納米氧化鎵的制備及其抗菌活性的研究

納米氧化鎵的制備及其抗菌活性的研究

馬超，李宇興，賴永勤，李學(xué)如

(西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

摘要：采用水熱法制備羥基氧化鎵前驅(qū)體，再經(jīng)600 ℃焙燒3 h制備納米氧化鎵。利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X-射線能譜儀(EDS)對氧化鎵的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征。以金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和銅綠假單胞菌作為指示菌，檢測氧化鎵的抗菌活性。結(jié)果表明，氧化鎵對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌都有很好的抗菌性能。在20 μmol·L-1的氧化鎵溶液中，1.5 h內(nèi)對大腸桿菌的殺菌率達(dá)到98.53%，對金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的殺菌率分別為95.00%和93.35%。

關(guān)鍵詞：氧化鎵；制備；抗菌性

基金項(xiàng)目：四川省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012FZ0048)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(SWJTU11ZT25)

收稿日期：2015-04-16

作者簡介：馬超(1989-)，女，天津人，碩士研究生，研究方向：生物化學(xué)與分子生物學(xué)；

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.09.008

中圖分類號：TQ 133.51文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

迄今為止，感染性疾病仍然是對人類社會的一大挑戰(zhàn)[1-2]，抗菌材料能降低細(xì)菌的交叉感染及不易產(chǎn)生耐藥性，尤其是無機(jī)抗菌材料由于耐熱性高、使用方便、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗菌譜廣、有效性長和不產(chǎn)生耐藥性等諸多優(yōu)點(diǎn)，備受研究者的重視,發(fā)展迅速[3]。國內(nèi)外研制出了各類性能優(yōu)異的無機(jī)抗菌材料，廣泛應(yīng)用于纖維、陶瓷、塑料、建材、涂料、搪瓷等領(lǐng)域[4]。

目前，廣泛研究的無機(jī)抗菌材料主要有金屬Ag、Cu、Zn、Ti和一些稀有金屬的氧化物[5-7]。Kaneko 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，Ga(NO3)3可有效地抑制綠膿桿菌的生長，阻礙生物膜的形成，并具有殺菌活性。隨后，另一些研究者證實(shí)麥芽酚鎵[9]、水楊酰肼鎵[10]、檸檬酸鎵[11]等有機(jī)鎵化合物都具有較好的抗菌性，可有效抑制細(xì)菌的生長，并具有殺菌活性。作者采用水熱法制備納米氧化鎵，并研究了其抗菌性能。

1實(shí)驗(yàn)

1.1　材料、試劑與儀器

微生物菌種：大腸桿菌(Escherichiacoli)、銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)，由四川大學(xué)華西醫(yī)院提供。

硝酸鎵、醋酸鈉，Sigma公司；胰蛋白胨、大豆蛋白胨，OXOID公司；其它試劑為國產(chǎn)分析純。

胰酪胨大豆液體培養(yǎng)基(TSB)：胰蛋白胨17 g，大豆蛋白胨3 g，氯化鈉5 g，磷酸氫二鉀2.5 g，葡萄糖2.5 g，蒸餾水定容至1 L，調(diào)節(jié)pH值7.0～7.2，121 ℃滅菌30 min。

營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基：蛋白胨10 g，氯化鈉5 g，牛肉浸提物3 g，瓊脂14 g，蒸餾水定容至1 L，調(diào)節(jié)pH值7.0～7.2，121 ℃滅菌30 min。

JSM-7001F型場發(fā)射掃描電鏡、JEM-2100F型場發(fā)射透射電鏡和場發(fā)射透射電鏡/能譜儀，日本電子。

1.2　納米氧化鎵的制備

制備工藝參照文獻(xiàn)[12]并稍作修改。將不同體積0.01 mol·L-1的硝酸鎵水溶液和不同濃度的醋酸鈉水溶液加入反應(yīng)釜中，密封反應(yīng)釜，在不同的pH值下于170 ℃恒溫反應(yīng)10 h，而后自然冷卻至室溫。將反應(yīng)產(chǎn)物過濾，用水和無水乙醇反復(fù)洗滌沉淀，低溫下真空干燥，得到前驅(qū)體羥基氧化鎵，將其置于馬弗爐中600 ℃焙燒3 h，得到氧化鎵粉末。

我國學(xué)界關(guān)于政府機(jī)構(gòu)改革的研究路徑有國際借鑒路徑、現(xiàn)實(shí)路徑、歷史反思與總結(jié)路徑。各個(gè)路徑之間并不是相互替代，而是相互補(bǔ)充，相互推動(dòng)，橫縱交錯(cuò)的研究路徑為我國的政府機(jī)構(gòu)改革打造了一個(gè)立體化的理論研究體系，從而為全面且細(xì)致地了解與分析我國的政府機(jī)構(gòu)改革提供強(qiáng)大的理論支撐。

1.3　羥基氧化鎵和氧化鎵樣品的表征

采用場發(fā)射掃描電鏡對氧化鎵合成過程中的前驅(qū)體羥基氧化鎵及氧化鎵表面形貌進(jìn)行分析；通過場發(fā)射透射電鏡進(jìn)一步觀察氧化鎵結(jié)構(gòu)；采用場發(fā)射透射電鏡/能譜儀分析氧化鎵表面元素組成。

