納米銀的制備及其在抗菌玻璃中的應(yīng)用

杜文修,楊 娟, 程曉農(nóng),吳賁華,王銀茂,高國(guó)忠

(1.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇鐵錨玻璃股份有限公司，江蘇 海安 226600)

納米銀的制備及其在抗菌玻璃中的應(yīng)用

杜文修1,楊 娟1*, 程曉農(nóng)1,吳賁華2,王銀茂2,高國(guó)忠2

(1.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇鐵錨玻璃股份有限公司，江蘇 海安 226600)

選用硝酸銀為原料，硼氫化鈉為還原劑，室溫下制備了平均粒徑為31 nm的銀顆粒并對(duì)其抗菌性能進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明：納米銀對(duì)大腸桿菌具有良好的抗菌性能。以石英玻璃基片為載體，帶負(fù)電荷的氧化石墨烯為模板，采用簡(jiǎn)單易操作的提拉法，依次提拉氧化石墨烯溶液和銀溶膠，制備具有抗菌功能的鍍膜玻璃。

納米銀；抗菌玻璃；鍍膜

納米銀從發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)有120多年的歷史[1]，是一種高效而且低毒的抗菌材料，具有殺菌廣譜性和無(wú)耐藥性的特點(diǎn)。如今作為抗菌劑使用的納米銀已經(jīng)滲透到臨床醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及日常生活各個(gè)方面，并發(fā)揮著重要的作用[2]。近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)化進(jìn)展迅速，各種功能玻璃產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展[3-5]。因?yàn)槿龔U排放等監(jiān)管力度不夠，大氣污染、環(huán)境惡化、細(xì)菌微生物大量繁殖、不同類型的傳染性疾病增加，人們對(duì)工作、生活環(huán)境的更加重視，使得國(guó)內(nèi)關(guān)于抗菌玻璃的研究日益增多。而鍍膜抗菌玻璃因?yàn)槠浔３植Ａг械男螤睢?duì)透光率沒有太大影響、抗菌劑只分散在玻璃表面而不會(huì)造成浪費(fèi)、與細(xì)菌直接接觸而且有效接觸面積大等[6]優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛地研究和應(yīng)用。本文在制備獲得具有優(yōu)異抗菌性能的納米銀的基礎(chǔ)上，采用提拉法制備了具有優(yōu)異透光性和抗菌性能的石英玻璃。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

硝酸銀，聚(二烯丙基二甲基氯化銨)(PDDA)，KH-550硅烷，氫氧化鈉，氨水，雙氧水，鹽酸，硝酸，乙醇，硼氫化鈉，氮?dú)猓ルx子水(二次蒸餾水)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與儀器

雙面高拋石英基片，燒瓶，磁力攪拌器，真空干燥箱，電子天平，超聲波清洗器。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 氧化石墨烯(GO)懸浮液的制備

采用改進(jìn)的Hummers法制備GO。稱取經(jīng)冷凍干燥獲得的GO并配成濃度為0.1 mg/mL的GO懸浮液，超聲振蕩2 h得到穩(wěn)定且均勻分散的GO懸浮液。

1.3.2 納米銀的制備

將10 mL硝酸銀溶液(0.09 mol/L)逐滴加入到20 mL的PDDA(0.18 mol/L)中，磁力攪拌混合均勻。將該混合溶液逐滴加入到新制的硼氫化鈉溶液中(0.36 mol/L，10 mL)，磁力攪拌反應(yīng)0.5 h后停止，即獲得單分散的納米銀溶膠，并置于棕色試劑瓶中于陰暗處保存待用。

1.3.3 銀基鍍膜玻璃的制備

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，以PDDA為表面活性劑所制備的納米銀粒子(Ag NPs)帶正電荷，GO片層上由于其豐富的含氧官能團(tuán)而帶有大量的負(fù)電荷。這些含氧官能團(tuán)作為吸附點(diǎn)，可以通過(guò)靜電吸附的方式吸附大量帶正電荷的納米銀，在實(shí)驗(yàn)中我們先把質(zhì)子化處理的玻璃基片浸漬到GO懸浮液中，再將納米銀負(fù)載到GO片層上，即可得到鍍膜玻璃基片，制備流程如圖1所示。

