共沉淀法合成ZnMoO4粉體及其抗菌性能

劉 欣，唐燕超，劉 芳，李家科

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，在物質(zhì)文化生活得到極大改善的今天，健康成為了人們密切關(guān)注的話題之一。然而，細菌無處不在、無孔不入，它們能通過多種途徑進入人體，并在體內(nèi)繁殖，從而威脅人的健康[1]。利用抗菌材料來殺死或抑制有害細菌的生長、繁殖是提高人類健康水平的有效措施之一。自然界有許多物質(zhì)本身就具有良好的殺菌或抑制微生物的功能，如部分帶有特定基團的有機化合物,一些無機非金屬材料及其化合物、部分礦物質(zhì)等[2-3]。由于天然抗菌劑存在加工工藝較復(fù)雜、耐熱性差或使用壽命短等缺點，所以，目前抗菌材料更多的是通過添加人工合成的抗菌物質(zhì)(亦稱抗菌劑)，使材料具有抑制或殺滅表面細菌能力，如抗菌粉體、抗菌涂層、抗菌陶瓷、抗菌金屬、抗菌塑料等[4-5]。

抗菌材料通?？煞譃閮纱箢悾簾o機抗菌材料和有機抗菌材料[6-8]。無機抗菌材料大多是利用銀、銅、鋅等金屬離子的抗菌能力，通過一定的方法將這些金屬離子固定在硅膠、氟石等多孔材料的表面制成抗菌劑，最后將這些抗菌劑引入到相應(yīng)的制品中，從而獲得具有抗菌能力的材料，其中銀抗菌材料的抗菌能力最佳，但由于銀成本較高，使之在更大范圍的應(yīng)用受到一定制約。有機抗菌材料主要有：酚類、苯并咪唑類、香草醛類化合物等。

鉬酸鋅(ZnMoO4)是一種重要的功能材料，具有優(yōu)越的光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)，在電極電池、化學(xué)催化、熒光材料、聚合物阻燃抑煙、閃爍探測及抗菌材料等方面具有良好的應(yīng)用前景[9-12]。唐蓓蓓等[13]采用水熱法制備ZnMoO4，再添加石墨和導(dǎo)電碳，利用噴涂法制得鉬酸鋅、鉬酸鋅-石墨和鉬酸鋅-導(dǎo)電碳對電極材料，用于制備染料敏化太陽能電池，獲得較高的電池效率。Zhang等[14]以鉬酸鋅、g-C3N4為主體和修飾材料，制備新型復(fù)合光催化劑，發(fā)現(xiàn)水熱合成條件對復(fù)合材料的光催活性影響較大。呂偉等[15]采用水熱法制備了形貌可控的ZnMoO4微晶，并對其光致發(fā)光性能進行了研究；Keereeta等[16]運用微波水熱法合成ZnMoO4，研究了各形態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和性能差異。目前關(guān)于ZnMoO4的研究主要集中在光電性能方面，而作為抗菌材料方面的研究報道較少。因此，開展鉬酸鋅的制備及其抗菌性能方面的研究具有重要理論價值和應(yīng)用價值。本文以六水合硝酸鋅、四水合鉬酸銨為主要原料，采用共沉淀法合成鉬酸鋅，以培養(yǎng)的大腸桿菌為消殺對象，研究了不同熱處理溫度對合成鉬酸鋅的物相組成和形貌的影響，考察了抗菌粉體及其涂層的抗菌性能，并對制備工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗所用原料主要有：四水合鉬酸銨((NH4)6Mo7O24·4H2O)和六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)，二者均為分析純；實驗用水為去離子水。

1.2 試樣制備

配制濃度為1 mol/L的Zn(NO3)2溶液50 mL，標(biāo)為溶液A； 配制濃度為0.15 mol/L的 (NH4)6Mo7O24溶液50 mL，標(biāo)為溶液B。在磁力攪拌下，將溶液B緩慢加入溶液A，混合完成后持續(xù)攪拌1 h，然后靜置24 h后抽濾、洗滌、干燥得到淺黃色沉淀物即為前驅(qū)體。最后將前驅(qū)體在適當(dāng)溫度(分別為：400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃)下熱處理30 min即得到試樣。

