張金偉，王 瑤，溫永漢，孫宏斌，余國(guó)樞，陳武勇

(1. 四川大學(xué) 皮革化學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065； 2. 四川達(dá)威科技股份有限公司， 成都 610041； 3. 廣東省江門市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 江門 529000； 4. 廣東盛方化工有限公司，廣東 江門 529162)

0 引 言

納米銀通常指粒徑小于100 nm的金屬銀單質(zhì)，由于納米銀的表面效應(yīng)，同等濃度下其抑菌能力明顯強(qiáng)于銀單質(zhì)，而且不會(huì)產(chǎn)生耐藥性，具有低毒性和強(qiáng)抗菌活性等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前，在皮革、裘皮、造紙、包裝、紡織和涂料等行業(yè)中，納米銀已被廣泛使用[3-8]。納米銀的制備主要有物理方法、化學(xué)還原和生物還原等方法[9]，其中化學(xué)合成法操作簡(jiǎn)單，目前較為常用。由于納米銀表面能較高，易團(tuán)聚沉降，制備時(shí)往往需使用保護(hù)劑或穩(wěn)定劑防止其團(tuán)聚，常用的保護(hù)劑有聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇和明膠等[10]。表面活性劑為具有雙親性基團(tuán)的長(zhǎng)鏈分子，其長(zhǎng)鏈的位阻效應(yīng)可有效防止納米粒子發(fā)生團(tuán)聚，同時(shí)在溶液中形成的膠束可為納米銀的生成提供模板[11]。其中，陽(yáng)離子表面活性劑常被作為模板和助穩(wěn)定劑制備納米材料[12]。

以苯扎溴銨為保護(hù)劑、硼氫化鈉為還原劑，采用模板法制備的納米銀抗菌劑中銀濃度為2.4×10-5g/mL[13]，由于苯扎溴銨本身就是一種具有殺菌能力的陽(yáng)離子表面活性劑，該方法制備的納米銀具有良好的抗菌效果，并且可與膠原蛋白和角蛋白產(chǎn)生相互作用，可用于生產(chǎn)和加工具有持久抗菌性能的皮革和裘皮產(chǎn)品[14-17]。在納米銀抗菌劑的使用過(guò)程中，由于其有效物含量較低，為達(dá)到理想的抗菌效果，不僅使用時(shí)用量大，產(chǎn)品在包裝和運(yùn)輸上的費(fèi)用也會(huì)增加，最終導(dǎo)致綜合使用成本較高，極大地制約了納米銀抗菌劑的工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用。因此，在現(xiàn)有技術(shù)方案的基礎(chǔ)上制備有效物濃度更高的納米銀就十分必要。

目前，關(guān)于提高納米銀濃度的方法主要是使用保護(hù)劑和增稠劑。保護(hù)劑分子在納米銀粒子表面形成吸附層，產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，有效阻止顆粒間相互聚集，提高溶液的穩(wěn)定性[18]。在納米銀溶液中加入聚氨酯增稠劑，可以顯著提高其中銀的濃度[19]，但會(huì)使納米銀粘度大幅增加，成本也較高。苯扎溴銨是一種表面活性劑，其在溶液中濃度超過(guò)臨界膠束濃度時(shí)會(huì)產(chǎn)生膠束包裹納米銀，防止納米銀團(tuán)聚，通過(guò)改變苯扎溴銨的用量，有望在不明顯改變?nèi)芤盒再|(zhì)的前提下大幅提高納米銀濃度，從而降低納米銀的用量和物流成本，為納米銀抗菌劑的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1.1.1 試劑

硝酸銀、硼氫化鈉，分析純，成都市科隆化學(xué)品有限公司；苯扎溴銨，5%水溶液，南昌白云藥業(yè)有限公司；異噻唑啉酮(2-甲基異噻唑啉酮與5-氯-2甲基異噻唑啉酮質(zhì)量比為1∶3)，總含量為14%，大連匯邦化學(xué)有限公司。

1.1.2 儀器

DHL-B電腦定時(shí)恒流泵，上海青浦滬西儀器廠；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)易有限公司；Lambda 25紫外可見分光光度計(jì)，美國(guó)Perkin Elmer公司；NanoZS激光粒度儀，英國(guó)Malvern儀器公司。

1.2 樣品制備方法

1.2.1 高濃度納米銀的制備

以現(xiàn)有納米銀制備方法為基礎(chǔ)(銀濃度為2.4×10-5g/mL)[13]，等比例地提高各試劑的用量為基礎(chǔ)用量的10倍，其中保護(hù)劑苯扎溴銨的用量擴(kuò)大10倍后再增加1倍(1B)、3倍(3B)、4倍(4B)、5倍(5B)、6倍(6B)、7倍(7B)，具體配方見表1，以研究保護(hù)劑用量對(duì)高濃度納米銀溶液粒徑和穩(wěn)定性的影響，制定最佳工藝。