圖1 納米銀鍍膜抗菌玻璃制備流程

1)石英玻璃基片預(yù)處理及表面羥基化

先清洗石英基片，再用含有無(wú)水乙醇的堿溶液浸泡24 h，然后在體積比為7∶3的H2SO4∶H2O2(30%)洗液中浸泡40 min，再將基片浸入體積比為1∶1∶5的NH3·H2O (25%)∶H2O2(30%)∶H2O的混合溶液中，60 ℃下水浴加熱20 min，最后用大量去離子水清洗，空氣吹干。將石英基片放入體積濃度為2%硅烷的乙醇溶液中浸漬2.5 h，然后取出基片，并用乙醇沖洗3次，再放入pH=3的鹽酸中，10 min后取出并用氮?dú)獯蹈桑纯色@得表面帶有正電荷的石英玻璃基片[7]。

2)銀基鍍膜玻璃基片的制備

首先將處理后的玻璃基片浸入配制好的氧化石墨烯溶液中3 min，取出后用氮?dú)獯蹈桑缓蟀巡ＡЩn在制備的銀溶膠中，3 min后以10 mm/s的提拉速度將基片取出，氮?dú)獯蹈桑传@得表面鍍納米銀的石英玻璃基片。

2 結(jié)果與討論

GO和納米銀形貌的分析在透射電子顯微鏡(TEM)上進(jìn)行；采用Zeta電位儀測(cè)試GO和納米銀溶膠的Zeta電位；納米銀抗菌性能的分析采用抑菌圈測(cè)定和最低殺菌濃度(MBC)測(cè)試的方法來(lái)進(jìn)行；玻璃基片表面成分利用X射線衍射儀(XRD)測(cè)量；薄膜表面形貌采用原子力顯微鏡(AFM)表征；采用紫外-可見分光光度計(jì)(UV-Vis) 測(cè)試玻璃和鍍膜玻璃的透光性；鍍膜玻璃的抗菌性能采用抑菌圈測(cè)定分析。

2.1 GO的結(jié)構(gòu)表征

均勻分散且穩(wěn)定的GO懸浮液是制備均勻薄膜的關(guān)鍵。將實(shí)驗(yàn)獲得的GO配制成0.1 mg/mL的GO水溶液，超聲分散得到穩(wěn)定分散的懸浮液。靜置10天，分散體系仍然非常穩(wěn)定，如圖2內(nèi)插圖。利用TEM對(duì)GO進(jìn)行分析，從圖2中可看到GO可以單獨(dú)存在，而且非常的薄，幾乎與背景融于一體，但是特有的褶皺可以分辨出GO的存在。這種單分散且穩(wěn)定的GO懸浮液為采用提拉法制備薄膜提供了可能。

圖2 GO形貌的透射電鏡圖

2.2 納米銀的表征

首先，采用TEM對(duì)銀溶膠中的納米銀粒子進(jìn)行表征，如圖3(a)所示。

從圖3(a)中可以看出電鏡下的納米粒子成類球狀，且納米粒子分散較為均勻。通過(guò)對(duì)納米銀粒子統(tǒng)計(jì)可以得出其平均直徑為31.1 nm。圖3(b)是納米銀的高分辨透射電鏡照片，圖中晶面間距d=0.233 nm，對(duì)應(yīng)于Ag(111)晶面，表明納米銀粒子的成功制備。

對(duì)實(shí)驗(yàn)所獲得的GO懸浮液和納米銀溶膠的Zeta電位進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示：GO懸浮液的Zeta電位約為-40.356 mV，銀溶膠的Zeta電位約為+38.726 mV，表明帶正電荷的納米銀溶膠制備成功，預(yù)示著利用靜電吸附制備薄膜是可行的。

2.3 納米銀抑菌性能測(cè)試

采用抑菌圈法測(cè)定銀溶膠的抑菌性能。先把瓊脂基進(jìn)行滅菌處理，倒入培養(yǎng)皿中，制成平板，再取1 mL的大腸桿菌菌液，置于平板上并涂勻。用牛津杯在培養(yǎng)基上打4個(gè)孔，1個(gè)不作處理，另外3個(gè)分別滴加相同體積的去離子水、0.1 mg/mLGO懸浮液、0.1 mg/mL的納米銀溶膠。再把培養(yǎng)皿放置于37 ℃的恒溫箱中，經(jīng)24 h后觀察試樣周圍是否有抑菌圈的出現(xiàn)，以此評(píng)價(jià)材料的抗菌性能。

