海泡石負載離子液體制備高熱穩(wěn)定性抗菌劑

（中國科學院過程工程研究所多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室， 北京100190）

隨著我國民眾對生物安全重要性認識的不斷提高，抗菌材料在減少疾病和應對突發(fā)生物污染事件中的作用被日益凸顯出來，常見的抗菌材料分為有機和無機2類。有機抗菌材料包括天然抗菌化合物及香醛類、 氯酚類、 季銨類、 咪唑類合成化合物、 乙內酰脲類、 聚胍類、 吡啶硫酮類等[1-10]，其抗菌譜廣、 起效迅速、 滅菌能力強大，但往往耐熱性能不佳，故很難用于塑料、粉末涂料等需要熱加工或熱固化的領域; 無機抗菌材料主要包括銀系抗菌材料[11-13]、 鋅系抗菌材料[14]、 銅系抗菌材料[15]和二氧化鈦類抗菌材料[16]，該類抗菌材料有耐熱性好的優(yōu)點，相比于有機抗菌劑，作用速度較慢，殺菌效能略低。在發(fā)揮有機抗菌材料高效的滅菌性能的基礎上，通過有機、 無機復合有望獲得兼具高效抑菌性和耐熱性的新型抗菌材料。本團隊曾經將三氯生負載于SiO2之中獲得了耐熱性和耐溶出性能均較好的抗菌材料[2-3]，然而SiO2的前驅體為昂貴的硅酸四乙酯，難以工業(yè)化制備。另外，由于三氯生具有親脂性、耐久性和生物積累性，已經被很多國家列為限用甚至禁用抗菌劑[17]。

咪唑類離子液體因具有獨特的抗菌活性引起了相關領域研究人員的廣泛關注[6,18-19]，分子由強正電性的咪唑頭基和長鏈疏水烷基構成，咪唑頭基通過靜電作用強烈吸附于帶負電的細菌細胞膜上，同時其長鏈疏水烷基可以刺入細胞膜使細菌破裂死亡[19]。此外， 相比于具有類似抗菌機理的季銨鹽抗菌劑，如CTAB，離子液體咪唑頭基的雙氮五元雜環(huán)的熱穩(wěn)定性顯著優(yōu)于季銨頭基，因此咪唑類離子液體是制備高熱穩(wěn)定性抗菌劑的優(yōu)良選擇。根據(jù)本團隊以前的研究經驗，將有機抗菌劑與無機顆粒相復合是提高抗菌熱穩(wěn)定性的有效途徑，同時因為咪唑類離子液體和天然無機礦物材料復合的研究相對較少，所以本團隊考慮將咪唑類離子液體和具有天然孔道的礦物材料相復合，以期獲得具有良好熱穩(wěn)定性的新型有機-無機雜化抗菌材料。海泡石是一種纖維狀多孔富鎂質的硅酸鹽黏土礦物，具有沿著纖維徑向的豐富孔道結構，耐熱性好，價格低廉，非常適合與咪唑類離子液體相復合而提高后者的熱穩(wěn)定性。

1 實驗

1.1 主要試劑材料和儀器設備

材料：海泡石（河北省易縣海泡石開發(fā)有限公司）；鹽酸（氯化氫質量分數(shù)為30%，國藥集團化學試劑有限公司）；二次去離子水（電阻為18.2 MΩ）。

儀器設備： Nova2000e型孔徑比表面分析儀（美國Quantachrome公司）； Philips PANanalytical X’ Pert Pro型X射線衍射分析儀（XRD， 荷蘭Philip公司）； Netzsch Sta 499 F3型熱重分析儀（TGA， 德國耐馳公司）； SU8020 型掃描電子顯微鏡（日本HITACHI公司）； Nabertherm LH30/13型馬弗爐（德國納博熱公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

海泡石粉末在質量分數(shù)為1%的稀鹽酸中，液固質量比為1∶6的條件下酸洗后離心洗滌，在溫度為90 ℃條件下烘干，備用。離子液體（十四烷基-3-甲基咪唑溴鹽）按照文獻[20]合成，文中命名為IL。

