負(fù)載銀納米簇功能紙的制備及其抗菌性能研究

成德華 王緒美 馬慶雪 郭艷玲 解洪祥

（天津科技大學(xué)理學(xué)院，天津，300457）

隨著人們對(duì)由微生物引起的疾病傳播和交叉感染的防護(hù)意識(shí)日益增強(qiáng)，抗菌材料在許多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越重要，如抗菌防護(hù)服、抗菌包裝材料等[1-5]。制備抗菌材料的一種通用方法是將抗菌劑引入到材料中，其中，銀納米粒子因其顯著的抗菌活性而備受關(guān)注[6-9]。銀具有廣譜抗菌活性[10-11]，其可通過與細(xì)菌蛋白質(zhì)或酶的巰基相互作用使細(xì)菌失活[12]。銀納米粒子釋放的銀離子可與DNA 中的磷部分相互作用，導(dǎo)致DNA 復(fù)制失活。據(jù)報(bào)道，銀納米粒子的抗菌活性高度依賴于顆粒大小[13]。當(dāng)銀納米粒子的粒徑減小時(shí)，會(huì)使得粒子的可遷移性和比表面積增加，從而增大與細(xì)菌的相互作用，進(jìn)而有助于提高抗菌活性[14]。另外，小尺寸的銀納米粒子可以附著并穿透細(xì)胞膜，改變細(xì)胞的通透性和呼吸作用，并對(duì)細(xì)胞內(nèi)的生物分子（如基因組DNA）造成進(jìn)一步的損傷[15]。

銀納米簇由幾十個(gè)銀原子組成，直徑一般小于2 nm。在該尺寸下，銀納米簇的能帶結(jié)構(gòu)不連續(xù)，是離散的能級(jí)，因此，銀納米簇具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如熒光特性，大粒徑的銀納米粒子則不具備該性能[16-18]。此前，銀納米簇已被廣泛研究用于生物傳感[19]、生物成像[20-21]和疾病診斷[22]，但對(duì)銀納米簇抗菌應(yīng)用的探索非常有限。與大于10 nm 的銀納米粒子相比，超小尺寸的銀納米簇具有比表面積大、局部表面銀濃度高、遷移率高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)增強(qiáng)了銀納米簇的抗菌能力，因此，相比于銀納米粒子，銀納米簇具有更強(qiáng)的抗菌能力[23-24]。

本研究在功能性紙上原位合成銀納米簇，并對(duì)制得的負(fù)載銀納米簇功能紙的抗菌性能進(jìn)行了分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑及儀器

材料及試劑：漂白硫酸鹽桉木漿和漂白硫酸鹽針葉木漿由山東泰安百川紙業(yè)有限公司提供；丙烯酸（AA，分析級(jí)）和硝酸鈰銨（分析級(jí)）購于百靈威試劑公司；硝酸銀（分析級(jí)）購于邁瑞爾化學(xué)試劑公司；其他化學(xué)試劑均為分析級(jí)，未經(jīng)進(jìn)一步純化。

實(shí)驗(yàn)儀器：RF-5301PC 分光光度計(jì)（日本島津）；X 射線光電子能譜儀（美國）；FT-IR-650 傅里葉變換紅外光譜儀（天津港東科技開發(fā)有限公司）；RK-ZAKWT 紙頁成型器（奧地利PTI公司）；SE070E 紙張白度測(cè)定儀、SE062 抗張強(qiáng)度測(cè)定儀、260 紙漿疏解機(jī)（瑞典L&W公司）。

1.2 纖維素接枝聚丙烯酸

將13 g漂白硫酸鹽桉木漿（含水率69%）分散于320 mL的2.5×10-3mol/L HNO3溶液中，在55℃條件下攪拌1 h，冷卻至30℃，通N230 min，加入1.0 g 硝酸鈰銨，攪拌15 min 后再加入80 g 丙烯酸，繼續(xù)在N2保護(hù)下反應(yīng)5 h，然后加入600 mL 清水終止反應(yīng)。對(duì)所得產(chǎn)物反復(fù)用清水清洗10 次以除去游離的聚丙烯酸及無機(jī)鹽，此過程用布袋過濾，最后得到含水率為69%的聚丙烯酸接枝的纖維素（Cel-PAA）。接枝率（G）按公式（1）計(jì)算。

