共沉淀法合成ZnMoO4粉体及其抗菌性能

刘 欣，唐燕超，刘 芳，李家科

(景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，景德镇 333403)

0 引 言

随着经济的飞速发展，在物质文化生活得到极大改善的今天，健康成为了人们密切关注的话题之一。然而，细菌无处不在、无孔不入，它们能通过多种途径进入人体，并在体内繁殖，从而威胁人的健康[1]。利用抗菌材料来杀死或抑制有害细菌的生长、繁殖是提高人类健康水平的有效措施之一。自然界有许多物质本身就具有良好的杀菌或抑制微生物的功能，如部分带有特定基团的有机化合物,一些无机非金属材料及其化合物、部分矿物质等[2-3]。由于天然抗菌剂存在加工工艺较复杂、耐热性差或使用寿命短等缺点，所以，目前抗菌材料更多的是通过添加人工合成的抗菌物质(亦称抗菌剂)，使材料具有抑制或杀灭表面细菌能力，如抗菌粉体、抗菌涂层、抗菌陶瓷、抗菌金属、抗菌塑料等[4-5]。

抗菌材料通常可分为两大类：无机抗菌材料和有机抗菌材料[6-8]。无机抗菌材料大多是利用银、铜、锌等金属离子的抗菌能力，通过一定的方法将这些金属离子固定在硅胶、氟石等多孔材料的表面制成抗菌剂，最后将这些抗菌剂引入到相应的制品中，从而获得具有抗菌能力的材料，其中银抗菌材料的抗菌能力最佳，但由于银成本较高，使之在更大范围的应用受到一定制约。有机抗菌材料主要有：酚类、苯并咪唑类、香草醛类化合物等。

钼酸锌(ZnMoO4)是一种重要的功能材料，具有优越的光学、电学等性质，在电极电池、化学催化、荧光材料、聚合物阻燃抑烟、闪烁探测及抗菌材料等方面具有良好的应用前景[9-12]。唐蓓蓓等[13]采用水热法制备ZnMoO4，再添加石墨和导电碳，利用喷涂法制得钼酸锌、钼酸锌-石墨和钼酸锌-导电碳对电极材料，用于制备染料敏化太阳能电池，获得较高的电池效率。Zhang等[14]以钼酸锌、g-C3N4为主体和修饰材料，制备新型复合光催化剂，发现水热合成条件对复合材料的光催活性影响较大。吕伟等[15]采用水热法制备了形貌可控的ZnMoO4微晶，并对其光致发光性能进行了研究；Keereeta等[16]运用微波水热法合成ZnMoO4，研究了各形态之间的转换关系和性能差异。目前关于ZnMoO4的研究主要集中在光电性能方面，而作为抗菌材料方面的研究报道较少。因此，开展钼酸锌的制备及其抗菌性能方面的研究具有重要理论价值和应用价值。本文以六水合硝酸锌、四水合钼酸铵为主要原料，采用共沉淀法合成钼酸锌，以培养的大肠杆菌为消杀对象，研究了不同热处理温度对合成钼酸锌的物相组成和形貌的影响，考察了抗菌粉体及其涂层的抗菌性能，并对制备工艺参数进行了优化。

1 实 验

1.1 实验原料

实验所用原料主要有：四水合钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)和六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)，二者均为分析纯；实验用水为去离子水。

1.2 试样制备

配制浓度为1 mol/L的Zn(NO3)2溶液50 mL，标为溶液A； 配制浓度为0.15 mol/L的 (NH4)6Mo7O24溶液50 mL，标为溶液B。在磁力搅拌下，将溶液B缓慢加入溶液A，混合完成后持续搅拌1 h，然后静置24 h后抽滤、洗涤、干燥得到浅黄色沉淀物即为前驱体。最后将前驱体在适当温度(分别为：400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃)下热处理30 min即得到试样。

1.3 性能表征

采用X射线衍射仪(D8-Advance型)表征试样的物相组成；采用场发射扫描电子显微镜(JSM-6700LV型)表征试样的微观形貌；采用大肠杆菌为消杀菌种检测试样的抗菌性能。

1.3.1 定性抗菌测定

(1)大肠杆菌的培养：在乳糖蛋白胨液态培养基中进行大肠杆菌接种，然后在生化培养箱中于37 ℃条件下培养24 h，得到所需大肠杆菌菌液(浓度：1.6×104cfu/mL)。

(2)抗菌环实验试样制备：将ZnMoO4粉体加入适量黏结剂造粒，用模具压制成厚约3 mm、直径约5 mm坯体，在一定温度下进行热处理后即得到试样。为了对比，用黏土原料制备对照组试样。