表1 不同苯扎溴銨用量下高濃度納米銀溶液制備配方

1.2.2 納米銀抗菌劑的制備

納米銀與有機(jī)抗菌劑復(fù)配，可以明顯提高其抗菌性能[20]。為進(jìn)一步提高納米銀的抗菌效果，利用高效、低毒的有機(jī)抗菌劑異噻唑啉酮與所得納米銀進(jìn)行復(fù)配，制備納米銀抗菌劑。將高濃度納米銀溶液(銀濃度為2.4×10-4g/mL)，與異噻唑啉酮溶液按照100∶0.8(w/w)的比例進(jìn)行復(fù)配。復(fù)配時(shí)將異噻唑啉酮在攪拌條件下緩緩加入納米銀溶液，滴加完成后繼續(xù)攪拌10 min即完成復(fù)配。

1.3 分析測(cè)試方法

1.3.1 紫外-可見光譜測(cè)試

用Lambda 25紫外可見分光光度計(jì)，設(shè)定測(cè)試溫度為25 ℃，掃描速度為240 nm/min，在300～800 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描并記錄納米銀溶液的吸收光譜曲線。

1.3.2 動(dòng)態(tài)光散射測(cè)試

平均粒徑及Zeta-電位分析用Nano ZS激光粒度儀對(duì)納米銀溶液的平均粒徑和Zeta電位值進(jìn)行測(cè)定，取3次測(cè)試結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果，測(cè)試溫度為25 ℃，測(cè)試前設(shè)定溫度下平衡3 min。

1.3.3 透射電鏡分析

用JEM-100CXII透射電鏡，在加速電壓為200 kV的條件下觀測(cè)納米銀的粒徑大小和形貌。測(cè)試前，將1-2滴的納米銀溶液滴到孔徑為200目的銅網(wǎng)上，自然干燥后即可進(jìn)行測(cè)試。

1.3.4 納米銀復(fù)合抗菌劑抗菌性能的測(cè)定

配制牛肉膏蛋白胨和孟加拉紅培養(yǎng)基[21]，并在121 ℃條件下，滅菌21 min備用。配制菌液濃度為5×105～106cfu/mL的細(xì)菌大腸桿菌和金黃色葡萄球菌菌懸液、菌體濃度為1.0×105～106cfu/mL的黑曲霉和粘性紅圓酵母菌懸液。

10 mL培養(yǎng)基與納米銀抗菌劑混合均勻后倒入培養(yǎng)皿，控制培養(yǎng)基中納米銀抗菌劑濃度依次為1、2、4、8、16、32、64和128 μg/mL；待培養(yǎng)基凝固后加入1 mL的菌懸液，均勻涂布在培養(yǎng)基表面；最后，將培養(yǎng)皿置于37 ℃和90%相對(duì)濕度的培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)24 h后觀察微生物生長(zhǎng)情況，運(yùn)用平板計(jì)數(shù)法計(jì)算菌落數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同保護(hù)劑用量對(duì)納米銀穩(wěn)定性的影響

2.1.1 紫外-可見光吸收光譜分析

圖1為不同苯扎溴銨用量下高濃度納米銀溶液的紫外-可見吸收光譜圖。

圖1 不同苯扎溴銨用量下納米銀溶液的紫外-可見光譜圖Fig 1 UV-vis spectra of nano-sliver solution prepared with different benzalkonium bromide dosage

從圖1中可見，當(dāng)納米銀溶液的濃度提高10倍后，苯扎溴銨保護(hù)劑用量在基礎(chǔ)用量擴(kuò)大10倍后再增加1、3、4、5、6和7倍時(shí)，其最大吸收波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)為417 、412 、412、413 、414 和414 nm。當(dāng)保護(hù)劑用量最少(1倍)時(shí)，其最大吸收波長(zhǎng)為417 nm，出現(xiàn)了較明顯的紅移，且與之對(duì)應(yīng)的吸光度值相對(duì)較低，半峰寬較大，說(shuō)明在該溶液中，納米銀粒子粒徑較大，溶液中膠體粒子的均一性較差、穩(wěn)定性較低[22]。在其他苯扎溴銨用量下生成的納米銀最大吸收波長(zhǎng)在412～414 nm，且不同樣品的半峰寬相近，說(shuō)明此時(shí)溶液中納米銀粒子分散性和均一性都較好。

