液相沉淀法制備氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料及其抗菌性能

秦廣超， 張寧坤， 汪海晨， 樂 力， 李萬園， 鄭會(huì)會(huì)

(1. 合肥學(xué)院 能源材料與化工學(xué)院， 安徽 合肥 230601； 2. 安徽江東科技粉業(yè)有限公司， 安徽 宣城 242546)

氧化鋅(zinc oxide, ZnO)具有廣泛的抗菌性能，具有價(jià)格低廉、 綠色安全、 資源豐富、 穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，常被用于食品添加劑、化妝品、 抗菌劑等眾多領(lǐng)域[1-2]。由于ZnO表面的羥基容易在光的影響下與電子躍遷產(chǎn)生的電子空穴對反應(yīng)，形成羥基自由基、超氧離子和過氧羥基自由基，易使細(xì)胞產(chǎn)生氧化反應(yīng)應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞退化，削弱了生物抗菌領(lǐng)域的應(yīng)用。

為了提高ZnO的抗菌性能，提高生物兼容性是必不可少的。殼聚糖(chitosan, CS)作為自然界中含量豐富的天然多聚物，不僅具有生物可降解性、 生物相容性、 無毒性和重金屬離子吸附能力[3]， 而且對人體也有良好的抑菌、 抗癌、 降脂、 增強(qiáng)免疫能力等多種功能，同時(shí)外觀形貌可塑性強(qiáng)，應(yīng)用方便。CS通過簡易的物理、 化學(xué)等方法加工后即可制成粉末、 微珠、 纖維和薄膜[4]。

利用CS搭載ZnO進(jìn)行協(xié)同抗菌， 有利于提升材料在抗菌領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。 例如， 徐趙萌等[5]將殼聚糖作為外層膜包裹Ag+、 Zn2+等金屬離子， 使金屬離子發(fā)揮更好的抗菌效用， 并且膜表面疏水性也得到了改善。 方丹丹等[6]將丁香油和納米氧化鋅加入到殼聚糖中制備殼聚糖基納米氧化鋅， 提高了材料的抗菌性， 可應(yīng)用于鮮肉保鮮。 張晨宇等[7]將ZnO顆粒和乳酸鏈球菌素?fù)饺氲胶Ｔ逅徕c中， 再覆蓋至纖維素紙表面， 賦予其抗菌活性， 可用于奶酪包裝。 可見， ZnO的抗菌性能已廣泛運(yùn)用在各領(lǐng)域， 但是， 采用液相沉淀法制備氧化鋅-殼聚糖(zinc oxide-chitosan, ZnO-CS)復(fù)合材料， 有關(guān)其結(jié)構(gòu)和抗菌效果的內(nèi)在聯(lián)系的研究還尚未見報(bào)道。

綜上，本文中以硝酸鋅(zinc nitrate，Zn(NO3)2)為鋅源，以CS為基底，以氫氧化鈉(sodium hydroxide, NaOH)為沉淀劑， 采用液相沉淀法制備具有抗菌性能的ZnO-CS復(fù)合材料； 將ZnO-CS涂抹在新鮮熟白米上研究ZnO-CS的抗菌性能； 通過掃描電鏡、 X射線衍射分析、 熱重分析、 X射線光電子能譜、 傅里葉交換紅外光譜、 紫外可見近紅外分光光度計(jì)等技術(shù)探討ZnO-CS復(fù)合材料的形貌、 結(jié)構(gòu)組成以及ZnO在CS表面的吸附情況， 旨在為新型抗菌材料的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑材料

以Zn(NO3)2為鋅源，以CS為基底，以NaOH作為沉淀劑，在一定溫度條件下，使溶液中的Zn2+、 OH-和O2-反應(yīng)生成ZnO，采用液相沉淀法工藝制備新型抗菌復(fù)合材料ZnO-CS，所用試劑材料見表1。

表1 試劑材料

1.2 氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的制備

圖1為氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的制備過程示意圖。 由圖可以看出， 首先將濃度為0.3 mol/L的Zn(NO3)2溶液和10 g CS進(jìn)行混合得到初始懸濁液， 隨后以濃度為0.5 mol/L的NaOH溶液作為沉淀劑， 將初始懸濁液的pH調(diào)至中性(pH為7)， 將懸濁液置于集熱式磁力攪拌器中， 通過調(diào)節(jié)攪拌器使懸濁液在溫度為80 ℃的恒溫水浴鍋內(nèi)攪拌2 h， 再通過NaOH沉淀劑調(diào)節(jié)懸濁液pH至8～9后繼續(xù)攪拌1 h， 將懸濁液通過離心機(jī)獲取沉淀物后置于溫度為125 ℃的烘箱中烘干15 min， 最后得到的白色粉末為ZnO-CS復(fù)合材料。