1.3 性能表征

采用X射線衍射儀(D8-Advance型)表征試樣的物相組成；采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JSM-6700LV型)表征試樣的微觀形貌；采用大腸桿菌為消殺菌種檢測試樣的抗菌性能。

1.3.1 定性抗菌測定

(1)大腸桿菌的培養(yǎng)：在乳糖蛋白胨液態(tài)培養(yǎng)基中進行大腸桿菌接種，然后在生化培養(yǎng)箱中于37 ℃條件下培養(yǎng)24 h，得到所需大腸桿菌菌液(濃度：1.6×104cfu/mL)。

(2)抗菌環(huán)實驗試樣制備：將ZnMoO4粉體加入適量黏結(jié)劑造粒，用模具壓制成厚約3 mm、直徑約5 mm坯體，在一定溫度下進行熱處理后即得到試樣。為了對比，用黏土原料制備對照組試樣。

(3)定性抗菌測定：將抗菌片置于培養(yǎng)皿底部，然后倒入30 mL大腸桿菌菌液，靜置24 h后觀察抗菌情況。

1.3.2 定量抗菌測定

取上述定性測試后的菌液0.5 mL在牛肉膏蛋白胨瓊脂固態(tài)培養(yǎng)基上培養(yǎng)，采用平板涂布法操作[17]，在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，然后對培養(yǎng)皿進行拍照，借助電腦放大、人工計數(shù)的方法得到菌落數(shù)，根據(jù)固態(tài)培養(yǎng)基上生長的菌落數(shù)評價其抗菌性能。

1.3.3 涂層試樣制備及其抗菌性能測定

(1)稱取一定量商用涂料料漿置于燒杯，按照涂料質(zhì)量的5%加入ZnMoO4粉體，經(jīng)過充分攪拌后，即得到抗菌涂料料漿。

(2)將基片洗凈、烘干、滅菌。將上述制備好的抗菌涂料料漿均勻涂覆在基片上(基片規(guī)格：45 mm×45 mm)，自然干燥24 h，即得到抗菌涂層試樣(涂層厚度約1 mm)。

(3)將涂層試樣放置在培養(yǎng)皿中，然后倒入大腸桿菌培液(濃度：1.6×104cfu/mL)30 mL，然后靜置24 h。

(4)涂層試樣的抗菌性能測試操作過程同1.3.2小節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

前驅(qū)體經(jīng)過不同熱處理溫度得到樣品的XRD圖譜如圖1所示。從圖中可以看出，未經(jīng)熱處理的前驅(qū)體圖譜中出現(xiàn)少數(shù)微弱衍射峰，分析表明其分別為ZnMoO4、Zn2Mo3O8、Zn(OH)2和MoO3的衍射峰，但前驅(qū)體主要呈現(xiàn)為非晶態(tài)。經(jīng)過熱處理后，圖譜中的衍射峰數(shù)量逐漸增多、衍射峰強度明顯增強，表明有晶體生成和晶格不斷完善。當(dāng)熱處理溫度為400 ℃時，ZnMoO4的特征衍射峰與前驅(qū)體相比逐漸增強，說明ZnMoO4晶格在不斷完善，而Zn2Mo3O8、Zn(OH)2和MoO3的衍射峰消失，說明這些物質(zhì)相互反應(yīng)生成了ZnMoO4。當(dāng)熱處理溫度為600 ℃時，合成試樣衍射峰的個數(shù)及位置與標(biāo)準卡片號JCPDS No. 35-0765吻合[18]，且這些衍射峰峰形尖銳、峰強度高，表明合成的ZnMoO4晶格較完善，純度較高。而當(dāng)熱處理溫度為700 ℃時，ZnMoO4發(fā)生熔融，故后續(xù)沒有對700 ℃處理得到的試樣進行性能分析。

