陳華軍, 席曉晶, 丁梧秀

(洛陽理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院, 洛陽 471023)

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銀摻雜介孔氧化鋁抗菌劑的一步合成與表征

陳華軍, 席曉晶, 丁梧秀

(洛陽理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院, 洛陽 471023)

摘要以Al(NO3)3·9H2O和AgNO3為原料, 采用水熱法制備了介孔氧化鋁納米粒子(Mesoporous Al2O3NPs)和銀摻雜介孔氧化鋁納米粒子(Mesoporous Ag/Al2O3NPs), 通過X射線衍射(XRD)、 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、 X射線熒光光譜(XRF)、 能量分散X射線衍射(EDX)和低溫N2吸附-脫附等手段對產(chǎn)物進行了表征, 通過最低抑菌濃度和抑菌圈實驗研究了材料的抗菌性能. XRD分析表明在介孔Ag/Al2O3NPs中Al2O3是唯一結(jié)晶相, Ag摻雜后, 介孔Ag/Al2O3NPs晶格常數(shù)和半高峰寬增大, 晶面間距[(111), (400)和(440)面]減小. FE-SEM形貌分析表明摻雜后的介孔Ag/Al2O3NPs顆粒直徑減小而孔徑增大. EDX和XRF分析表明介孔Ag/Al2O3NPs中O/Al摩爾比為1.5, 與Al2O3NPs中O/Al摩爾比相同. 綜合XRD和XRF分析結(jié)果認(rèn)為, Ag進入介孔Al2O3晶格間隙形成間隙固溶體. 低溫N2吸附-脫附分析表明摻雜后的介孔Ag/Al2O3NPs比表面積、 孔體積和孔徑增大. 曝氣抗菌實驗結(jié)果表明介孔Ag/Al2O3NPs的抗菌機理是活性氧和金屬銀的協(xié)同作用. 介孔Ag/Al2O3NPs對革蘭氏陰性菌(大腸桿菌)和革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌)具有明顯的抗菌效果, 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度(MIC)均為80 μg/mL, 抑菌圈直徑分別為26 mm和24 mm.

關(guān)鍵詞銀摻雜; 介孔氧化鋁; 革蘭氏菌; 抗菌性能

在過去的幾十年中, 由溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球氣候變暖正在越來越明顯地影響著我們的生活. 氣溫升高有利于細(xì)菌的滋生, 各種細(xì)菌導(dǎo)致的疾病嚴(yán)重威脅著人類的健康, 如前幾年爆發(fā)的非典型性肺炎和禽流感. 在這種情況下, 抗菌材料的研究越來越受到人們的重視, 并已成為材料領(lǐng)域研究的熱點之一. 具有抗菌功能的材料主要有沸石[1,2]、 蒙脫石[3,4]、 磷酸鹽[5,6]、 硅酸鹽[7,8]、 氧化鋅[9,10]、 氧化鎳[11,12]、 二氧化鈦[13,14]、 四氧化三鐵[15,16]、 石墨烯[17,18]、 碳納米管[19,20]、 活性炭纖維[21,22]、 銀納米粒子[23～25]及各種高分子材料等[26～28], 已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療[29]、 皮革[30]、 紡織[31]、 造紙[32]、 涂料[33]及金屬加工業(yè)[34]等領(lǐng)域. 但是, 上述抗菌材料加入到陶瓷釉料中制備抗菌陶瓷時, 會影響釉料的性質(zhì), 導(dǎo)致陶瓷光潔度變差, 甚至產(chǎn)生裂紋釉. Al2O3是陶瓷釉料的主要成分, 以介孔Al2O3為抗菌材料載體不會改變釉料的性質(zhì), 而且介孔Al2O3的高比表面積有利于抗菌粒子的釋放, 提高材料的抗菌性能. Kurtycz等[35]以三乙基鋁、 三異丙醇鋁和苯甲酸銀為原料制備了Ag2O和Al2O3的混合物, 并將此混合物加入到聚乳酸(PLA)中制備了PLA-Al2O3/Ag纖維絲. Yahyaei等[36]以三嵌段聚合物F127(Pluronic F127)為造孔劑, 硝酸銀和異丙醇鋁為原料, 制備了Ag納米粒子和有序介孔氧化鋁(OMA)的混合物, 并考察了該混合物對陰離子染料的吸附性能和對革蘭氏陽性菌和陰性菌的抗菌效果.

