有機(jī)氮-鹵代胺抗菌劑

張新航，耿志剛，常建國(guó)，邵晶，陳兆彬

（1.西安長(zhǎng)峰機(jī)電研究所，西安 710065；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；3.中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所 高分子復(fù)合材料工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

目前，微生物引起的各種污染給人類(lèi)生命健康帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。如何防止微生物，特別是病原微生物引起的污染及交叉感染成為當(dāng)今微生物研究的話(huà)題。大家使用的物理方法有溫度、粒子射線、電磁波等方法，化學(xué)方法為利用化學(xué)藥品、調(diào)節(jié)溶液的酸堿度進(jìn)行了相關(guān)抑菌研究。通過(guò)抗菌劑賦予材料抗菌性能是應(yīng)用較多的有效方法之一。常用的抗菌劑可分為無(wú)機(jī)抗菌劑、天然抗菌劑及有機(jī)抗菌劑三大類(lèi)，常用無(wú)機(jī)抗菌劑，如銀等添加量大，易變色［1］；天然抗菌劑加工復(fù)雜，溶解性不好，耐熱性較差［2］；而有機(jī)抗菌劑因其抗菌速度快，易操作等，愈來(lái)愈受到人們的重視［3］。

氮-鹵代胺作為一類(lèi)含有一個(gè)或多個(gè)氮-鹵鍵（N-X）的有機(jī)抗菌劑，其穩(wěn)定性好，低毒，低環(huán)境污染，具有廣譜高效的抗菌性能，且具有可再生性［4］（式1），近來(lái)頗受關(guān)注。

其中：X=Cl，Br；R1，R2：有機(jī)或無(wú)機(jī)基團(tuán)或聚合物鏈段

1 結(jié)構(gòu)及性能

如表1所述，氮-鹵代胺抗菌劑是一類(lèi)含有N-X鍵的化合物。可以劃分為胺氮-鹵代胺（amine N-halamine），酰胺氮-鹵代胺（amide N-halamine）以及酰亞胺氮-鹵代胺（imide N-halamine）三類(lèi)，上述三類(lèi)結(jié)構(gòu)中N-X鍵的鍵長(zhǎng)（以N-Cl鍵為例）依次變短，極性有所加強(qiáng)，水解能力越來(lái)越強(qiáng)。從穩(wěn)定性方面來(lái)看，胺氮-氯代胺類(lèi)的穩(wěn)定性最強(qiáng)，其次為酰胺氮-氯代胺類(lèi)，酰亞胺氮-氯代胺的穩(wěn)定性較弱。而抗菌能力則與其穩(wěn)定性呈負(fù)比。所以，應(yīng)該根據(jù)這類(lèi)抗菌劑的穩(wěn)定性以及抗菌能力，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中做出充分的綜合性考慮。例如酰胺氮-氯代胺，其水解常數(shù)為10-8，這有利于活性鹵素成功轉(zhuǎn)移至細(xì)菌的表面，此類(lèi)抗菌劑最利于滿(mǎn)足工業(yè)需求，最適合實(shí)際需要［5］。此外，氮-鹵鍵的鄰位是否有αH，鄰位基團(tuán)的電子效應(yīng)以及空間效應(yīng)等因素都會(huì)對(duì)氮-鹵代胺的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。氮-鹵代胺的抗菌性能亦與微生物種類(lèi)，化合物親水親油性，以及材料表面的處理情況［6］等密切相關(guān)。

2 抗菌作用機(jī)理及其毒性

表1 氮-鹵代胺類(lèi)抗菌劑的結(jié)構(gòu)式和功能

大量的研究指出，氮-鹵代胺主要是通過(guò)釋放游離氧化性鹵素來(lái)實(shí)現(xiàn)其抗菌能力的，或者是通過(guò)化合物與微生物之間的相互作用來(lái)完成的。對(duì)于一般的化學(xué)鍵來(lái)說(shuō)，N-X鍵的水解常數(shù)比較高（表1所示）。帶正電的鹵素和水結(jié)合生成的自由鹵素具有氧化性（如HXO，式2），能夠使細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)氧化（巰基或胺基），對(duì)酶活性造成不可逆的破壞，使微生物失去活性而起到抗菌作用［7］，該機(jī)理得到廣泛認(rèn)可和肯定。但是這一機(jī)理也有例外情況，例如Worley等［8］在研究中發(fā)現(xiàn)，在 3-溴-4，4-二甲基-2-惡唑烷酮水解出的自由溴被抑制到可忽略不計(jì)的狀態(tài)下，其殺菌能力仍然比3-氯-4，4-二甲基-2-惡唑烷酮的更強(qiáng)，由此結(jié)果得出結(jié)論：氮-鹵代胺的分子也能夠直接穿過(guò)微生物的外壁或膜，將氧化性鹵素移至微生物胞內(nèi)的相應(yīng)活性位點(diǎn)，使微生物活性喪失導(dǎo)致死亡。該研究學(xué)說(shuō)認(rèn)為，在這種機(jī)理下，此類(lèi)物質(zhì)的抗菌速率與氮-鹵鍵的強(qiáng)度及菌體細(xì)胞內(nèi)的靶位點(diǎn)敏感性有關(guān)［9］。有些氮-鹵代胺聚合物在其抗菌過(guò)程中，可能會(huì)是上述兩種作用機(jī)理同時(shí)發(fā)揮作用的結(jié)果。

