微生物合成納米銀的一般方法及產(chǎn)物性質(zhì)鑒定與生產(chǎn)應(yīng)用

董周焱， Manik Prabhu Narsing Rao， 肖 敏， 李文均

(中山大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510275)

“納米”一詞來(lái)源于希臘語(yǔ)的“矮人”，是介于宏觀材料與微觀粒子之間的橋梁[1]。1959年11月， Richard Feynman在美國(guó)理工學(xué)院所做的著名演講“ There′s a plenty of room at the bottom ”中首次提出了納米技術(shù)的概念[2]；1974年，東京科技大學(xué)的谷口紀(jì)男教授首次用納米技術(shù)(Nanotechnology)一詞來(lái)描述半導(dǎo)體工藝；1981年，隨著掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，人類的目光開(kāi)始接觸原子世界；1990 年7月，美國(guó)巴爾的摩舉辦了第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，納米科學(xué)自此逐漸興盛起來(lái)，成為全球科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

納米材料獨(dú)特的理化性質(zhì)引起了科學(xué)界的廣泛興趣，由于其尺度與電子的相干長(zhǎng)度相近，強(qiáng)相干效應(yīng)所帶來(lái)的自組織會(huì)使材料性質(zhì)發(fā)生很大變化；而且納米材料的尺度與光的波長(zhǎng)接近，加上其具有極大的比表面積，因此納米粒子所表現(xiàn)的特性，如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。雖然納米技術(shù)自20世紀(jì)90年代才起步，但人類對(duì)納米粒子的應(yīng)用古已有之。早在千年前，中國(guó)人的祖先學(xué)會(huì)了使用納米級(jí)的金粒子為陶瓷染色。收藏于大英博物館的萊克格斯杯應(yīng)用了納米級(jí)重金屬染料，能夠在不同光照條件下呈現(xiàn)不同的顏色。中世紀(jì)時(shí)，納米粒子也常常用來(lái)裝飾大教堂的彩繪玻璃，印度古代著名的科學(xué)家Siddhars也曾使用納米級(jí)銀粒子作為藥物[3-4]。

銀的抗菌特性早已為人們所熟知，其應(yīng)用可以追溯到公元前4 000年，中國(guó)古代和古埃及都有覆蓋銀片為傷口消毒的記載，亞里士多德曾建議亞歷山大大帝用銀器來(lái)儲(chǔ)存煮過(guò)的水，延長(zhǎng)儲(chǔ)藏時(shí)間。無(wú)獨(dú)有偶，羅馬藥典中也記載了使用銀離子作為抗菌劑的歷史[5]。近代在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用銀抗菌作用的例子也很多，如18世紀(jì)晚期，德國(guó)產(chǎn)科醫(yī)生Crede推廣了一種用1%硝酸銀溶液治療新生兒眼炎的方法，19世紀(jì)中葉Joseph Lister和Marion Sims用銀線作為手術(shù)的縫合線，大大降低了敗血癥的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

因?yàn)楠?dú)特而卓越的殺菌作用，在眾多納米粒子中，納米銀的應(yīng)用最為廣泛，中國(guó)現(xiàn)今已開(kāi)始大量使用納米銀作為火車和電梯的殺菌劑。其抗菌活性不會(huì)引起耐藥突變，可應(yīng)用于多種醫(yī)藥領(lǐng)域，例如燒傷藥膏和醫(yī)療器械涂層[7-8]。鑒于其廣泛的應(yīng)用前景，納米粒子合成技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。迄今為止，納米銀合成主要有化學(xué)、物理和生物三種途徑，其中化學(xué)途徑又可細(xì)分為單糖還原法、硝酸鹽還原法、氰硼化鈉還原法、多元醇法、核心生長(zhǎng)法、鏡像反應(yīng)法；物理途徑主要是離子注入法。這兩種方法雖然能夠快速合成尺寸均一的納米銀粒子，但所使用的試劑毒性強(qiáng)，生產(chǎn)過(guò)程污染大[5]。因此，在倡導(dǎo)綠色工業(yè)、可持續(xù)發(fā)展的今天，生物合成途徑逐漸受到人們的重視[9]。生物法合成納米粒子有微生物法和植物法兩種，其中微生物法合成納米銀以真菌和細(xì)菌最為常見(jiàn)(表1)。納米銀粒子的形態(tài)并不單一，大致可分為球形、三角形、立方體形等，納米粒子材料的各項(xiàng)特性受到其構(gòu)成粒子尺度的影響，即使尺度不變，粒子形狀發(fā)生改變，也會(huì)使納米銀材料的光學(xué)特性發(fā)生改變。相比較物理法和化學(xué)法，生物法合成的納米銀粒子尺度并不均一，形態(tài)也不甚相同，但通過(guò)控制反應(yīng)條件(如溫度、pH、濃度等)仍然可以對(duì)產(chǎn)物的質(zhì)量進(jìn)行一定程度上的控制，使其具有投入生產(chǎn)應(yīng)用的潛力。植物法合成納米粒子往往需要大量原材料，而植物材料的生長(zhǎng)較為緩慢，相比較而言，微生物法合成納米粒子的優(yōu)勢(shì)在于經(jīng)濟(jì)環(huán)保，對(duì)反應(yīng)條件要求較溫和，在追求綠色產(chǎn)業(yè)、可持續(xù)發(fā)展的今天，微生物法與物理法、化學(xué)法合成納米銀粒子可以在不同領(lǐng)域互為補(bǔ)充，降低成本、減少污染。本文將對(duì)近年來(lái)該方法的進(jìn)展做一個(gè)綜合性闡述，旨在為納米粒子合成技術(shù)的突破提供參考。