圖1 不同熱處理溫度合成試樣的XRD圖譜(保溫時間：30 min)Fig.1 XRD patterns of samples synthesized at different heat treatment temperatures (holding time for 30 min)

2.2 形貌分析

圖2為前驅(qū)體經(jīng)不同熱處理溫度得到ZnMoO4的SEM照片。從圖2(a)可以看出，當(dāng)熱處理溫度較低時，合成的ZnMoO4顆粒尺寸較小，且無固定形貌。隨著熱處理溫度升高，合成的ZnMoO4晶粒尺寸逐漸增大，當(dāng)熱處理溫度為500 ℃時(見圖2(b))，合成的ZnMoO4呈不規(guī)則短棒狀，尺寸較均勻。當(dāng)熱處理溫度為600 ℃時(見圖2(c))，制備的ZnMoO4大部分呈顆粒狀，尺寸較小，粒徑為0.5～1 μm。少數(shù)呈厚片狀，長度1～2 μm、厚度約0.5 μm。

圖2 不同熱處理溫度得到ZnMoO4粉體的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of ZnMoO4 powders synthesized at different heat treatment temperatures

2.3 定性抗菌分析

抗菌環(huán)可以對試樣的抗菌性能做定性評價，環(huán)的面積越大表明抗菌性能越強[19]。圖3所示為ZnMoO4抗菌片的抗菌環(huán)效果照片，每個培養(yǎng)皿正中間的試片為空白，即由黏土制成的試片，周圍為ZnMoO4抗菌片。

圖3 不同熱處理溫度制備的ZnMoO4抗菌環(huán)數(shù)碼照片(注：由于試樣在菌液中浸泡時間較長，導(dǎo)致部分試樣破碎)Fig.3 Digital photographs of antibacterial ring by ZnMoO4 prepared at different heat treatment temperatures(Note: the samples are soaked in the bacterial solution for a long time, so some of the samples cracked)

從圖中可以看出，經(jīng)不同溫度(400 ℃、500 ℃、600 ℃)熱處理得到的 ZnMoO4抗菌片周圍均有抗菌環(huán)出現(xiàn)，而中間空白無明顯抗菌環(huán)，說明經(jīng)過熱處理合成的ZnMoO4粉體均具備一定的抗菌性能。從圖3還可以看出，600 ℃熱處理得到的ZnMoO4抗菌片的抗菌環(huán)(見圖3(c))較其他試樣(見圖3(a)、(b))的抗菌環(huán)面積更大，且更清晰，表明其抗菌性能更強?？咕h(huán)的出現(xiàn)主要是因為抗菌片中存在ZnMoO4，當(dāng)它接觸到大腸桿菌的細胞膜時，因細胞膜帶負電，而Zn2+帶正電，二者因庫侖力相互吸引，產(chǎn)生微動力效應(yīng)，使Zn2+穿透細胞膜，進入大腸桿菌體內(nèi)，與大腸桿菌體內(nèi)蛋白質(zhì)上的巰基發(fā)生反應(yīng)[20]，從而破壞合成酶的活性，干擾大腸桿菌DNA的合成，造成大腸桿菌的死亡，由于抗菌劑中的Zn2+向周圍擴散，從而在試片周圍形成了環(huán)狀(抗菌環(huán))。

2.4 定量抗菌分析

為了定量分析不同熱處理溫度制備的ZnMoO4的抗菌性能，分別從圖3抗菌實驗后的菌液中吸取 0.5 mL 在固態(tài)培養(yǎng)基上進行培養(yǎng)，得到細菌菌落如圖4所示，其中圖4(a)為空白對照組。

圖4 不同熱處理溫度制備的ZnMoO4抑制大腸桿菌效果的數(shù)碼照片F(xiàn)ig.4 Digital photographs of Escherichia coli colony inhibited effect by ZnMoO4 prepared at different heat treatment temperatures