本研究采用PEG600為模板, Al(NO3)3·9H2O和AgNO3為原料, CO(NH2)2為沉淀劑, 在水熱條件下一步合成了銀摻雜介孔氧化鋁納米粒子(Mesoporous Ag/Al2O3NPs), 采用X射線衍射(XRD)、 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、 X射線熒光光譜(XRF)、 能量分散X射線衍射(EDX)和N2吸附-脫附測試等手段對材料進行表征, 并通過最低抑菌濃度和抑菌圈實驗評價了介孔Ag/Al2O3NPs的抗菌性能.

1實驗部分

1.1試劑與儀器

無水乙醇, Al(NO3)3·9H2O, AgNO3和尿素[CO(NH2)2](A.R.級, 西安試劑廠); 聚乙二醇PEG600(A.R.級, 天津可幫化工). 實驗用水為去離子水(電導(dǎo)率<0.5 μS/cm).

Zeiss Sigma HD型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM, 德國蔡司公司); B8-Focus型X射線衍射儀(德國布魯克公司), 工作電壓40 kV, 工作電流30 mA, 輻射源為CuKα,λ=0.15418 nm, 掃描范圍為10°～70°, 掃描速度為2°/min(2θ), 步寬為0.005°; NOVA 2200e型全自動比表面和孔徑分析儀(美國康塔公司).

1.2介孔Ag/Al2O3NPs的制備

將10 g PEG600, 0.5 g AgNO3, 8 g Al(NO3)3·9H2O和20 g CO(NH2)2依次溶于50 mL去離子水中, 磁力攪拌30 min后轉(zhuǎn)移至100 mL水熱反應(yīng)釜中, 于120 ℃水熱處理24 h, 冷卻后抽濾, 再依次用去離子水和乙醇洗滌, 于90 ℃烘干24 h后于900 ℃煅燒2 h, 即得介孔Ag/Al2O3NPs. 按照上述步驟, 不加AgNO3制備介孔Al2O3NPs.

1.3曝氣對殺菌效果的影響

將0.05 g介孔Ag/Al2O3NPs加入到450 mL無菌水中, 超聲分散20 min后加入50 mL(5.36×108cfu/mL)細(xì)菌懸液, 控制曝氣速度為0.8 mL/min, 采用不同氣體進行曝氣, 間隔3 min取樣1.00 mL, 加入到4 mL生理鹽水中, 分析并計算殘余細(xì)菌濃度.

1.4最低抑菌濃度(MIC)的測定

將一定量的介孔Ag/Al2O3NPs加入到25 mL LB瓊脂培養(yǎng)基中, 滅菌, 冷卻后加入25 μL濃度為5×107cfu/mL的原始菌液, 混合均勻后再倒入無菌培養(yǎng)皿中. 將培養(yǎng)皿置于37 ℃培養(yǎng)24 h, 通過計數(shù)確定殘余細(xì)菌的數(shù)目來計算抑菌率, 菌落生長被完全抑制的最低介孔Ag/Al2O3NPs濃度即為最低抑菌濃度(MIC)[37].

1.5抑菌圈實驗

將1.00 g 介孔Ag/Al2O3NPs制成直徑為10 mm的圓片. 將25 mL LB瓊脂培養(yǎng)基滅菌、 冷卻后倒入無菌培養(yǎng)皿中制成平板, 用無菌棉拭子蘸取濃度為 5×107cfu/mL的原始菌懸液, 在平板表面均勻涂抹3次. 每涂抹1次, 培養(yǎng)皿轉(zhuǎn)動 60°, 最后將棉拭子繞平板邊緣涂抹一周. 將培養(yǎng)皿于室溫下干燥5 min. 用無菌鑷子取介孔Ag/Al2O3NPs圓片貼放于平板表面. 將培養(yǎng)皿置于37 ℃培養(yǎng)24 h, 用游標(biāo)卡尺測量抑菌環(huán)的直徑[33].

2結(jié)果與討論

2.1樣品的表征

介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的XRD譜圖如圖1所示, 二者衍射峰相似, 各衍射峰位置和強度與η-Al2O3的粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)卡片(ICDD PDF#04-0875)對應(yīng)較好, XRD分析未檢測到其它結(jié)晶相. 介孔Ag/Al2O3(111), (400), (440)晶面的衍射角大于介孔Al2O3, 因而晶面間距(d值)小于介孔Al2O3. 晶面間距越小, 晶面上的陣點排列就越稀疏. 此外, 介孔Ag/Al2O3(111), (400), (440)晶面衍射的半高峰寬(FWHM)大于介孔Al2O3. 介孔Al2O3和介孔Ag/Al2O3(111), (400)和(440)晶面的FWHM,d值和峰位見表1.