表1 部分微生物法合成的納米銀粒子

續(xù)表1

1 納米銀粒子產(chǎn)物的性質(zhì)鑒定

驗(yàn)證納米銀的生成首先可以通過(guò)顏色變化來(lái)判斷，納米銀溶膠一般呈粉紅色到紅褐色，如圖1所示，溶液顏色改變可以初步認(rèn)為產(chǎn)生了納米銀粒子。而納米銀粒子的性質(zhì)一般通過(guò)尺度、形狀、表面積和分散度來(lái)表征。在生產(chǎn)應(yīng)用中，保持這些性質(zhì)的穩(wěn)定非常重要，因此有必要對(duì)合成的納米粒子進(jìn)行性質(zhì)鑒定，常用鑒定技術(shù)如下。

圖1 銀離子溶液在微生物作用下形成納米銀后的顏色變化[29]Fig.1 Color change of silver ions solution during forming silver nanoparticles[29]

1.1 UV-可見(jiàn)光吸收光譜(UV-vis)

1.2 動(dòng)態(tài)光散射(DLS)

也稱光子相關(guān)光譜(Photon Correlation Spectroscopy，PCS)，準(zhǔn)彈性光散射quasi-elastic scattering，用于測(cè)量生成的納米銀溶膠中粒子直徑和表面電荷。

1.3 電子顯微鏡

掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)都可以對(duì)生成的納米銀粒子形態(tài)進(jìn)行鑒定，其中掃描電鏡可以用來(lái)觀察納米銀粒子的表面特性，透射電鏡則可以對(duì)生成的納米銀粒子的直徑、形態(tài)進(jìn)行觀察(圖2)。

1.4 X射線衍射(XRD)

X光能夠透過(guò)納米材料形成衍射圖譜，該圖譜與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出該晶體內(nèi)部的原子分配規(guī)律，因此通過(guò)比較衍射圖譜與X射線衍射技術(shù)可用于鑒別納米銀晶體結(jié)構(gòu)的相位和性質(zhì)。

1.5 傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜(FTIR)

在微生物合成納米粒子的過(guò)程中，納米顆粒表面附著著許多有機(jī)功能基團(tuán)(羰基、羥基等)和其他化學(xué)物質(zhì)殘留，利用紅外線光譜經(jīng)傅里葉變換進(jìn)而分析雜質(zhì)濃度的光譜分析，能夠?qū){米粒子形成過(guò)程中的表面化學(xué)特性轉(zhuǎn)變進(jìn)行分析。

圖2 不同反應(yīng)時(shí)間透射電鏡下觀察到的微生物法合成的納米銀粒子[30]Fig.2 TEM images of silver nanoparticles[30]a：4 min； b：6 min； c：8 min； d：10 min； e：12 min

2 合成納米銀粒子的微生物

Deepak等[31]指出，在微生物合成納米銀的過(guò)程中，銀離子有著雙重作用，一方面誘導(dǎo)納米顆粒的形成，一方面則會(huì)引起微生物的死亡。此外，合成的銀粒子還需要穩(wěn)定劑使其保持納米尺度，在物理方法和化學(xué)方法中，充當(dāng)穩(wěn)定劑的通常是聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、明膠等高聚物或檸檬酸、檸檬酸鈉等還原劑，而微生物法則需要自行產(chǎn)生穩(wěn)定劑。綜合以上兩點(diǎn)，微生物法生產(chǎn)納米銀粒子對(duì)微生物材料本身有一定要求，在篩選中，菌株要兼顧還原性、銀離子抗性和穩(wěn)定性三方面，才能作為生產(chǎn)納米粒子的較理想材料。微生物對(duì)銀離子脅迫的耐受都是有限度的，所以微生物合成納米粒子的過(guò)程中，銀離子的濃度必須適中，以免對(duì)微生物產(chǎn)生毒害作用，影響合成效果和產(chǎn)量。