當(dāng)溶液中苯扎溴銨含量較少時(shí)，所形成的膠束無(wú)法完全負(fù)載納米銀，也不足以有效防止納米粒子的團(tuán)聚，因此納米銀膠團(tuán)粒徑增大，溶液的穩(wěn)定性變差，紫外特征吸收峰紅移。隨著溶液中加入的苯扎溴銨含量的增加，陽(yáng)離子型的苯扎溴銨分子的親水基端向外與水分子作用，疏水基端向內(nèi)與納米銀粒子相互吸附作用，在納米銀粒子周圍形成了有效的空間位阻，阻止了納米銀粒子之間的團(tuán)聚作用，最終生成了較為均一的納米銀粒子，膠體穩(wěn)定性也有所改善。

2.1.2 激光粒度儀分析

圖2為不同苯扎溴銨用量對(duì)納米銀粒子粒徑和Zeta電位的影響。

圖2 苯扎溴銨用量對(duì)納米銀粒子粒徑和Zeta電位的影響(左側(cè)為粒徑，右側(cè)為Zeta電位)Fig 2 Influence of benzalkonium bromide dosage on average particle size and Zeta potential of nano-sliver particles (particle size on left and Zeta potential on right)

從圖2中左側(cè)的粒徑結(jié)果可知，在10倍基礎(chǔ)濃度納米銀溶液中，當(dāng)苯扎溴銨的用量在基礎(chǔ)用量擴(kuò)大10倍的基礎(chǔ)上再增加1倍(1B)時(shí)，所生成的納米銀粒子的平均粒徑高達(dá)64.73 nm，原方法中所制備納米銀的濃度為26 nm[13]，這是因?yàn)檩^少用量的苯扎溴銨難以形成有效的空間位阻，不能有效抑制納米銀膠團(tuán)的聚集，因此納米銀粒子粒徑增大。隨著苯扎溴銨用量的增加(4B、5B)，對(duì)應(yīng)的納米銀溶液中所生成的納米銀粒子粒徑較小，與原濃度條件下差別不大，這是因?yàn)楸皆邃@分子與納米銀粒子相互作用后，在溶液中形成了有效的空間穩(wěn)定層，降低了納米銀粒子之間的團(tuán)聚。當(dāng)保護(hù)劑用量繼續(xù)增加后(7B)，納米銀粒徑又出現(xiàn)明顯的增加，這可能是因?yàn)楫?dāng)溶液中苯扎溴銨過(guò)量時(shí)，苯扎溴銨分子之間相互纏結(jié)，在一定程度上削弱了膠團(tuán)的空間位阻，苯扎溴銨形成的膠束無(wú)法有效地負(fù)載納米銀粒子，使得粒子之間出現(xiàn)了軟團(tuán)聚，導(dǎo)致納米銀粒子粒徑增大。

Zeta電位又稱ζ-電位或動(dòng)電電位，是指在外電場(chǎng)的作用下，分散粒子的穩(wěn)定層與擴(kuò)散層發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)面(或剪切面)的電位，是膠體體系的電化學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)之一，一般來(lái)說(shuō)Zeta電位絕對(duì)值越大，則該膠體溶液的穩(wěn)定性越好。圖2中右側(cè)Zeta電位可知，納米銀溶液的Zeta電位值隨著苯扎溴銨用量的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)苯扎溴銨用量為1B和3B時(shí)，Zeta電位絕對(duì)值相對(duì)較低(低于30 mV)，說(shuō)明此時(shí)納米銀溶液中膠團(tuán)穩(wěn)定性較差；當(dāng)苯扎溴銨用量增加到4B-5B時(shí)，Zeta電位絕對(duì)值分別為44.37和40.12 mV，說(shuō)明該保護(hù)劑用量下，苯扎溴銨分子與納米銀粒子作用后，納米銀膠團(tuán)表面所帶電荷增加，雙電層變厚，所制備的納米銀溶液具有較高的穩(wěn)定性；當(dāng)保護(hù)劑用量繼續(xù)增加到6B-7B時(shí)，所制備的納米銀溶液Zeta電位絕對(duì)值開始下降，說(shuō)明包裹在納米銀粒子表面的苯扎溴銨分子達(dá)到飽和，繼續(xù)增加保護(hù)劑，苯扎溴銨分子之間會(huì)發(fā)生一定纏結(jié)作用，不利于提高納米銀的穩(wěn)定性。

