纳米银粒子的纸内合成及其抗菌活性研究∗

王 丽 侯欣宇 李 爽 金海兰

纸及其纸制品与人们的生活工作息息相关，不论是生活用纸还是工业用纸，在很多场合都要求其能抵御细菌。因此，抑菌纸的研究与开发越来越受到人们的普遍关注。抑菌纸是将极少量的抗菌剂以喷洒、施胶、涂布、浸渍、改性纤维等方法添加至普通纸中，制成的具有抑菌功能的纸[1]，其应用广泛，如可用作食品包装纸、保鲜袋纸、防霉电缆纸、饮料专用抗菌过滤纸、专用防传染疾病擦拭纸、防菌办公专用纸、防霉档案专用纸、防霉书画纸、圣经纸、藏经专用纸等[2-3]。近年来对抑菌纸的研究与开发已经成为功能纸领域的热点之一[4-10]。目前，抑菌剂在纸张中的添加方式主要分为湿部添加法、表面加工法和纤维抄造法3种[11]。

银（Ag）作为广谱杀菌剂，在医学领域有着重要应用前景[12]。银的抑菌机理与化学合成制备的抑菌剂的抑菌机理不同，其抑菌机理是Ag+对细菌蛋白质有变性作用，因此银具有广谱杀菌功能，并且很少产生耐药性[10]，对大多数革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌、许多需氧菌和厌氧菌以及一些抗生素耐药菌株均有抵抗作用[13]，而且对人类毒性较低[14-16]。

纳米银粒子的合成方法分为两大类，一是通过机械粉碎、物理气相沉积方法将大颗粒粉碎；二是化学还原法，纳米银的原位负载生成过程就是用各种还原剂和稳定剂将银还原得到纳米银的过程。硼氢化钠、柠檬酸钠、酒石酸钾、葡萄糖和各种胺类化合物等已经用于银的还原反应, 其中，硼氢化钠是一种比较常用的强氧化剂，作为还原剂被成功地应用于制备金、银、铂纳米颗粒。硼氢化钠与金属盐反应时所需浓度很低，无需苛刻的反应条件。

目前，有关采用硼氢化钠成功还原Ag+为纳米银粒子已有报道，而将纸张浸渍在硝酸银与硼氢化钠溶液中制成抑菌纸尚存在性能不稳定的问题。因此，该研究以纤维为载体，采取原位负载纳米银粒子后，再将其抄制成纸张，然后对所得抑菌纸的抑菌性能进行检测与评价。

1 试验

1.1 材料与试剂

纸浆：采用加拿大漂白硫酸盐针叶木浆板，牡丹江恒丰纸业股份有限公司；硝酸银，分析纯，天津市天感化工技术开发有限公司；硼氢化钠，分析纯，天津市富起化工有限公司；无水乙醇，分析纯，成都市宜邦科析仪器有限公司；去离子水，莱特莱德哈尔滨去离子水设备有限公司；营养琼脂（BR生化试剂）、大肠杆菌（ATCC25922-3)、金黄色葡萄球菌（ATCC25923-3），青岛高科园海博生物技术有限公司；定性滤纸，杭州特种纸业有限公司。

1.2 纸浆的制备

称取400 g加拿大漂白硫酸盐针叶木浆板，把浆板撕成25 mm×25 mm的小片，加入10 L水浸泡12 h，将浆料倒入打浆机中，补加14 L水，使之达到1.6%的浆浓，然后开始充分地疏解浆料，30 min后开始打浆，打浆期间每隔10 min测定一次打浆度，最终分别制得打浆度为32、41、52°SR的纸浆，对不同打浆度的纸浆分别进行脱水平衡备用。

1.3 原位负载银粒子的复合纤维制备

室温下，在不同的玻璃容器中配制浓度为0.1 mol/L的硝酸银溶液及浓度分别为0.2 、0.4 、0.8 mol/L的硼氢化钠溶液，使AgNO3∶NaBH4的摩尔比分别为1∶2、1∶4、1∶8。取2 g绝干浆料置于烧杯中，再加入100 mL硝酸银溶液，并用搅拌器搅拌使纤维分散，随后用抽滤漏斗抽滤，用无水乙醇冲洗三遍，取出置于放有100 mL硼氢化钠溶液的烧杯中浸渍10 min，再将其用抽滤漏斗抽滤，取出置于去离子水中，即为原位负载银粒子的复合纤维悬浊液。

