樹枝狀介孔二氧化硅的制備及其負(fù)載納米銀的抗菌性

黃連根，鄭玉嬰

(福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350108)

多孔二氧化硅不僅擁有比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性好、生物相容性好、孔徑大小可調(diào)控[1-2]等特點，還可以在其孔道中容納大量的客體分子，比如生物醫(yī)藥、無機納米粒子等[3-4]。因此，已被廣泛應(yīng)用于催化、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境能源、載體，支架等領(lǐng)域。目前介孔二氧化硅的主要合成方法有溶膠-凝膠法、水熱法等。

近幾年來學(xué)術(shù)界致力于研究多孔二氧化硅納米材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能的可控性；如粒子大小、粒子形狀、孔隙結(jié)構(gòu)、大的比表面積、生物相容性好、易于功能化等[5-7]。這些精細(xì)結(jié)構(gòu)，往往能直接影響其物理化學(xué)性能，性能又決定了用途，因此對納米二氧化硅精細(xì)結(jié)構(gòu)的調(diào)控十分有意義。Polshettiwar[8]等在微乳液系統(tǒng)下，用環(huán)己烷為油相、正戊醇為共溶劑，用溴代十六烷基吡啶(CPB)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)做模板劑在微波水熱法下合成了纖維狀的納米二氧化硅粒子。張坤等[9]用溶膠-凝膠法，以十六烷基三甲基對甲基苯磺酸銨鹽(CTATos)為模板劑、小分子的有機胺類做催化劑，大規(guī)模的合成了單分散的星射狀孔道的介孔二氧化硅。趙東元等[10]在微乳液系統(tǒng)下通過調(diào)節(jié)疏水油相的類型和油相中正硅酸乙酯濃度(TEOS)來實現(xiàn)對孔道孔徑大小的調(diào)控，從而合成了樹枝狀介孔二氧化硅。

如今，納米銀因其超高的比表面積和表面活性和導(dǎo)電率以及抗菌性已經(jīng)被廣泛被應(yīng)用作催化劑材料、防靜電材料、低溫超導(dǎo)材料和醫(yī)用抗菌材料[11-13]。本研究以正硅酸乙酯為硅源(TEOS)，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)做模板劑，氨水做催化劑，采用溶膠-凝膠法在乙醚、水、乙醇的共同作用下合成樹枝狀介孔二氧化硅，并探究不同條件對二氧化硅微球形貌以及性能的影響，從而推理出可能的生成機理。通過對介孔二氧化硅的修飾，原位化學(xué)還原在樹枝狀二氧化硅孔道及其外表面負(fù)載上納米銀，并測試其抗菌性能。

1 實驗材料與方法

1.1 主要原料及儀器

正硅酸乙酯(TEOS，AR)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30，GR)、牛肉浸膏，以上試劑購自天津市福晨化學(xué)試劑廠；氨水(25%～28%)、乙醇(AR)、乙醚(AR)、甲苯(AR)、鹽酸(36%～38%)，以上試劑購自天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；硼氫化鈉(AR)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES，98%)、硝酸銀(AR)以上試劑購自麥克林；瓊脂粉購自天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；蛋白胨購自北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；所有實驗使用去離子水。

1.2 樹枝狀介孔二氧化硅的制備

在室溫下將0.5g的CTAB溶解在70mL的去離子水中，再加入20mL的乙醚、10mL的乙醇和一定量的氨水，磁力攪拌；30min后將2.5mL的TEOS和一定量的APTES滴加入并攪拌4h；4h后加入一定量的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH使得溶液的pH為7，再次攪拌15min。然后將所得的溶液離心分離，分別用乙醇、去離子水洗滌3次，最后于60℃下干燥6h。

1.3 APTES改性樹枝狀介孔二氧化硅

取500mg的樹枝狀介孔二氧化硅分散在50mL的甲苯中超聲1h；取圓底燒瓶，將上述二氧化硅分散液加入燒瓶中而后滴加入2mL的APTES，85℃下回流磁力攪拌15h；然后離心、分離、洗滌、干燥。