氮-鹵代胺抗菌劑抑菌效果明顯，但其具有一定的毒性，其副作用也吸引了廣大學(xué)者。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三鹵甲烷類(lèi)似物由游離狀態(tài)下的鹵素與水中含有的有機(jī)化合物生成，生成的物質(zhì)可以導(dǎo)致癌癥的發(fā)生［10］。氮-鹵代胺類(lèi)化合物用作水處理劑時(shí)，是通過(guò)產(chǎn)生游離狀態(tài)的、具有氧化性質(zhì)的鹵素，利用鹵素的氧化性完成對(duì)微生物的處理，但不會(huì)生成三鹵甲烷類(lèi)似物。Burkett等［11］研究人員以白鼠和肉雞為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其投食并且將濃度不同的3-氯-4，4-二甲基-2-惡唑烷酮水溶液利用注射器注入動(dòng)物體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明被注射的器官和組織沒(méi)有受到損傷；張?zhí)鞂毜龋?2］研究人員對(duì)家兔的皮膚和眼睛分別進(jìn)行貼敷和滴眼，利用的溶液為復(fù)方消毒劑，由表面活性劑及二氯二甲基乙內(nèi)酰脲構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為家兔沒(méi)有受到不良影響，對(duì)小鼠的灌胃試驗(yàn)顯示此類(lèi)化合物屬低毒性。迄今為止，研究學(xué)者研究證明氮-鹵代胺不具有明顯的毒性。

3 表征

氮-鹵代胺抗菌劑是其胺類(lèi)化合物前驅(qū)體中的N-H鍵，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N-X鍵后形成的，因此可以通過(guò)二者的物理或化學(xué)性質(zhì)差異進(jìn)行分析和表征。目前該類(lèi)化合物常用的物理表征方法有：核磁共振譜（NMR）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、熱分析（DSC，TG等）、紫外-可見(jiàn)吸收光譜（UV/vis）等；以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)的碘/硫代硫酸鈉滴定則是較為普遍采用的定性和定量的化學(xué)分析方法；以菌落計(jì)數(shù)法和抑菌環(huán)法為主的生物分析方法。

3.1 物理方法表征

核磁共振譜（NMR）可以顯示原子核附近的化學(xué)環(huán)境改變。氮-氫鍵向氮-鹵鍵轉(zhuǎn)化時(shí)，質(zhì)子數(shù)量減少。隨著氮-鹵鍵的強(qiáng)吸電子作用，相鄰位置的碳或/和官能團(tuán)的電子云發(fā)生顯著變化，使NMR譜峰的數(shù)量、位移和面積發(fā)生改變。就乙內(nèi)酰脲氮-鹵代胺衍生物而言（圖1），MPm與N原子相連的H原子的峰值是7.84ppm處，PPm與N原子相連的H原子的峰值是8.43ppm處，氯代后（Cl-MPm和Cl-PPm），MPm和PPm在共振譜上的峰值消失。并且，新合成的N-Cl具有更加強(qiáng)大的吸收電子的能力，苯環(huán)中鄰位的質(zhì)子共振峰轉(zhuǎn)移到高場(chǎng)，轉(zhuǎn)移到低場(chǎng)的則是間、對(duì)位質(zhì)子［13］。同樣道理，當(dāng)N-Cl官能團(tuán)形成時(shí)，對(duì)應(yīng)鄰近位置的碳原子13CNMR的共振峰向高場(chǎng)移動(dòng)。

