納米銀插層膨潤土抗菌劑的性能研究

（山西省化工研究所（有限公司），山西 太原，030021）

無機(jī)抗菌劑具有抗菌廣譜性、耐熱性、持久性等優(yōu)點(diǎn)，是醫(yī)療衛(wèi)生、日用化工等領(lǐng)域常用的抗菌劑品種[1-3]。由于Ag+具有抗菌廣譜性、殺菌效率高及安全性高等特點(diǎn)，成為具有代表性的無機(jī)抗菌劑，然而Ag+保存時(shí)遇光極易變色，直接添加銀離子系列抗菌劑會(huì)明顯降低基材的性能，因而開發(fā)出沸石、氧化鈦等作為載體的載銀離子抗菌劑[4-6]，但這些載體與銀離子之間的作用力較弱，仍不能滿足保護(hù)人類健康的需要。近年來發(fā)明了納米銀抗菌劑，納米銀的抗菌性能是Ag+抗菌劑的上千倍[7-8]，納米銀抗菌劑成為研究熱點(diǎn)[9-11]。制備納米銀的報(bào)道較多，但因納米銀粒徑很難控制、容易團(tuán)聚，并且一般納米銀粒徑較大很難載入膨潤土片層間，故用載體制備載納米銀抗菌劑研究較少。把納米銀顆粒成功插入到膨潤土片層間的研究報(bào)道很少，大部分報(bào)道是膨潤土片層間載入銀離子或表面載有納米銀[12]，因此需要開發(fā)一種載體能與納米銀牢固結(jié)合的載納米銀抗菌劑，進(jìn)一步增強(qiáng)載體與納米銀之間的作用力，增強(qiáng)抗菌性能的穩(wěn)定性和持續(xù)性。本課題以片層結(jié)構(gòu)的膨潤土為載體和模板，改善納米銀易團(tuán)聚和銀離子抗菌劑易變色問題，制備出一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、顏色穩(wěn)定、粒徑較小。抗菌持續(xù)時(shí)間久的納米銀插層膨潤土抗菌劑，滿足醫(yī)療衛(wèi)生、日用化工等領(lǐng)域的需求，提高人們生活水平和保護(hù)人類的衛(wèi)生健康。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

酸改性膨潤土（自制）；硝酸銀，分析純，東莞市斯巴達(dá)化學(xué)有限公司；氨水，分析純，天津市化學(xué)試劑三廠；十二烷基苯磺酸鈉，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；無水乙醇，分析純，東莞市斯巴達(dá)化學(xué)有限公司。

1.2 納米銀插層膨潤土抗菌劑的制備

將10g酸改性膨潤土放入三口燒瓶中，加入200mL去離子水，然后加入100 mL 0.5%十二烷基苯磺酸鈉， 30 min后加入一定濃度的銀氨溶液，在60℃的水浴中攪拌，用稀硫酸或稀氨水調(diào)節(jié)pH值YL 8～9，然后在紫外光照射下，再攪拌3h后，取上層渾濁液離心分離，將分離出來的制品用去離子水洗滌至pH值約為7。將上述制品加入無水乙醇分散并在60℃烘箱中干燥，然后研磨，過400目篩分離。

1.3 測試與表征

采用JEM-2010型高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察樣品顆粒微觀形貌與大小。采用能量分散譜儀（EDS）測量樣品的元素組成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和元素（原子）數(shù)量百分比，探測元素范圍4Be～92U。抗菌性能測試按《消毒技術(shù)規(guī)范》（2002年版）最小抑菌濃度瓊脂稀釋法[13]（MIC：Minimal inhibitory concentration），選用金黃色葡萄球菌(S. aureus ATCC 6538)和大腸桿菌(E. coli ATCC8099)為測試用菌種，測試抗菌劑的最小抑菌濃度（MIC）。采用溫州儀器儀表有限公司W(wǎng)SB-Ⅱ型白度計(jì)測試樣品的白度。采用LD4-2型低速離心機(jī)水洗離心分離，每次以2500r/min的轉(zhuǎn)速離心分離50000轉(zhuǎn)，逐次測試抗菌劑MIC。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

