雜多酸季銨鹽雙活性中心抗菌劑的合成及抑菌性能研究

楊萬麗 王麗艷 王清文

(1東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

(2齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，齊齊哈爾 161006)

有機(jī)-無機(jī)雜化材料是一個(gè)新的研究開發(fā)領(lǐng)域，這種材料兼有有機(jī)材料與無機(jī)材料的特性，并能通過改變材料功能的負(fù)荷以實(shí)現(xiàn)性能的互補(bǔ)與優(yōu)化[1-2]。綠色多酸新功能的開發(fā)是其應(yīng)用中追求的主要目標(biāo)之一。在Kiengg結(jié)構(gòu)取代型的雜多鎢酸鹽中，取代金屬離子位于類卟啉環(huán)境中，比經(jīng)典酸具有更高的化學(xué)活性[3-5]。具有不同官能團(tuán)高分子化后的季銨鹽吸附菌體及與細(xì)胞膜結(jié)合能力不同，抗菌性和穩(wěn)定性也不同[6]。季銨陽離子因含有疏水基團(tuán)，可與雜多酸陰離子形成鹽，成為超分子化合物。雜多酸季銨鹽可整體看做是一個(gè)有機(jī)物和無機(jī)物的離子對(duì)，雜多酸附著在季銨鹽的長鏈中[7]。目前將雜多酸(主要為經(jīng)典多酸)與季銨鹽雜化材料主要作為相轉(zhuǎn)移催化劑，較多的應(yīng)用于烯烴氧化及環(huán)氧化體系和醇的氧化體系[8-12]。為了開發(fā)新功能領(lǐng)域，一個(gè)可行性的戰(zhàn)略就是改善多酸的活性。將新型缺位取代多酸與季銨鹽復(fù)合產(chǎn)生高效低毒的抗菌效果，從而開發(fā)綠色雜多酸新的功能領(lǐng)域。

因此本文提出了雜多酸抗菌的新思路：通過分子設(shè)計(jì)，將活性較高的取代型雜多酸(鹽)引入季銨鹽，形成具有雙活性中心的超分子化合物，以制備更有效的環(huán)境友好型抗菌劑，從而拓展雜多酸在抗菌材料領(lǐng)域的應(yīng)用。本文采取立體有擇法合成以過渡元素V、Fe、Co和Ni為取代原子的 Keggin結(jié)構(gòu)取代型磷鉬雜多酸鹽，在水熱條件下，與十二烷基三甲基溴化銨(C15H34NBr)通過離子交換合成4種雜化材料， 用元素分析、IR、UV、TG、XRD、SEM、TEM對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行了表征，測試了材料對(duì)金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌的抑菌性能。結(jié)果表明，材料的抑菌性能要優(yōu)于雜多酸和季銨鹽。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

P．E．2400 型元素分析儀(美國 P．E．公司)，美國Leeman Lab ICP發(fā)射光譜儀，S3400掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，H-7650透射電子顯微鏡(日本日立公司)，79-1恒溫磁力攪拌器 (江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠)，pH-25型酸度計(jì) (上海精密科學(xué)儀器有限公司)，Spectorm-One 型紅外光譜儀(美國 P．E．公司)，TU-1901型紫外光譜儀 (北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)，BD90型X-射線粉末衍射儀 (北京大學(xué)制造)，DF40型熱重-差熱分析儀(日本島津)，細(xì)菌培養(yǎng)器，鉬酸鈉、磷酸二氫鉀、偏釩酸銨、氯化鈷、硫酸亞鐵、硫酸鎳、氯化鉀、十二烷基三甲基溴化銨、鹽酸、胰蛋白胨、氯化鈉、酵母提取物等試劑均為分析純。

1.2 雜多酸季銨鹽抗菌劑的制備與表征

雜多酸-PMo11O39·x H2O 按文獻(xiàn)[13]的方法合成，雜多酸 K3H2[PMo11V(H2O)O39]·7H2O(記作 PMo11V)、K3H2[PMo11Fe(H2O)O39]·9H2O(記作 PMo11Fe)、K3H2[PMo11Co(H2O)O39]·10H2O(記作 PMo11Co)和 K3H2[PMo11Ni(H2O)O39]·7H2O(記作 PMo11Ni)按文獻(xiàn)[14]的方法合成，經(jīng)紅外光譜法鑒定結(jié)構(gòu)。

