納米ZnO粒子的溶膠凝膠制備及抗菌活性研究

胡亞微， 賀惠蓉， 張弘弛， 馬養(yǎng)民， 顧 鑫

(1.陜西科技大學 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室，陜西 西安 710021； 2.太倉中化環(huán)保化工有限公司， 江蘇 太倉 215433)

0 引言

近年來，隨著人們對衛(wèi)生環(huán)境的要求日益提高，抗菌材料受到了廣泛的關注.抗菌材料是指本身具有殺滅或抑制微生物功能的一類新型功能材料，而抗菌材料可分為無機抗菌劑、有機抗菌劑兩大類.常用的無機抗菌劑大部分是利用銀、銅、鋅等金屬本身所具有抗菌能力的材料，通過物理吸附或離子交換等方法，將銀、銅、鋅等金屬(或其離子)固定在沸石、硅膠等多孔材料的表面制成抗菌劑，然后將其加入到制品中獲得具有抗菌性的材料[1-3].而TiO2、ZnO、ZnS等則屬于另一類新型的無機抗菌劑——即光催化型無機抗菌劑，這一類半導體氧化物需要在光照條件下，吸光后產生大量的活性基團來抑制細菌的生長和繁殖.無機抗菌材料在紡織品、衛(wèi)生潔具等方面均有很重要的應用，但是目前國內外文獻報道的這一系列抗菌材料一般采用共沉淀法或浸漬法制備，且均需經(jīng)過紫外光照才能發(fā)揮其抗菌性能，因而其應用也受到限制[4-6].為了突破這一材料應用的局限，提高這類無機材料的抗菌性能，本文采用溶膠凝膠法制備了ZnO納米粒子，不需經(jīng)過紫外光照即可顯示優(yōu)良的抗菌性能.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

(1)制備ZnO化學試劑為：Zn(NO3)2·6H2O(AR，天津市天力化學試劑有限公司)；無水乙醇(AR，天津市河東區(qū)紅巖試劑廠)；聚乙烯吡咯烷酮(PVP，AR，天津市科密歐化學試劑廠).

(2)指示菌株及來源：革蘭氏陽性菌：金色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis(Ehrenberg)Cohn)；革蘭氏陰性菌：大腸桿菌(Escherichiacoli)、綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa).以上菌種由陜西科技大學生命學院微生物實驗室提供.

(3)培養(yǎng)基：細菌指示菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基.主要成分為：蛋白胨l0g，牛肉膏5g，氯化鈉5g，瓊脂10 g，蒸餾水1000 mL，調pH值至7.2～7.4.滅菌條件為121 ℃、30 min.

(4)菌懸液使用試劑：磷酸鹽緩沖液[PBS，0.03 mol·L-1，pH(7.2～7.4)]：磷酸氫二鈉(Na2HPO4，無水)2.83 g，磷酸二氫鉀(KH2PO4)1.85 g，非離子表面活性劑吐溫-801.0g、蒸餾水1000 mL，調pH值至7.2～7.4.

(5)樣品表征：ZnO粉末的物相組成和晶型結構采用日本Rigaku公司生產的D/Max-3c型X射線粉末衍射儀(XRD)(銅靶，電壓40 kV，電流35 mA，掃描范圍：30°～75°)進行表征；薄膜的表面形貌通過日本JOEL公司生產的JSM-6700F冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，加速電壓15 kV，電流10μA)進行觀察.

1.2 實驗方法

1.2.1ZnO的制備

取0.1g PVP溶于8mL無水乙醇中，室溫條件下采用磁力攪拌器攪拌1h，得到溶液a.稱取2.98 g六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)溶于2mL去離子水中，待其完全溶解，緩慢加入到溶液a中，室溫攪拌8～10 h，得到溶膠b.于120 ℃烘箱干燥后，放入馬弗爐中以16 ℃·min-1的升溫速度升至500 ℃，并保溫2h，自然冷卻后取出、研磨，得到ZnO粉體.

1.2.2抗菌實驗

(1)菌懸液的制備.無菌條件，取冷凍保藏的各測試菌種各接種于營養(yǎng)瓊脂斜面培養(yǎng)基上，于恒溫培養(yǎng)箱中，在37 ℃下培養(yǎng)18～24 h后作為活化的供測試用的菌種.用滅菌的竹簽將活化的菌種，加入已滅菌的 PBS緩沖液的錐形瓶中，振蕩使細菌懸浮均勻，制成菌懸液，菌懸液濃度約為107 cfu·mL-1.

