季銨鹽-釹/蒙脫土復合材料的制備及抗菌性能的研究

姜秀榕，鄭珍香，林標聲，吳惠亮

（1.龍巖學院化學與材料學院，福建 龍巖，364000；2.龍巖學院生命科學學院，福建 龍巖，364000）

季銨鹽-釹/蒙脫土復合材料的制備及抗菌性能的研究

姜秀榕1，鄭珍香1，林標聲2，吳惠亮1

（1.龍巖學院化學與材料學院，福建 龍巖，364000；2.龍巖學院生命科學學院，福建 龍巖，364000）

以NaF為改性劑，利用鈣基蒙脫土制備鈉基蒙脫土，再用離子交換法將無機抗菌離子釹離子和有機抗菌離子十六烷基三甲基季銨陽離子對鈉基蒙脫土改性，制備載釹蒙脫土（Nd-MMT）、十六烷基三甲基季銨鹽-載釹蒙脫土(1631-Nd-MMT)。X-射線衍射(XRD)分析結果表明，釹離子和十六烷基三甲基季銨鹽陽離子確實都已交換到蒙脫土中?？咕鷮嶒灡砻?，改性蒙脫土抗菌劑對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有抑制、殺菌效果，抗菌試驗的結果也表明，復合抗菌劑具有較好的抗菌性能。

改性蒙脫土；抗菌性能；季銨鹽；釹離子；蒙脫土復合材料；制備

抗菌材料是經(jīng)過抗菌處理的一類材料。它在使用過程中能抑制對人類身體健康或生活、生產(chǎn)環(huán)境有害微生物的生長繁殖，保持環(huán)境的清潔衛(wèi)生，提高人們生活品質[1]。

蒙脫土具有可交換的水合陽離子和很強的吸附性能，適合作為抗菌劑的載體。藻細胞超微結構表明，過量的Nd3+破壞了藻細胞內(nèi)的類囊體結構，胞內(nèi)脂質體含量增加，細胞膜變粗糙甚至變形破碎，對藻細胞造成不可逆?zhèn)?，是添加在長效抗菌材料中的很好的抗菌劑[2]。葉瑛等[3]將銅離子與蒙脫土交換制備了載銅蒙脫土，發(fā)現(xiàn)它對金黃色葡萄球菌(S.aureus)和大腸桿菌(E.coli)均具有一定的抑制作用，但其抗菌效果無法滿足實際應用的要求，且?guī)в蓄伾?；Richard等[4]將季銨鹽插入蒙脫土層間，使季銨鹽和硅酸鹽之間形成分子級的復合，季銨鹽能穩(wěn)定存在于硅酸鹽層間的微環(huán)境中，從而提高熱穩(wěn)定性和長效性。本文用龍巖連城的蒙脫土作抗菌材料，將釹離子Nd3+和季銨鹽十六烷基三甲基溴化銨(1631)分別載入到鈉基蒙脫土中分別制得載釹蒙脫土Nd-MMT、季銨鹽改性蒙脫土抗菌劑（CTAB-MMT）、季銨鹽-釹-蒙脫土復合材料（CTAB-Nd-MMT），并通過改變季銨鹽物質的量、反應時間、反應溫度等條件來制備季銨鹽-釹-蒙脫土復合材料（CTAB-Nd-MMT），觀察其層間距的變化，研究各自抗菌效果，通過不斷的實驗制備出符合實際要求且抗菌性能優(yōu)良的抗菌性能的復合材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及藥品

精制蒙脫土（龍巖連城）、十六烷基三甲基溴化銨（1631、國藥集團化學試劑有限公司）；氟化鈉（AR分析純、汕頭市西隴化工有限公司）；大腸桿菌（E.coli，ATCC25922）和金黃色葡萄球菌（S.aureus，ATCC6538），龍巖學院生命科學院實驗室提供。

1.2 實驗儀器

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF—101S型、鞏義市英峪予華儀器廠）；電子天平（BS224C型、賽多利斯科學儀器（北京）有限公司）；電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9071A型、上海精宏實驗設備有限公司）；X射線儀（DX-2700、丹東方園科技有限公司）。傅里葉變換紅外光譜儀(美國Nicolet公司)。

1.3 復合抗菌劑的制備

1.3.1 精制蒙脫土

將一定量的連城膨潤土原礦粉粉碎后置崩解槽內(nèi)，加水制成10%左右的懸濁液，粗濾除去泥沙等雜質后轉入靜置槽，經(jīng)5～6h靜置沉降分離后，經(jīng)超聲波洗滌，抽濾，100～110℃干燥，研磨過325目篩，裝瓶備用[5]。