2.1.3 透射電鏡分析結(jié)果

從6個(gè)不同的苯扎溴銨用量所得樣品中選取了具有代表性的1B、4B和7B納米銀溶液進(jìn)行透射電鏡圖譜的掃描，所得結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)苯扎溴銨用量為1B時(shí)，納米銀的粒徑在10 nm左右，但是大量的納米銀粒子團(tuán)聚在一起，形成了較大的納米銀簇(圖3(a))；當(dāng)苯扎溴銨用量為4B時(shí)，納米銀平均粒徑為20 nm左右，且具有較好的分散性和均一性(圖3(b))，當(dāng)保護(hù)劑用量為7倍時(shí)，納米銀粒徑為40 nm左右且吸附團(tuán)聚在一起，形成了較大的納米銀簇，納米銀的粒徑也不均一(圖3(c))。

圖3 不同苯扎溴銨用量下納米銀的透射電鏡圖Fig 3 TEM images of nano-sliver prepared with different benzalkonium bromide dosage

根據(jù)上述結(jié)果，可以得出了苯扎溴銨與納米銀粒子的作用的機(jī)理，如圖4所示。

圖4 苯扎溴銨與納米銀粒子作用示意圖Fig 4 Schematic of nano-silver particles capped with benzalkonium bromide

由圖4所示，當(dāng)Ag+得到電子生成Ag原子后，如果沒(méi)有保護(hù)劑將形成單質(zhì)銀沉淀，苯扎溴銨加入后，其分子的親水端向外與水介質(zhì)接觸，疏水基與銀粒子發(fā)生吸附作用將其包裹在內(nèi)，形成有效的空間穩(wěn)定層而產(chǎn)生納米銀粒子。當(dāng)苯扎溴銨分子過(guò)少時(shí)(圖4(a))，苯扎溴銨分子不足以將溶液中的納米銀粒子包裹完全，較多裸露的納米銀粒子通過(guò)自身的布朗運(yùn)動(dòng)，相互吸附團(tuán)聚，使得溶液的穩(wěn)定性降低。隨著苯扎溴銨濃度的增加，納米銀粒子外形成了有效的空間穩(wěn)定層，阻止了納米銀粒子之間的吸附作用，從而提高了膠團(tuán)的穩(wěn)定性(圖4(b))。當(dāng)苯扎溴銨過(guò)量時(shí)，苯扎溴銨分子之間相互纏結(jié)，極大的擠壓和破壞納米銀粒子外部的空間穩(wěn)定層，使得納米銀粒子吸附團(tuán)聚，納米銀粒子平均粒徑增大，溶液穩(wěn)定性降低(圖4(c))。

2.2 納米銀抗菌劑的抗菌效果評(píng)價(jià)

為考察納米銀抗菌劑的抗菌性，選擇金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、大腸桿菌(Escherichiacoli)、粘性紅圓酵母(Rhodotorulamucilaginosa)和黑曲霉(Aspergillusniger)等4種革制品中常見菌株[23- 24]，對(duì)每種菌株的最小抑菌濃度(MIC)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表2所示。

表2 納米銀抗菌劑對(duì)不同菌株的最小抑菌濃度

由表2可知，納米銀抗菌劑對(duì)大腸桿菌(革蘭氏陰性菌)的抑菌效果最好，其最小抑菌濃度僅為1.0 μg/mL，對(duì)金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽(yáng)性菌)也具有很好的抑菌效果，其最小抑菌濃度為2.0 μg/mL，納米銀抗菌劑對(duì)真菌類的黑曲霉和粘性紅圓酵母的抑制效果較細(xì)菌稍差，其最小抑菌濃度均為4.0 μg/mL。上述結(jié)果表明納米銀與異噻唑啉酮復(fù)配后制備的抗菌劑殺菌能力強(qiáng)、抗菌譜廣。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果中抗菌劑對(duì)4類菌株的最小抑菌濃度稍有差異，在實(shí)際使用納米銀抗菌劑生產(chǎn)抗菌皮革制品時(shí)，其用量大于4.0 μg/mL時(shí)即可對(duì)所有菌株都起到良好抑菌作用。

3 結(jié) 論

通過(guò)考察不同用量的保護(hù)劑苯扎溴銨對(duì)納米銀溶液穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)保護(hù)劑用量為8×10-3g/mL時(shí)，所制備的納米銀溶液具有較好的穩(wěn)定性，納米銀膠團(tuán)分散性和均一性較好，平均直徑約30 nm。該納米銀與異噻唑啉酮按質(zhì)量比100∶0.8復(fù)配后制得的納米銀抗菌劑具有廣譜高效的抗菌效果，對(duì)大腸桿菌的最小抑菌濃度僅為1.0 μg/mL，對(duì)金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度為2.0 μg/mL，對(duì)黑曲霉和粘性紅圓酵母的最小抑菌濃度為4.0 μg/mL。本研究所制備的納米銀濃度為2.4×10-4g/mL，比文獻(xiàn)報(bào)道的濃度提高了10倍，有利于促進(jìn)該產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。