1.4 納米銀負(fù)載樹枝狀介孔二氧化硅

配制0.002mol·L-1的硝酸銀溶液、0.005mol·L-1的硼氫化鈉溶液備用；取介孔二氧化硅40mg將其分散在20mL的乙醇當(dāng)中，超聲90min；取20mL新制的硝酸銀溶液加入到上述的乙醇溶液中，室溫下遮光反應(yīng)2h[14]。2h后將4mg的PVP-K30分散到10mL的去離子水中[15]，然后逐滴加入到反應(yīng)溶液中，攪拌30min；然后取10mL新制的硼氫化鈉溶液滴加入到反應(yīng)溶液中。滴加完后立即離心，并且用乙醇和去離子水各洗滌3次；最后冷凍干燥15h。

1.5 抗菌實驗

最低抑菌濃度(MIC)測試：取新鮮的大腸桿菌(E.coli)懸濁液，將其稀釋到濃度為1.5×108CFU/mL(根據(jù)經(jīng)驗，細(xì)菌懸濁液在600nm波長(OD600)處的紫外吸光值為0.5時，細(xì)菌懸濁液的濃度為1.5×108CFU/mL)。取一定量的樣品，制備一系列濃度的樣品溶液和一組空白溶液。取1mL稀釋過的細(xì)菌懸濁液和1mL一定濃度的樣品溶液以及98mL的液體培養(yǎng)基NB將三者分別加入錐形瓶。細(xì)菌液懸浮液最后的濃度為1.5×106CFU/mL，樣品溶液最后的濃度為10，20，30，40，50，60，80mg·L-1以及一組空白的對照樣。將上述的混合液在37℃下?lián)u床培養(yǎng)24h。每隔一段時間測試其OD600的值。而24h后混合液的OD600不再變化的最小濃度就是最低抑菌濃度MIC。

最小殺菌濃度(MBC)測試：取上述24h后OD600不再改變的幾組混合液均勻的涂到固體培養(yǎng)基中，放在37℃的恒溫箱中繼續(xù)培養(yǎng)24h，觀察菌落的生長情況。沒有菌落生長的最小濃度即為最小殺菌濃度MBC。

1.6 表征

用FE-SEM,SUPRA 55熱場發(fā)掃描電子顯微鏡和JEM-100CXII透射電子顯微鏡觀察樣品形貌；用ULTIMA ⅢX射線衍射儀測定樣品，X射線源為銅靶，掃描范圍2θ為5°～90°，掃描速率為5 (°)/min；用3flex比表面孔徑分析儀測試樣品，測試前在60℃下脫氣8h，樣品比表面由BET法算得。用UV-1800紫外分光光度計測試抗菌實驗中混合液的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件對二氧化硅微球的影響

表1列出了二氧化硅微球制備過程中藥品的添加量以及對應(yīng)粒徑的大小，通過控制藥品的單一變量以研究該藥品在反應(yīng)過程中所發(fā)揮的作用。

2.1.1 乙醚對二氧化硅微球的影響

圖1(a)，圖2(a)分別為沒有加入乙醚制備得的二氧化硅微球SEM，TEM照片。當(dāng)沒有乙醚參與反應(yīng)時，生成的SiO2微球只有80～100nm，且表面孔徑很小，微球內(nèi)的孔呈無序狀態(tài)。圖1(c),(d),(e)SEM照片是加入乙醚后制備得的二氧化硅微球，相較于圖1(a)，該微球粒徑增大，表面孔徑也增大不少。在乙醚條件下制備的SiO2微球內(nèi)部存在有序的介孔孔道，其由內(nèi)往外不斷增大，如圖2(b)；這與杜鑫[16]所闡述的動態(tài)乙醚乳液系統(tǒng)原理一致：在室溫攪拌下受TEOS水解反應(yīng)放熱的影響，沸點只有34.6℃的乙醚受熱在反應(yīng)體系內(nèi)氣化，氣化過程中乙醚氣體逃逸促成樹枝狀孔道生成。