從圖4可知，大腸桿菌在培養(yǎng)皿上均勻生長(zhǎng)，滴加納米銀溶液的小孔周圍有抑菌圈的出現(xiàn)，直徑可達(dá)20 mm，而其他3個(gè)對(duì)照組則沒有，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)制備的納米銀具有良好的抑菌效果。

2.4 納米銀殺菌性能測(cè)試

用磷酸緩沖鹽溶液稀釋細(xì)菌懸浮液至一定濃度，然后把一定體積0.02 mg/mL的納米銀溶液加入菌體懸浮液中，再把菌體混合液放到25 ℃的恒溫震蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。此后分別在0、1、2、3、4和5 h的培養(yǎng)時(shí)間取出1 μL的菌體溶液，同時(shí)立刻用磷酸緩沖鹽溶液稀釋1 000倍，再取出100 μL菌體溶液涂到瓊脂板上，并把平板放在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)24 h，觀察菌落的生長(zhǎng)情況。

從圖5可知：納米銀材料具有比較明顯的殺菌作用，0 h的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)著大量的細(xì)菌；到2 h時(shí)，細(xì)菌幾乎全部被殺死；3 h時(shí)則完全被殺死。

圖5 納米銀溶液處理的生長(zhǎng)菌落

2.5 納米銀薄膜的檢測(cè)

把質(zhì)子化處理的玻璃基片依次浸漬到帶有大量負(fù)電荷的GO懸浮液和帶正電的銀溶膠中，通過(guò)靜電吸附的方式來(lái)制備含有GO和納米銀的鍍膜玻璃基片。為了驗(yàn)證納米銀已經(jīng)通過(guò)提拉法成功地負(fù)載到石英玻璃基片的表面上，對(duì)所制備的鍍膜玻璃表面進(jìn)行了XRD測(cè)試，并采用紫外-可見分光光度計(jì)(UV-Vis)進(jìn)行透光率測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 (a)玻璃基片表面成分的XRD譜圖(b)紫外-可見光透過(guò)光譜圖

從圖6(a)可以看出在38.1°處有特征峰，與PDF卡片相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，它是銀立方晶系結(jié)構(gòu)中(111)晶面所對(duì)應(yīng)的特征峰。這表明，納米銀粒子被成功地負(fù)載到了石英玻璃基片上。圖6(b)為石英玻璃基片、浸漬GO之后的玻璃基片、浸漬GO和銀溶膠之后的玻璃基片的UV-Vis光譜圖，從圖6(b)中可以看出，在400～700 nm的可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，鍍膜玻璃的透光率與鍍膜之前差別并不是十分明顯，在可見光平均波長(zhǎng)550 nm處的透光率由97.6%降為96.7%，透光率仍然非常高。

為了進(jìn)一步描述納米銀薄膜的形貌結(jié)構(gòu)，用AFM進(jìn)行表征，結(jié)果如圖7所示。

圖7 納米銀薄膜的AFM圖

從圖7中可以清楚地看到納米銀顆粒均勻分散在氧化石墨烯片層表面，結(jié)果進(jìn)一步表明實(shí)驗(yàn)在玻璃基片上成功鍍上了納米銀薄膜，與預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方案相符合。

2.6 納米銀鍍膜玻璃抑菌性能測(cè)試

采用抑菌圈法測(cè)定抗菌玻璃的抑菌性能。先制作2個(gè)涂菌平板，方法同2.2。分別將鍍膜玻璃和空白玻璃碎片放入培養(yǎng)皿。再把培養(yǎng)皿放置于37 ℃的恒溫箱中，經(jīng)24 h后觀察試樣周圍是否有抑菌圈的出現(xiàn)，以判斷鍍膜玻璃的抑菌性能。由圖8(a)可知，大腸桿菌可以在培養(yǎng)基上均勻生長(zhǎng)，即使是玻璃片下面也有菌落生長(zhǎng)，而圖8(b)中鍍膜玻璃的下方?jīng)]有細(xì)菌生長(zhǎng)，甚至在其周圍也形成了一個(gè)不規(guī)則的抑菌區(qū)域，這說(shuō)明鍍銀玻璃具有良好的抑菌性能。

