納米銀粒子的紙內(nèi)合成及其抗菌活性研究?

王 麗 侯欣宇 李 爽 金海蘭

紙及其紙制品與人們的生活工作息息相關(guān)，不論是生活用紙還是工業(yè)用紙，在很多場合都要求其能抵御細(xì)菌。因此，抑菌紙的研究與開發(fā)越來越受到人們的普遍關(guān)注。抑菌紙是將極少量的抗菌劑以噴灑、施膠、涂布、浸漬、改性纖維等方法添加至普通紙中，制成的具有抑菌功能的紙[1]，其應(yīng)用廣泛，如可用作食品包裝紙、保鮮袋紙、防霉電纜紙、飲料專用抗菌過濾紙、專用防傳染疾病擦拭紙、防菌辦公專用紙、防霉檔案專用紙、防霉書畫紙、圣經(jīng)紙、藏經(jīng)專用紙等[2-3]。近年來對抑菌紙的研究與開發(fā)已經(jīng)成為功能紙領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[4-10]。目前，抑菌劑在紙張中的添加方式主要分為濕部添加法、表面加工法和纖維抄造法3種[11]。

銀（Ag）作為廣譜殺菌劑，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景[12]。銀的抑菌機(jī)理與化學(xué)合成制備的抑菌劑的抑菌機(jī)理不同，其抑菌機(jī)理是Ag+對細(xì)菌蛋白質(zhì)有變性作用，因此銀具有廣譜殺菌功能，并且很少產(chǎn)生耐藥性[10]，對大多數(shù)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌、許多需氧菌和厭氧菌以及一些抗生素耐藥菌株均有抵抗作用[13]，而且對人類毒性較低[14-16]。

納米銀粒子的合成方法分為兩大類，一是通過機(jī)械粉碎、物理氣相沉積方法將大顆粒粉碎；二是化學(xué)還原法，納米銀的原位負(fù)載生成過程就是用各種還原劑和穩(wěn)定劑將銀還原得到納米銀的過程。硼氫化鈉、檸檬酸鈉、酒石酸鉀、葡萄糖和各種胺類化合物等已經(jīng)用于銀的還原反應(yīng), 其中，硼氫化鈉是一種比較常用的強(qiáng)氧化劑，作為還原劑被成功地應(yīng)用于制備金、銀、鉑納米顆粒。硼氫化鈉與金屬鹽反應(yīng)時(shí)所需濃度很低，無需苛刻的反應(yīng)條件。

目前，有關(guān)采用硼氫化鈉成功還原Ag+為納米銀粒子已有報(bào)道，而將紙張浸漬在硝酸銀與硼氫化鈉溶液中制成抑菌紙尚存在性能不穩(wěn)定的問題。因此，該研究以纖維為載體，采取原位負(fù)載納米銀粒子后，再將其抄制成紙張，然后對所得抑菌紙的抑菌性能進(jìn)行檢測與評價(jià)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與試劑

紙漿：采用加拿大漂白硫酸鹽針葉木漿板，牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司；硝酸銀，分析純，天津市天感化工技術(shù)開發(fā)有限公司；硼氫化鈉，分析純，天津市富起化工有限公司；無水乙醇，分析純，成都市宜邦科析儀器有限公司；去離子水，萊特萊德哈爾濱去離子水設(shè)備有限公司；營養(yǎng)瓊脂（BR生化試劑）、大腸桿菌（ATCC25922-3)、金黃色葡萄球菌（ATCC25923-3），青島高科園海博生物技術(shù)有限公司；定性濾紙，杭州特種紙業(yè)有限公司。

1.2 紙漿的制備

稱取400 g加拿大漂白硫酸鹽針葉木漿板，把漿板撕成25 mm×25 mm的小片，加入10 L水浸泡12 h，將漿料倒入打漿機(jī)中，補(bǔ)加14 L水，使之達(dá)到1.6%的漿濃，然后開始充分地疏解漿料，30 min后開始打漿，打漿期間每隔10 min測定一次打漿度，最終分別制得打漿度為32、41、52°SR的紙漿，對不同打漿度的紙漿分別進(jìn)行脫水平衡備用。

1.3 原位負(fù)載銀粒子的復(fù)合纖維制備

室溫下，在不同的玻璃容器中配制濃度為0.1 mol/L的硝酸銀溶液及濃度分別為0.2 、0.4 、0.8 mol/L的硼氫化鈉溶液，使AgNO3∶NaBH4的摩爾比分別為1∶2、1∶4、1∶8。取2 g絕干漿料置于燒杯中，再加入100 mL硝酸銀溶液，并用攪拌器攪拌使纖維分散，隨后用抽濾漏斗抽濾，用無水乙醇沖洗三遍，取出置于放有100 mL硼氫化鈉溶液的燒杯中浸漬10 min，再將其用抽濾漏斗抽濾，取出置于去離子水中，即為原位負(fù)載銀粒子的復(fù)合纖維懸濁液。