式中，Wo和Wg分別為接枝前后紙漿的干質(zhì)量。

1.3 負(fù)載銀納米簇紙漿的制備

將6.5 g 聚丙烯酸接枝的纖維素分散于400 mL 去離子水中，加入10 mL 氫氧化鈉溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%），使體系的pH 值在7～8 之間。然后向體系中加入100 mg 硝酸銀，在無光條件下攪拌30 min 以確保H質(zhì)子和Ag(I)之間充分的離子交換，然后用去離子水清洗固體組分以去除水中游離的銀離子，最后稀釋至0.5%的濃度，用254 nm 波長(zhǎng)紫外燈距離10 cm 照射反應(yīng)溶液一定時(shí)間后制得負(fù)載銀納米簇紙漿。

1.4 負(fù)載銀納米簇功能紙的制備

將按一定質(zhì)量比混合的負(fù)載銀納米簇紙漿和漂白硫酸鹽針葉木漿加入到2 L 去離子水中，在10000 r/min 下打漿15 min，將混合物減壓抽濾并壓平以獲得濕紙幅，然后在減壓條件下將濕紙幅在90℃下干燥10 min，制得負(fù)載銀納米簇功能紙。

1.5 性能表征

利用RF-5301PC分光光度計(jì)對(duì)干燥樣品進(jìn)行熒光光譜測(cè)試，以確定是否成功制備銀納米簇；利用X射線光電子能譜（XPS）對(duì)干燥的負(fù)載銀納米簇的纖維素漿進(jìn)行X 射線光電子能譜分析，以確定銀的價(jià)態(tài)；利用FT-IR 測(cè)試干燥樣品的紅外光譜圖，測(cè)試溫度為25°C溫度，紅外光譜記錄范圍為400～4000 cm-1。

1.6 紙張物理性能檢測(cè)

將所得紙樣在常溫環(huán)境下平衡水分24 h，然后對(duì)其物理性能進(jìn)行檢測(cè)。白度按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2804—2006 測(cè)試；抗張指數(shù)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12914—2018測(cè)試。

1.7 抗菌實(shí)驗(yàn)

測(cè)試負(fù)載銀納米簇功能紙對(duì)革蘭氏陽性葡萄球菌和革蘭氏陰性大腸桿菌的抑制性能。選擇LB 肉湯作為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的營養(yǎng)液，在培養(yǎng)箱中37℃條件下培養(yǎng)14 h。將10 μL 細(xì)菌接種物添加到1.0 mL 去離子水中以獲得106～107菌落形成單位（CFU）的細(xì)菌懸浮液。然后對(duì)直徑約為1 cm 的不同載銀纖維素漿含量的紙樣進(jìn)行抗菌評(píng)價(jià)。在抗菌評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)樣品進(jìn)行紫外線消毒，放置在1個(gè)瓊脂平板上，上面鋪上200 μL 的細(xì)菌懸浮液。然后在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，最后根據(jù)抑菌圈來評(píng)估紙樣的抑菌效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 負(fù)載銀納米簇紙漿的表征

為了在纖維素上原位生長(zhǎng)銀納米簇，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將聚丙烯酸接枝在纖維素上，目的是使得纖維素表面含有豐富的羧基結(jié)構(gòu)。因?yàn)楦鶕?jù)文獻(xiàn)報(bào)道[25-27]，聚丙烯酸是生成銀納米簇良好的模板劑，其豐富的羧基結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定銀納米簇，阻止其進(jìn)一步發(fā)生團(tuán)聚。本研究所用聚丙烯酸改性纖維素的方法參考了文獻(xiàn)[28]的報(bào)道，接枝率達(dá)7.5%。纖維素接枝聚丙烯酸前后的紅外光譜圖如圖1 所示。由圖1 可知，接枝后的纖維素在1735 cm-1處出現(xiàn)了一條新的吸收帶，為碳氧雙鍵的伸縮振動(dòng)峰，證明聚丙烯酸接枝在了纖維素上。得到聚丙烯酸接枝的纖維素后，在其表面通過光誘導(dǎo)還原法原位制備銀納米簇。首先將聚丙烯酸改性纖維素分散于AgNO3水溶液（1.5 mmol/L，pH 值= 7～8）中0.5 h，其目的是使纖維素表面羧基充分與Ag(I)進(jìn)行離子交換，然后從水溶液中分離出含Ag(I)前體的纖維素，再用蒸餾水沖洗幾次后，將其重新分散在水中，以去除游離的Ag(I)，然后將溶液置于波長(zhǎng)為254 nm 紫外燈下照射，將纖維素上的Ag(I)離子還原為Ag 原子，最終得到負(fù)載銀納米簇紙漿，其紅外光譜如圖1 所示；與聚丙烯酸接枝的纖維素的紅外光譜圖相比，負(fù)載銀納米簇紙漿在1560 cm-1處出現(xiàn)了一條新的吸收帶，1735 cm-1的吸收帶變?nèi)?，分析原因是由于羧基與銀的相互作用所引起。