如圖1(a)膨潤土原樣HRTEM 像所示，膨潤土的微觀結(jié)構(gòu)為片層結(jié)構(gòu)。膨潤土邊緣處能看到薄片層，薄片層疊在一起形成了片層，片層輪廓清晰，片層尺寸大小不規(guī)則，但整齊的疊在一起，形成了膨潤土的片層結(jié)構(gòu)。從圖1(b)納米銀插層膨潤土HRTEM 像可以看到，納米銀粒子分布在片層中，觀察到部分納米銀粒子較為暗淡，是因?yàn)榕驖櫷恋谋∑瑢痈采w在納米銀粒子的上面，對納米銀粒子有遮擋，影響了透射電鏡測試時(shí)電子對納米銀的散射與衍射，進(jìn)而影響了成像的像襯度。納米粒子的形狀為球形，有大量球形納米銀粒子夾插在膨潤土片層中，納米粒子的直徑范圍為2nm ～ 17nm，大部分（約90%）粒徑小于8 nm，有少量直徑為8nm ～ 17 nm的顆粒。從圖1(c)可知，膨潤土片層邊緣夾插有納米銀粒子，有的已經(jīng)完全插入膨潤土片層中，還有的部分插入膨潤土片層中（如圖中標(biāo)記），標(biāo)記較大的納米銀粒子的直徑約為8nm。

圖1 膨潤土原樣和納米銀插層膨潤土的HRTEM 像Fig.1 HRTEM images of original bentonite and nanosilver intercalated bentonite

改性膨潤土用陰離子表面活性劑對膨潤土進(jìn)行插層改性，柱狀插入片層中間，增加了片層間距離，增強(qiáng)吸附性能[14,15]。較長的反應(yīng)時(shí)間，獨(dú)特的陰離子表面活性劑SDBS插層控制片層間距，合適的攪拌速度等有利于[Ag(NH3)2]+與膨潤土片層中間的陽離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)進(jìn)入到膨潤土片層中間，然后在紫外光的照射下發(fā)生光催化還原反應(yīng)，緩慢生成納米銀顆粒；加熱能促進(jìn)納米銀粒子的形成[16-17]， 60℃時(shí)粒子的分散性好，合適的溫度促進(jìn)了反應(yīng)體系物質(zhì)間頻繁相互碰撞，促進(jìn)光催化還原[Ag(NH3)2]+順利進(jìn)行，有利于制備出納米銀。納米銀在膨潤土的片層間逐漸長大，當(dāng)納米銀的粒徑達(dá)到膨潤土的片層間距時(shí)，膨潤土的片層結(jié)構(gòu)起到了模板作用，阻礙納米銀的粒徑長大，控制了納米銀粒徑的生長；加之表面活性劑SDBS的分散作用，能夠有效防止納米銀的團(tuán)聚，使得納米銀的粒徑較小且分布均勻，納米銀被夾插在膨潤土的片層中。個(gè)別納米銀粒徑較大（為17nm），分布在膨潤土片層表面，因其只受到了表面活性劑的分散作用，沒有受到片層模板作用，故粒徑要比在片層中的納米銀粒徑大。膨潤土片層中夾插納米銀，使得片層與納米銀之間除有吸附力、氫鍵等作用力外，更有片層的夾持壓力，片層牢牢夾住了納米銀粒子，使得結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大大提高，從而提高抗菌劑的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高抗菌劑的持久抗菌性能。片層的夾插包裹，避免了納米銀直接暴露在環(huán)境中，改變了傳統(tǒng)銀抗菌劑的易變色的問題，具有顏色不易變色性。

2.2 能譜分析

從表1和圖2中可知，膨潤土主要含有O、Na、Mg、Al、Si、Ca等元素。經(jīng)過與Ag(NH3)2OH溶液離子交換反應(yīng)后，膨潤土中含有銀元素，銀元素的含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.04%，證明銀氨絡(luò)離子與膨潤土中的離子發(fā)生了交換反應(yīng)，膨潤土成功載上了銀，形成了納米銀粒子，這與透射電鏡觀察到的結(jié)果一致；同時(shí)有N元素的存在，說明還有部分 [Ag(NH3)2]+存在或有NH4+存在，吸附在膨潤土的片層中。

表1 膨潤土及納米銀插層膨潤土的元素含量Table1 Element content of bentonite and Nano-Ag/BT

圖2 膨潤土原樣及納米銀插層膨潤土的能譜圖：(a)膨潤土原樣; (b) 納米銀插層膨潤土Fig.2 EDS images of original bentonite and nanosilver intercalated bentonite： (a) original bentonite (b) Nano-Ag/BT