取烘干后的海泡石2 g， 稱取不同質量的IL溶于水中， 溶液體積控制為2.2 mL， 將溶有IL的溶液和海泡石粉末混合， 按照文獻[21]的方法進行干法浸漬，實驗中IL的負載量選擇0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.7、 0.9 g等7個水平，分別對應IL的負載質量分數(shù)為4.8%、 9.1%、 13.0%、 16.7%、 20.0%、 25.9%、 31.0%， 7個樣品分別命名為sep-IL-1—sep-IL-7， 不負載IL的空白海泡石樣品命名為sep-IL-0。 由于IL溶解度的限制， sep-IL-5—sep-IL-7樣品中IL需要在熱水中溶解，負載結束后各樣品在溫度為90 ℃的條件下烘干過夜，研磨后封存?zhèn)溆?。樣品的耐熱性能在馬弗爐中檢測，實驗中灼燒溫度選擇250、 300、 350 ℃ 3個水平，首先將長方形瓷舟在馬弗爐中灼燒1 h，保證瓷舟溫度完全達到灼燒溫度，然后立刻打開馬弗爐爐門，將0.1 g負載有IL的海泡石樣品放入瓷舟中，然后關閉爐門，開始計時，灼燒過程持續(xù)1 h，而后取出瓷舟，將灼燒樣品保存于自封袋中預備檢測其抑菌性能。

1.2.2 樣品分析

采用比表面分析儀測定海泡石樣品的比表面積和孔分布信息； 采用X射線衍射分析儀分析樣品的X射線衍射圖（測試條件： Cu Kα輻射, Ni濾波, 管電壓為40 kV, 管電流為30 mA, 波長為0.154 18 nm, 2θ=5°～90°, 步長為0.02°）； 采用熱重分析儀表征樣品的加熱失質量情況， 升溫速率為5 ℃/min， 氣氛為空氣； 采用掃描電子顯微鏡在加速電壓為15 kV、 電流為10 mA條件下觀察樣品顆粒形貌， 并采用能譜掃描的方法分析其表面元素組成。 需要測試抗菌性能的粉末樣品取10 mg，在壓力為14 MPa下壓片， 樣片直徑5.5 mm， 每個樣品壓制2個平行樣片， 采用革蘭氏陽性芽孢桿菌和革蘭氏陰性大腸桿菌為測試菌種， 通過抑菌圈法研究抗菌能力， 芽孢桿菌的菌液濃度每毫升細菌群落數(shù)為108， 大腸桿菌的菌液濃度每毫升細菌群落數(shù)為109， 依照中國人民共和國衛(wèi)生部《消毒技術規(guī)范（2017版）》[22]的方法進行抑菌環(huán)測試。

2 結果和討論

2.1 海泡石樣品的比表面分析

（a）吸附等溫線

（b）孔徑分布曲線（DFT方法）圖1 空白海泡石（預處理前后）和sep-IL-7的孔結構分析結果

對空白海泡石樣品sep-IL-0和樣品sep-IL-7進行了低溫氮吸附分析以表征孔結構信息， 結果如圖1所示。 樣品sep-IL-0分別在不預處理的情況下和抽真空、 溫度為200 ℃、 預處理2 h的情況下進行分析， 因為樣品sep-IL-7負載有IL， 在不預處理的情況下進行分析（以免IL逸出污染設備）所得結果如圖1（a）所示。 可知sep-IL-0在預處理和不預處理2種情況下吸附等溫線的形狀比較類似， 但預處理后的樣品在整個相對壓力范圍內吸附量均更高， 而樣品sep-IL-7的吸附等溫線僅在相對壓力較大（p/p0=0.8～1.0）時有較微弱吸附。 利用密度泛函理論（density function theory， DFT）方法分析樣品的孔分布如圖1（b）所示。 由圖可知， 對于sep-IL-0而言， 在大于2 nm的孔徑范圍內樣品是否前處理幾乎不影響其孔分布曲線形狀， 但是預處理使sep-IL-0在1.6 nm附近的孔容大大增加， 經過預處理的海泡石樣品的BET比表面積為238.7 m2/g， 而未經脫水前處理的樣品的BET比表面積僅為114.8 m2/g， 說明空白海泡石具有大量孔徑為1.6 nm左右的微細親水孔道， 這些孔道極易吸收空氣中的水分而導致其孔容和比表面積顯著減小。 由圖1（b）中樣品sep-IL-7的孔分布曲線可知， 負載IL后樣品孔徑為1.6 nm附近的微孔完全消失， 甚至孔徑為8 nm以下的孔道完全消失， 在大于8 nm的范圍內的孔道的孔容有所減小， 樣品的BET比表面積降低至20.1 m2/g， 說明在負載過程中IL成功進入海泡石的微孔孔道中， 甚至將其完全填充， 導致負載樣品失去了全部的微孔和一部分介孔， 比表面積也劇烈減小， 可以推斷： 由于IL分子和海泡石微孔（介孔）壁面具有強烈的相互作用， IL分子很可能優(yōu)先填充海泡石的微孔并鋪展在孔道內壁面上， 因此海泡石是IL的優(yōu)良負載材料， 二者之間的強相互作用很可能為材料帶來更好的熱穩(wěn)定性。