圖1 不同纖維素的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR of different cellulose pulps

圖2 負(fù)載銀納米簇紙漿的熒光激發(fā)和發(fā)射譜圖Fig.2 Fluorescence excitation and emission spectra of cellulose pulp loaded with silver nanoclusters

圖3 負(fù)載銀納米簇紙漿的Ag 3d區(qū)域XPS譜圖Fig.3 XPS spectrum of Ag 3d area of cellulose pulp loaded with silver nanoclusters

圖2 為經(jīng)紫外燈下照射10 min 后負(fù)載銀納米簇紙漿的熒光激發(fā)和發(fā)射譜圖，其中的熒光發(fā)射譜圖為扣除背景干擾的熒光譜圖。圖2結(jié)果表明，最佳激發(fā)波長(zhǎng)為355 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為555 nm，發(fā)射帶分布在400～700 nm 范圍內(nèi)。說明在聚丙烯酸接枝的纖維素表面通過光誘導(dǎo)還原法形成了銀納米簇。圖3為經(jīng)紫外照射10 min 后負(fù)載銀納米簇紙漿的XPS 譜圖，圖3顯示出了金屬Ag 原子的典型能量值，表明Ag(I)離子被還原為Ag 原子[29]。為進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件，本研究進(jìn)一步分析了輻照時(shí)間對(duì)熒光強(qiáng)度的影響。圖4為在波長(zhǎng)為254 nm 紫外光照射5、10、15、30 min 條件下所得負(fù)載銀納米簇紙漿樣品的熒光譜圖，為扣除背景干擾的顯示結(jié)果。從圖4可知，當(dāng)光照時(shí)間為10 min時(shí)，峰值強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨著光照時(shí)間的增加，銀納米簇的尺寸會(huì)不斷增大，進(jìn)而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低[25,30]，結(jié)果表明較優(yōu)光照時(shí)間為10 min，表明在此條件下，成功將銀納米簇被負(fù)載在聚丙烯酸接枝的纖維素上。

2.2 負(fù)載銀納米簇功能紙的性能

圖4 光照時(shí)間對(duì)負(fù)載銀納米簇紙漿熒光發(fā)射譜圖的影響Fig.4 Effect of illumination time on the fluorescence emission of cellulose pulp loaded with silver nanoclusters

在制得負(fù)載銀納米簇紙漿后，進(jìn)一步探索了基于該材料制備負(fù)載銀納米簇功能紙的方法及紙張性能。以負(fù)載銀納米簇紙漿和漂白硫酸鹽針葉木漿按照一定比例混合抄紙，負(fù)載銀納米簇紙漿占漿的總質(zhì)量分別為40%、30%、20%、10%、0，共制得4 個(gè)負(fù)載銀納米簇功能紙樣品和1 個(gè)空白紙樣品。圖5 為不同負(fù)載銀納米簇紙漿含量功能紙的熒光發(fā)射譜圖。由圖5 可知，雖然經(jīng)歷了“打漿-抽濾-真空加熱干燥”的造紙工藝流程，成紙后的銀納米簇的熒光性質(zhì)仍然保留，說明負(fù)載于聚丙烯酸接枝紙漿上的銀納米簇具有較好的穩(wěn)定性，這主要是由于接枝的聚丙烯酸對(duì)銀納米簇起到良好的保護(hù)和穩(wěn)定作用。另外，對(duì)所得紙張進(jìn)行了抗張強(qiáng)度和白度測(cè)試，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可知，隨著負(fù)載銀納米簇紙漿含量的增加，紙張的抗張指數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減小趨勢(shì)，相比于其他比例，紙張中含有10%載銀納米簇紙漿時(shí)，其抗張指數(shù)最優(yōu)為39.3 N·m/g，原因可能是接枝的聚丙烯酸與纖維素綜合作用的結(jié)果，接枝的聚丙烯酸有利于抗張指數(shù)增加，但當(dāng)長(zhǎng)纖維含量大量減少時(shí)，總體強(qiáng)度仍體現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。負(fù)載的銀納米簇對(duì)紙張白度也有一定影響，結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載銀納米簇紙漿含量為40%時(shí)，紙張白度由81.5%減少至74.4%，說明負(fù)載銀納米簇后的紙張仍具有良好的白度。

