银掺杂介孔氧化铝抗菌剂的一步合成与表征

陈华军, 席晓晶, 丁梧秀

(洛阳理工学院环境工程与化学学院, 洛阳 471023)



银掺杂介孔氧化铝抗菌剂的一步合成与表征

陈华军, 席晓晶, 丁梧秀

(洛阳理工学院环境工程与化学学院, 洛阳 471023)

摘要以Al(NO3)3·9H2O和AgNO3为原料, 采用水热法制备了介孔氧化铝纳米粒子(Mesoporous Al2O3NPs)和银掺杂介孔氧化铝纳米粒子(Mesoporous Ag/Al2O3NPs), 通过X射线衍射(XRD)、 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、 X射线荧光光谱(XRF)、 能量分散X射线衍射(EDX)和低温N2吸附-脱附等手段对产物进行了表征, 通过最低抑菌浓度和抑菌圈实验研究了材料的抗菌性能. XRD分析表明在介孔Ag/Al2O3NPs中Al2O3是唯一结晶相, Ag掺杂后, 介孔Ag/Al2O3NPs晶格常数和半高峰宽增大, 晶面间距[(111), (400)和(440)面]减小. FE-SEM形貌分析表明掺杂后的介孔Ag/Al2O3NPs颗粒直径减小而孔径增大. EDX和XRF分析表明介孔Ag/Al2O3NPs中O/Al摩尔比为1.5, 与Al2O3NPs中O/Al摩尔比相同. 综合XRD和XRF分析结果认为, Ag进入介孔Al2O3晶格间隙形成间隙固溶体. 低温N2吸附-脱附分析表明掺杂后的介孔Ag/Al2O3NPs比表面积、 孔体积和孔径增大. 曝气抗菌实验结果表明介孔Ag/Al2O3NPs的抗菌机理是活性氧和金属银的协同作用. 介孔Ag/Al2O3NPs对革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)具有明显的抗菌效果, 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度(MIC)均为80 μg/mL, 抑菌圈直径分别为26 mm和24 mm.

关键词银掺杂; 介孔氧化铝; 革兰氏菌; 抗菌性能

在过去的几十年中, 由温室效应导致的全球气候变暖正在越来越明显地影响着我们的生活. 气温升高有利于细菌的滋生, 各种细菌导致的疾病严重威胁着人类的健康, 如前几年爆发的非典型性肺炎和禽流感. 在这种情况下, 抗菌材料的研究越来越受到人们的重视, 并已成为材料领域研究的热点之一. 具有抗菌功能的材料主要有沸石[1,2]、 蒙脱石[3,4]、 磷酸盐[5,6]、 硅酸盐[7,8]、 氧化锌[9,10]、 氧化镍[11,12]、 二氧化钛[13,14]、 四氧化三铁[15,16]、 石墨烯[17,18]、 碳纳米管[19,20]、 活性炭纤维[21,22]、 银纳米粒子[23～25]及各种高分子材料等[26～28], 已被广泛应用于医疗[29]、 皮革[30]、 纺织[31]、 造纸[32]、 涂料[33]及金属加工业[34]等领域. 但是, 上述抗菌材料加入到陶瓷釉料中制备抗菌陶瓷时, 会影响釉料的性质, 导致陶瓷光洁度变差, 甚至产生裂纹釉. Al2O3是陶瓷釉料的主要成分, 以介孔Al2O3为抗菌材料载体不会改变釉料的性质, 而且介孔Al2O3的高比表面积有利于抗菌粒子的释放, 提高材料的抗菌性能. Kurtycz等[35]以三乙基铝、 三异丙醇铝和苯甲酸银为原料制备了Ag2O和Al2O3的混合物, 并将此混合物加入到聚乳酸(PLA)中制备了PLA-Al2O3/Ag纤维丝. Yahyaei等[36]以三嵌段聚合物F127(Pluronic F127)为造孔剂, 硝酸银和异丙醇铝为原料, 制备了Ag纳米粒子和有序介孔氧化铝(OMA)的混合物, 并考察了该混合物对阴离子染料的吸附性能和对革兰氏阳性菌和阴性菌的抗菌效果.