雜多酸季銨鹽(記作C15H34N-PMo11M)的合成方法：在100 mL三角燒瓶中準(zhǔn)確稱取 6．654 0 g PMo11V鹽，加入30 mL蒸餾水使其溶解；另準(zhǔn)確稱取0．333 0 g C15H34NBr溶于5 mL蒸餾水配成溶液。在攪拌下將配制好的C15H34NBr溶液慢慢加至PMo11V鹽溶液中，于40℃磁力攪拌反應(yīng)2 h，析出大量晶體。停止攪拌，抽濾，用蒸餾水洗滌，濾餅置于50℃真空干燥器中干燥1 h，得雜多酸季銨鹽C15H34N-PMo11V。其它雜多酸季銨鹽抗菌劑的制備方法同上。

制備的雜多酸季銨鹽分別采用元素分析、紅外光譜、紫外光譜、X-射線衍射分析(XRD)、熱重分析(TG)和形貌分析(掃描電子顯微鏡SEM、透射電子顯微鏡TEM)等方法進(jìn)行表征。

1.3 菌種培養(yǎng)

1．3．1 金黃色葡萄球菌

無菌條件下取25 mL食品樣品，放入225 mL滅菌生理鹽水中均質(zhì)，制成10∶1(V/V)稀釋液，將稀釋液接入7．5%NaCl肉湯或胰蛋白胨肉湯中，在37℃條件下培養(yǎng)24 h。將上述稀釋液或培養(yǎng)液分別劃線皿平板和Baird-Parker平板，置37℃培養(yǎng)24～48 h 備用[15]。

1．3．2 枯草芽孢桿菌

將芽孢桿菌菌種在無菌條件下接種與營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基斜面上，然后在恒溫箱內(nèi)37℃培養(yǎng)24 h，即可見到一層白色圓整、邊緣光滑的枯草芽孢桿菌菌落。將固體培養(yǎng)基上已培養(yǎng)好的芽孢桿菌無菌接種到5 mL營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基中，搖勻，37℃搖床內(nèi)培養(yǎng)24 h，然后接種到100 mL(含5%黃豆)的豆?jié){中，37℃震蕩培養(yǎng)24 h備用[16]。

1．3．3 大腸桿菌

將菌株植入營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)，在37℃搖床約18 h，營養(yǎng)肉湯瓊脂培養(yǎng)基平皿畫線培養(yǎng)，置于37℃隔水恒溫培養(yǎng)箱中約24 h，挑去單個(gè)菌落于營養(yǎng)肉湯瓊脂斜面培養(yǎng)基中培養(yǎng)，置于37℃隔水恒溫培養(yǎng)箱中約24 h備用[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 元素分析

C、H、N 含量用元素分析儀測定，P、V、Fe、Co、Ni、Mo含量采用發(fā)射光譜儀測定，K含量用原子吸收分光光度法分析，結(jié)晶水?dāng)?shù)目由熱重分析得到，元素分析結(jié)果列于表1。所得標(biāo)題化合物的元素分析實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值基本吻合。

表1 元素分析結(jié)果(實(shí)驗(yàn)值)Table 1 Elemental analysis(experimental)results

2.2 紅外光譜

采用KBr壓片，波數(shù)范圍4 000～400 cm-1對(duì)原料及產(chǎn)物進(jìn)行紅外譜圖解析。

由表2數(shù)據(jù)和圖1可知：合成標(biāo)題化合物以后，雜多陰離子IR光譜的特征振動(dòng)頻率基本不變，這表示標(biāo)題化合物仍保持Keggin骨架[18]。文獻(xiàn)報(bào)道[19]，在C15H34NBr分子中，飽和的C-H伸縮振動(dòng)出現(xiàn)在3 000 cm-1以下，-CH2-的吸收峰在(2 930±5)cm-1附近反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在(2 850±10)cm-1附近對(duì)稱伸縮振動(dòng)。當(dāng)其與多酸化合后，所有的吸收峰位置均有不同程度的位移，其中P-Oa鍵和Mo-Od鍵藍(lán)移 20 cm-1左右，Mo-Ob-Mo 鍵紅移 2～3 cm-1，Mo-Oc-Mo鍵紅移3～15 cm-1，表明形成標(biāo)題化合物后，雜多陰離子中的化學(xué)鍵由于受到季銨鹽陽離子的作用有不同程度的減弱或增強(qiáng)，季銨鹽比表面積大，季銨鹽與多酸離子之間由于靜電引力的作用結(jié)合，雜多酸附著在季銨鹽的長鏈中，有機(jī)銨陽離子較H+半徑大，陽離子的體積效應(yīng)削弱了陰離子與陰離子之間的相互作用，從而使雜多陰離子中金屬-氧鍵減弱，使吸收峰紅移。

