三維Ag/ZnO中空微球的制備及其抗菌性能

盧偉偉，宋應(yīng)利，張 軍，王鍵吉

(河南科技大學(xué)化工與制藥學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003)

0 前言

納米無(wú)機(jī)抗菌劑與傳統(tǒng)的有機(jī)抗菌劑和塊狀無(wú)機(jī)抗菌劑相比，具有穩(wěn)定性好、安全性能高、抗菌譜廣、效果持久、所需用量少等眾多優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，在眾多的無(wú)機(jī)抗菌劑中，Ag納米粒子以及Ag+離子的抗菌性能已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用［1－7］。但在抗菌方面，單質(zhì)Ag納米粒子有別于Ag+離子，單質(zhì)Ag納米粒子的抗菌活性受到其粒徑的影響極大，即粒徑越小，其抗菌活性越高［2，7］。然而，隨著粒徑的減小，表面能的增加，Ag納米粒子非常容易團(tuán)聚，從而使其抗菌性能大大降低。同時(shí)，為了更經(jīng)濟(jì)的使用貴金屬Ag，也需要尋找一種既不損害其功能又高效的方式來(lái)分散Ag納米粒子?；谶@種目的，Ag納米粒子被擔(dān)載于SiO、分子篩［9］以及碳纖維［10］等載體上來(lái)使用，然而這些載體卻沒(méi)有抗菌活性。而制備成本較低的ZnO作為另一種優(yōu)良的無(wú)機(jī)抗菌劑，可以作為Ag納米粒子的良好載體，從而形成Ag/ZnO復(fù)合材料應(yīng)用于納米抗菌研究。

本文在生物高分子海藻酸鈉的輔助下，采用水熱合成的方法制備了具有三維分層超結(jié)構(gòu)的Ag/ZnO中空微球，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、高分辨透射電鏡和光電子能譜等手段對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，最后對(duì)其抗菌性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 三維Ag/ZnO中空微球的制備

海藻酸鈉購(gòu)買(mǎi)自Acros，其他所有試劑均購(gòu)自北京化學(xué)試劑有限公司。三維Ag/ZnO中空微球的制備過(guò)程如下:將1.5 mmol乙酸鋅和適量硝酸銀溶解于20 mL水和10 mL乙醇的混合溶劑中，在磁力攪拌下，向上述溶液中加入0.55 mL、25.4 mmol/L的海藻酸鈉水溶液，然后再逐滴加入1.0 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的氨水，攪拌10 min左右轉(zhuǎn)移到50 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，旋緊釜蓋，置于烘箱中393 K下恒溫反應(yīng)8 h。反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫，所得產(chǎn)物經(jīng)離心分離，并用去離子水和乙醇洗滌數(shù)次，最后自然晾干，得到粉末狀的Ag/ZnO樣品。

1.2 樣品的表征

樣品形貌的FESEM觀察在Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子掃描顯微鏡上進(jìn)行。樣品的TEM和 HRTEM表征分別在Hitachi H-800低分辨透射電鏡及JEOL 2100高分辨透射電鏡上進(jìn)行。樣品的表面性質(zhì)及氧化態(tài)通過(guò)X射線光電子能譜在PHIQuantum 2000型XPS探針儀上進(jìn)行表征。以各個(gè)樣品中的烴基污染物中C 1s作為內(nèi)標(biāo)矯正樣品中其他各元素的絕對(duì)電子結(jié)合能。樣品表面的實(shí)際Ag含量通過(guò)靈敏度因子法進(jìn)行計(jì)算。

1.3 抗菌性能測(cè)試

通過(guò)兩種方法測(cè)定樣品的抗菌性能:紙片擴(kuò)散法(改性的Kirby-Bauer技術(shù))和最小抑菌濃度(MIC)法。

1.3.1 定性的紙片擴(kuò)散法

將蘸有ZnO或Ag/ZnO樣品(直徑大約5 mm)的圓形紙片置于事先接種的瓊脂平板中，于37℃培養(yǎng)24 h后取出觀察抑菌圈的大小。

1.3.2 定量MIC分析

稱(chēng)取不同量的Ag/ZnO樣品倒入盛有20 mL LB培養(yǎng)液的三角燒瓶中，蓋上透氣棉塞放入滅菌鍋中處理后，冷卻。然后，于上述三角瓶中分別接種200μL(濃度為每毫升細(xì)菌菌落數(shù)為108個(gè))的菌液，在振動(dòng)搖床上恒溫35℃振蕩16 h。最后，取等量的溶液經(jīng)梯度稀釋后，分別涂于固體LB培養(yǎng)基上，采用平板計(jì)數(shù)法計(jì)算活菌數(shù)(取3個(gè)平板的平均值)。能夠抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的最小樣品濃度定義為此樣品的最小抑菌濃度值(MIC值)。每個(gè)樣品做3次平行，MIC值取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ag/ZnO中空球的晶體微觀結(jié)構(gòu)