綜合各類研究成果，能夠合成納米銀粒子的微生物種類十分豐富，真菌和細(xì)菌都被報(bào)道具有合成納米銀粒子的能力。表1列出了一部分相關(guān)研究，包括合成納米粒子的微生物分類地位，合成方式和納米粒子的生物活性功能。其中，合成方式分為胞外和胞內(nèi)兩種，通常微生物只以其中一種方式產(chǎn)生納米銀粒子，但Choudhury等[32]在研究中發(fā)現(xiàn)黑曲霉(Aspergillusniger)能夠以胞內(nèi)和胞外兩種途徑合成納米粒子，其SPR峰值分別為415 nm和435 nm，形狀為球形，粒徑在43～63 nm之間； Prakasham等[33]也發(fā)現(xiàn)一種海洋中分離出的鏈霉菌(Streptomycesalbidoflavus)同樣具有兩種合成途徑，產(chǎn)物粒徑平均為14.5 nm。以何種方式產(chǎn)生納米銀粒子與微生物細(xì)胞的還原組分所在位置息息相關(guān)。

令Θ為多邊形,頂點(diǎn)表示為Q1,Q2,…,Qn。此外,引用|·|表示歐式距離,例如|AB|表示點(diǎn)A與點(diǎn)B間的歐式距離,||表示線的歐式長(zhǎng)度。pΘ表示Θ的邊。令A(yù)、B是Θ邊上的點(diǎn),而分別表示從A至B的逆時(shí)針、順時(shí)針邊。

2.1 納米銀粒子的胞內(nèi)合成

胞內(nèi)與胞外合成的納米銀粒子具有相似的特性，包括粒徑、UV-VIS吸收峰值、X射線衍射圖譜等，但胞內(nèi)合成的納米銀粒子對(duì)細(xì)胞毒性更大，產(chǎn)量相對(duì)較低。Xue等[29]利用皮膚分節(jié)真菌以胞內(nèi)途徑合成了納米銀粒子，UV-VIS吸收峰值為420 nm，X射線衍射圖譜符合銀晶體，透射電鏡下觀察生成的銀粒子，其平均直徑為(15.5±2.5)nm，最佳反應(yīng)條件為底物濃度1.5 mmol/L，55 ℃度反應(yīng)10 h，其生成的納米銀粒子對(duì)念珠菌屬(Candidaspp.)、曲霉屬(Aspergillusspp.)、鐮刀菌屬(Fusariumspp.)等多種病原菌具有抑制作用，其中對(duì)念珠菌屬的抑制作用最為明顯。

Otari等[24]發(fā)現(xiàn)，紅球菌(Rhodococcusspp.)能夠通過(guò)胞內(nèi)途徑合成納米銀，通過(guò)UV-Vis、X射線衍射、能量色散譜、傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜、透射電鏡等技術(shù)手段分析，紅球菌產(chǎn)生的納米銀粒徑在5～50 nm之間，具有良好的穩(wěn)定性，對(duì)革蘭陽(yáng)性和陰性細(xì)菌抑制作用明顯。

納米銀粒子除了可以單獨(dú)發(fā)揮抗菌活性，也可以與其他材料結(jié)合，例如二氧化硅和棉纖維。Velhal等[34]利用曲霉屬真菌(A.sterrerus(Thom) MTCC632)經(jīng)胞內(nèi)途徑合成出納米粒子，檢測(cè)了納米粒子的形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)其UV曲線吸收峰值在290 nm左右，其粒徑隨著底物銀離子濃度和反應(yīng)溫度的變化而發(fā)生改變，當(dāng)?shù)孜餄舛葹? mmol/L，溫度為45 ℃時(shí)，能夠生產(chǎn)出最小粒徑(2 nm)的銀粒子。FTIR結(jié)果顯示，該種真菌胞內(nèi)合成納米銀粒子可能有兩種機(jī)制：第一，來(lái)源于雜環(huán)化合物的-C-O-C-、 -C-O-或者-C=C=官能團(tuán)，或者來(lái)源于蛋白質(zhì)的酰胺I鍵成為了納米粒子的限制配體；第二，真菌細(xì)胞內(nèi)部具有硝酸鹽還原酶，還原了銀離子，掃描電鏡的觀察結(jié)果顯示，該實(shí)驗(yàn)生成的納米銀粒子是球形。在這次實(shí)驗(yàn)中，真菌生產(chǎn)的納米銀粒子被覆蓋在棉纖維表面，作為一種合成材料進(jìn)行抗菌活性的檢驗(yàn)，結(jié)果表明革蘭陽(yáng)性細(xì)菌金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和蠟樣芽胞桿菌(Bacilluscereus)均得到有效抑制，且其對(duì)合成材料的敏感性更強(qiáng)于革蘭陰性細(xì)菌綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa)、大腸埃希菌(Escherichiacoli)和普通變形桿菌(Proteusvulgaris)。