1.3.2 鈉基蒙脫土的制備

往10%左右的精制蒙脫土礦漿中加入4.2%的氟化鈉溶液，調節(jié)磁力攪拌器轉速1800 r/min，在70℃恒溫攪拌1.5 h，抽濾，得到粉色的沉淀，再用去離子水反復洗滌、過濾，然后在65℃真空干燥48 h，研磨，過325目篩，篩得粉末進行XRD測試，即得鈉基蒙脫土（Na-MMT）。

1.3.3 載釹蒙脫土的制備

將20 g鈉基蒙脫土（Na-MMT）通過攪拌分散在800mL蒸餾水中，加入20mmol的氧化釹Nd2O3，在65℃恒溫攪拌4 h，抽濾，得到粉色沉淀，再用蒸餾水反復洗滌，直至濾液中無釹析出為止，然后于65℃真空干燥48 h，研磨，過325目篩[6]，篩得粉末進行XRD測試，即得載蒙釹蒙脫土(Nd—MMT)。

1.3.4 十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）與鈉基蒙脫土的離子交換

往5 g鈉基蒙脫土懸浮液（取鈉基蒙脫土5 g置于20 mL蒸餾水中）中加入5.5 mmol十六烷基三甲基溴化銨溶液（40 mL溶有5.5 mmol十六烷基三甲基溴化銨的溶液），在65℃恒溫攪拌5 h，冷卻，抽濾，得到粉色沉淀物，用蒸餾水反復洗滌、過濾，濾液用0.1 mol/L AgNO3溶液檢驗至無粉色沉淀生成；取部分粉色沉淀物在65℃真空干燥48 h，研磨，過325目篩，即得季銨鹽改性蒙脫土（CTAB-MMT），篩得粉末進行XRD測試。

1.3.5 復合抗菌材料的制備

將5 g載釹蒙脫土（Nd-MMT）通過攪拌分散在100 mL蒸餾水中，加入2.5 mmol的十六烷基三甲基溴化銨，在65℃恒溫下攪拌反應5 h后，抽濾，得到白色沉淀，再用蒸餾水反復洗滌，直至濾液中無Br-檢出（用0.1 mol/L的AgNO3檢驗），然后于真空65℃干燥48 h，研磨，過325目篩，即得季銨鹽-釹-蒙脫土復合材料（1631-Nd-MMT），再進行XRD測試。

1.4 結構和成分測定

使用DX-2700型X射線衍射儀，Cu靶Kα射線，λ=0.15405 nm，掃描速度為0.03°/s，掃描范圍為2°～10°。管電壓35 kV，管電流30 mA，轉動方式θs-θd。用傅里葉變換紅外光譜儀(美國Nicolet公司)對所制備的樣品的紅外光譜吸收性能進行分析。

1.5 抗菌性能測試

1.5.1 抑菌圈測試

將Φ90mm玻璃培養(yǎng)皿及配好的查氏培養(yǎng)基放在高溫滅菌鍋中，0.15 MP下滅菌20min。待查氏培養(yǎng)基冷卻至50℃左右，倒板固化。取適量自然霉菌孢子液均勻涂布在培養(yǎng)基表面，將直徑25 mm的濾紙圓片置于約15 mL載釹蒙脫土漿液中浸泡20 min，晾干，貼于培養(yǎng)皿中心，作3個平行試驗。取濾紙圓片置于未載釹的蒙脫土漿液中浸泡約20 min，做對比實驗。最后，將培養(yǎng)皿放在霉菌培養(yǎng)箱中培養(yǎng)觀察（培養(yǎng)溫度24.5～26.5℃）[7]。

1.5.2 最小抑菌濃度M IC的測定

先將抗菌劑用MH肉湯做2倍連續(xù)稀釋至不同濃度，再分別加入到含有一定菌量（金黃色葡萄球菌S.aureus和大腸桿菌E.coll i的菌株分別為ATCC8099和ATCC6538）的培養(yǎng)液中，使混合液中的最終菌液濃度控制在106 cfu/mL；在37℃振蕩培養(yǎng)24 h，以不長菌管的抗菌劑濃度計量為抗菌劑的MIC[8]。