(2)供試樣品的制備.取一定量ZnO粉體顆粒，在無菌條件下超聲分散于無水乙醇中，將已滅菌濾紙片浸入到樣品的懸浮液中，靜置.無水乙醇完全揮發(fā)后，在濾紙片上自然沉積得到供抗菌試驗的ZnO樣品.

(3)抗菌性能測試.取配置好的菌懸液0.1mL，用滅菌涂布器反復在已凝固的平面培養(yǎng)基表面推移，使表面菌懸液均勻分布.用鑷子輕取制備的ZnO樣品，置于上述處理過的平面培養(yǎng)基上，在37 ℃恒溫箱中培養(yǎng)18～24 h后，觀察ZnO的抗菌效果，測量其抑菌圈的直徑.為了保證實驗的可重復性，每個樣品在相同的條件下做3個平行實驗.

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖1 ZnO粉末的XRD圖

圖1為所得ZnO粉末的XRD圖譜.由圖看出，所得ZnO粉末的XRD譜圖中的峰位與六方晶系纖鋅礦結構的ZnO(結構索引卡片No. 65-3411)相吻合，分別對應(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)晶面.譜圖中沒有任何雜質衍射峰出現(xiàn)，且衍射峰尖銳，說明所得產物為純的纖鋅礦ZnO結構.

2.2 SEM分析

圖2 ZnO粉末的SEM圖

圖2為所得ZnO粉末放大30 000倍和5000倍的SEM照片.30 000倍的電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過500 ℃熱處理后的ZnO粉末顆粒大小基本均勻，粒徑約為200 nm左右.而從低倍的電鏡照片可以看出，ZnO納米顆粒有明顯的團聚現(xiàn)象，團聚顆粒大小約1～3μm.

2.3 抗菌活性分析

經(jīng)溶膠凝膠法制備ZnO納米粒子抗菌實驗照片如圖3，并將抗菌性能結果列于表1.從表中看出，ZnO納米粒子具有很好的抗菌活性，且對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均有抗菌效果.據(jù)文獻報道，這一類物質在沒有摻雜或復合時對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌基本上無抗菌活性[7].而紫外光照前后對大腸桿菌和金黃葡萄球菌的透明抑菌圈可達到13～17 mm[8].在本文中，通過對比紫外光照前后的ZnO納米粒子的抗菌活性，看出樣品在未經(jīng)紫外光照射時的抗菌活性比文獻值有所提高，對大腸桿菌的抑菌圈最大可達到21.5mm，且未經(jīng)過紫外光照的樣品的抗菌活性比紫外光照后樣品有明顯的增強，表明ZnO在可見光照下即可表現(xiàn)優(yōu)良的抗菌活性，提高了ZnO作為抗菌材料的應用性.

表1 ZnO納米粒子抗菌性能結果

ZnO性質穩(wěn)定，不同于溶出型無機抗菌劑通過離子隨水擴散與微生物接觸發(fā)生殺菌作用，但其在光照條件下產生的活性氧類物質已經(jīng)被證實是一種抗菌物質[9-11].Sawai等人發(fā)現(xiàn)H2O2是ZnO產生抗菌性能的主要活性物質[12-14],且H2O2產量對抗菌性能有重要的影響.有文獻報道，ZnO體系中H2O2的產生，主要是由于納米結構的晶格失配合懸空鍵引起的表面化學吸附，經(jīng)過多步驟的中間過渡亞穩(wěn)態(tài)結構[15]，釋放出高活性物質(或基團).可能的產生機理如下[16]：

圖3 紫外光照前后的ZnO樣品對4種細菌的抗菌實驗照片培養(yǎng)皿上方樣品為經(jīng)過紫外光照射3 h后的ZnO樣品，下方為未經(jīng)過紫外光照的樣品(A：大腸桿菌 B：枯草芽孢桿菌 C：綠膿桿菌 D：金黃色葡萄球菌)

針對紫外光照前后抗菌活性的不同，可能是羥基自由基等活性物質在光照下加速產生，而活性物質之間往往存在相互轉化或干擾，導致H2O2產量變化[16].

3 結論

采用溶膠凝膠法制備了ZnO納米粒子，粒徑約為200 nm，所制備的ZnO納米粒子在抗菌性能測試中顯示出特殊的抗菌性.傳統(tǒng)方法制備的ZnO粉體顆粒需經(jīng)過紫外光照才能發(fā)揮其抗菌性能，而本實驗中采用溶膠凝膠法制備的ZnO納米粒子，不需紫外光照射就具有較強的抗菌性能(未經(jīng)過紫外光照的樣品對大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的抗菌圈均達到19 mm以上)，提高了ZnO作為抗菌材料的應用范圍.

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