隨著時(shí)代的發(fā)展，納米銀粒子與醫(yī)藥材料的結(jié)合逐漸緊密。2009年Vijayakumar等[35]發(fā)現(xiàn)1株赭曲霉(Aspergillusochraceus)也具有胞內(nèi)合成納米銀粒子的能力，鑒于這樣生產(chǎn)的納米粒子具有良好的抗菌活性，但很容易在清洗時(shí)脫離表面失去效果，研究者首先通過(guò)加熱使其產(chǎn)生納米粒子，然后包裹在高分子材料的碳骨架上，開(kāi)發(fā)出一種合成材料，并檢驗(yàn)了這種合成材料的抗菌活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是革蘭陰性、陽(yáng)性細(xì)菌還是病毒(M13噬菌體)的生長(zhǎng)都受到了抑制，在進(jìn)行清洗后，這種抗菌性依然存在，表明其結(jié)合十分穩(wěn)定。2014年， Nayak等[36]重新檢驗(yàn)了這株菌產(chǎn)生的納米銀粒子，證實(shí)其UV吸收峰在420 nm，粒徑為30～40 nm，本身就具有良好的抗菌特性，并將赭曲霉產(chǎn)生的納米銀粒子與抗生素結(jié)合，使其對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌效果增強(qiáng)了3倍，對(duì)蠟樣芽胞桿菌的抗菌效果增強(qiáng)了1倍。

2.2 納米銀粒子的胞外合成

Mohanpuria等[37]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微生物細(xì)胞壁上含有還原酶或能夠分泌可溶性酶的時(shí)候，金屬納米粒子就會(huì)在胞外形成，由于納米粒子對(duì)細(xì)胞具有一定毒性，在胞內(nèi)大量積累會(huì)引起細(xì)胞死亡，降低生產(chǎn)效率，因此與胞內(nèi)合成的納米粒子相比，胞外合成更廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域，涵蓋了光電、電子、生物成像、傳感等技術(shù)。Absar等[38]經(jīng)過(guò)一系列研究，發(fā)現(xiàn)了一批能夠形成納米粒子的放線菌，并且能夠通過(guò)改變反應(yīng)條件對(duì)納米粒子的形態(tài)和粒徑分布進(jìn)行控制，不同形態(tài)和粒徑的納米銀粒子其UV-VIS吸收峰值也有所不同，Subashini[39]使用土壤中分離出的鏈霉菌(Streptomycessp. VITBT7)合成的納米銀粒子形態(tài)為球形，粒徑在20～70 nm之間，Costa Silva等[40]利用嗜線蟲(chóng)真菌(Duddingtoniaflagrans)合成的納米銀粒子呈現(xiàn)近似球形，通過(guò)改變反應(yīng)條件，粒徑從12～486 nm不等，UV-VIS吸收峰值在440 nm左右變化。

KAbdelrahim等[41]利用匍枝根霉(Rhizopusstolonifer)進(jìn)行納米銀的胞外合成實(shí)驗(yàn)，通過(guò)UV-可見(jiàn)光吸收光譜、X射線衍射、透射電鏡和傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜檢測(cè)，其產(chǎn)物的最大吸收峰在420 nm左右，粒子為面心立方體，X射線衍射圖譜對(duì)應(yīng)晶面指數(shù)為(111), (200)和(220)，納米銀粒子呈單分散的球狀，粒徑在9.47 nm左右。FTIR結(jié)果顯示，粒子外有蛋白質(zhì)層包裹。在該實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)控制反應(yīng)條件能夠控制納米銀產(chǎn)物的粒徑，在40 ℃下采用0.01 mol/L AgNO3作為反應(yīng)底物能夠得到最小粒徑(2.86±0.3)nm的銀粒子。Verma等[42]也使用印度楝內(nèi)分離出的內(nèi)生曲霉屬真菌(Aspergillusclavatus)通過(guò)胞外途徑合成了納米銀粒子，粒徑在10～25 nm之間，形狀是多分散的球狀。

近年來(lái)，研究人員越來(lái)越多地關(guān)注納米銀粒子所普遍具有的抗菌和細(xì)胞毒性。Kumar等[22]發(fā)現(xiàn)1株分離自印度農(nóng)田的鏈霉菌(Streptomycessp. 09 PBT 005)具有胞外合成納米銀粒子的活性，經(jīng)過(guò)鑒定，其UV-VIS吸收峰值為440 nm，最適反應(yīng)時(shí)間為72 h，產(chǎn)生的納米銀粒徑在198～595 nm之間，具有表面粗糙的球狀結(jié)構(gòu)。FTIR檢測(cè)結(jié)果表明氨基酸中的羰基化合物和蛋白質(zhì)中的肽鏈在結(jié)合金屬離子中發(fā)揮了重要作用，推測(cè)在納米銀形成的過(guò)程中，菌液中的蛋白質(zhì)組分覆蓋住銀粒子，達(dá)到了生物穩(wěn)定劑的效果。瓊脂擴(kuò)散法檢驗(yàn)表明，菌株09 PBT 005生成的納米銀粒子對(duì)革蘭陰性和陽(yáng)性細(xì)菌都具有良好的抑制作用，其中革蘭陰性細(xì)菌Shigellaflexneri和Enterobacteraerogenes最為敏感。以0.02 mol/L AgNO3為底物合成的納米銀粒子抗菌活性最好，超過(guò)或低于這個(gè)濃度的AgNO3溶液都會(huì)造成抗菌活性下降。