2.2 負載IL海泡石的XRD分析

將不同IL負載量的海泡石樣品以及純IL進行了XRD分析，結果如圖2所示。由圖可知，樣品sep-IL-0由海泡石和少量滑石組成， 其他各負載IL的樣品均表現(xiàn)出和sep-IL-0相同的XRD衍射峰，純IL的XRD衍射峰在各樣品中均沒有出現(xiàn)，原因很可能是因為IL的分子經負載后完全鋪展并粘附于海泡石微觀孔道內壁，已經不再象純離子液體一樣在室溫下發(fā)生成鹽結晶過程，因此即使IL負載量為31%的樣品sep-IL-7依然沒有表現(xiàn)出室溫下純離子液體的XRD衍射峰。在IL的負載過程中，IL以溶液的形式進入海泡石孔道，在隨后的烘干過程中，孔道內的IL并沒有因為水分脫除而發(fā)生自身的結晶，原因可能在于酸洗后的海泡石孔道內表面存在大量活性硅酸表面，在中性條件下表現(xiàn)出負電性，很容易與IL正電性的咪唑頭基發(fā)生靜電結合，再次證明海泡石是咪唑類離子液體的優(yōu)良負載材料。由于IL在水中的溶解度限制，因此實驗沒有嘗試更高的IL負載量。鑒于各樣品中IL都在海泡石樣品中均勻分散，后面的測試重點關注IL負載量較高的樣品。

2.3 負載IL海泡石的熱重分析

為了表征各個樣品的熱穩(wěn)定性，對純IL和各樣品sep-IL-3—7進行了空氣氣氛下的熱重分析，其分析結果如圖3所示。從分析結果可知，純IL在溫度為50～250 ℃緩慢失質量，這是因為IL吸附的水分在加熱條件下不斷失去，IL在溫度為200 ℃開始快速分解揮發(fā)，在溫度為300 ℃幾乎徹底分解完畢，這是因為其有機分子在空氣條件下氧化、 分解甚至閃燃導致的劇烈失質量。 空白海泡石在50～650 ℃的溫度范圍內不斷緩慢失質量，這源于其豐富的孔道內的吸附水和結合水不斷因加熱而釋放排出，導致平緩的失質量曲線。負載IL的各樣品的顯著失質量溫度在250 ℃左右，在溫度為350 ℃時各樣品才進入相對平緩的失質量狀態(tài)，因此可以推斷，海泡石中負載的IL的熱分解溫度有所提高，根據(jù)該熱重結果，在樣品熱穩(wěn)定分析時選擇250、 300和350 ℃ 3個灼燒溫度。

圖2 不同離子液體負載量下海泡石樣品的XRD衍射譜圖Fig.2 XRD patterns of sepiolite samples with various ionic liquid doping amount

負載IL的海泡石樣品在50～200 ℃溫度范圍的失質量小于純海泡石和純離子液體的，其原因很可能在于IL的親水咪唑頭基和海泡石孔道內壁緊密結合，其另一側的疏水烷基長鏈減小了海泡石孔道對空氣中水分子的吸附，因此負載IL的海泡石各樣品在50～200 ℃的溫度范圍內的脫水失質量有所減弱，這也一定程度上證明了IL分子與海泡石孔道內壁的硅酸位點的結合較為牢固。

圖3 不同離子液體負載量下海泡石樣品的熱重分析Fig.3 Thermogravimetric analysis results of sepiolite samples with various ionic liquid doping amount

2.4 負載IL海泡石的掃描電鏡和能譜分析

對沒有負載IL的海泡石樣品sep-IL-0和IL負載最大的樣品sep-IL-7進行了掃描電子顯微鏡分析，結果如圖4所示。由測試結果可知，空白海泡石樣品sep-IL-0和sep-IL-7的顆粒形貌相同，均為長度為0.8～1 μm、 直徑為50～100 nm的棒狀或纖維狀顆粒，形狀符合常見的海泡石棒束狀的樣式，可知IL的添加沒有改變海泡石的形貌，說明IL分子易于在海泡石顆粒表面或其內部孔道壁面上鋪展，所以海泡石的顆粒形狀不變，同時負載樣品中沒有IL顆粒單獨存在。