圖1 氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的制備過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of preparation process of zinc oxide-chitosan composite materials

圖2為氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的制備過程中懸濁液的狀態(tài)變化。由圖2(a)可見，初始懸濁液呈混濁狀態(tài)，表明液體中Zn2+附著在CS表面上形成一層Zn2+-CS復(fù)合物。由圖2(b)可見，將懸濁液調(diào)制pH為7時(shí)生成大量白色沉淀物，懸濁液由混濁狀態(tài)逐漸透明化，表明液體中的Zn2+已經(jīng)逐漸生成Zn(OH)2前驅(qū)物[8]。由圖2(c)可見，懸濁液在80 ℃恒溫水浴鍋中攪拌2 h后，液體中白色沉淀增多，上層更加透明，表明液體中的Zn2+已大量生成Zn(OH)2前驅(qū)物，而且由于受熱反應(yīng)，少量的Zn(OH)2發(fā)生分解后生成ZnO沉淀物。由圖2(d)可見，通過沉淀劑NaOH調(diào)pH和恒溫加熱攪拌后，懸濁液上層呈現(xiàn)完全透明狀態(tài)，表明液體中已完全生成Zn(OH)2，且Zn(OH)2經(jīng)過3 h的受熱反應(yīng)，生成少量的ZnO白色沉淀。由圖2(e)可見，經(jīng)過125 ℃烘箱烘干水分后，復(fù)合材料中的Zn(OH)2受熱完全生成ZnO，得到最后白色粉末狀的ZnO-CS復(fù)合材料。

(a)初始懸濁液(b)開始攪拌(c)攪拌2 h(d)攪拌3 h(e)烘干后的ZnO-CS圖2 氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的制備過程中懸濁液的狀態(tài)變化Fig.2 State changes of suspension during preparation of zinc oxide-chitosan composite materials

1.3 測試儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用測試儀器與設(shè)備見表2。

表2 測試儀器與設(shè)備

1.4 氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的抗菌實(shí)驗(yàn)

首先稱取質(zhì)量為1 g已制備的ZnO-CS復(fù)合材料， 將其混合于5 mL的去離子水中， 制成ZnO-CS懸濁液； 取5 g當(dāng)天煮熟未經(jīng)冷藏、 除水等保鮮處理的熟白米，將ZnO-CS懸濁液均勻涂抹在熟白米表面，隨后裝入用酒精和紫外線消毒過的玻璃溶劑瓶中；稱取未涂抹ZnO-CS懸濁液的新鮮熟白米5 g作為對照組；于室溫下自然發(fā)酵，每2 d拍照記錄1次新鮮熟白米中的菌落變化情況。

2 結(jié)果及討論

2.1 氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的形貌分析

圖3為不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的SEM圖像。 由圖3(a)可見， 攪拌3 h后CS為不規(guī)則塊狀形態(tài)。 當(dāng)樣品在溫度為80 ℃的恒溫水浴時(shí)， 懸濁液飽和度較低， 懸濁液中Zn(OH)2沉淀在CS表面， 當(dāng)Zn(OH)2沉淀物受熱時(shí)發(fā)生脫水反應(yīng)生成ZnO。因?yàn)闃悠分衂n(OH)2沉淀物未完全受熱反應(yīng)生成ZnO，所生成的部分ZnO粒子周圍仍存在Zn(OH)2和游離的Zn2+，樣品中存在的ZnO粒子達(dá)到或超過晶核臨界尺寸時(shí)，在液體環(huán)境中就會(huì)以其為晶核長成的條形ZnO[9-10]。圖3(b)為在溫度為125 ℃的烘箱烘干后所得的固體沉淀物ZnO-CS復(fù)合材料，CS表面被ZnO覆蓋，這是由于在加熱烘干時(shí)，溶液中大量的Zn(OH)2受熱分解為ZnO，由于CS中的有機(jī)大分子與Zn(OH)2中的羥基組成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的作用，使生成ZnO的形貌呈現(xiàn)粒徑約為500 nm的片狀型顆粒[11]。

(a)攪拌3 h(b)烘干后圖3 不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的SEM圖像Fig.3 SEM images of zinc oxide-chitosan composite materials at different deposition times

圖4為烘干后氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的SEM-EDS元素分布圖。由圖可見，Zn、 O元素在復(fù)合材料中的分布基本重合，而且Zn、 O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯多于N、 C的，進(jìn)一步佐證了ZnO有效負(fù)載在CS表面。

(a)氧化鋅-殼聚糖秒掃選區(qū)圖(b)元素分布圖(c)O元素(d)N元素(e)C元素(f)Zn元素圖4 烘干后氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的SEM-EDS元素分布圖Fig.4 SEM-EDS element distribution of zinc oxide-chitosan composite materials after drying