Jo等[43]對(duì)假單胞菌PseudomonasdeceptionensisDC5的研究表明，這株菌也能夠通過(guò)胞外途徑生產(chǎn)納米銀，其UV-VIS吸收峰值為428 nm，反應(yīng)時(shí)間在48 h以內(nèi)，納米銀粒徑為127 nm左右，其產(chǎn)物對(duì)副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticus)具有很高的抗菌活性，對(duì)白色念珠菌(Candidaalbicans)、金黃色葡萄球菌、腸球菌(Salmonellaenterica)和炭疽桿菌(Bacillusanthracis)也有較好的抑制作用。Sarsa等[44]發(fā)現(xiàn)青霉菌(PenicilliumatramentosumKM)經(jīng)胞外合成途徑形成的納米銀同樣具有廣譜抗菌活性，對(duì)金黃色葡萄球菌、蠟樣芽胞桿菌和嗜水氣單胞菌(Aeromonashydrophila)都具有良好的抗菌活性，值得注意的是，該研究所使用的青霉菌是迄今為止最適合作為工程菌改造的菌種，具有很大的生產(chǎn)潛力。

2017年， Costa Silva等[40]研究并發(fā)現(xiàn)了食線蟲(chóng)真菌Duddingtoniaflagrans的產(chǎn)納米銀特性，Duddingtoniaflagrans是捕食線蟲(chóng)性真菌的一個(gè)代表種類，強(qiáng)大的環(huán)境耐受力與捕食線蟲(chóng)能力使其在動(dòng)物寄生性線蟲(chóng)防治方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此常常被應(yīng)用于生物防治，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域近年的熱點(diǎn)之一。Costa Silva等經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，Duddingtoniaflagrans能夠通過(guò)胞外途徑產(chǎn)生納米銀，根據(jù)菌液和AgNO3比例的不同，其UV-VIS吸收峰值在410 nm左右，粒徑在12～486 nm之間，可以通過(guò)控制反應(yīng)條件來(lái)控制產(chǎn)物質(zhì)量。FTIR檢測(cè)結(jié)合拉曼光譜的檢測(cè)表明，跟還原銀離子和保持納米銀穩(wěn)定有關(guān)的物質(zhì)可能是幾丁質(zhì)，此外，以穩(wěn)定性和單分散性來(lái)說(shuō)，菌液和AgNO3最理想的比例應(yīng)該是1∶50。

雖然納米銀產(chǎn)物的UV-VIS吸收峰通常被認(rèn)為在400～450 nm之間，但有時(shí)因?yàn)槲⑸锓置诘奶厥馕镔|(zhì)，其產(chǎn)生的納米銀也會(huì)形成特殊的Ag/AgCl復(fù)合體， Rasulova等[45]用1株產(chǎn)胞外多糖的圓褐固氮菌(AzotobacterchroococcumXU1)合成的Ag/AgCl復(fù)合粒子的UV-VIS吸收峰值從260～420 nm不等，在胞外多糖和納米復(fù)合體的共同作用下，其產(chǎn)物表現(xiàn)出了對(duì)植物病毒尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporumf.sp.vasinfectum)和黃萎病菌(Verticilliumdahliae)有較強(qiáng)的抑制作用。這也給微生物合成納米銀的應(yīng)用提供了嶄新的思路。

以上研究中，雖然發(fā)現(xiàn)了多種多樣具有產(chǎn)納米銀粒子活性的微生物，但無(wú)論以何種途徑合成，其效率普遍較低，從開(kāi)始反應(yīng)到產(chǎn)生穩(wěn)定的納米銀粒子需要幾小時(shí)到幾十小時(shí)不等的時(shí)間，這成為了微生物法合成納米銀投入生產(chǎn)的一大技術(shù)難題。本課題組的前期研究中，Manikprabhu等[46]利用光照輻射一株放線菌(SinomonasmesophilaMPKL 26)，使納米銀的合成過(guò)程不超過(guò)20 min，Dong等[30]使用相同方法用另一株放線菌(Isoptericolasp.)合成納米銀粒子，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程只需4 min。上述兩個(gè)研究中生產(chǎn)的納米銀粒子從吸收峰值、粒徑、表面性質(zhì)、穩(wěn)定性和抗菌活性方面都與其他方法得到的產(chǎn)物沒(méi)有明顯差別。相比較傳統(tǒng)方法平均需要12～16 h完成生產(chǎn)，陽(yáng)光輻射顯然能夠極大縮短反應(yīng)時(shí)間(見(jiàn)圖2)，提高生產(chǎn)效率。