2.3 紫外光譜

標(biāo)題化合物水溶液的紫外吸收光譜均給出2個(gè)吸收峰(表3)，在200 nm左右的是Od→Mo的荷移躍遷產(chǎn)生，在260 nm左右的是由Ob/Oc→Mo荷移躍遷產(chǎn)生，它是Keggin結(jié)構(gòu)雜多酸鹽陰離子的特征吸收峰[20]，表明標(biāo)題化合物仍保持Keggin結(jié)構(gòu)。與相應(yīng)雜多酸鹽的紫外吸收光譜比較，形成標(biāo)題化合物后，260 nm左右的紫外峰發(fā)生了紅移，這可能是由于雜多陰離子與季銨陽離子之間的靜電作用，使Ob/Oc→Mo荷移躍遷能降低，導(dǎo)致紫外吸收峰紅移。這也進(jìn)一步表明季銨鹽與雜多酸確實(shí)發(fā)生了反應(yīng)。

表2 復(fù)合物的IR數(shù)據(jù)Table 2 IR data of the complexes

表3 復(fù)合物的UV數(shù)據(jù)Table 3 UV data of the complexes

2.4 XRD分析

為了進(jìn)一步確定所合成新化合物的結(jié)構(gòu)，對(duì)標(biāo)題化合物進(jìn)行X-射線粉末衍射物相分析(圖 2)。經(jīng)典雜多酸分子在7°附近會(huì)出現(xiàn)特征峰[21]；由于取代金屬元素釩的插入，特征峰衍射角度會(huì)出現(xiàn)一定位移，V取代以后，衍射強(qiáng)度在8°～9°處加強(qiáng)；C15H34NBr分子在 7°、11°、21°、25°處都有較強(qiáng)的衍射峰； 當(dāng)復(fù)合材料形成以后， 在 7°、8°、9°、11°、21°、25°附近的衍射峰強(qiáng)度明顯降低，說明雜多酸和C15H34NBr分子結(jié)構(gòu)上發(fā)生了變化，新的物相生成。

2.5 熱重分析

測試雜多酸、C15H34NBr和標(biāo)題化合物熱穩(wěn)定性，表4列出雜多化合物的失重溫度及失重率。采用NETZSCH STA 449F3型分析儀，升溫速度10℃·min-1，測試溫度范圍為 20～700 ℃。

TG曲線是研究雜多酸化合物熱穩(wěn)定性的有力工具[22]。以磷鉬礬雜多酸及C15H34NBr的TG曲線為例，PMo11V的TG曲線(圖3)所示只有兩步失重，20～400℃失去吸附水，484℃樣品開始分解，可能是由于雜多酸分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而C15H34NBr的失重溫度范圍為 200～283 ℃(圖 3)，失重率為 96．47%，可見C15H34NBr在此溫度范圍內(nèi)幾乎全部失重。

C15H34NBr-PMo11V的TG曲線(圖 3)所示，有三步失重。第一階段失重為20～180℃，失重率為3．21%，這是由于材料失去了吸附水和結(jié)晶水。第二階段的失重為200～430℃，失重率為 22．36%，認(rèn)為是有機(jī)銨鹽部分發(fā)生分解和失去結(jié)構(gòu)水；第三步失重從490～698℃開始C15H34NBr-PMo11V的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并部分分解，失重率為4．72%，認(rèn)為是雜多酸發(fā)生了分解。經(jīng)2至3步失重后，雜多酸銨鹽基本失去了所有銨離子，其分解的最終產(chǎn)物為有雜多陰離子組成的氧化物。

表4 復(fù)合物的熱性質(zhì)Table 4 Thermal properties of the complexes

對(duì)比標(biāo)題化合物和季銨鹽之間的初始分解溫度均為約200℃，陰離子置換后季銨鹽的初始分解溫度并未產(chǎn)生明顯變化，但是雜多酸季銨鹽的分解速度相對(duì)較慢，這對(duì)于該類抗菌材料用于木塑復(fù)合材料(最高成型加工溫度約180℃)對(duì)耐熱性有較高要求的場合是有重要意義。