2.2 氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)分析

圖5為不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的XRD圖譜。由圖可見，黑色衍射峰為Zn(NO3)2與CS懸濁液經(jīng)攪拌沉積3 h后所生成的Zn2+-CS衍射峰，紅色衍射峰為烘干后的ZnO-CS衍射峰；Zn2+-CS圖譜在2θ為21.2 °、 44.7 °時(shí)的衍射峰分別對應(yīng)Zn晶體的(006)、 (101)晶面； ZnO-CS圖譜在2θ為34.4 °、 47.5 °、 56.6 °時(shí)的衍射峰， 分別對應(yīng)ZnO晶體的(002)、 (102)、 (110)晶面， 表明通過調(diào)節(jié)pH和充分受熱反應(yīng)后， 溶液中的Zn2+、 OH-、 O2-已反應(yīng)生成ZnO[12-14]； 另外， 在2θ為12 °～36 °時(shí)存在1個(gè)寬峰， 這是復(fù)合物中CS的衍射峰， Zn2+-CS到ZnO-CS的CS峰形的改變是由于在實(shí)驗(yàn)過程中加入的NaOH溶液， 使CS分子中的—NH—CO—、 —NH2、 —OH等活性基團(tuán)與溶液中的Zn2+、 Zn(OH)2和OH-發(fā)生配位的同時(shí)也產(chǎn)生了相分離， 改變了CS的晶體結(jié)構(gòu)， 從而使CS復(fù)合物的峰形發(fā)生改變[15]； 在CS衍射峰上存在多個(gè)尖銳的衍射峰， 這是由于產(chǎn)物中含有未分解的Zn(OH)2， 因?yàn)閆n(OH)2無定型， 在衍射峰標(biāo)準(zhǔn)卡片中無法確定具體的Zn(OH)2晶面。

圖5 不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.5 XRD spectra of zinc oxide-chitosan composite materials at different deposition times

圖6為不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的TG圖譜。 由圖可以看出， ZnO-CS的熱失質(zhì)量分為3個(gè)階段， 當(dāng)在Ⅰ區(qū)域溫度為0～100 ℃時(shí)， 由樣品中表面吸附水和孔隙吸附水蒸發(fā)所致， 熱失質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.87%； 當(dāng)在Ⅱ區(qū)域溫度為100～231.6 ℃時(shí)， Zn(OH)2開始受熱分解， 熱失質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2.50%； 當(dāng)在Ⅲ區(qū)域溫度為231.6～800 ℃時(shí)， ZnO-CS中CS大量分解， 熱失質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)58.43%。 在溫度低于318.2 ℃時(shí)， ZnO-CS的失質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于Zn2+-CS的原因在于ZnO-CS經(jīng)干燥處理后所含水分已被大量蒸發(fā)，Zn(OH)2更少一些； 在溫度高于318.2 ℃時(shí)， ZnO-CS樣品失質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于Zn2+-CS樣品的原因在于Zn2+-CS樣品中新生成的ZnO均勻包裹CS， 減少了CS中有機(jī)雜質(zhì)的氧化和分解[16-17]。

圖6 不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的TG圖譜Fig.6 TG spectra of zinc oxide-chitosan composite materials at different deposition times

圖7為不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的XPS圖譜。由圖7(a)所示，結(jié)合能為1 045.1、 1 022.1 eV的2個(gè)峰分別是由Zn2+的Zn 2p3/2和Zn 2p1/2躍遷引起的，說明當(dāng)CS與Zn(NO3)2溶液混合時(shí)，懸濁液中Zn2+已被吸附到CS氨基中[17]。由圖7(b)、 (c)可見，烘干后的ZnO-CS中Zn 2p和O 1s元素含量明顯減少，在結(jié)合能為1 045.1、 533.63 eV處的強(qiáng)峰對應(yīng)于ZnO中與Zn原子復(fù)位的Zn、 O原子，表明溶液中已生成ZnO化合物。

(a)全部元素(b)Zn 2p(c)O 1s圖7 不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的XPS圖譜Fig.7 XPS spectra of zinc oxide-chitosan composite materials at different deposition times