所制備的Ag/ZnO樣品的FESEM表征如圖1所示。從圖1a和圖1b所示的SEM電鏡照片可以看出:樣品整體上呈3～5μm的球形。圖1c顯示了一個(gè)破碎微球的一部分，從圖1c可以看出:微球?yàn)橹锌?，其球壁是由直徑約100 nm、長(zhǎng)度約1μm的納米棒定向排列組成。而從圖1d可以看出:微球表面并非光滑的，看到的為定向排列的納米棒的頂端。

圖1 Ag/ZnO中空微球的FESEM圖

圖2所示為對(duì)Ag/ZnO樣品所做的TEM和HRTEM分析。圖2a所示的破碎微球某部分的TEM圖確認(rèn)了在FESEM觀察中得到的結(jié)論，即Ag/ZnO中空微球的球壁是由定向排列的納米棒組成的。圖2b所示的TEM圖為散落于銅網(wǎng)上的某幾根Ag/ZnO納米棒，其中，ZnO和Ag的高分辨的二維晶格透射像分別如圖2c和圖2d所示。圖2c中均勻的二維晶格條紋說(shuō)明了ZnO的高度結(jié)晶性，其＜0001＞方向的晶格間距約為0.528 nm，近似等于六方晶系ZnO(0001)晶面的面間距，這說(shuō)明ZnO是沿著＜0001＞方向擇優(yōu)生長(zhǎng)的。結(jié)合圖2a可知:所有組成微球的ZnO納米棒都是沿著其生長(zhǎng)方向垂直于微球表面而定向排列的。從圖2d的HRTEM圖還可以觀察到多晶態(tài)Ag納米粒子的不均勻晶格條紋，這也說(shuō)明了所制備的樣品是由金屬Ag和半導(dǎo)體ZnO所組成的復(fù)合材料。

圖2 樣品的TEM和HRTEM圖

為了進(jìn)一步考察所制備Ag/ZnO中空微球的表面性質(zhì)，樣品進(jìn)行了XPS分析。樣品中元素的電子結(jié)合能都采用污染烴的C 1s峰(標(biāo)準(zhǔn)值284.6 eV)進(jìn)行了矯正。樣品的XPS全譜和Ag 3d能級(jí)的XPS窄譜如圖3所示。圖3a顯示了純ZnO和Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.13%的Ag/ZnO樣品的XPS全譜，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):Ag的峰僅出現(xiàn)在Ag/ZnO樣品中。Ag/ZnO樣品的Ag 3d XPS曲線如圖3b所示，作為對(duì)比，所制得的純Ag的XPS譜也同樣列出。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn):Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.13%的Ag/ZnO樣品中Ag電子結(jié)合能向低位移動(dòng)，這表明在Ag/ZnO體系中，金屬Ag向半導(dǎo)體ZnO轉(zhuǎn)移電子，導(dǎo)致了Ag的電子密度減小而使Ag納米粒子帶部分正電荷。

圖3 樣品的XPS圖譜

2.2 樣品抗菌性能的研究

圖4 ZnO和Ag/ZnO抑菌作用的定性紙片擴(kuò)散法實(shí)驗(yàn)照片

許多的文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道Ag納米粒子具有強(qiáng)的抗菌作用［1－2］，然而由于納米Ag易于團(tuán)聚，這大大降低了其抗菌性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在研究中，Ag納米粒子被擔(dān)載于ZnO上。除此之外，由于納米Ag和ZnO納米棒之間存在強(qiáng)的相互作用，在形成Ag/ZnO復(fù)合材料后，它們可能協(xié)同地發(fā)揮抗菌作用。本文考察了所制備的Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.13% 的Ag/ZnO樣品對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能。樣品對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌作用，分別做了紙片擴(kuò)散的定性分析和測(cè)定MIC值的定量分析。定性的紙片擴(kuò)散法得到的樣品抑菌圈的照片如圖4所示，從圖4中可以看出:對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，Ag/ZnO樣品的紙片周?chē)加忻黠@的抑菌圈產(chǎn)生。這表明Ag/ZnO不僅對(duì)格蘭氏陰性細(xì)菌而且對(duì)格蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌也具有抗菌活性。