本研究采用PEG600为模板, Al(NO3)3·9H2O和AgNO3为原料, CO(NH2)2为沉淀剂, 在水热条件下一步合成了银掺杂介孔氧化铝纳米粒子(Mesoporous Ag/Al2O3NPs), 采用X射线衍射(XRD)、 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、 X射线荧光光谱(XRF)、 能量分散X射线衍射(EDX)和N2吸附-脱附测试等手段对材料进行表征, 并通过最低抑菌浓度和抑菌圈实验评价了介孔Ag/Al2O3NPs的抗菌性能.

1实验部分

1.1试剂与仪器

无水乙醇, Al(NO3)3·9H2O, AgNO3和尿素[CO(NH2)2](A.R.级, 西安试剂厂); 聚乙二醇PEG600(A.R.级, 天津可帮化工). 实验用水为去离子水(电导率<0.5 μS/cm).

Zeiss Sigma HD型热场发射扫描电子显微镜(FE-SEM, 德国蔡司公司); B8-Focus型X射线衍射仪(德国布鲁克公司), 工作电压40 kV, 工作电流30 mA, 辐射源为CuKα,λ=0.15418 nm, 扫描范围为10°～70°, 扫描速度为2°/min(2θ), 步宽为0.005°; NOVA 2200e型全自动比表面和孔径分析仪(美国康塔公司).

1.2介孔Ag/Al2O3NPs的制备

将10 g PEG600, 0.5 g AgNO3, 8 g Al(NO3)3·9H2O和20 g CO(NH2)2依次溶于50 mL去离子水中, 磁力搅拌30 min后转移至100 mL水热反应釜中, 于120 ℃水热处理24 h, 冷却后抽滤, 再依次用去离子水和乙醇洗涤, 于90 ℃烘干24 h后于900 ℃煅烧2 h, 即得介孔Ag/Al2O3NPs. 按照上述步骤, 不加AgNO3制备介孔Al2O3NPs.

1.3曝气对杀菌效果的影响

将0.05 g介孔Ag/Al2O3NPs加入到450 mL无菌水中, 超声分散20 min后加入50 mL(5.36×108cfu/mL)细菌悬液, 控制曝气速度为0.8 mL/min, 采用不同气体进行曝气, 间隔3 min取样1.00 mL, 加入到4 mL生理盐水中, 分析并计算残余细菌浓度.

1.4最低抑菌浓度(MIC)的测定

将一定量的介孔Ag/Al2O3NPs加入到25 mL LB琼脂培养基中, 灭菌, 冷却后加入25 μL浓度为5×107cfu/mL的原始菌液, 混合均匀后再倒入无菌培养皿中. 将培养皿置于37 ℃培养24 h, 通过计数确定残余细菌的数目来计算抑菌率, 菌落生长被完全抑制的最低介孔Ag/Al2O3NPs浓度即为最低抑菌浓度(MIC)[37].

1.5抑菌圈实验

将1.00 g 介孔Ag/Al2O3NPs制成直径为10 mm的圆片. 将25 mL LB琼脂培养基灭菌、 冷却后倒入无菌培养皿中制成平板, 用无菌棉拭子蘸取浓度为 5×107cfu/mL的原始菌悬液, 在平板表面均匀涂抹3次. 每涂抹1次, 培养皿转动 60°, 最后将棉拭子绕平板边缘涂抹一周. 将培养皿于室温下干燥5 min. 用无菌镊子取介孔Ag/Al2O3NPs圆片贴放于平板表面. 将培养皿置于37 ℃培养24 h, 用游标卡尺测量抑菌环的直径[33].

2结果与讨论

2.1样品的表征

介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的XRD谱图如图1所示, 二者衍射峰相似, 各衍射峰位置和强度与η-Al2O3的粉末衍射标准卡片(ICDD PDF#04-0875)对应较好, XRD分析未检测到其它结晶相. 介孔Ag/Al2O3(111), (400), (440)晶面的衍射角大于介孔Al2O3, 因而晶面间距(d值)小于介孔Al2O3. 晶面间距越小, 晶面上的阵点排列就越稀疏. 此外, 介孔Ag/Al2O3(111), (400), (440)晶面衍射的半高峰宽(FWHM)大于介孔Al2O3. 介孔Al2O3和介孔Ag/Al2O3(111), (400)和(440)晶面的FWHM,d值和峰位见表1.