2 結果與討論

2.1 FTIR分析

FTIR分析結果如圖1。

圖1 各種蒙脫土的紅外光譜圖

由圖1可得，Na-MMT和季銨鹽改性蒙脫土的紅外光譜的共同特征是：在1039 cm-1處的強吸收峰為Si-O的伸縮振動峰，800～400 cm-1處為Al-O和Si-O的彎曲振動峰，3625，3425，1634 cm-1為蒙脫土層間-OH相應的伸縮振動峰和彎曲振動峰。在825 cm-1處是由蒙脫土礦物中的石硅石產(chǎn)生的。改性蒙脫土的紅外光譜中，除了保留蒙脫土原有的特征峰外，還出現(xiàn)了新的吸收峰：在2925、2853 cm-1處有2個強的吸收峰分別為-CH2的C-H反對稱和對稱伸縮振動峰，這說明經(jīng)過離子交換反應，季銨鹽陽離子已經(jīng)進入蒙脫土片層之間，發(fā)生了插層反應，在紅外光譜圖中表現(xiàn)為波數(shù)和強度的變化。

2.2 XRD分析

根據(jù)公式：2D Sinθ=λ,λ=0.15405及圖2可知，蒙脫土與Na+離子交換后，得鈉基蒙脫土（Na-MMT）層間距為1.2440 nm；鈉基蒙脫土（Na-MMT）與Nd3+離子交換后，得載釹蒙脫土(Nd-MMT)層間距增加到1.5681 nm，(r(Nd3+)=0.0983 nm，＜r(Na+)=0.102 nm)；當Na-MMT與十六烷基三甲基溴化銨（1631）反應后，得季銨鹽蒙脫土(1631-MMT)其層間距進一步增大到1.8548 nm，載釹蒙脫土(Nd-MMT)經(jīng)有機季銨鹽十六烷基三甲基溴化銨（1631）表面改性后的季銨鹽載釹蒙脫土（1631-Nd-MMT）層間距增加到1.7145 nm，比較這些數(shù)據(jù)可以看到，Na-MMT與改性基團進行陽離子交換，蒙脫土的層間距在增大，表明釹離子（Nd3+）和季銨陽離子已交換到蒙脫土層間。

圖2 各種蒙脫土的X-射線衍射（XRD）圖

3 蒙脫土抑菌性能研究

3.1 抑菌環(huán)

由圖3和表1可以看出鈉基蒙脫土（Na-MMT）、季銨鹽蒙脫土（1631-MMT）、載釹蒙脫土（Nd-MMT）和季銨鹽載釹蒙脫土（1631-Nd-MMT）樣片周圍后者出現(xiàn)的抑菌環(huán)均比前者周圍出現(xiàn)的抑菌環(huán)較大，鈉基蒙脫土（Na-MMT）樣片對金黃色葡萄球菌(S.aureus)的抑菌環(huán)為6 mm，對大腸桿菌(E.coli)的抑菌環(huán)為5 mm；載釹蒙脫土（Nd-MMT）樣片對金黃色葡萄球菌S.aureus)的抑菌環(huán)為11 mm，對大腸桿菌(E.coli)的抑菌環(huán)為7 mm；季銨鹽蒙脫土（1631-MMT）樣片對金黃色葡萄球菌(S.aureus)的抑菌環(huán)為13 mm，對大腸桿菌(E.coli)的抑菌環(huán)為9 mm；季銨鹽載釹蒙脫土（1631-Nd-MMT）樣片對金黃色葡萄球菌(S.aureus)的抑菌環(huán)為15 mm，對大腸桿菌(E.coli)的抑菌環(huán)為10 mm；抗菌活性由抑菌環(huán)的大小決定。因此鈉基蒙脫土（Na-MMT）、載釹蒙脫土（Zn-MMT）、季銨鹽蒙脫土（1631-MMT）和季銨鹽載釹蒙脫土（1631-Nd-MMT）對金黃色葡萄球菌的抑制效果均要好于大腸桿菌，且后者的抑菌能力依次均比前者的抗菌能力強。