2.3 抗菌性能測試

納米銀含量為1.04%的Nano-Ag/BT的最小抑菌濃度（MIC）從表2可知，Nano-Ag/BT對（革蘭氏陽性菌）金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度（MIC）為50 μg/mL；Nano-Ag/BT抗菌劑對（革蘭氏陰性菌）大腸桿菌的最小抑菌濃度（MIC）為50 μg/mL，具有優(yōu)異的抗菌性能。納米銀插層膨潤土有抗菌劑優(yōu)異的抗菌性能主要是因?yàn)榧{米銀的抗菌性能優(yōu)異，納米銀的抗菌性能是銀離子的上千倍[7-8]。Nano-Ag/BT抗菌劑中的納米銀粒徑較小，大部分（90%）小于8 nm，納米銀的粒徑越小意味著比表面積越大，使得納米銀粒子能更好的與細(xì)菌接觸或吸附，納米銀粒徑越小活性越高抑制細(xì)菌生長的能力越強(qiáng)，越有利于殺滅細(xì)菌[18-19]，具有優(yōu)異的抗菌性能。

表2 納米銀插層膨潤土的最小抑菌濃度（MIC）Table2 Minimum inhibitory concentration of the Nano-Ag/BT

2.4 白度測試

從圖3可知，酸改性膨潤土的白度是78.6，隨時(shí)間的推移白度基本不變。納米銀插層膨潤土抗菌劑的白度是76.7比酸改性膨潤土略有降低，可能是膨潤土片層的表面或邊緣有納米銀存在所致。納米銀插層膨潤土抗菌劑的白度略有下降，5天后白度變?yōu)?3.2，共下降4.6%；30天后，白度變?yōu)?7.3，共下降12.3%；60天后白度趨于穩(wěn)定，變?yōu)?6.9，共下降12.8%；可見30天以后顏色變化很小，此后一個(gè)月，顏色共下降0.5%，特別是50天后，顏色沒有變化，顏色趨于穩(wěn)定。30天以內(nèi)，白度有降低是由于膨潤土表面或邊緣有少量[Ag(NH3)2]+和納米銀的存在，暴露在光線中被還原成黑色的單質(zhì)銀[20]或部分被氧化而變色；30天以后，抗菌劑顏色基本不變，膨潤土表面或邊緣的納米銀已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，大部分的納米銀分布在膨潤土的片層中，這種膨潤土片層夾插納米銀的結(jié)構(gòu)避免了納米銀直接暴露在環(huán)境中，保護(hù)納米銀不被光照，同時(shí)片層對納米銀的遮擋掩蓋，也保障了納米銀抗菌劑顏色的穩(wěn)定，改變了傳統(tǒng)銀系抗菌劑易變色的問題，具有顏色穩(wěn)定性。

圖3.樣品白度隨時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.3 Time-dependent curve of sample whiteness

2.5 抗菌持久性測試

Nano-Ag/BT抗菌劑經(jīng)過水洗離心分離5次(離心250 000轉(zhuǎn))，測得其最小抑菌濃度見表3：抗菌劑對金黃色葡萄球菌(S. aureus ATCC 6538)和大腸桿菌(E. coli ATCC8099)的MIC離心分離100000轉(zhuǎn)后，MIC保持不變，均為50μg/mL；MIC離心分離250000轉(zhuǎn)后，MIC仍都保持在75μg/mL，具有抗菌持久性，說明納米銀粒子夾插在膨潤土片層中，不容易脫離出來，這是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

表3 Nano-Ag/BT離心分離后的最小抑菌濃度（MIC）Table3 MIC of the Nano-Ag/BT after centrifugation

3 結(jié)論

制備的納米銀插層膨潤土抗菌劑：（1）納米銀成功地載入膨潤土片層中；（2）納米銀是球形，納米銀直徑為2-17nm，大部分粒徑小于8 nm；（3）納米銀插層膨潤土抗菌劑的納米銀含銀量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.04wt%，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的最小抑菌濃度(MIC)分別為50 μg/mL，有很好的抗菌性能；（4）抗菌劑白度共下降12.8%，30天后顏色基本不變，具有顏色穩(wěn)定性，（5）離心分離100000轉(zhuǎn)，MIC保持不變，具有抗菌持久性。