為了更進(jìn)一步考察樣品的抗菌性能，對(duì)Ag，ZnO和Ag/ZnO的MIC值進(jìn)行了測(cè)定，其結(jié)果列于表1中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.13%的Ag/ZnO樣品對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC值分別為600μg/mL和400μg/mL。如以Ag的量來(lái)計(jì)算，則Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.13%的Ag/ZnO樣品對(duì)大腸桿菌抑菌值僅為12.8μg/mL，而對(duì)金黃色葡萄球菌則僅為8.5μg/mL。從表1中還可以看出:Ag納米粒子的MIC值對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分別為15μg/mL和25μg/mL;純ZnO的MIC值對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分別為3 500μg/mL和1 000μg/mL。因此，從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.13%的Ag/ZnO微球的抗菌性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純的Ag和ZnO。

表1 Ag，ZnO和Ag/ZnO樣品的最小抑菌濃度(MIC)值

從表1的數(shù)據(jù)可以看出:盡管Ag和 ZnO都具有抗菌活性，但它們對(duì)G－和G+細(xì)菌的抗菌效果不同，Ag對(duì)G－細(xì)菌的抗菌性能要好于對(duì)G+的抗菌性能，而ZnO則對(duì)G+的抗菌性能較好。這種現(xiàn)象分別在有關(guān)Ag［1］和ZnO［11－12］的抗菌文獻(xiàn)中有過(guò)報(bào)道。因此，當(dāng)Ag和ZnO結(jié)合形成Ag/ZnO復(fù)合材料時(shí)，Ag/ZnO同時(shí)對(duì)G－和G+細(xì)菌表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗菌性能;并且Ag/ZnO的抗菌效果并不是Ag和ZnO抗菌效果的簡(jiǎn)單相加而是相互協(xié)同加強(qiáng)的。

一方面，ZnO納米棒作為載體減少了Ag納米顆粒的團(tuán)聚，從而使Ag納米粒子有更多的機(jī)會(huì)接觸細(xì)菌的細(xì)胞壁并和其中含有S和P的化合物反應(yīng)。已有文獻(xiàn)報(bào)道顯示:Ag納米粒子和細(xì)胞壁的這種相互作用，將影響細(xì)胞壁的滲透性和呼吸性能等而最終導(dǎo)致細(xì)菌的死亡［2，6］。另一方面，Ag納米粒子和細(xì)菌之間的靜電相互作用，在抗菌過(guò)程中也起到很大的作用［1－2］。在細(xì)菌存活的正常pH值，由于細(xì)胞壁上大量含羧基和其他基團(tuán)化合物的脫落溶解，細(xì)菌表面總體上呈電負(fù)性［12］。并且由于體系中電子從金屬Ag轉(zhuǎn)移至ZnO，因此Ag/ZnO復(fù)合材料中的Ag納米粒子和純Ag納米粒子相比具有很強(qiáng)的電正性。所以，正是由于Ag/ZnO中金屬Ag和半導(dǎo)體ZnO的這種相互作用，導(dǎo)致了正電性的Ag和負(fù)電性的細(xì)菌之間靜電作用的加強(qiáng)，從而提高了Ag/ZnO的抗菌性能。

3 結(jié)論

本文采用水熱合成的方法制備了Ag含量不同的三維Ag/ZnO中空微球，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和抗菌性能的研究，結(jié)構(gòu)表征結(jié)果說(shuō)明:所制的樣品為直徑3～5μm的中空微球，其球壁是由直徑約100 nm，長(zhǎng)度約1μm的Ag/ZnO納米棒沿著其生長(zhǎng)方向并垂直于微球表面的定向排列所組成。這種新穎獨(dú)特的自組裝三維分層超結(jié)構(gòu)的Ag/ZnO復(fù)合材料的形成，一方面有效解決了Ag納米粒子和Ag/ZnO復(fù)合納米棒在溶液中的團(tuán)聚問(wèn)題，而使所制備材料的抗菌性能大大提高;另一方面，由于Ag對(duì)格蘭氏陰性細(xì)菌的抑制作用較強(qiáng)，而ZnO對(duì)格蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的抑制作用較強(qiáng)，而使Ag/ZnO復(fù)合材料表現(xiàn)出協(xié)同的高效抗菌性能。

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