圖8為不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的FTIR圖譜。 由圖可以看出， ZnO-CS的吸收峰明顯強(qiáng)于Zn2+-CS的； 因?yàn)榧尤肓薔aOH沉淀劑，CS的有機(jī)大分子與Zn(OH)2和NaOH發(fā)生反應(yīng)， 引起了—OH在波數(shù)為3 440、 1 640 cm-1處的伸縮振動(dòng)； CS上的原子和Zn2+發(fā)生配位引起的—NH重疊峰在波數(shù)為3 448、 1 540 cm-1處向低波數(shù)偏移； CS分子中的—CN與ZnO間發(fā)生了靜電作用導(dǎo)致波數(shù)在1 380 cm-1處伸縮振動(dòng)[18-19]； Zn2+與—OH配位引起—C3OH和—C6OH在波數(shù)為1 150、 1 099 cm-1處向高波數(shù)移動(dòng)； CS上C—C—O特征吸收峰在波數(shù)為1 028 cm-1處拉伸振動(dòng)， 表明CS分子與納米ZnO之間有較強(qiáng)的氫鍵作用； CS分子中的—CH2—在波數(shù)為940 cm-1處特征吸收鋒位置發(fā)生變化。

圖8 不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的FTIR圖譜Fig.8 FTIR spectra of zinc oxide-chitosan composite materials at different deposition times

由于CS是含O的環(huán)狀聚合物以及ZnO晶體具有良好的紫外光致發(fā)光性能，因此可以通過紫外可見近紅外分光光度計(jì)測試ZnO-CS復(fù)合材料的紫外吸收強(qiáng)度，檢測出ZnO在CS表面的覆蓋率[20]。圖9為烘干后氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的紫外吸收譜圖。由圖可見，在近紫外區(qū)中波長為270、 410 nm處有明顯的吸收峰，表明CS對金屬離子的吸收出現(xiàn)明顯變化，進(jìn)一步證實(shí)了ZnO晶體已覆蓋在CS表面。

圖9 烘干后氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的紫外吸收譜圖Fig.9 Ultraviolet absorption spectrum of zinc oxide-chitosan composite materials after drying

2.3 氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料形成機(jī)理

圖10 不同沉積時(shí)間時(shí)氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的反應(yīng)機(jī)理圖Fig.10 Reaction mechanism diagram of zinc oxide-chitosan composite materials at different deposition time

2.4 抗菌性能

稱取質(zhì)量為1 g的ZnO-CS復(fù)合材料， 將其混合于5 mL的去離子水中制成ZnO-CS懸濁液， 并均勻涂抹在質(zhì)量為5 g的新鮮熟大米的表面， 制成測試樣本； 另取質(zhì)量為5 g新鮮熟大米作為對照組。 圖11為氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的抗菌性測試。 由圖可以看出， 在時(shí)間為2 d時(shí)測試樣本和對照組尚無明顯區(qū)別， 在時(shí)間為4 d時(shí)熟白米已產(chǎn)生大量淺黃色的黃曲霉毒素和黃綠色的黃綠青霉素， 在時(shí)間為6 d時(shí)熟白米已生長大量的灰白色菌絲， 在時(shí)間為8、 10 d時(shí)熟大米表面霉菌菌落急劇增多， 在時(shí)間為12 d時(shí)熟白米已完全被菌落包覆； 在時(shí)間為6 d之前， 測試樣本均未發(fā)現(xiàn)霉菌生成， 在時(shí)間為8 d時(shí)開始出現(xiàn)微小霉菌菌落， 在時(shí)間為12 d時(shí)測試樣本只在2處發(fā)現(xiàn)微小的菌落存在， 表明ZnO-CS有很強(qiáng)的抗菌活性， 其抗菌機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

(a)2 d(b)4 d(c)6 d(d)8 d(e)10 d(f)12 d圖11 氧化鋅-殼聚糖復(fù)合材料的抗菌性測試Fig.11 Test for antibacterial activity of zinc oxide-chitosan composite materials

3 結(jié)論

以Zn(NO3)2為鋅源，以CS為基底， 以NaOH為沉淀劑， 采用液相沉積法制備具有抗菌性能的ZnO-CS復(fù)合材料； 采用SEM、 SEM-EDS、 XRD、 TG-DTA、 XPS、 FTIR和UV-Vis探討ZnO-CS的形貌、 結(jié)構(gòu)組成以及ZnO在CS表面的吸附情況； 將ZnO-CS懸濁液涂抹在新鮮熟白米上， 進(jìn)行ZnO-CS復(fù)合材料的抗菌性能測試。

1)Zn2+-CS表面首先生長了一層棒狀ZnO粒子膜，然后通過受熱反應(yīng)CS表面的氨基與Zn2+、 ZnO形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使棒狀ZnO進(jìn)一步生長形成片狀ZnO；再由CS表面的氨基所形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)吸附ZnO，得到ZnO-CS復(fù)合材料。

2)在6 d的時(shí)間內(nèi)，用ZnO-CS懸濁液處理后的新鮮熟白米沒有生成菌落，在時(shí)間為8 d時(shí)有微小菌落生成，在時(shí)間為10、 12 d時(shí)菌落無明顯擴(kuò)散，表明ZnO-CS具有良好的抗菌作用。