2.3 負(fù)載銀納米簇功能紙的抗菌評(píng)價(jià)

圖5 不同負(fù)載銀納米簇紙漿含量功能紙的熒光發(fā)射譜圖Fig.5 Fluorescence spectra of functional paper with different content of silver-loaded cellulose pulp

圖6 不同負(fù)載銀納米簇紙漿含量功能紙的白度與抗張指數(shù)Fig.6 Whiteness and tensile index of functional paper with different content of silver-loaded cellulose pulp

對(duì)負(fù)載銀納米簇功能紙進(jìn)行了抗菌性能評(píng)價(jià)?？咕u(píng)價(jià)選擇的菌群對(duì)象為革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌。測(cè)試結(jié)果如圖7 所示，其中圖7(a)、圖7(c)使用的是革蘭氏陽性金黃葡萄球菌，圖7(b)、圖7(d)使用的是革蘭氏陰性大腸桿菌。圖7中無負(fù)載銀納米簇紙漿的紙張樣品（負(fù)載銀納米簇紙漿含量為0）和含有銀離子的紙張樣品（即Ag+紙張）作為對(duì)照，其中Ag+紙張是未經(jīng)光照負(fù)載銀納米簇紙漿含量為10%的紙樣。對(duì)于這兩種細(xì)菌，4 個(gè)紙張樣品（負(fù)載銀納米簇紙漿含量10%、20%、30%、40%）表現(xiàn)出相似的抗菌活性，而不含銀的紙張樣品則沒有抗菌活性。與Ag+紙張相比，含10%的負(fù)載銀納米簇紙漿的紙張樣品表現(xiàn)出更好的抗菌活性，抑菌圈直徑為14 mm。這可能是由于銀納米簇比表面積大、表面能較高所致。因此，含量10%的負(fù)載銀納米簇紙漿的紙張樣品是一種理想的抗菌材料。

圖7 不同負(fù)載銀納米簇紙漿含量功能紙的抗菌活性照片F(xiàn)ig.7 Antibacterial activity photos of functional paper with different content of silver-loaded cellulose pulp

3 結(jié) 論

本研究通過聚丙烯酸接枝改性纖維素，然后利用光誘導(dǎo)還原法在聚丙烯酸接枝的纖維素上原位生成負(fù)載銀納米簇纖維素，并將此負(fù)載銀納米簇紙漿與漂白硫酸鹽針葉木漿按一定比例混合，制得負(fù)載銀納米簇的功能紙，進(jìn)一步研究了該功能紙的物理性能和抗菌性能。

3.1 在聚丙烯酸接枝的纖維素表面通過光誘導(dǎo)硝酸銀還原的方法，能夠得到熒光發(fā)射性能良好的負(fù)載銀納米簇紙漿。

3.2 負(fù)載銀納米簇后的紙張白度隨負(fù)載銀納米簇紙漿含量的增加而略有降低，但仍保持了較好白度。當(dāng)紙張中含有10%的負(fù)載銀納米簇紙漿時(shí)，其抗張指數(shù)最優(yōu)為39.3 N·m/g。

3.3 負(fù)載銀納米簇功能紙展現(xiàn)出優(yōu)越的抗菌性能，負(fù)載銀納米簇紙漿含量10%時(shí)即達(dá)到良好抑菌效果，抑菌圈直徑為14 mm。