1.4 原位负载纳米银粒子抑菌纸的制备

在纸页形成器上将按1.3章节所述方法制得的复合纤维抄造成纸张，用干净的滤纸覆盖于两面，然后将湿纸幅在0.4 MPa下进行5 min的压榨处理，最后在室温下干燥5 h。

1.5 抑菌性能的测定

称取营养琼脂6.25 g，将其加入500 mL去离子水中，加热使其融化，分装于2个250 mL的锥形瓶中，在灭菌锅中灭菌40 min，制得营养琼脂培养基。配制质量分数为0.9%的生理盐水备用。

在无菌操作台上，用接种环在已灭菌的营养琼脂固体斜面培养基上分别接种大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，放入37 ℃培养箱中培养24 h，观察并确定没有染菌后将其放在0 ℃的冰箱中，使其休眠、备用。将斜面上的菌体溶于装有无菌水的三角瓶中，振荡混匀后备用。取直径为9 mm的培养皿，将其洗净后烘干，用报纸包好后，在160 ℃的烘箱中灭菌40 min。用打孔器在待测纸样和空白纸样上打出直径为10 mm的圆形纸片，放在培养皿中在紫外光照射下灭菌20 min。取制备好的菌原液，按10倍稀释法进行稀释，制成含量约为10-3m3/L的菌悬液备用。

在已灭菌的培养皿中，倒入约20 mL左右的培养基，培养基凝固后，移取1 mL制好的菌悬液在培养基上，用玻璃棒涂抹均匀，然后把事先准备好的圆形纸片放在营养琼脂固体培养基的平板上，将培养皿倒置，放入37 ℃的恒温培养箱中培养，24 h后观察拍照。根据抑菌圈的大小判断其抑菌性能，抑菌圈直径越大，其抑菌性能越强。

1.6 表征与分析

扫描电子显微镜（SEM）分析:采用日本电子公司的JSM-7500F型扫描电子显微镜检测试样的结构，试样在观察和分析前进行喷金处理；热重分析(TGA)：采用德国耐弛公司生产的TG209F1型高精度热重分析仪以检测试样的热稳定性，所有样品均以5 ℃/min、流量为50 mL/min氩气氛下在30～600 ℃范围测定；X射线衍射（XRD）分析：采用日本理学株式会社生产的D/max-2200VPC型X射线衍射仪以测定样品的晶型，试样置于玻璃片，以扫描步距为0.02°、电流电压为40 kV和30 mA、扫描速率5 °/min，在20°～90°范围对其进行测试；透射扫描电镜（TEM)采用的是日本电子公司型透射电子显微镜，用以检测分析试样的粒径及粒子分布，将试样分散于水中，稀释至浓度为1%，取一滴于铜网上，静置10 min后进行测定。

2 结果与讨论

2.1 纸张颜色的比较

由浓度比为1∶0的硝酸银与硼氢化钠溶液处理过的不同打浆度的纸浆所抄制成的纸张均为白色，此时纸张中银的存在状态为银离子。而以1∶2、1∶4、1∶8浓度比处理过的不同打浆度的纸浆所抄纸张均为棕黄色，这表明在纸张内纳米银粒子的形成。

2.2 抑菌性能检测

以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别代表革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌探讨原位负载纳米银粒子抑菌纸的抑菌效应。根据在营养琼脂培养基表面形成抑菌圈直径的大小对复合纤维纸的抑菌性能进行评价。

检测表明：采用不同硝酸银与硼氢化钠的反应浓度比及不同打浆度的纸样都有一定的抑菌作用，其中以打浆度为41°SR的纸浆制成的抑菌纸张抑菌性能为最好。图1为打浆度41°SR纸浆的抑菌纸张对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌检测结果。

各纸样的周围能够清晰地观察到抑菌圈的存在，这说明在培养基上复合纤维纸对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有显著的抑菌生长作用。抑菌圈的直径越大，其抑菌性能越强。各反应浓度比下制得的纸样中，硝酸银∶硼氢化钠浓度比为1∶0时为银离子的抑菌性能；反映纳米银粒子的抑菌性能中，硝酸银∶硼氢化钠浓度比为1∶4时，抑菌圈的直径更大，因此认为该浓度对大肠杆菌金黄色葡萄球菌的抑菌效果更好。