圖1 MPm（R1為甲基，R2為苯基）、PPm（R1、R2均為苯基）氯代前后的1H NMR譜圖［13］

物質(zhì)中有機(jī)官能團(tuán)發(fā)生改變，常常會(huì)使紅外光譜中相應(yīng)的特征吸收峰的強(qiáng)度和位置發(fā)生改變，所以，紅外光譜分析技術(shù)常用來(lái)對(duì)氮-鹵代胺形成前后的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。在氮-鹵鍵形成的同時(shí)，氮-氫鍵在3200～3500cm-1范圍內(nèi)的特征吸收峰會(huì)消失。其鄰位官能團(tuán)的吸收峰也會(huì)由于氮-鹵鍵的強(qiáng)吸收而產(chǎn)生改變。圖2所示，氮-氯代-5，5-二甲基乙內(nèi)酰脲（Cl-DDMH）生成的同時(shí)，其前驅(qū)體DDMH的N-H鍵振動(dòng)峰（3280cm-1）發(fā)生消失，在758cm-1和735cm-1處各形成了新的吸收峰，分子間的氫鍵斷裂使乙內(nèi)酰脲環(huán)羰基的特征吸收峰紅移［14］。

圖2 DMH，BD，DDMH（X=H）和Cl-DDMH（X=Cl）的紅外光譜圖［14］

除了上述兩種方法以外，DSC和TGA也是對(duì)氮-鹵代胺類(lèi)化合物進(jìn)行表征的常用手段。與N-H鍵相比，N-Cl鍵鍵強(qiáng)較弱，在低溫下易發(fā)生分解，同時(shí)有熱量的改變［14］。以改性棉纖維2-胺基-4氯-6-羥基三嗪（ACHT）為例（圖3a，DSC曲線），氯代處理后，其在180°C左右出現(xiàn)一放熱峰，在溫度為230°C時(shí)進(jìn)行分解（圖3b，TG曲線），這是因?yàn)镹-Cl鍵在相對(duì)較低的溫度下發(fā)生了分解［15］。

圖3 ACHT改性棉纖維氯代前后DSC（a）和TG曲線（b）［15］

紫外檢測(cè)也可以用來(lái)分析氮-鹵代胺類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)。在200～400nm的紫外光線照射下，化合物中的氮-鹵鍵會(huì)產(chǎn)生中斷/離解和/或從一個(gè)成鍵到反鍵軌道的過(guò)渡，重新形成紫外吸收峰。以氯代后的雙（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基）癸二酸酯（Cl-BTMP）紫外分析為例（圖4），其在270nm處產(chǎn)生了新的吸收峰［16］。

圖4 BTMP和Cl-BTMP的紫外可見(jiàn)光譜圖［16］

3.2 化學(xué)方法表征

對(duì)氮-鹵代胺類(lèi)化合物進(jìn)行表征的化學(xué)方法，主要是由N-X鍵中鹵元素的氧化性，根據(jù)氧化還原，采用滴定、紫外以及電流檢測(cè)［6］等方式進(jìn)行的。如碘/硫代硫酸鈉滴定法，其反應(yīng)如式（3）和（4）所示。在KI過(guò)量的前提下，氮-鹵代胺被還原為胺類(lèi)化合物，相對(duì)應(yīng)的，I-被氧化成單質(zhì)碘（I2），并與過(guò)量的I-形成I3-，溶液表現(xiàn)為紅棕色或淡黃色。最后采用標(biāo)準(zhǔn)濃度的Na2S2O3進(jìn)行滴定至無(wú)色，便可計(jì)算出此類(lèi)化合物中氧化性鹵素的含量。此方法操作簡(jiǎn)便，定量準(zhǔn)確，重復(fù)性好［5］，是經(jīng)常采用的化學(xué)分析方法。

3.3 生物學(xué)方法表征

氮-鹵代胺抗菌劑及其復(fù)合材料抗菌性能的生物學(xué)檢測(cè)方法中，菌落計(jì)數(shù)法和抑菌環(huán)法（ZOI）因操作簡(jiǎn)便、測(cè)量結(jié)果重復(fù)性好而應(yīng)用較為普遍。如Li等［17］用菌落計(jì)數(shù)法表征2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酚（TMP）自由基共聚生成的氮-鹵代胺微球的抗菌性能，結(jié)果顯示大腸桿菌溶液經(jīng)過(guò)胺氮-鹵代胺微球處理后，形成的菌落數(shù)量明顯減少，表明胺氮-鹵代胺微球能夠明顯抑制大腸桿菌。又如Alideertu Dong等［18］通過(guò)抑菌環(huán)法測(cè)試氮-鹵代胺納米粒子BAMNH NPs（D）的抗菌性能，結(jié)果顯示粉末狀氮-鹵代胺樣品具有一定的抗菌活性，而納米尺寸的粒子樣品產(chǎn)生了直徑為26mm的抑菌環(huán)，說(shuō)明該氮-鹵代胺納米粒子具有更為顯著的抗菌性能。