由表1可见, Ag掺杂后介孔Ag/Al2O3NPs晶格常数变大, 再结合FWHM、d值和峰位的变化, 说明水热条件下Ag+或Ag进入介孔Al2O3NPs晶格形成缺陷或间隙固溶体, 从而导致Ag/Al2O3NPs的晶格畸变.

图2(A)和(B)分别是介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的FESEM照片. 可见, 二者均为短棒状, 表面均存在介孔结构. 但介孔Ag/Al2O3NPs短棒的直径较小而孔径较大, 介孔结构更加明显, 从图2(C)可以更加清楚地观察到介孔Ag/Al2O3NPs表面的介孔结构. FESEM分析表明银掺杂对介孔Al2O3NPs的形貌和介孔结构均有较大影响. 介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的低角度X射线衍射分析结果(图3)表明, 所合成的介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs均具有较窄的孔径分布, 且介孔长程有序.

介孔Ag/Al2O3NPs的能谱分析和XRF分析结果分别如图4和表2所示. XRF分析结果表明介孔Ag/Al2O3NPs中O/Al摩尔比为1.5, 与Al2O3NPs中O/Al摩尔比相同, 而O/(Al+Ag)摩尔比为1.32, 小于1.5, 结合XRD分析结果, 说明在水热条件下单质Ag进入介孔Al2O3晶体间隙位置, 形成间隙型固溶体. 因氧化银加热易分解, 300 ℃时分解完全, 而介孔Ag/Al2O3R 热处理温度是900 ℃, 所以Ag是原子态而不是离子态.

图5(A)和(B)是介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的低温N2吸附-脱附曲线和孔径分布曲线. 由图5可见, 二者的N2吸附-脱附曲线均为Langmuir Ⅳ型, 并形成了H2型迟滞环, 属于典型的中孔结构. 等温线在相对压力0.2～1.0之间缓慢上升, 说明二者均具有较广的介孔孔道, 且分布较窄. 采用BET方法计算比表面积SBET, 采用BJH方法计算孔体积(Vt)和孔径(Dp)分布, 结果表明介孔Ag/Al2O3NPs的比表面积、 孔体积和孔径均大于介孔Al2O3NPs(表3), 说明掺杂Ag对介孔Al2O3NPs的介孔结构和形貌有较大影响.

2.2曝气对介孔Ag/Al2O3抗菌效果的影响

图6显示了曝气对介孔Ag/Al2O3NPs抗菌效果有显著的影响. 可见, 氧气含量越高, 介孔Ag/Al2O3NPs的抗菌效果越显著, 在O2曝气条件下抗菌效果优于空气曝气, 而在N2曝气条件下仅可部分杀灭细菌; 介孔Al2O3NPs即使在O2曝气条件下也没有明显的杀菌效果. 文献[38]表明:Al2O3NPs负载的金属银可以促进分子氧转化为活性氧, 在介孔Ag/Al2O3NPs抗菌过程中, 活性氧起着重要的杀菌作用, 活性氧和介孔Ag/Al2O3NPs表面释放出高度分散的金属银协同杀灭细菌.

2.3抗菌性能

采用最低抑菌浓度评价介孔Al2O3NPs和介孔Ag/Al2O3NPs的抗菌性能, 结果见表4. 介孔Al2O3NPs无抗菌效果; 介孔Ag/Al2O3NPs对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性菌(大肠杆菌)具有较好的杀菌效果, 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌落数随介孔Ag/Al2O3用量的增加而降低, 当介孔Ag/Al2O3NPs用量为80μg/mL时, 杀菌率>99.9%, 故介孔Ag/Al2O3NPs对2种细菌的最低抑菌浓度值(MIC)均为80μg/mL.JapanAG300和JapanAGZ330对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC值分别为125和250μg/mL, 可见, 介孔Ag/Al2O3的抗菌效果优于同类产品.