3 納米銀粒子的應(yīng)用

納米銀的合成受到矚目，是由于其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，相比傳統(tǒng)材料優(yōu)勢(shì)非常明顯。迄今為止，納米銀的應(yīng)用價(jià)值主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 催化特性

盡管納米銀粒子最常見(jiàn)的應(yīng)用是醫(yī)藥和抗菌領(lǐng)域，但近年來(lái)，其催化特性也逐漸引起了研究者的關(guān)注。許多報(bào)道表明，納米銀粒子可以催化染料、苯、一氧化碳等化合物的氧化還原反應(yīng)[47]。

3.1.1 二氧化硅表面材料——染料還原 主要利用的是在二氧化硅表面合成的納米粒子。二氧化硅起到的作用是穩(wěn)定納米粒子結(jié)構(gòu)，使納米粒子成為良好的電子傳遞者，在這種合成材料的催化下，氰硼化鈉能夠與眾多染料——包括亞甲基藍(lán)、曙紅和孟加拉紅發(fā)生反應(yīng)[47]。

3.1.2 中介氣凝膠——苯的選擇性氧化 由于納米粒子具有數(shù)量極多的活性位點(diǎn)，它們可以被應(yīng)用于中介氣凝膠[48]。研究表明，氣凝膠中低質(zhì)量百分比(1%)的銀粒子具有很高的選擇氧化性，能夠把苯氧化成苯酚，其效果來(lái)自這些銀粒子極高的單分散性[48]。

3.1.3 金銀合金納米粒子——一氧化碳的協(xié)同氧化 納米金和納米銀粒子在單獨(dú)氧化一氧化碳時(shí)，其活性都不高，但同時(shí)使用兩種納米粒子，催化活性就會(huì)大大增加。在這個(gè)過(guò)程中，納米金能夠結(jié)合氧原子，使納米銀發(fā)揮其氧化催化性。當(dāng)金/銀比例在3∶1～10∶1之間時(shí)，能夠在室溫下完全催化1%的一氧化碳，且納米顆粒的尺度對(duì)催化效果影響不大[49]。

3.1.4 光催化 電漿效應(yīng)是一種被廣泛研究的效應(yīng)，但迄今為止，對(duì)納米材料通過(guò)表面電漿共振而氧化催化作用增強(qiáng)的現(xiàn)象仍缺乏認(rèn)識(shí)。研究表明，納米銀粒子表現(xiàn)出耦合低強(qiáng)度持續(xù)光和熱能的能力，未來(lái)納米銀粒子在光催化方面重要的應(yīng)用可能是通過(guò)可見(jiàn)光產(chǎn)生共鳴等離子體[50]。

3.2 生物學(xué)特性

研究者們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了以納米銀粒子為載體，將細(xì)小藥物顆?；蛘叽笊锓肿愚D(zhuǎn)運(yùn)至特定靶點(diǎn)的技術(shù)。只要納米銀粒子有足夠充裕的時(shí)間到達(dá)靶點(diǎn)位置，運(yùn)送的藥物就能夠被細(xì)胞內(nèi)外的刺激因子激活，這種基于納米銀粒子的載體技術(shù)能夠特異性地在目標(biāo)位置積累藥物，使其產(chǎn)生的副作用最小化[51]。

3.2.1 化學(xué)療法載體 納米技術(shù)最有希望引入醫(yī)藥領(lǐng)域的是改善癌癥成像技術(shù)和治療藥物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[52]，在納米尺度上揭示生物系統(tǒng)的組織、形態(tài)和功能，用包埋技術(shù)結(jié)合納米銀粒子和靶向藥物治療癌癥是未來(lái)納米粒子在醫(yī)藥領(lǐng)域的重要研究方向[53]。通過(guò)鍍膜技術(shù)，納米銀粒子能夠呈現(xiàn)出一種標(biāo)準(zhǔn)的功能化表面，這種表面可以添加各種基質(zhì)。例如，用二氧化硅鍍膜的納米銀粒子，可以通過(guò)穩(wěn)定的醚鍵和酯鍵連接基質(zhì)，避免了基質(zhì)被自然代謝的酶分解[54-55]。最新的化療技術(shù)利用光敏鏈(鄰硝基苯橋)將抗癌物質(zhì)連接到了納米粒子表面的基質(zhì)上[56]。低毒的納米粒子復(fù)合物能夠在新陳代謝中保持活性，這樣就有足夠的時(shí)間讓藥物擴(kuò)散至腫瘤位置。腫瘤被標(biāo)記后，使用穿透皮膚組織的紫外線使光敏鏈斷裂，釋放出藥物。相比已有的化學(xué)療法，這種利用納米銀粒子的靶向技術(shù)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一，避免使用高毒性的化合物作為載體運(yùn)送藥物；第二，無(wú)需使用有害輻射使藥物釋出；第三，不依賴特定的化學(xué)反應(yīng)，就能夠使藥物有選擇性地在目標(biāo)組織中釋放。