（a）sep-IL-0

（b）sep-IL-7圖4 樣品sep-IL-0和sep-IL-7的SEM圖像

對樣品sep-IL-7進行了能譜分析，結果如圖5所示。對sep-IL-7進行能譜掃描的顆粒形貌如圖5（a）所示。 由圖可知，視野中sep-IL-7為一簇棒束狀海泡石顆粒無規(guī)堆積而成的團粒。針對該團粒的能譜掃描結果如圖5（b）—（f）所示，分別對應于Mg、 O、 Si、 N和Br 5個元素的掃描結果，由于海泡石為纖維狀的硅酸鎂顆粒，因此其元素掃描結果中Mg、 O、 Si 3種元素的強度很高，而且非常均勻，然而掃描結果中N元素的分布非常稀散（見圖5（e））， 同時Br元素的分布明顯多于N元素（見圖5（f））， N和Br的分布都很均勻，沒有局部富集和缺失的現(xiàn)象發(fā)生；從表面元素含量的結果可知：N元素的質量分數(shù)低于0.004%，而Br元素的質量分數(shù)為2.68%。從IL的分子結構來看，每個分子含有2個N原子和1個Br原子，考慮到Br和N的原子量差異，表面質量占比為2.68%的Br原子對應的N原子質量占比應該為0.94%。IL負載于海泡石內時N元素實際的能譜掃描豐度結果明顯低于Br元素豐度下N元素相應的結果，原因很可能在于IL的2個N原子均在顯正電的咪唑環(huán)上，該正電的咪唑環(huán)和海泡石顯負電的硅酸表面結合強烈，導致IL分子的咪唑環(huán)傾向于鉆進海泡石平行于c軸（平行于海泡石纖維軸向的晶軸）的孔道內部，因此暴露在顆粒表面的N原子較少。同時，IL的Br-因為受到硅酸表面的靜電推斥而傾向于留在孔道外，很可能與孔道中置換出的Mg2+相結合，所以樣品的表面元素中Br元素的相對含量明顯高于N元素的。以上分析結果證實，IL分子易于受靜電引力的作用而自發(fā)進入海泡石孔內部，并形成均勻的分散狀態(tài)，這和XRD分析得到的結論相一致。這些均勻分散在海泡石孔道內部的IL分子很可能因為與海泡石硅酸表面的緊密結合而獲得更好的熱穩(wěn)定性。至于離子液體分子如何能在海泡石狹長的微孔中運行以至將整個孔道填滿，筆者認為文獻[23]的研究給出了合理的解釋：海泡石纖維不僅在平行c軸的方向上存在狹長的結構性微孔，同時在垂直纖維方向也存在大量短程的微孔，這些微孔將海泡石眾多平行于纖維方向的結構性微孔互相連接，形成了巨大的空間網(wǎng)絡孔道結構，因此，離子液體分子并非只能在海泡石平行纖維方向的微孔中一維擴散，而很可能同時借助那些垂直纖維方向的短程微孔在海泡石內部巨大的空間網(wǎng)絡孔道結構中傳輸，最終填滿了海泡石所有的微孔。