(3)定性抗菌测定：将抗菌片置于培养皿底部，然后倒入30 mL大肠杆菌菌液，静置24 h后观察抗菌情况。

1.3.2 定量抗菌测定

取上述定性测试后的菌液0.5 mL在牛肉膏蛋白胨琼脂固态培养基上培养，采用平板涂布法操作[17]，在培养箱中培养24 h，然后对培养皿进行拍照，借助电脑放大、人工计数的方法得到菌落数，根据固态培养基上生长的菌落数评价其抗菌性能。

1.3.3 涂层试样制备及其抗菌性能测定

(1)称取一定量商用涂料料浆置于烧杯，按照涂料质量的5%加入ZnMoO4粉体，经过充分搅拌后，即得到抗菌涂料料浆。

(2)将基片洗净、烘干、灭菌。将上述制备好的抗菌涂料料浆均匀涂覆在基片上(基片规格：45 mm×45 mm)，自然干燥24 h，即得到抗菌涂层试样(涂层厚度约1 mm)。

(3)将涂层试样放置在培养皿中，然后倒入大肠杆菌培液(浓度：1.6×104cfu/mL)30 mL，然后静置24 h。

(4)涂层试样的抗菌性能测试操作过程同1.3.2小节。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

前驱体经过不同热处理温度得到样品的XRD图谱如图1所示。从图中可以看出，未经热处理的前驱体图谱中出现少数微弱衍射峰，分析表明其分别为ZnMoO4、Zn2Mo3O8、Zn(OH)2和MoO3的衍射峰，但前驱体主要呈现为非晶态。经过热处理后，图谱中的衍射峰数量逐渐增多、衍射峰强度明显增强，表明有晶体生成和晶格不断完善。当热处理温度为400 ℃时，ZnMoO4的特征衍射峰与前驱体相比逐渐增强，说明ZnMoO4晶格在不断完善，而Zn2Mo3O8、Zn(OH)2和MoO3的衍射峰消失，说明这些物质相互反应生成了ZnMoO4。当热处理温度为600 ℃时，合成试样衍射峰的个数及位置与标准卡片号JCPDS No. 35-0765吻合[18]，且这些衍射峰峰形尖锐、峰强度高，表明合成的ZnMoO4晶格较完善，纯度较高。而当热处理温度为700 ℃时，ZnMoO4发生熔融，故后续没有对700 ℃处理得到的试样进行性能分析。

图1 不同热处理温度合成试样的XRD图谱(保温时间：30 min)Fig.1 XRD patterns of samples synthesized at different heat treatment temperatures (holding time for 30 min)

2.2 形貌分析

图2为前驱体经不同热处理温度得到ZnMoO4的SEM照片。从图2(a)可以看出，当热处理温度较低时，合成的ZnMoO4颗粒尺寸较小，且无固定形貌。随着热处理温度升高，合成的ZnMoO4晶粒尺寸逐渐增大，当热处理温度为500 ℃时(见图2(b))，合成的ZnMoO4呈不规则短棒状，尺寸较均匀。当热处理温度为600 ℃时(见图2(c))，制备的ZnMoO4大部分呈颗粒状，尺寸较小，粒径为0.5～1 μm。少数呈厚片状，长度1～2 μm、厚度约0.5 μm。

图2 不同热处理温度得到ZnMoO4粉体的SEM照片Fig.2 SEM images of ZnMoO4 powders synthesized at different heat treatment temperatures

2.3 定性抗菌分析

抗菌环可以对试样的抗菌性能做定性评价，环的面积越大表明抗菌性能越强[19]。图3所示为ZnMoO4抗菌片的抗菌环效果照片，每个培养皿正中间的试片为空白，即由黏土制成的试片，周围为ZnMoO4抗菌片。

图3 不同热处理温度制备的ZnMoO4抗菌环数码照片(注：由于试样在菌液中浸泡时间较长，导致部分试样破碎)Fig.3 Digital photographs of antibacterial ring by ZnMoO4 prepared at different heat treatment temperatures(Note: the samples are soaked in the bacterial solution for a long time, so some of the samples cracked)