圖3 抗菌實驗照片

表1 抗菌劑的抑菌環(huán)的大小

3.2 最小抑菌濃度

最小抑菌濃度結果見表2。

表2 抗菌劑的最小抑菌濃度（MIC）

從表2中可知，鈉基蒙脫土（Na-MMT）對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli）的最小抑菌濃度（MIC）均大于10000 mg/L，可見鈉基蒙脫土（Na-MMT）的抗菌效果很差；載釹蒙脫土（Nd-MMT）對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli）的最小抑菌濃度（MIC）都為4000 mg/L，季銨鹽蒙脫土（1631-MMT）對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli的最小抑菌濃度（MIC）都為400 mg/L和4000 mg/L，季銨鹽載釹蒙脫土（1631-Nd-MMT）對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli）的最小抑菌濃度MIC都為400 mg/L，可知本實驗改性蒙脫土抗菌性能大大增強。此外，金黃色葡萄球菌（S.aureus）是革蘭氏陽性菌，大腸桿菌（E.coli）是革蘭氏陰性菌，從細胞壁的結構來看，革蘭氏陽性菌具有比革蘭氏陰性菌厚得多的肽聚糖細胞壁，但其結構粗糙，很難阻止小分子擴散；而革蘭氏陰性菌比革氏陽性菌的細胞壁更復雜，且有一層像篩子一樣的外膜[9]，所以，載釹蒙脫土（Nd-MMT）、季銨鹽蒙脫土（1631-MMT）、季銨鹽載釹蒙脫土（1631-Nd-MMT）對革蘭氏陽性菌(S.aureus)抗菌性能均比對革蘭氏陰性菌(E.coli)的好。

4 結論

(1)改性蒙脫土的紅外光譜中，在2925、2853cm-1處有2個強的吸收峰分別為-CH2的C-H反對稱和對稱伸縮振動峰，同時，3425，1634 cm-1處的-OH峰強度減弱，這是由于季銨鹽插層后，層間的水被置換出來，水的含量減少，證明季銨鹽已經(jīng)交換到蒙脫土上。可以證明釹離子、季銨鹽有載進蒙脫土層間。由布拉格方程：2D sinθ=λ，λ=0.15405計算改性蒙脫土的層間距均增大，說明鈉離子Na+、釹離子Nd3+有機基團已將蒙脫土晶層撐開，增大了蒙脫土的層間距，進入了蒙脫土晶層間，制備出各種改性蒙脫土。

(2)載釹蒙脫土（Nd-MMT）對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli）的最小抑菌濃度都為4000 mg/L，對金黃色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌環(huán)為11 mm，對大腸桿菌（E.coli）的抑菌環(huán)為7 mm；季銨鹽改性蒙脫土（1631-MMT）對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli）的最小抑菌濃度都為400和4000 mg/L；對金黃色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌環(huán)為13 mm，對大腸桿菌（E.coli）的抑菌環(huán)為9 mm；季銨鹽載鋅蒙脫土（1631-Nd-MMT）對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli）的最小抑菌濃度都為400 mg/L；對金黃色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌環(huán)為15 mm，對大腸桿菌（E.coli）的抑菌環(huán)為10 mm；表明載釹蒙脫土（Zn-MMT）、季銨鹽改性蒙脫土（1631-MMT）和季銨鹽載釹蒙脫土（1631-Nd-MMT）對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和大腸桿菌（E.coli）具有抑制和殺滅作用。

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(責任編輯：朱聯(lián)九)

Preparation and Antibacterial Property of M ontm orillonite Com posite M aterial Exchanged w ith Nd3+and Cetyltrimethylammonium Brom ide Cation

JIANG Xiu-rong1,ZHENG Zhen-xiang1,LIN Biao-sheng2,WU Hui-liang1
(1.College of Chemistry an Material Science,Longyan University,Longyan36400,China)2.College of Life Science,Longyan University,Longyan36400,China)

A kind ofmodifiedmontmorillonitewas prepared by introducing Nd3+and quaternary ammoniumcations into montmorillonite via the ion exchange,Ca-montmorillonite in Longyan city was converted into Na-montmorillonite w ith NaF as conversion agent.Na-montmorillonite(Na-MMT)wasmodified w ith Nd3+and cetyltrimethylammonium bromide cation(CTAB)by the ion-exchange method.The results of XRD show that Nd3+and quaternary ammonium salts have been exchanged in montmorillonite.The investigation into the antibacterial property of the prepared composite antibacterial agent shows that them inimal inhibitory concentrations(M IC)towards E.coli,S.aureus are nomore than 250mg/L,which shows that the antibacterialagentpossesses excellentantibacterial property and ratherw ide antibacterial spectrum.

modified montmorillonite;antim icrobial property;quaternary ammonium salts;neodym ium ion;montmorillonite compositematerial;preparation.

TB332

A

1673-4343（2014）02-0073-06

2014-01-12

龍巖學院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201207）

姜秀榕，女，福建永定人，講師。研究方向：復合材料。