另外, 抑菌圈实验结果表明介孔Ag/Al2O3NPs对阳性细菌(金黄色葡萄球菌)和阴性细菌(大肠杆菌)均具有抗菌效果, 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌圈直径分别为26和24mm.

3结论

采用水热法制备了介孔Al2O3和介孔Ag/Al2O3NPs. 实验结果表明, 掺杂后的介孔Ag/Al2ONPs的晶格常数和半高峰宽增大, 晶面间距减小. 单质Ag进入介孔Al2O3晶格间隙形成间隙型固溶体.Ag掺杂介孔Al2O3后, 介孔Ag/Al2O3颗粒直径减小而孔径增大, 比表面积、 孔体积和孔径均大于介孔Al2O3. 介孔Ag/Al2O3NPs抗菌机理是活性氧和金属银的协同作用, 对革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)具有明显的抗菌效果, 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度(MIC)均为80μg/mL, 抑菌圈直径分别为26mm和24mm.

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(Ed.:F,K,M)

†SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No. 51279073)andtheScienceandTechnologyProjectofInstitueofScienceandTechnologyDepartmentofHenanProvince,China(No.132102310367).

One-potSynthesisandAntimicrobialPerformanceofMetallicSilver-dopedMesoporousAl2O3Nanoparticles†

CHENHuajun*,XIXiaojing,DINGWuxiu

(Department of Environmental Engineering and Chemistry,Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

KeywordsSilverdoping;MesoporousAl2O3;Gram;Antimicrobialefficiency

AbstractMetallicsliver-dopedmesoporousAl2O3nanoparticles(mesoporousAg/Al2O3NPs)weresynthesizedviahydrothermalmethodusingAgNO3andAl(NO3)3·9H2Oasprecursors.PowderX-raydiffraction(XRD),field-emissionscanningelectronmicroscopy(FE-SEM),X-rayfluorescence(XRF),energydispersivespectrometry(EDS)andN2adsorption-desorptiontechniqueswereusedtocharacterizemesoporousAg/Al2O3NPs,andthetestsofminimuminhibitoryconcentration(MIC)andinhibitionzonewerecarriedouttoevaluateantimicrobialefficiencyofmesoporousAg/Al2O3NPs.XRDanalysisidentifiedAl2O3asanuniquecrystallinephaseinmesoporousAg/Al2O3NPs,andthelatticeparametersmodifiedsignificantlyafterdopingwithsilver,inthemeantime,theFWHMofmesoporousAg/Al2O3NPsincreasedwhilethe(111), (400)and(440)interplanarspacingdecreased.TheFE-SEMimagesofmesoporousAl2O3NPsandmesoporousAg/Al2O3NPsillustratethediameterofmesoporousAg/Al2O3NPsdecreasedwhiletheporediameterincreasedafterdopingwithsilver.TheXRFandEDXspectraofmesoporousAg/Al2O3NPsconfirmedthattheatomicratioofO/Alwas1.5.InsightfulanalysesofXRDandXRFspectraofmesoporousAg/Al2O3NPsshowedthatmetallicsilveroccupiedinterstitialpositionsofAl2O3latticeandinterstitialsolidsolutionwasachieved.N2adsorption-desorptionanalysisillustratesthespecificsurfacearea,porevolumeandaverageporediameterofmesoporousAg/Al2O3NPsincreasedsignificantlyafterdopingwithsilver.TheMICofmesoporousAg/Al2O3NPswaslessthan80μg/mLagainstEscherichia coliandStaphylococcus aureus.ThediameterofinhibitionzoneformesoporousAg/Al2O3NPswas26mmagainstEscherichia coliand24mmagainstStaphylococcus aureus.

收稿日期:2016-02-25. 网络出版日期: 2016-05-26.

基金项目：国家自然科学基金(批准号: 51279073)和河南省科技厅科技攻关计划项目(批准号: 132102310367)资助.

中图分类号O614

文献标志码A

联系人简介: 陈华军, 男, 副教授, 主要从事无机功能材料的合成与应用研究. E-mail: chj790118@163.com