1.4 原位負(fù)載納米銀粒子抑菌紙的制備

在紙頁形成器上將按1.3章節(jié)所述方法制得的復(fù)合纖維抄造成紙張，用干凈的濾紙覆蓋于兩面，然后將濕紙幅在0.4 MPa下進(jìn)行5 min的壓榨處理，最后在室溫下干燥5 h。

1.5 抑菌性能的測定

稱取營養(yǎng)瓊脂6.25 g，將其加入500 mL去離子水中，加熱使其融化，分裝于2個(gè)250 mL的錐形瓶中，在滅菌鍋中滅菌40 min，制得營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的生理鹽水備用。

在無菌操作臺上，用接種環(huán)在已滅菌的營養(yǎng)瓊脂固體斜面培養(yǎng)基上分別接種大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，放入37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，觀察并確定沒有染菌后將其放在0 ℃的冰箱中，使其休眠、備用。將斜面上的菌體溶于裝有無菌水的三角瓶中，振蕩混勻后備用。取直徑為9 mm的培養(yǎng)皿，將其洗凈后烘干，用報(bào)紙包好后，在160 ℃的烘箱中滅菌40 min。用打孔器在待測紙樣和空白紙樣上打出直徑為10 mm的圓形紙片，放在培養(yǎng)皿中在紫外光照射下滅菌20 min。取制備好的菌原液，按10倍稀釋法進(jìn)行稀釋，制成含量約為10-3m3/L的菌懸液備用。

在已滅菌的培養(yǎng)皿中，倒入約20 mL左右的培養(yǎng)基，培養(yǎng)基凝固后，移取1 mL制好的菌懸液在培養(yǎng)基上，用玻璃棒涂抹均勻，然后把事先準(zhǔn)備好的圓形紙片放在營養(yǎng)瓊脂固體培養(yǎng)基的平板上，將培養(yǎng)皿倒置，放入37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，24 h后觀察拍照。根據(jù)抑菌圈的大小判斷其抑菌性能，抑菌圈直徑越大，其抑菌性能越強(qiáng)。

1.6 表征與分析

掃描電子顯微鏡（SEM）分析:采用日本電子公司的JSM-7500F型掃描電子顯微鏡檢測試樣的結(jié)構(gòu)，試樣在觀察和分析前進(jìn)行噴金處理；熱重分析(TGA)：采用德國耐弛公司生產(chǎn)的TG209F1型高精度熱重分析儀以檢測試樣的熱穩(wěn)定性，所有樣品均以5 ℃/min、流量為50 mL/min氬氣氛下在30～600 ℃范圍測定；X射線衍射（XRD）分析：采用日本理學(xué)株式會社生產(chǎn)的D/max-2200VPC型X射線衍射儀以測定樣品的晶型，試樣置于玻璃片，以掃描步距為0.02°、電流電壓為40 kV和30 mA、掃描速率5 °/min，在20°～90°范圍對其進(jìn)行測試；透射掃描電鏡（TEM)采用的是日本電子公司型透射電子顯微鏡，用以檢測分析試樣的粒徑及粒子分布，將試樣分散于水中，稀釋至濃度為1%，取一滴于銅網(wǎng)上，靜置10 min后進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙張顏色的比較

由濃度比為1∶0的硝酸銀與硼氫化鈉溶液處理過的不同打漿度的紙漿所抄制成的紙張均為白色，此時(shí)紙張中銀的存在狀態(tài)為銀離子。而以1∶2、1∶4、1∶8濃度比處理過的不同打漿度的紙漿所抄紙張均為棕黃色，這表明在紙張內(nèi)納米銀粒子的形成。

2.2 抑菌性能檢測

以金黃色葡萄球菌和大腸桿菌分別代表革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌探討原位負(fù)載納米銀粒子抑菌紙的抑菌效應(yīng)。根據(jù)在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基表面形成抑菌圈直徑的大小對復(fù)合纖維紙的抑菌性能進(jìn)行評價(jià)。

檢測表明：采用不同硝酸銀與硼氫化鈉的反應(yīng)濃度比及不同打漿度的紙樣都有一定的抑菌作用，其中以打漿度為41°SR的紙漿制成的抑菌紙張抑菌性能為最好。圖1為打漿度41°SR紙漿的抑菌紙張對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌檢測結(jié)果。

各紙樣的周圍能夠清晰地觀察到抑菌圈的存在，這說明在培養(yǎng)基上復(fù)合纖維紙對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有顯著的抑菌生長作用。抑菌圈的直徑越大，其抑菌性能越強(qiáng)。各反應(yīng)濃度比下制得的紙樣中，硝酸銀∶硼氫化鈉濃度比為1∶0時(shí)為銀離子的抑菌性能；反映納米銀粒子的抑菌性能中，硝酸銀∶硼氫化鈉濃度比為1∶4時(shí)，抑菌圈的直徑更大，因此認(rèn)為該濃度對大腸桿菌金黃色葡萄球菌的抑菌效果更好。