表1 二氧化硅制備配方以及微球粒徑大小Table 1 Preparation formula and particle size of silica

2.1.2 APTES的加入量對二氧化硅微球的影響

沒有加入APTES制備的二氧化硅微球雖有介孔孔道生成，但呈一種扁平的囊泡狀，如圖1(b)所示。加入APTES后制備的二氧化硅從扁平囊泡狀變成球狀，有良好的單分散性，并且在微球的表面能明顯地看到介孔，如圖1(c),(d),(e)。圖2(b)樹枝狀介孔孔道的生成是因為乙醚的逃逸使得二氧化硅微球在生成的過程中內(nèi)部塌陷，加入APTES后，其含硅氧烷一端參與水解，含有氨基親油端伸入膠束內(nèi)，當(dāng)乙醚逃逸時其能起到彌補、支撐作用，從而減少因乙醚逃逸所產(chǎn)生的塌陷和變形。APTES的加入量對二氧化硅微球的單分散性、粒徑和孔徑的影響很大。隨著APTES量的增加，微球的粒徑不斷增加，單分散性不斷提高，表面孔徑不斷減小。

圖2 樣品1(a)和樣品4(b)的TEM照片F(xiàn)ig.2 TEM images of sample 1(a) and sample 4(b)

微球粒徑的增大和單分散性的提高得益于APTES的端氨基(—NH2)，雖然此端氨基呈弱堿性，但也能誘發(fā)親核反應(yīng)(二氧化硅水解反應(yīng))[17]。當(dāng)APTES的量增加，端氨基的數(shù)目也相應(yīng)地增加，效果和增加氨水的量是類似的，故而二氧化硅微球的粒徑增大、單分散性增加；而微球孔道變窄，是因為隨著APTES量的增大，能夠彌補乙醚逃逸的分子數(shù)目就變多，因此坍塌變形的程度下降，孔道變窄。

2.1.3 生成機理

分子堆積參數(shù)P=V/(a·l)[18]，其中P為分子堆積參數(shù)，V為表面活性劑親油端所占的有效體積，a為表面活性劑的親水端所占的有效面積，l為親油鏈端的有效長度。

圖3為該樹枝狀介孔二氧化硅生成機理。乙醇的加入使得水和乙醚相互的溶解性增加，達(dá)到增溶的效果，使得CTAB的親水鏈端的有效面積減少，因而V/a的值增大，P值也相應(yīng)增大，這會使得1/2

圖3 樹枝狀介孔二氧化硅生成機理Fig.3 Formation mechanism of dendritic mesoporous SiO2

2.2 BET分析

圖4是4號樣品的N2吸附-脫附等溫線和孔徑分布曲線。其N2吸附脫附曲線類似于Ⅳ型。觀察圖4(a)，在較低相對壓力下的輕微凸起是介孔表面的單分子層吸附引起的；相對壓力在0.4時發(fā)生轉(zhuǎn)折。并且在0.4～0.9之間有一個明顯吸附脫附滯后回環(huán)，這是典型的介孔發(fā)生毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象所致。當(dāng)相對壓力大于0.9時再次發(fā)生突躍，這說明了樣品中還存在更大的孔。圖4(b)在3.8nm左右有一個尖銳的峰，在45～60nm左右有一個寬峰，說明該樣品的孔徑分布較窄且集中在3.8nm，并且還有相當(dāng)一部分孔的孔徑在50nm左右，這與N2吸附-脫附等溫線相吻合而且也與SEM，TEM照片相印證。該樣品的比表面積為620.95m2·g-1，孔容為0.70cm3·g-1。

圖4 4號樣品的比表面孔徑分析 (a)N2吸附-脫附等溫線；(b)孔徑分布曲線Fig.4 Specific surface and pore size analysis of sample 4 (a)N2 adsorption-desorption isotherm curves;(b)pore size distribution curves

2.3 樹枝狀介孔二氧化硅負(fù)載納米銀

2.3.1 SEM形貌分析

圖5為4號樣品負(fù)載納米銀SEM照片和TEM照片。圖5(a)的白色顆粒和圖5(b)的黑色顆粒均為納米銀，說明納米銀成功負(fù)載到二氧化硅上。通過EDS分析可知該樣品銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

