能與大腸埃希菌有效接觸,兩者的接觸面積小。

        3 討論

        納米銀的制備方法大體分為物理方法、化學(xué)方法、生物方法[5]。物理法是把較大的單質(zhì)銀以物理學(xué)方法制備成納米大小的納米銀,有機(jī)械球磨法、蒸發(fā)冷凝法、霧化法等。其中機(jī)械球磨法的產(chǎn)物主要是納米銀顆粒,顆粒分布不均,純度低。據(jù)有關(guān)報道,低溫高能機(jī)械球磨法制備出了平均粒徑為20 μg的納米銀顆粒;蒸發(fā)冷凝法能夠制備清潔界面納米銀粉,有報道利用氣象冷凝法得到了懸浮的納米銀粉;霧化法的產(chǎn)物為粉劑,有報道利用霧化法制備出超細(xì)顆粒,粒徑在5~20 nm[6-7]?;瘜W(xué)法是利用化學(xué)反應(yīng)原理把銀離子還原成單質(zhì)銀,有化學(xué)還原法、微乳液法、溶膠-凝膠法等。其中化學(xué)還原法以水或有機(jī)溶劑將金屬鹽溶解,再通過還原劑或表面活性劑使粒子結(jié)晶后脫水,制備得到粉體,制備的成本低、產(chǎn)量大,條件易控制,可制備出5~30 nm大小的納米銀粒子;微乳液法是使兩種不相溶的溶劑混合成乳液,再從中析出固體成分,制備到納米粉體,制備到的納米顆粒多為球形,可制備6 nm的納米顆粒,粒徑均一;溶膠-凝膠法是利用特殊方法水解金屬化合物為溶膠、凝膠,然后處理得到納米粉體,產(chǎn)物粒度小、純度高[8-9]。生物方法是將生物材料天然合成納米微粒,采用的生物材料有龍眼葉、山茱萸、芳樟葉、梔子干粉、茶葉等,以其諸多優(yōu)點(diǎn)而成為近年來研究的熱點(diǎn)。鑒于納米銀的制備方法有多種,粒子形態(tài)也各異,且不同形態(tài)的納米銀性質(zhì)和殺菌性能不同,近年來的研究中提出了納米銀形貌的可控制備方法[10-11]。

        20多年來,不同形態(tài)納米銀的制備有了很大發(fā)展,新的制備方法也克服了傳統(tǒng)方法中價格昂貴、純度不高等缺點(diǎn),其中微波法以其操作簡單、制備速度快、產(chǎn)量多等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注,本研究借用前人的研究成果,并結(jié)合本研究組多年的研究經(jīng)驗(yàn),通過控制微波法制備納米銀的條件來得到不同形貌的產(chǎn)物,對研究結(jié)果的分析如下:

        首先,制備不同形態(tài)的納米銀是在熱力學(xué)與動力學(xué)中改變制備的條件來完成的,且沉淀性離子是考慮的條件之一,Cl-能通過控制使Ag+形成沉淀的速率來調(diào)控反應(yīng)的速率,而且Cl-通過與氧氣結(jié)合來控制對晶種的選擇,據(jù)此筆者研究不同NaCl的量對納米銀形態(tài)的影響,沒有NaCl或少量NaCl時產(chǎn)物中以準(zhǔn)球形納米銀顆粒為多,隨著NaCl量增多,非球形產(chǎn)物比例增加,球形顆粒比例減少,NaCl增加到5 mg時產(chǎn)物以銀納米線為多,可見控制Cl-的量能夠?qū)崿F(xiàn)對納米銀形態(tài)的控制[12-13]。

        其次,由于納米銀晶體的生長是按照成核-聚集-生長過程進(jìn)行的,反應(yīng)時間的長短不同則納米銀形態(tài)亦不同。本研究通過控制微波中的反應(yīng)時間發(fā)現(xiàn),在反應(yīng)時間為1.5 min時,產(chǎn)生不規(guī)則的納米銀顆粒,隨著時間的推延,產(chǎn)物中混有更多形態(tài)的納米銀顆粒,并逐漸出現(xiàn)納米銀棒,時間更長時產(chǎn)生長度更長的銀納米線,而納米銀顆粒的量逐漸減少,因此通過控制反應(yīng)的時間能調(diào)控納米銀顆粒和銀納米線的制備[14]。