（a）選區(qū)照片（電子圖像）

（b）Mg（Kα1-2）

（c）O（Kα1）

（d）Si（Kα1）

（e）N（Kα1-2）

（f）Br（Lα1-2）圖5 樣品sep-IL-7的SEM-EDX能譜分析結果

2.5 負載IL海泡石不同溫度灼燒后抗菌性能分析

（a）sep-IL-5未燒

（b）sep-IL-6未燒

（c）sep-IL-7未燒

（d）sep-IL-5 250 ℃灼燒

（e）sep-IL-5 300 ℃灼燒

（f）sep-IL-5 350 ℃灼燒

（g）sep-IL-6 250 ℃灼燒

（h）sep-IL-6 300 ℃灼燒

（i）sep-IL-6 350 ℃灼燒

（j）sep-IL-7 250 ℃灼燒

（k）sep-IL-7 300 ℃灼燒

（l）sep-IL-7 350 ℃灼燒

根據(jù)前面的XRD分析可知，所有樣品中離子液體分子均在海泡石中實現(xiàn)了均勻分散，故選擇負載量最高的3個樣品sep-IL-5—sep-IL-7進行灼燒前、后的抗菌性能分析，分別以芽孢桿菌和大腸桿菌為測試菌株、采用抑菌環(huán)的方法研究了sep-IL-5—sep-IL-7樣品分別在溫度為250、 300和350 ℃條件下灼燒后的抗菌性能。針對芽孢桿菌的抑菌環(huán)測試結果如圖6所示。sep-IL-5—sep-IL-7樣品在未經灼燒時均表現(xiàn)出顯著的抗菌能力，隨著IL的負載量增大，其抑菌環(huán)的尺寸略微增大，說明3個樣品中IL的溶出速度差別不大，原因很可能是IL負載于海泡石的微細孔道中，二者之間存在較強的靜電作用，因此IL在溶出過程中緩慢釋放， 即使IL的負載量不同， 其溶出而導致的抑菌環(huán)的大小差別不大。 sep-IL-5—sep-IL-7樣品經過灼燒后的抑菌效果如圖6（d）—（l）所示， 3個樣品在溫度為250 ℃的條件下灼燒1 h后保留了大部分的抗菌能力， 其中樣品sep-IL-7的抗菌能力最強， 因其IL負載量較大， 由純IL的熱重分析可知，溫度為250 ℃下IL已經開始了劇烈分解，而負載于海泡石中的IL能在溫度為250 ℃下灼燒1 h后保持大部分抗菌能力， 說明海泡石顯著提高了IL的熱穩(wěn)定性； 3個樣品在溫度為300 ℃下灼燒后抑菌環(huán)尺寸有所下降， 但都保留了可辨識的抑菌能力， 純IL的熱重分析可知溫度為300 ℃下IL已經分解完畢， 而負載于海泡石中的IL能在溫度為300 ℃下灼燒1 h后保持一定的抑菌能力， 再次說明海泡石提高了IL的熱穩(wěn)定性； 3個樣品在溫度為350 ℃灼燒后均碳化變黑并完全失去了抑菌能力， 說明即使在溫度為350 ℃的條件下灼燒1 h后海泡石中的IL分子沒有完全熱分解，但對其抑菌性能有益的咪唑環(huán)已經分解殆盡，因此樣品不再具有任何抑菌性能。

（a）sep-IL-5未燒

（b）sep-IL-6未燒

（c）sep-IL-7未燒

（d）sep-IL-5 250 ℃灼燒

（e）sep-IL-5 300 ℃灼燒

（f）sep-IL-5 350 ℃灼燒

（g）sep-IL-6 250 ℃灼燒

（h）sep-IL-6 300 ℃灼燒

（i）sep-IL-6 350 ℃灼燒

（j）sep-IL-7 250 ℃灼燒

（k）sep-IL-7 300 ℃灼燒

（l）sep-IL-7 350 ℃灼燒圖7 樣品sep-IL-5—sep-IL-7在不同溫度下灼燒后對大腸桿菌的抑菌環(huán)分析結果

以大腸桿菌為目標菌株的抑菌性能測試結果如圖7所示。測試結果和使用芽孢桿菌的測試結果非常類似：sep-IL-5—sep-IL-7樣品在未經灼燒時均表現(xiàn)出良好的抑菌性能，各樣品在溫度為250 ℃條件下灼燒1 h后抑菌性能略有下降，而在溫度為300 ℃條件下灼燒1 h后各樣品仍殘留微弱的抑菌能力，在溫度為350 ℃條件下灼燒1 h后各樣品均喪失抑菌能力。之所以在溫度為300 ℃條件下灼燒后樣品抑菌圈相比芽孢桿菌的情況下更小，是因為該測試時使用的菌液濃度較高（每毫升細菌群落數(shù)為109）。從上述結果可知，樣品對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有抑制和殺滅能力。

3 結論

1）咪唑類離子液體的分子很容易自發(fā)進入海泡石沿c軸的孔道內部并發(fā)生鋪展，即使在IL質量分數(shù)為31%的高負載量下材料依然不顯示離子液體的X射線衍射峰，原因很可能在于其正電性的咪唑頭基和海泡石孔道內壁顯負電的硅酸表面發(fā)生強相互作用， 從而使咪唑分子獲得了更好的分散均勻性和熱穩(wěn)定性。

2）從耐熱性能的研究可知，負載于海泡石孔道內的離子液體在空氣中溫度為300 ℃條件下灼燒1 h后仍能保留一定的抗菌性能， 大大拓展了有機抗菌劑的耐熱溫度范圍， 有望應用在燒烤爐、 烤箱等電器的外層耐熱涂料中， 使其獲得持久的抗菌能力。 由目前的研究結果推測咪唑類離子液體和海泡石之間的強靜電作用很可能賦予材料一定的耐溶出性和緩釋效果， 這將在下一步的工作中進行研究。