圖5 樹枝狀介孔二氧化硅負(fù)載納米銀的SEM(a)和TEM(b)照片F(xiàn)ig.5 SEM(a) and TEM(b) images of dendritic mesoporous SiO2 loaded nano Ag

2.3.2 XRD分析

圖6為樹枝狀介孔二氧化硅負(fù)載納米銀前、后的XRD譜圖。曲線a，b在2θ=23.06°處的強峰為二氧化硅的特征峰。相較于曲線b，曲線a在38.13°，46.16°，64.40°，77.39°存在特征峰，這與銀的JCPDS卡片04-0783一致。兩條曲線均無其他雜峰出現(xiàn)，說明該樣品純度高，銀元素以單質(zhì)的形式存在。

圖6 二氧化硅和二氧化硅負(fù)載納米銀的XRD譜圖Fig.6 XRD spectra of SiO2 and SiO2 loaded nano Ag

2.3.3 抗菌性能分析

圖7為不同濃度樣品的MIC曲線。圖中空白組樣品隨著時間的推移細(xì)菌懸濁液的濃度不斷增大，而其他組樣品在2～6h的細(xì)菌懸濁液的OD600幾乎為0，濃度幾乎沒有增加。表明二氧化硅負(fù)載納米銀的確有抗菌功效。隨著時間推移濃度在40mg·L-1以下的樣品的細(xì)菌濃度不斷增加，24h后細(xì)菌濃度增長到和空白組一樣的水平；而濃度≥50mg·L-1的樣品的細(xì)菌濃度在24h內(nèi)幾乎不變，故而可以斷定該樣品的MIC在40～50mg·L-1，又因為該樣品銀的含量為8%，因此該樣品中銀的MIC在3.16～3.95mg·L-1

圖7 不同濃度二氧化硅負(fù)載納米銀MIC曲線Fig.7 MIC curves of SiO2 loaded nano Ag at differentconcentrations

圖8為不同濃度樣品的MBC實驗，經(jīng)過24h的繁殖40，50，60mg·L-1的樣品都有細(xì)菌菌落產(chǎn)生；唯獨80mg·L-1濃度的樣品沒有細(xì)菌菌落產(chǎn)生,故而可以認(rèn)定MBC為80mg·L-1，因此該樣品中銀的MBC為6.32mg·L-1。直徑為7nm的純銀，對大腸桿菌的MIC和MBC分別為6.5mg·L-1和12.5mg·L-1[21]；本文樣品中銀的MIC在3.16～3.95mg·L-1，MBC為6.32mg·L-1，抗菌效果高于純納米銀。

圖8 不同濃度樣品MBC實驗 (a)40mg·L-1；(b)50mg·L-1；(c)60mg·L-1；(d)80mg·L-1Fig.8 MBC experiment of different concentration samples (a)40mg·L-1;(b)50mg·L-1;(c)60mg·L-1;(d)80mg·L-1

3 結(jié)論

(1)二氧化硅是在協(xié)同作用理論、電荷密度匹配機理、和分子堆積理論的共同作用下往球形發(fā)展的；而樹枝狀孔道的生成是得益于乙醚的逃逸和硅烷結(jié)構(gòu)助劑的加入。APTES的加入彌補乙醚逃逸帶來的坍塌，并且其端氨基能夠起到催化的作用有利于二氧化硅微球單分散性的增加和球形狀態(tài)的維持。

(2)樹枝狀介孔二氧化硅是不具備抗菌效果的，當(dāng)負(fù)載上納米銀后抗菌效果明顯提升；該樣品中銀對大腸桿菌的MIC在3.16～3.95mg·L-1，MBC為6.32mg·L-1，均低于純納米銀。也就是說本文制備的二氧化硅負(fù)載納米銀的抗菌效果大于純銀的抗菌效果，因此可降低抗菌成本，在抗菌領(lǐng)域上具有很大的前景。