另外一種方法是把化療藥物直接連接到納米銀粒子外覆蓋的功能化表面上[57-58]。例如，當(dāng)納米粒子-藥物復(fù)合物進(jìn)入或接近腫瘤細(xì)胞時(shí)，一種谷胱甘肽單酯就能夠發(fā)揮作用，其中的氧能夠附著在納米粒子的功能表面，形成一條新的酯鏈，與此同時(shí)向周圍釋放出藥物，通過(guò)這種手段，藥物就能夠在腫瘤位置被激活并發(fā)揮生物功能，而對(duì)相鄰的組織沒(méi)有過(guò)多損害。

3.2.2 應(yīng)對(duì)多重抗藥性 在癌癥的化療過(guò)程中，癌細(xì)胞常常產(chǎn)生多重抗藥性，其機(jī)制十分復(fù)雜。針對(duì)多重抗藥性中過(guò)表達(dá)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，可以設(shè)計(jì)出特異性的納米粒子作為轉(zhuǎn)運(yùn)載體，是未來(lái)解決多重抗藥性的一種方法[59]。納米粒子可以通過(guò)其表面蛋白質(zhì)的過(guò)表達(dá)設(shè)計(jì)成特異性的藥物載體[60]，但普通納米藥物的缺點(diǎn)就在于，在細(xì)胞內(nèi)部釋放的藥物重新暴露于多重耐藥性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中，然后又被排出了。為了解決這個(gè)難題，Liu等[61]使用HIV-1病毒的轉(zhuǎn)錄活化因子作為細(xì)胞穿透肽處理粒徑8 nm的納米銀晶體。一般來(lái)說(shuō)，納米銀的效果會(huì)受到細(xì)胞攝入能力的限制，然而，細(xì)胞穿透肽處理能夠增加納米粒子的細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)能力，一旦攝入后，由于分子篩作用，納米銀粒子也不會(huì)再被排出，因?yàn)槠潴w積已經(jīng)超過(guò)了多重耐藥性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，因此就能夠在腫瘤細(xì)胞中聚集，使藥物積累到有效濃度。

3.2.3 抗菌活性 銀會(huì)使細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生高度的形態(tài)和結(jié)構(gòu)改變而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。納米銀會(huì)附著在細(xì)菌細(xì)胞壁和含硫元素的細(xì)胞膜上[62]，一旦與膜結(jié)構(gòu)結(jié)合，在膜上的納米銀形成的銀-硫相互作用會(huì)使膜的半透性發(fā)生改變，細(xì)胞內(nèi)容物因?yàn)闈B透壓而流出[63]。一部分的納米銀粒子會(huì)進(jìn)入到細(xì)菌內(nèi)部，與DNA和RNA等含磷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，使DNA濃縮，抑制細(xì)菌繁殖[63]，而且溶液中的納米銀粒子會(huì)釋出微量的銀離子，抑制細(xì)菌中酶的活性和產(chǎn)ATP相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)[64]，由于其卓越的抗菌活性，納米銀被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械和耗材中。納米銀具有廣譜抗菌性，一般來(lái)說(shuō)，無(wú)論是什么類型的細(xì)菌，無(wú)論細(xì)胞膜是什么結(jié)構(gòu)，平均粒徑在10 nm以下的納米銀粒子都能表現(xiàn)出電子效應(yīng)，極大地抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，這可能是得益于比表面積的增加[65]。另外，研究認(rèn)為納米粒子可以與傳統(tǒng)抗生素產(chǎn)生協(xié)同作用，例如青霉素、氨比西林、紅霉素、克林霉素和萬(wàn)古霉素[66]。納米銀粒子能夠阻止細(xì)菌生長(zhǎng)或附著，因此被廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)中，因?yàn)樗信c患者接觸的儀器都要求無(wú)菌，且它能夠應(yīng)用于多種材料，如金屬、塑料和玻璃[67]。在醫(yī)藥設(shè)備中，納米銀消毒比傳統(tǒng)方法處理的殺菌作用更好，但由于在清洗過(guò)程中銀離子大量流失，納米銀很容易失去效果。納米銀粒子更廣泛的應(yīng)用是治療燒傷的植皮手術(shù)，在植皮創(chuàng)面上的納米銀能夠提供更高的抗菌活性，減輕疤痕產(chǎn)生的程度，這是沿襲銀離子處理潰瘍的古老方法的一種創(chuàng)新。現(xiàn)在，納米銀被廣泛應(yīng)用于繃帶和藥物貼片來(lái)加快創(chuàng)傷痊愈[68]。納米銀在飲用水凈化領(lǐng)域也展現(xiàn)出了一定潛力[69]，利用了碳酸鹽，能夠使微生物對(duì)納米銀更敏感，除去毒性巨大的殺蟲(chóng)劑殘留。納米銀還可以與特定的離子結(jié)合，如鐵、鉛、砷，且完成凈水作用不需要再消耗電力或水力。Barker等[70]研究了低濃度納米銀粒子的作用，結(jié)果表明只要時(shí)間足夠，這些納米銀依然能夠在水體中發(fā)揮長(zhǎng)期效應(yīng)。