圖1 抑菌性檢測圖Fig.1 Photographs of antibacterial activity tests

2.3 SEM的分析

根據(jù)2.2章節(jié)中的所得結(jié)果選取硝酸銀與硼氫化鈉濃度比為1∶0、1∶4，不同打漿度的紙樣作SEM觀察分析。從圖2的SEM照片中可見，紙張內(nèi)部纖維縱橫交錯，纖維間的空隙形成毛細(xì)孔道效應(yīng)，有利于硝酸銀溶液和硼氫化鈉溶液的進(jìn)入。隨著打漿度的增加，纖維潤張和細(xì)纖維化增加，纖維的比表面積增大，游離出更多的羥基，可促進(jìn)纖維間的氫鍵結(jié)合，使纖維間的結(jié)合力不斷上升[17]。圖中還可看到纖維的表面粗糙度增加，有褶皺和微孔結(jié)構(gòu)，這種纖維結(jié)構(gòu)極大地提高了纖維的比表面積，有利于納米銀粒子的負(fù)載，同時(shí)表面的褶皺及微孔結(jié)構(gòu)對形成的納米銀粒子有一定的限域作用，可有效地防止納米銀粒子的團(tuán)聚。

圖2 紙樣的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of paper samples

2.4 XRD分析

圖3為打漿度41°SR、硝酸銀∶硼氫化鈉反應(yīng)濃度為1∶0和1∶4的紙樣的XRD譜圖，在兩種樣品XRD譜圖中均存在14.82°、16.12°、22.34°、34.32°譜峰，分別對應(yīng)纖維素纖維4個(gè)晶面101、10ī、002、040的晶體衍射[18]。硝酸銀∶硼氫化鈉反應(yīng)濃度為1∶4時(shí)，納米銀復(fù)合纖維在38.3°和46.68°位置出現(xiàn)兩高峰，分別與納米銀的面心立方結(jié)構(gòu)（111）和（200）對應(yīng)，表明紙樣中存在納米銀粒子。而硝酸銀[19]∶硼氫化鈉反應(yīng)濃度比為1∶0的紙樣并未檢測到與納米銀的面心立方結(jié)構(gòu)對應(yīng)的峰值。

圖3 紙樣的XRD照片F(xiàn)ig.3 X-ray diffraction (XRD) images of paper samples

2.5 TGA分析

采用TGA檢測硝酸銀與硼氫化鈉濃度比為1∶0、1∶4的不同打漿度紙樣的熱穩(wěn)定性，結(jié)果如圖4所示。所有樣品在100 ℃時(shí)有初始的重量損失，這是因?yàn)槲皆诶w維表面的水分蒸發(fā)[20]。在300～365 ℃時(shí)，重量損失顯著，打漿度相同時(shí)，硝酸銀與硼氫化鈉的濃度比為1∶4的紙樣與硝酸銀與硼氫化鈉的濃度比為1∶0的紙樣相比有更多的殘留量。當(dāng)溫度在365～545 ℃時(shí)硝酸銀與硼氫化鈉的濃度比為1∶4時(shí)，打漿度為41°SR的納米銀復(fù)合纖維的殘留量為20.86%，高于相同反應(yīng)濃度下不同打漿度所抄制的紙樣，也高于硝酸銀與硼氫化鈉的濃度比為1∶0時(shí)，打漿度為41°SR的納米銀復(fù)合纖維的殘留量，說明金屬銀已沉積在纖維素纖維上，因此獲得更多的殘留量。

圖4 紙樣的TGA譜圖Fig.4 Thermogravimetric analysis（TGA)curves of paper samples

2.6 TEM分析

通過透射電子顯微鏡得到紙樣的納米銀粒子的TEM照片，見圖5。從圖中可觀察到幾十納米左右的銀粒子，其中圖c3中納米銀粒子的粒徑較均勻，粒徑在10 nm以下。各種打漿度的紙樣中，41°SR的紙漿在硝酸銀與硼氫化鈉的反應(yīng)濃度為1∶4時(shí)，納米銀粒子的含量最多，且粒徑分布更均勻。圖片中還可以觀察到較大粒徑的銀粒子，這些顆粒是TEM制樣過程中產(chǎn)生的團(tuán)聚物，來源于滴于銅網(wǎng)上的懸浮溶液，在干燥過程中其中的納米銀粒子產(chǎn)生的一些團(tuán)聚。

圖5 紙樣的TEM照片F(xiàn)ig.5 Transmission Electron Microscope（TEM) of paper samples

3 結(jié)論

1）通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、熱重分析（TGA）和透射電子顯微鏡（TEM）檢測分析表明，采用原位負(fù)載法成功在紙內(nèi)合成了納米銀粒子。

2）以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為抑菌測試菌種進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，以硝酸銀∶硼氫化鈉濃度比為1∶4制備的抑菌紙抑菌效果最好，并且打漿度為41°SR時(shí)制備的抑菌紙抑菌效果最佳。

3）制備復(fù)合纖維抑菌紙時(shí)，紙內(nèi)合成納米銀粒子的適宜條件為硝酸銀濃度為0.1 mol/L，硼氫化鈉濃度為0.4 mol/L，并在室溫下反應(yīng)。

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