从图中可以看出，经不同温度(400 ℃、500 ℃、600 ℃)热处理得到的 ZnMoO4抗菌片周围均有抗菌环出现，而中间空白无明显抗菌环，说明经过热处理合成的ZnMoO4粉体均具备一定的抗菌性能。从图3还可以看出，600 ℃热处理得到的ZnMoO4抗菌片的抗菌环(见图3(c))较其他试样(见图3(a)、(b))的抗菌环面积更大，且更清晰，表明其抗菌性能更强。抗菌环的出现主要是因为抗菌片中存在ZnMoO4，当它接触到大肠杆菌的细胞膜时，因细胞膜带负电，而Zn2+带正电，二者因库仑力相互吸引，产生微动力效应，使Zn2+穿透细胞膜，进入大肠杆菌体内，与大肠杆菌体内蛋白质上的巯基发生反应[20]，从而破坏合成酶的活性，干扰大肠杆菌DNA的合成，造成大肠杆菌的死亡，由于抗菌剂中的Zn2+向周围扩散，从而在试片周围形成了环状(抗菌环)。

2.4 定量抗菌分析

为了定量分析不同热处理温度制备的ZnMoO4的抗菌性能，分别从图3抗菌实验后的菌液中吸取 0.5 mL 在固态培养基上进行培养，得到细菌菌落如图4所示，其中图4(a)为空白对照组。

图4 不同热处理温度制备的ZnMoO4抑制大肠杆菌效果的数码照片Fig.4 Digital photographs of Escherichia coli colony inhibited effect by ZnMoO4 prepared at different heat treatment temperatures

从图4(a)中可以看出，未加抗菌片(对照组)的菌液在固态培养基上生长的菌落数最多，菌落数为7.7×103cfu/块，菌落布满整个培养皿底部，说明菌液中存在大量的大肠杆菌。而对于添加ZnMoO4的菌液，在固态培养基上生长的菌落数明显减少，且随着热处理温度的升高，合成ZnMoO4抗菌效果越明显，即菌落数逐渐减少，当热处理温度为600 ℃时，合成的ZnMoO4具有最佳抗菌性能，培养皿中存在菌落数仅为62 cfu/块，如图4(d)所示，其抗菌率达到99.2%。图5为不同热处理温度合成ZnMoO4的抗菌性能，从图中可以看出，不同热处理温度制备的ZnMoO4均具有较好的抗菌性能，经过6 h抗菌测试，抗菌率均大于40%，当经过24 h抗菌测试，抗菌率均达到90%以上。此外，从图中还可以看出，随着热处理温度的增加，制备的ZnMoO4抗菌性能增加，其中，经过600 ℃热处理制备的ZnMoO4具有最佳抗菌性能。产生上述实验现象的原因为：首先，随着处理温度的升高，促进了ZnMoO4晶格完善(见图1)，提高了ZnMoO4的抗菌活性；此外，由于钼酸根离子可以提高锌离子的氧化数，增加了锌离子与细胞膜之间的库仑引力[12,20]，使两者结合更牢固，加快杀菌速率，通过两者的协同效应，从而表现为随着热处理温度升高，制备的ZnMoO4抗菌性能逐渐增加。

图5 不同热处理温度合成的ZnMoO4抗菌性能Fig.5 Antibacterial performance of ZnMoO4 synthesized at different treatment temperatures

2.5 ZnMoO4在涂料中的应用

图6为涂料中添加经过600 ℃处理得到的ZnMoO4粉体所制备的涂层的抗菌性能，其中图6(a)为空白对照组。从图6(a)可以看出，空白组培养的大肠杆菌菌落分布密集，菌落数较多, 菌落数为7.5×103cfu/块；而从图6(b)经涂层杀菌后的菌落照片中可以看出，大肠杆菌菌落分布较散，菌落稀疏，菌落数为3.2×102cfu/块，其24 h对大肠杆菌的抗菌率达到95.7%，表明涂层具有良好的抗菌性能[18]。

图6 ZnMoO4抗菌涂层抑制大肠杆菌落效果的数码照片(注：ZnMoO4由前驱体经过600 ℃处理得到)Fig.6 Digital photographs of Escherichia coli colony inhibited effect by ZnMoO4 coating(Note: ZnMoO4 is obtained from the precursor through heat treatment at 600 ℃)

3 结 论

采用共沉淀法和后续热处理成功合成了ZnMoO4粉体，经400～600 ℃热处理得到的ZnMoO4均具有一定的抗菌性能，且热处理温度越高，ZnMoO4的晶格越完整，抗菌性能越好。当热处理温度为600 ℃时，合成的ZnMoO4具有最佳抗菌性能，24 h对大肠杆菌的抗菌率达到99.2%。在商用涂料中添加质量分数5%的经过600 ℃热处理的ZnMoO4时，所制备的涂层24 h对大肠杆菌的抗菌率达到95.7%，表明ZnMoO4粉体及其涂料具有良好的抗菌性能和应用前景。