由表1可見, Ag摻雜后介孔Ag/Al2O3NPs晶格常數(shù)變大, 再結(jié)合FWHM、d值和峰位的變化, 說明水熱條件下Ag+或Ag進入介孔Al2O3NPs晶格形成缺陷或間隙固溶體, 從而導(dǎo)致Ag/Al2O3NPs的晶格畸變.

圖2(A)和(B)分別是介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的FESEM照片. 可見, 二者均為短棒狀, 表面均存在介孔結(jié)構(gòu). 但介孔Ag/Al2O3NPs短棒的直徑較小而孔徑較大, 介孔結(jié)構(gòu)更加明顯, 從圖2(C)可以更加清楚地觀察到介孔Ag/Al2O3NPs表面的介孔結(jié)構(gòu). FESEM分析表明銀摻雜對介孔Al2O3NPs的形貌和介孔結(jié)構(gòu)均有較大影響. 介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的低角度X射線衍射分析結(jié)果(圖3)表明, 所合成的介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs均具有較窄的孔徑分布, 且介孔長程有序.

介孔Ag/Al2O3NPs的能譜分析和XRF分析結(jié)果分別如圖4和表2所示. XRF分析結(jié)果表明介孔Ag/Al2O3NPs中O/Al摩爾比為1.5, 與Al2O3NPs中O/Al摩爾比相同, 而O/(Al+Ag)摩爾比為1.32, 小于1.5, 結(jié)合XRD分析結(jié)果, 說明在水熱條件下單質(zhì)Ag進入介孔Al2O3晶體間隙位置, 形成間隙型固溶體. 因氧化銀加熱易分解, 300 ℃時分解完全, 而介孔Ag/Al2O3R 熱處理溫度是900 ℃, 所以Ag是原子態(tài)而不是離子態(tài).

圖5(A)和(B)是介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的低溫N2吸附-脫附曲線和孔徑分布曲線. 由圖5可見, 二者的N2吸附-脫附曲線均為Langmuir Ⅳ型, 并形成了H2型遲滯環(huán), 屬于典型的中孔結(jié)構(gòu). 等溫線在相對壓力0.2～1.0之間緩慢上升, 說明二者均具有較廣的介孔孔道, 且分布較窄. 采用BET方法計算比表面積SBET, 采用BJH方法計算孔體積(Vt)和孔徑(Dp)分布, 結(jié)果表明介孔Ag/Al2O3NPs的比表面積、 孔體積和孔徑均大于介孔Al2O3NPs(表3), 說明摻雜Ag對介孔Al2O3NPs的介孔結(jié)構(gòu)和形貌有較大影響.

2.2曝氣對介孔Ag/Al2O3抗菌效果的影響

圖6顯示了曝氣對介孔Ag/Al2O3NPs抗菌效果有顯著的影響. 可見, 氧氣含量越高, 介孔Ag/Al2O3NPs的抗菌效果越顯著, 在O2曝氣條件下抗菌效果優(yōu)于空氣曝氣, 而在N2曝氣條件下僅可部分殺滅細(xì)菌; 介孔Al2O3NPs即使在O2曝氣條件下也沒有明顯的殺菌效果. 文獻[38]表明:Al2O3NPs負(fù)載的金屬銀可以促進分子氧轉(zhuǎn)化為活性氧, 在介孔Ag/Al2O3NPs抗菌過程中, 活性氧起著重要的殺菌作用, 活性氧和介孔Ag/Al2O3NPs表面釋放出高度分散的金屬銀協(xié)同殺滅細(xì)菌.

2.3抗菌性能

采用最低抑菌濃度評價介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的抗菌性能, 結(jié)果見表4. 介孔Al2O3NPs無抗菌效果; 介孔Ag/Al2O3NPs對革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性菌(大腸桿菌)具有較好的殺菌效果, 大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的菌落數(shù)隨介孔Ag/Al2O3用量的增加而降低, 當(dāng)介孔Ag/Al2O3NPs用量為80μg/mL時, 殺菌率>99.9%, 故介孔Ag/Al2O3NPs對2種細(xì)菌的最低抑菌濃度值(MIC)均為80μg/mL.JapanAG300和JapanAGZ330對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC值分別為125和250μg/mL, 可見, 介孔Ag/Al2O3的抗菌效果優(yōu)于同類產(chǎn)品.