圖8 未鍍膜(a)和鍍膜(b)玻璃抑菌圈測(cè)試圖

3 結(jié)論

1)室溫下，用硼氫化鈉還原硝酸銀，以PDDA作為分散穩(wěn)定劑，制備出了分散性好、球狀、均勻分布且粒徑小的納米銀顆粒。2)抑菌實(shí)驗(yàn)中，可以明顯看到納米銀溶膠抑菌圈的存在，在殺菌實(shí)驗(yàn)中，20 mg/L的納米銀溶液在3 h時(shí)就可以將細(xì)菌全部殺死。3)采用提拉法，可以獲得表面負(fù)載納米銀的石英玻璃基片，而且鍍膜玻璃的透光率沒有明顯下降；獲得的鍍膜玻璃具有良好的抑菌性能。

[1] NOWACK B,KRUG H F,HEIGHT M.120 years of nanosilver history:implications forpolicy makers[J].Environmental Science & Technology,2011,45(4):1177-1183.

[2] 謝小保,李文茹,曾海燕,等.納米銀對(duì)大腸桿菌的抗菌作用及其機(jī)制[J].材料工程,2008(10):106-109.

[3] 王德憲.抗菌玻璃的研究現(xiàn)狀[J].玻璃,2007,34(1):21-28.

[4] 劉金彩.無(wú)機(jī)抗菌玻璃材料的研制及應(yīng)用前景[J].上海建材,2009(4):25-26.

[5] 鄭思輝,楊娟,吳賁華,等.防砸復(fù)合玻璃的應(yīng)用和發(fā)展前景[J].成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015(2):64-66.

[6] 王靜,雷振宇,冀志江.平板鍍膜抗菌玻璃研究與應(yīng)用進(jìn)展[C]//中國(guó)抗菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì),2008.

[7] 周亞洲,楊娟,孫磊,等.石墨烯/銀復(fù)合薄膜的制備及表征[J].無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào),2012,28(1):137-142.

Preparation of Silver Nanoparticles and Its Application in Antibacterial Glass

DUWenxiu1，YANGJuan1*，CHENGXiaonong1,WUBenhua2，WANGYinmao2，GAOGuozhong2

(1. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Tiemao(Jiangsu) Safety Glass Co., Ltd. Nantong 226600, China)

Using silver nitrate as raw material and sodium hydrogen as reducing agent, the silver nanoparticles are prepared at room temperature, the average size of silver particles is 31nm and their antibacterial properties are studied. The results show that silver nanoparticles have good antibacterial property against Escherichia coli (E. coli). Film-coating antibacterial glass is further prepared by simple dip-coating technique. The quartz glass is used as a substrate and the negatively charged graphene oxide and positively charged silver nanoparticles are coated on the glass in sequence. The obtained glass shows good antibacterial property towards E. coli.

silver nanoparticle；antibacterial glass；dip-coating

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.021

2016-11-17

國(guó)家自然科學(xué)基金“石墨烯負(fù)載Ag-M(M=Fe, Co, Ni)二元合金納米粒子三維多孔復(fù)合材料的構(gòu)筑及其抗菌性能”(51572114)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金：前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目“抗高載荷沖擊復(fù)合玻璃的研究開發(fā)”(BY2014123-01)；江蘇省科技支撐計(jì)劃工業(yè)部分“高速軌道車用輕質(zhì)防火的玻璃的定量灌注成套技術(shù)研發(fā)”(BE20141854)

杜文修(1990— )，男(漢族)，安徽宿州人，在讀碩士研究生，研究方向：無(wú)機(jī)功能材料。 楊娟(1974— )，女(漢族)，江蘇鎮(zhèn)江人，教授，研究方向：無(wú)機(jī)功能材料，通信作者郵箱：yangjuan6347@ujs.edu.cn。

TQ171

A

2095-5383(2016)04-0083-04