2.6 形貌分析

目標(biāo)產(chǎn)物的形貌用掃描電鏡分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出材料表現(xiàn)為微米棒形態(tài)，大多呈規(guī)則圓柱形，分布均勻。目標(biāo)產(chǎn)物具有一定的鋼性，聚合到一定長度后，由于重力的作用發(fā)生斷裂，因此電鏡照片顯示出短的棒狀形態(tài)。由圖4、5可見，材料的微米棒直徑相差不大。4種材料的形貌基本相同，表明合成的材料的剛性好。通過觀察目標(biāo)產(chǎn)物的透射電鏡圖6、7發(fā)現(xiàn)，材料晶粒呈片狀，粒徑均勻，而且分散性好，顆粒尺寸大約在100 nm左右。

3 抑菌性能測試

分別取0.5 g的C15H34NBr、雜多酸及終產(chǎn)物，涂抹與菌種培養(yǎng)皿上，每12 h觀察一次，測量并記錄抑菌圈直徑與藥品直徑，并將其比值列表。藥品編號(hào)如下：1 號(hào):C15H34NBr；2 號(hào)：PMo11Fe；3 號(hào)：PMo11Co；4 號(hào)：PMo11V；5 號(hào)：C15H34NBrPMo11Fe；6 號(hào)：C15H34NBrPMo11Co；7 號(hào)：C15H34NBrPMo11V。

3.1 對(duì)金黃色葡萄球菌的測試

通過對(duì)金黃色葡萄球菌抑菌實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)分析可知，標(biāo)題產(chǎn)物的相對(duì)抑菌直徑大于雜多酸與季銨鹽的相對(duì)抑菌直徑。以C15H34NBrPMo11V為例，其相對(duì)抑菌直徑為5．3，比PMo11V的3．3增到原來的1．6倍，那么其抑菌效果也提高到1．6倍。由表5中數(shù)據(jù)及圖8、9可知，實(shí)驗(yàn)24 h與12 h的實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎沒有差別，足以證明終產(chǎn)物的殺菌時(shí)間短、見效快、抑菌效果持久等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 對(duì)枯草芽孢桿菌的測試

對(duì)枯草芽孢桿菌的抑菌測試中，與測試1相似，C15H34NBrPMo11V的相對(duì)抑菌直徑為PMo11V的2．9 倍，為 C15H34NBr的 2．2 倍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有力的說明了終產(chǎn)物的抑菌性能為雜多酸、季銨鹽的2～3倍。

表5 復(fù)合物對(duì)金黃色葡萄球菌抑菌性的測試結(jié)果Table 5 Test results of complexes for the antimicrobial activity of Staphylococcus aureus

表6 復(fù)合物對(duì)枯草芽孢桿菌抑菌性的測試結(jié)果Table 6 Test results of complexes for the antimicrobial activity of Bacillus subtilis

表7 復(fù)合物對(duì)大腸桿菌的測試Table 7 Ttest results of complexes for the antimicrobial activity of Escherichia coli

3.3 對(duì)大腸桿菌的測試

對(duì)大腸桿菌的抑菌測試中，對(duì)比發(fā)現(xiàn)合成的目標(biāo)產(chǎn)物的相對(duì)抑菌直徑比C15H34NBr及相應(yīng)的雜多酸都提高到原來的2～3倍，證明其抑菌性能一樣也增強(qiáng)到2～3倍。

在三組測試實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)產(chǎn)物的抑菌性均高與相應(yīng)的多酸與季銨鹽，24 h與12 h的實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有差別，可見產(chǎn)物在12 h可以起到很好的抑菌效果，這表明雜多酸季銨鹽具有殺菌見效快的優(yōu)點(diǎn)。后續(xù)研究中將對(duì)其抑菌作用的持久性、環(huán)境適應(yīng)性等性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

本文采取立體選擇法成功合成以過渡元素V、Fe、Co和Ni為取代原子的Keggin結(jié)構(gòu)的取代型磷鉬雜多酸鹽，在水熱條件下與十二烷基三甲基溴化銨進(jìn)行反應(yīng)，得到了4種新的基于Keggin型多酸陰離子和有機(jī)季銨陽離子的雜化材料，并通過FT-IR，UV-Visible、TG、XRD、SEM、TEM 等手段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。通過對(duì)細(xì)菌抑菌性能測試，證實(shí)了由于缺體取代型雜多酸的引入，季銨鹽的抗菌性能提高到原來的2～3倍；通過對(duì)比表明，C15H34NBr-PMo11V的抑菌效果最好，可能是因?yàn)閂的金屬活潑性強(qiáng)于其他3種元素的原故。標(biāo)題化合物具有殺菌時(shí)間短、見效快、抑菌效果持久等優(yōu)點(diǎn)，這有助于拓展雜多酸與季銨鹽在抗菌材料領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

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