另外, 抑菌圈實驗結(jié)果表明介孔Ag/Al2O3NPs對陽性細(xì)菌(金黃色葡萄球菌)和陰性細(xì)菌(大腸桿菌)均具有抗菌效果, 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌圈直徑分別為26和24mm.

3結(jié)論

采用水熱法制備了介孔Al2O3和介孔Ag/Al2O3NPs. 實驗結(jié)果表明, 摻雜后的介孔Ag/Al2ONPs的晶格常數(shù)和半高峰寬增大, 晶面間距減小. 單質(zhì)Ag進入介孔Al2O3晶格間隙形成間隙型固溶體.Ag摻雜介孔Al2O3后, 介孔Ag/Al2O3顆粒直徑減小而孔徑增大, 比表面積、 孔體積和孔徑均大于介孔Al2O3. 介孔Ag/Al2O3NPs抗菌機理是活性氧和金屬銀的協(xié)同作用, 對革蘭氏陰性菌(大腸桿菌)和革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌)具有明顯的抗菌效果, 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度(MIC)均為80μg/mL, 抑菌圈直徑分別為26mm和24mm.

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(Ed.:F,K,M)

?SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No. 51279073)andtheScienceandTechnologyProjectofInstitueofScienceandTechnologyDepartmentofHenanProvince,China(No.132102310367).

One-potSynthesisandAntimicrobialPerformanceofMetallicSilver-dopedMesoporousAl2O3Nanoparticles?

CHENHuajun*,XIXiaojing,DINGWuxiu

(Department of Environmental Engineering and Chemistry,Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

KeywordsSilverdoping;MesoporousAl2O3;Gram;Antimicrobialefficiency

AbstractMetallicsliver-dopedmesoporousAl2O3nanoparticles(mesoporousAg/Al2O3NPs)weresynthesizedviahydrothermalmethodusingAgNO3andAl(NO3)3·9H2Oasprecursors.PowderX-raydiffraction(XRD),field-emissionscanningelectronmicroscopy(FE-SEM),X-rayfluorescence(XRF),energydispersivespectrometry(EDS)andN2adsorption-desorptiontechniqueswereusedtocharacterizemesoporousAg/Al2O3NPs,andthetestsofminimuminhibitoryconcentration(MIC)andinhibitionzonewerecarriedouttoevaluateantimicrobialefficiencyofmesoporousAg/Al2O3NPs.XRDanalysisidentifiedAl2O3asanuniquecrystallinephaseinmesoporousAg/Al2O3NPs,andthelatticeparametersmodifiedsignificantlyafterdopingwithsilver,inthemeantime,theFWHMofmesoporousAg/Al2O3NPsincreasedwhilethe(111), (400)and(440)interplanarspacingdecreased.TheFE-SEMimagesofmesoporousAl2O3NPsandmesoporousAg/Al2O3NPsillustratethediameterofmesoporousAg/Al2O3NPsdecreasedwhiletheporediameterincreasedafterdopingwithsilver.TheXRFandEDXspectraofmesoporousAg/Al2O3NPsconfirmedthattheatomicratioofO/Alwas1.5.InsightfulanalysesofXRDandXRFspectraofmesoporousAg/Al2O3NPsshowedthatmetallicsilveroccupiedinterstitialpositionsofAl2O3latticeandinterstitialsolidsolutionwasachieved.N2adsorption-desorptionanalysisillustratesthespecificsurfacearea,porevolumeandaverageporediameterofmesoporousAg/Al2O3NPsincreasedsignificantlyafterdopingwithsilver.TheMICofmesoporousAg/Al2O3NPswaslessthan80μg/mLagainstEscherichia coliandStaphylococcus aureus.ThediameterofinhibitionzoneformesoporousAg/Al2O3NPswas26mmagainstEscherichia coliand24mmagainstStaphylococcus aureus.

收稿日期:2016-02-25. 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-05-26.

基金項目：國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號: 51279073)和河南省科技廳科技攻關(guān)計劃項目(批準(zhǔn)號: 132102310367)資助.

中圖分類號O614

文獻標(biāo)志碼A

聯(lián)系人簡介: 陳華軍, 男, 副教授, 主要從事無機功能材料的合成與應(yīng)用研究. E-mail: chj790118@163.com