從圖4(a)中可以看出，未加抗菌片(對照組)的菌液在固態(tài)培養(yǎng)基上生長的菌落數(shù)最多，菌落數(shù)為7.7×103cfu/塊，菌落布滿整個培養(yǎng)皿底部，說明菌液中存在大量的大腸桿菌。而對于添加ZnMoO4的菌液，在固態(tài)培養(yǎng)基上生長的菌落數(shù)明顯減少，且隨著熱處理溫度的升高，合成ZnMoO4抗菌效果越明顯，即菌落數(shù)逐漸減少，當(dāng)熱處理溫度為600 ℃時，合成的ZnMoO4具有最佳抗菌性能，培養(yǎng)皿中存在菌落數(shù)僅為62 cfu/塊，如圖4(d)所示，其抗菌率達到99.2%。圖5為不同熱處理溫度合成ZnMoO4的抗菌性能，從圖中可以看出，不同熱處理溫度制備的ZnMoO4均具有較好的抗菌性能，經(jīng)過6 h抗菌測試，抗菌率均大于40%，當(dāng)經(jīng)過24 h抗菌測試，抗菌率均達到90%以上。此外，從圖中還可以看出，隨著熱處理溫度的增加，制備的ZnMoO4抗菌性能增加，其中，經(jīng)過600 ℃熱處理制備的ZnMoO4具有最佳抗菌性能。產(chǎn)生上述實驗現(xiàn)象的原因為：首先，隨著處理溫度的升高，促進了ZnMoO4晶格完善(見圖1)，提高了ZnMoO4的抗菌活性；此外，由于鉬酸根離子可以提高鋅離子的氧化數(shù)，增加了鋅離子與細胞膜之間的庫侖引力[12,20]，使兩者結(jié)合更牢固，加快殺菌速率，通過兩者的協(xié)同效應(yīng)，從而表現(xiàn)為隨著熱處理溫度升高，制備的ZnMoO4抗菌性能逐漸增加。

圖5 不同熱處理溫度合成的ZnMoO4抗菌性能Fig.5 Antibacterial performance of ZnMoO4 synthesized at different treatment temperatures

2.5 ZnMoO4在涂料中的應(yīng)用

圖6為涂料中添加經(jīng)過600 ℃處理得到的ZnMoO4粉體所制備的涂層的抗菌性能，其中圖6(a)為空白對照組。從圖6(a)可以看出，空白組培養(yǎng)的大腸桿菌菌落分布密集，菌落數(shù)較多, 菌落數(shù)為7.5×103cfu/塊；而從圖6(b)經(jīng)涂層殺菌后的菌落照片中可以看出，大腸桿菌菌落分布較散，菌落稀疏，菌落數(shù)為3.2×102cfu/塊，其24 h對大腸桿菌的抗菌率達到95.7%，表明涂層具有良好的抗菌性能[18]。

圖6 ZnMoO4抗菌涂層抑制大腸桿菌落效果的數(shù)碼照片(注：ZnMoO4由前驅(qū)體經(jīng)過600 ℃處理得到)Fig.6 Digital photographs of Escherichia coli colony inhibited effect by ZnMoO4 coating(Note: ZnMoO4 is obtained from the precursor through heat treatment at 600 ℃)

3 結(jié) 論

采用共沉淀法和后續(xù)熱處理成功合成了ZnMoO4粉體，經(jīng)400～600 ℃熱處理得到的ZnMoO4均具有一定的抗菌性能，且熱處理溫度越高，ZnMoO4的晶格越完整，抗菌性能越好。當(dāng)熱處理溫度為600 ℃時，合成的ZnMoO4具有最佳抗菌性能，24 h對大腸桿菌的抗菌率達到99.2%。在商用涂料中添加質(zhì)量分數(shù)5%的經(jīng)過600 ℃熱處理的ZnMoO4時，所制備的涂層24 h對大腸桿菌的抗菌率達到95.7%，表明ZnMoO4粉體及其涂料具有良好的抗菌性能和應(yīng)用前景。