图1 抑菌性检测图Fig.1 Photographs of antibacterial activity tests

2.3 SEM的分析

根据2.2章节中的所得结果选取硝酸银与硼氢化钠浓度比为1∶0、1∶4，不同打浆度的纸样作SEM观察分析。从图2的SEM照片中可见，纸张内部纤维纵横交错，纤维间的空隙形成毛细孔道效应，有利于硝酸银溶液和硼氢化钠溶液的进入。随着打浆度的增加，纤维润张和细纤维化增加，纤维的比表面积增大，游离出更多的羟基，可促进纤维间的氢键结合，使纤维间的结合力不断上升[17]。图中还可看到纤维的表面粗糙度增加，有褶皱和微孔结构，这种纤维结构极大地提高了纤维的比表面积，有利于纳米银粒子的负载，同时表面的褶皱及微孔结构对形成的纳米银粒子有一定的限域作用，可有效地防止纳米银粒子的团聚。

图2 纸样的SEM照片Fig.2 SEM images of paper samples

2.4 XRD分析

图3为打浆度41°SR、硝酸银∶硼氢化钠反应浓度为1∶0和1∶4的纸样的XRD谱图，在两种样品XRD谱图中均存在14.82°、16.12°、22.34°、34.32°谱峰，分别对应纤维素纤维4个晶面101、10Ī、002、040的晶体衍射[18]。硝酸银∶硼氢化钠反应浓度为1∶4时，纳米银复合纤维在38.3°和46.68°位置出现两高峰，分别与纳米银的面心立方结构（111）和（200）对应，表明纸样中存在纳米银粒子。而硝酸银[19]∶硼氢化钠反应浓度比为1∶0的纸样并未检测到与纳米银的面心立方结构对应的峰值。

图3 纸样的XRD照片Fig.3 X-ray diffraction (XRD) images of paper samples

2.5 TGA分析

采用TGA检测硝酸银与硼氢化钠浓度比为1∶0、1∶4的不同打浆度纸样的热稳定性，结果如图4所示。所有样品在100 ℃时有初始的重量损失，这是因为吸附在纤维表面的水分蒸发[20]。在300～365 ℃时，重量损失显著，打浆度相同时，硝酸银与硼氢化钠的浓度比为1∶4的纸样与硝酸银与硼氢化钠的浓度比为1∶0的纸样相比有更多的残留量。当温度在365～545 ℃时硝酸银与硼氢化钠的浓度比为1∶4时，打浆度为41°SR的纳米银复合纤维的残留量为20.86%，高于相同反应浓度下不同打浆度所抄制的纸样，也高于硝酸银与硼氢化钠的浓度比为1∶0时，打浆度为41°SR的纳米银复合纤维的残留量，说明金属银已沉积在纤维素纤维上，因此获得更多的残留量。

图4 纸样的TGA谱图Fig.4 Thermogravimetric analysis（TGA)curves of paper samples

2.6 TEM分析

通过透射电子显微镜得到纸样的纳米银粒子的TEM照片，见图5。从图中可观察到几十纳米左右的银粒子，其中图c3中纳米银粒子的粒径较均匀，粒径在10 nm以下。各种打浆度的纸样中，41°SR的纸浆在硝酸银与硼氢化钠的反应浓度为1∶4时，纳米银粒子的含量最多，且粒径分布更均匀。图片中还可以观察到较大粒径的银粒子，这些颗粒是TEM制样过程中产生的团聚物，来源于滴于铜网上的悬浮溶液，在干燥过程中其中的纳米银粒子产生的一些团聚。

图5 纸样的TEM照片Fig.5 Transmission Electron Microscope（TEM) of paper samples

3 结论

1）通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）和透射电子显微镜（TEM）检测分析表明，采用原位负载法成功在纸内合成了纳米银粒子。

2）以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为抑菌测试菌种进行试验，结果表明，以硝酸银∶硼氢化钠浓度比为1∶4制备的抑菌纸抑菌效果最好，并且打浆度为41°SR时制备的抑菌纸抑菌效果最佳。

3）制备复合纤维抑菌纸时，纸内合成纳米银粒子的适宜条件为硝酸银浓度为0.1 mol/L，硼氢化钠浓度为0.4 mol/L，并在室温下反应。

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