4 展 望

在過(guò)去的十年中，微生物法納米銀的方法、驗(yàn)證和應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足進(jìn)展，但還需要完成很多工作(圖3)。首先，微生物法合成納米銀的過(guò)程耗時(shí)太長(zhǎng)(幾小時(shí)到幾十小時(shí)不等)，相比較傳統(tǒng)物理和化學(xué)方法來(lái)說(shuō)效率較低，如果能減少反應(yīng)時(shí)間則可以大大增加合成效率，本課題組已有利用光照縮短反應(yīng)時(shí)間的成功案例[30]；其次，銀粒子的尺度和單分散性是最重要的特性，雖然現(xiàn)有手段已經(jīng)能夠通過(guò)控制底物濃度、溫度、pH值等反應(yīng)條件達(dá)到對(duì)粒徑和形狀的一定控制效果，但仍不能做到十分精確；第三，一些研究表明，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后，已經(jīng)形成的納米銀粒子會(huì)被再次分解，因此，微生物法合成的納米粒子的穩(wěn)定性和其穩(wěn)定劑來(lái)源都需要進(jìn)一步的分析。

由于胞內(nèi)合成的納米銀粒子還需要使用超聲或化學(xué)反應(yīng)才能使其釋出，因此胞外途徑相比之下是更好的選擇。盡管人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多種胞外合成納米銀的微生物，但迄今為止所有研究都僅限于實(shí)驗(yàn)室范圍，如何利用這些微生物，將它們產(chǎn)生納米銀的功能真正應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，將是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。

圖3 納米銀粒子的特性驗(yàn)證和應(yīng)用Fig.3 Characterization and application of silver nanoparticles

如果能夠克服所有困難，鑒于其環(huán)保的特性和溫和的反應(yīng)條件，微生物法應(yīng)該是納米銀合成方法中的首選項(xiàng)。除此之外，現(xiàn)有結(jié)果中對(duì)微生物產(chǎn)納米粒子機(jī)制的研究仍不夠透徹，這應(yīng)該是深入了解微生物與銀離子互作的當(dāng)務(wù)之急，一旦揭示了其中的規(guī)律，微生物法產(chǎn)納米銀粒子的應(yīng)用必將得到巨大推進(jìn)，甚至能夠影響納米技術(shù)的更新?lián)Q代。

盡管納米銀粒子被應(yīng)用最多的領(lǐng)域是抗菌，但其應(yīng)用仍不夠充分，原因在于納米粒子具有極為豐富的多樣性，尤其是微生物法產(chǎn)生的納米銀，其形狀和粒徑各不相同，即使是同一種微生物，改變反應(yīng)條件也會(huì)影響其產(chǎn)物的特性。除此之外，納米銀粒子與其他材料如二氧化硅和高分子聚合物的復(fù)合材料也有待進(jìn)一步研究。

隨著科技和社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)綠色化的要求越來(lái)越高，納米銀作為一種毒副作用極低、應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大的優(yōu)良材料，其物理和化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程卻往往伴隨著劇毒原料和環(huán)境污染，因此，微生物法生產(chǎn)納米銀作為一種反應(yīng)條件溫和，無(wú)污染、綠色環(huán)保的方法逐漸進(jìn)入人們的視線。在過(guò)去的十年里，許多不同種類的微生物被發(fā)現(xiàn)能夠生產(chǎn)納米銀，經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)手段檢測(cè)，每種微生物所產(chǎn)生的納米銀都不盡相同，改變反應(yīng)條件能夠在一定程度上控制產(chǎn)物的特性。一系列抗菌實(shí)驗(yàn)表明，這些納米銀粒子普遍具有廣譜抗菌活性。近年來(lái)，納米銀的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在催化、醫(yī)藥、滅菌等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，微生物法合成的納米銀也開(kāi)始與傳統(tǒng)技術(shù)和藥物結(jié)合，隨著人們研究的深入，必將發(fā)揮更廣泛的作用。