        鑒于PVP具有的空間位阻特性,能夠影響納米銀的分散性,控制納米銀的異性生長,據(jù)此考慮PVP加入量不同時對產(chǎn)物形態(tài)的影響,本研究在不加入PVP時得到不規(guī)則的納米銀顆粒,加入適量的PVP制備的產(chǎn)物以銀納米線為主,加入大量PVP時主要產(chǎn)生納米顆粒,可見PVP的加入量能夠影響納米銀的形態(tài)[15]。

        納米銀是新型的殺菌材料,其殺菌效果強(qiáng)、廣譜且應(yīng)用安全,在殺菌領(lǐng)域具有不可估量的應(yīng)用價值,查閱相關(guān)報道,分析其殺菌機(jī)制為:銀能夠緊密地結(jié)合含硫或含磷的化合物,而在細(xì)胞膜上存在含硫的蛋白質(zhì),納米銀結(jié)合硫蛋白后能夠吸附在細(xì)胞膜表面并累積于此,也可以穿透細(xì)胞膜抵達(dá)細(xì)胞內(nèi)部。相關(guān)研究也證實(shí)納米銀對細(xì)菌的殺滅作用是物理接觸與化學(xué)反應(yīng)共同作用完成的[16]。納米銀與細(xì)菌的物理接觸是限制性步驟,一旦接觸就會吸附在細(xì)胞膜表面,納米銀與細(xì)胞膜表面的含硫蛋白結(jié)合并反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞膜功能受損,通透性改變,細(xì)胞隨即死亡,因此,納米銀對細(xì)菌有抑制作用的重要機(jī)制是納米銀能夠直接接觸細(xì)菌表面[17]。

        鑒于不同納米銀的性質(zhì)不同,其殺菌能力也有強(qiáng)弱差異,本次研究中為比較不同形態(tài)納米銀的殺菌能力,制備了銀立方體、準(zhǔn)球形顆粒、銀納米線3種形態(tài)納米銀,結(jié)果顯示不同形態(tài)納米線的殺菌性能有差異,比較3種形態(tài)納米銀的MIC,銀立方體的MIC最小,即殺菌效果最好,準(zhǔn)球形顆粒的MIC稍高,其殺菌效果稍弱,而銀納米線的MIC最高,亦即殺菌效果最弱[18-20]。通過透射電鏡觀察,分析不同形態(tài)納米銀的殺菌性能強(qiáng)弱不同的原因,是由于納米銀形態(tài)能夠影響其與細(xì)菌的接觸面積,銀立方體與球形顆粒能充分暴露接觸面,接觸更多的細(xì)菌,故殺菌性能強(qiáng),而銀納米線的一維結(jié)構(gòu)減少了暴露面積,其殺菌性能相對弱。對于銀立方體與準(zhǔn)球形顆粒為何表現(xiàn)出不同的殺菌效果,就需要用納米銀的晶體結(jié)構(gòu)來解釋,現(xiàn)已經(jīng)明確銀立方體表面主要覆蓋{100}晶面,準(zhǔn)球形顆粒表面主要覆蓋{111}晶面,而γ{100}的表面能比γ{111}的表面能大,所以銀立方體的反應(yīng)活性更強(qiáng),而具有較為穩(wěn)定的{111}晶面結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)球形顆粒反應(yīng)活性稍弱,根據(jù)資料結(jié)果本研究推測,銀立方體的殺菌性能比準(zhǔn)球形顆粒的殺菌性能強(qiáng)是因?yàn)殂y立方體暴露有{100}晶面,反應(yīng)活性比暴露{111}晶面的準(zhǔn)球形顆粒強(qiáng)。

        綜上所述,不同形態(tài)的納米銀其制備流程不同,在微波法制備納米銀過程中,改變反應(yīng)中所加NaCl的量、反應(yīng)的時間、反應(yīng)中PVP的量均能影響產(chǎn)物中納米銀的形態(tài),據(jù)此,本研究可通過控制制備納米銀的材料或條件探究各種形態(tài)納米銀的最佳制備條件,來實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)納米銀的可控制備。納米銀的形態(tài)不同則性質(zhì)不同,導(dǎo)致其與細(xì)菌接觸的有效面積大小也不同,則對細(xì)菌的滅活效果不同,本次研究的結(jié)果提示銀立方體的殺菌性能比準(zhǔn)球形顆粒強(qiáng),準(zhǔn)球形顆粒的殺菌效果又優(yōu)于銀納米線,而對于改變殺菌試驗(yàn)中某一條件時對殺菌效果的影響,還需要進(jìn)一步的研究加以證實(shí)。

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