1.4　氧化鎵抗菌活性的檢測

參照文獻(xiàn)[13]方法進(jìn)行。將細(xì)菌分別劃線接種在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基平板上，37 ℃培養(yǎng)16～24 h后取單一菌落轉(zhuǎn)接于TSB培養(yǎng)基中，在37 ℃下培養(yǎng)16 h。取培養(yǎng)后的菌液用生理鹽水稀釋，使菌液濃度在3×103～4×103CFU·mL-1以內(nèi)。取2 mL稀釋后菌液分別加入到18 mL含有不同濃度的氧化鎵生理鹽水中，以含有2 mL菌液的20 mL生理鹽水作對照。光照、37 ℃、100 r·min-1下振蕩培養(yǎng)一定時(shí)間，取500 μL菌懸液，采用營養(yǎng)瓊脂稀釋培養(yǎng)法37 ℃培養(yǎng)24 h后進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)。按下式計(jì)算殺菌率：

式中：N0為空白對照菌落數(shù)，CFU·mL-1；N為反應(yīng)后的菌落數(shù)，CFU·mL-1。

2結(jié)果與討論

2.1　羥基氧化鎵制備條件的選擇

前驅(qū)體羥基氧化鎵的形態(tài)會影響到后續(xù)所制備的氧化鎵品質(zhì)。考察了硝酸鎵濃度、醋酸鈉濃度、硝酸鎵溶液和醋酸鈉溶液體積比以及pH值對羥基氧化鎵形態(tài)的影響，羥基氧化鎵的制備條件見表1，所制備的羥基氧化鎵樣品的掃描電鏡照片如圖1所示。

表1羥基氧化鎵的制備條件

Tab.1Preparation conditions of GaOOH

編號cGa(NO3)3mol·L-1cCH3COONammol·L-1VGa(NO3)3∶VCH3COONapH值1#0.010.41∶182#0.010.41∶1103#0.010.81∶1104#0.010.42∶110

圖1不同條件下制備羥基氧化鎵樣品的掃描電鏡照片

Fig.1SEM Images of GaOOH samples prepared

under different conditions

由圖1可知，不同條件下制備的羥基氧化鎵的形狀和尺寸有一定差異。1#條件所制備的羥基氧化鎵為300 nm大小的菱形狀，2#條件所制備的羥基氧化鎵為針狀，3#條件所制備的羥基氧化鎵為直徑100 nm的球狀；4#條件所制備的羥基氧化鎵直徑比3#條件的略大。表明，隨著水熱溶液中的pH值、醋酸鈉濃度、硝酸鎵溶液和醋酸鈉溶液體積比的改變，所制得的羥基氧化鎵納米晶體的形貌和大小發(fā)生很大改變。綜合考慮，選擇3#條件進(jìn)行納米氧化鎵的制備。

2.2　納米氧化鎵表征分析結(jié)果

以3#條件制備得到納米氧化鎵，使用場發(fā)射掃描電鏡、場發(fā)射透射電鏡和場發(fā)射透射電鏡/能譜儀對其進(jìn)行表征，結(jié)果如圖2所示。

由圖2a、b可知，氧化鎵為棒狀，長度為2 μm、寬度為1 μm、厚度為300 nm。由圖2c可知，鎵質(zhì)量百分比為83.62%，氧質(zhì)量百分比為16.38%。水熱法合成的羥基氧化鎵納米顆粒在600 ℃退火處理后，所得氧化鎵發(fā)生團(tuán)聚，尺寸變大。可能由于溫度過高，晶體表面出現(xiàn)裂缺現(xiàn)象。

圖2　氧化鎵表面的SEM照片(a)、TEM照片(b)和EDS分析(c) Fig.2　SEM Image(a),TEM image(b) and EDS analysis(c) of gallium oxide

2.3　氧化鎵抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)

圖3　氧化鎵(20 μmol·L -1)與細(xì)菌接觸不同時(shí)間后的殺菌率 Fig.3　Antibacterial rate of gallium oxide(20 μmol·L -1) after contacting for different time with bacterial

由圖3可知，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌隨著時(shí)間延長殺菌效果增強(qiáng)，在1 h左右達(dá)到峰值；銅綠假單胞菌達(dá)到峰值時(shí)間比大腸桿菌和金黃色葡萄球菌延遲0.5 h。氧化鎵濃度為20 μmol·L-1時(shí)，1.5 h內(nèi)可殺死98.53%的大腸桿菌、95.00%的金黃色葡萄球菌和93.35%的銅綠假單胞菌。

3結(jié)論

采用簡單的水熱法制備了氧化鎵并研究了其抗菌性能。結(jié)果表明，所制備的氧化鎵為長2 μm、寬1 μm、厚300 nm的棒狀結(jié)構(gòu)。所制備的氧化鎵在較低濃度下對大腸桿菌、銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌都表現(xiàn)出較好的抗菌效果。所制備的氧化鎵納米顆粒可以添加到各種原料中制備各種抗菌材料，具有一定的潛在應(yīng)用價(jià)值。

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Study on Preparation and Antibacterial Activities of Nano-gallium oxide

MA Chao,LI Yu-xing,LAI Yong-qin,LI Xue-ru

(SchoolofLifeScienceandEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract：The presoma GaOOH was prepared via hydrothermal method,and then heated at 600 ℃ for 3 h to form Nano-gallium oxide.The structure and morphology of gallium oxide were characterized by scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM) and X-ray spectroscopy(EDS).E.coli,S.aureus and P.aeruginosa were selected as model microorganisms for antibacterial test of gallium oxide.At the concentration of 20 μmol·L-1 gallium oxide solution,the antibacterial rate towards E.coli,S.aureus and P.aeruginosa were 98.53%,95.00% and 93.35%,respectively within 1.5 h.

Keywords：gallium oxide；preparation；antibacterial activity