圖5 與空白參比和胺氮-鹵代胺微球接觸40分鐘后，大腸桿菌培養(yǎng)基板的照片［17］

圖6 參照（A），MS NPS（B），氮-鹵代胺粉末（C）和BAMNH NPS納米粒子（D）對(duì)大腸桿菌抑菌環(huán)的光學(xué)圖片［18］

4 應(yīng)用及前景

目前，越來(lái)越多的氮-鹵代胺抗菌劑被不斷合成出來(lái)，應(yīng)用于水凈化、聚合物、紡織纖維和涂料等多個(gè)領(lǐng)域。

4.1 水體的殺菌、消毒

有機(jī)高分子氮-鹵代胺抗菌劑不溶于水，在水處理過(guò)程中造成二次污染并不容易，且具有顯著的消毒和殺菌能力，是一種非常優(yōu)越的水處理材料。尤其是多孔微球狀高度交聯(lián)的氮-鹵代胺聚合物，一般具有多孔道結(jié)構(gòu)和超大比表面積，在與細(xì)菌、病毒等微生物接觸的幾秒內(nèi)，就可以將其殺滅［19］。2007年，美國(guó)Halosource公司首次實(shí)現(xiàn)了氮-鹵代胺樹(shù)脂在飲用水殺菌消毒方面的商業(yè)化應(yīng)用。

4.2 織物

通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將氮-鹵代胺前驅(qū)體接枝到纖維織物表面，經(jīng)處理后即可得到具有廣譜、高效、抗菌性能強(qiáng)的織物。例如美國(guó)Halosource公司建立了一種抗菌紡織品制備技術(shù)，這種技術(shù)以氮-鹵代胺為基礎(chǔ)，最終獲得有高效抗菌能力的手巾、廚房清潔布、內(nèi)衣、兒童及成人尿不濕、襪子、軍用防護(hù)服等；而來(lái)自于美國(guó)UMF Corporation公司生產(chǎn)的一種基于氮-鹵代胺的高性能的抗菌纖維紡織品能將物體表層的病原體有效的消滅和清除，它更適合用于學(xué)校、保健和其他醫(yī)療機(jī)構(gòu)的環(huán)境清潔和維護(hù)［20］。

4.3 涂料

Worley等［21］將氮-鹵代胺前體與水性丙烯酸多元醇、異氰酸酯等共聚合成了聚氨酯涂料，經(jīng)漂白劑處理后抗菌性能良好，可用于醫(yī)療設(shè)施、污染防治等領(lǐng)域。Bisquera等［22］成功將單羥甲基乙內(nèi)酰脲通過(guò)共價(jià)鍵接枝到由蓖麻油和甲苯二異氰酸酯合成的聚氨酯涂料上。經(jīng)鹵化處理后的涂料，對(duì)噬肉菌、大腸桿菌和白假絲酵母菌等菌種都具有良好的抗菌活性。Cao等［23］首次采用先合成氮-鹵代胺單體，再聚合形成聚合物的思路，制備出聚（氮-氯代-2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基）甲基丙烯酸甲酯乳液，不僅能夠抑制涂料表面霉菌的生長(zhǎng)和菌膜形成，還不會(huì)對(duì)涂料的覆蓋力和外觀造成不良影響。

4.4 聚合物

近來(lái)關(guān)于氮-鹵代胺抗菌改性聚氨酯的研究不斷浮出水面。2011年，Luo等［24］采用自由基引發(fā)的方式，將甲基丙烯酰胺（MAA）接枝到牙科治療機(jī)中的聚氨酯供水管的內(nèi)表面上，可防止菌膜形成。同時(shí)，對(duì)化學(xué)穩(wěn)定性較好的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）［25］等聚合物的抗菌改性也在不斷進(jìn)行中。

5 結(jié)語(yǔ)

氮-鹵代胺抗菌劑的研究取得了許多驕人的成績(jī)，形成了跨學(xué)科以及多層次的研究現(xiàn)狀。隨著先進(jìn)檢測(cè)儀器設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以及材料學(xué)與生物學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域科研人員的合作研究，在醫(yī)療衛(wèi)生，保健機(jī)構(gòu)，水處理，環(huán)境污染及治理控制和食物加工處理等領(lǐng)域，這些抗菌劑將會(huì)有越來(lái)越大的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。

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