一種硫離子響應殺菌材料的制備及應用研究

張滬偉，王鵬，張盾

（1.中國科學院海洋研究所海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室，山東 青島 266071；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院海洋大科學研究中心，山東 青島 266071）

微生物腐蝕是造成海洋環境工程設施加速破壞的重要因素，而硫酸鹽還原菌（SRB）是其中一種典型的腐蝕微生物。在海洋鉆井平臺和輸油管線、冷凝水循環系統、污水處理設備和管線等都存在 SRB引起的多種材料失效，諸如碳鋼、不銹鋼、鋁合金等[1-7]。

目前 SRB的防治方法主要包括物理法、化學法等，而傳統的化學防治法就是將殺菌劑投放到環境中去，這種措施的副作用也很明顯，會導致環境生態的破壞，增強細菌的耐藥性。后來人們發現通過將殺菌劑包覆到多孔材料中去，可以起到一定的緩釋作用，延長材料的使用壽命，但是由于這種緩釋是沒有針對性的，會對包覆的殺菌劑造成浪費。考慮到這一點，設計一種在 SRB存在條件下能夠實現響應釋放的材料，成為解決問題的關鍵。響應釋放并不是一個新的概念，目前響應釋放材料主要包括光響應型、pH響應型等，主要是通過外界條件的改變，刺激功能材料的結構發生變化，從而使得包覆在材料內部的功能分子釋放出來。SRB存在的環境中，由于SRB的代謝會特異性地產生硫離子，所以要針對這點來考慮材料的響應釋放機理。Lvov[8]組已證明了溶液體系中不溶性的Cu-BTA絡合物膜層在注入氨氣后，由于不同類型難溶物之間溶度積的差異，Cu-BTA會被[Cu(NH3)4]+2取代。溶度積越低說明難溶物越穩定，越容易形成，而硫離子與銅離子形成的Cu-S溶度積相較于Cu-BTA也低很多，所以在硫離子存在條件下，Cu-BTA絡合物膜層被 Cu-S取代破壞掉可以作為一種響應釋放機制。在眾多的納米材料中，埃洛石納米管具有價格優勢和資源優勢，且常作為包覆材料，用來實現藥物、生物活性分子或其他添加劑的緩釋或控釋[9-19]。

文中以埃洛石納米管為載體，采用分步填充的方式將殺菌劑分子（甲硝唑）和 BTA填充到埃洛石納米管中，通過比較不同濃度銅離子溶液對材料的封孔效果，優化了封孔條件。利用甲硝唑與 BTA在溶液中的最大紫外吸收峰位置不同，定量地分析在加入硫離子前后甲硝唑的釋放情況，進而判斷載藥系統是否能對硫離子實現響應釋放，并測量了材料能夠實現響應釋放對應的最低硫離子濃度。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗所用主要試劑：埃洛石納米管（南昱礦產品加工廠）；甲硝唑（上海麥克林生化科技有限公司）；硫化鈉（阿拉丁試劑有限公司）；乙醇、丙酮、苯駢三氮唑（BTA）等均購于國藥集團；實驗用水均為超純水。

實驗所用主要儀器：真空泵（鄭州長城科工貿有限公司）；低速離心機、高速離心機（湘儀儀器有限公司）；紫外-可見分光光度計（日本Hitachi公司）；高倍透射電子顯微鏡（日本電子株式會社）。

1.2 埃洛石的表征以及甲硝唑濃度與吸光度關系的確立

將購買的埃洛石納米管浸泡在乙醇中，經過超聲分散等步驟處理后，在透射電鏡下觀察內部的孔道結構和尺寸。

選用甲硝唑作為殺菌劑分子，用250 mL規格的容量瓶配制質量濃度分別為5、10、15、20、25、30 mg/L的甲硝唑水溶液，測試其吸光度，繪制其濃度與吸光度的標準曲線。

1.3 負載和封裝

由于甲硝唑在水中的溶解度較低，為了提高甲硝唑的溶解度，利用潛溶作用，按一定比例配制乙醇和水的混合溶液200 mL，溶解了甲硝唑8 g。配制了160 mmol/L的硫酸銅溶液100 mL，80 g/L的BTA丙酮溶液200 mL。

將3 g的埃洛石納米管放入甲硝唑的水醇混合溶液中，在真空條件下填充20 min，填充結束后低速離心 10 min將上清液倒出。將離心管放入干燥箱中50 ℃干燥2 h，干燥結束后取出壓成原先的粉末形態。該負載步驟重復兩遍，然后將干燥的納米管放入BTA的丙酮溶液中，處理步驟與甲硝唑的負載過程相同。在干燥的粉末表面滴加一定濃度的硫酸銅溶液，使納米管端口處形成Cu-BTA絡合物膜層，然后在50 ℃烘箱中干燥2 h。

1.4 封裝條件的優化

為了減少甲硝唑的自流失現象，得到最優的封裝條件，配制20、40、80、100、160 mmol/L濃度的銅離子溶液，分別滴加到端口處存在 BTA的載藥納米管上進行封孔處理。然后放入50℃烘箱中干燥2 h，結束后取出粉末碾平，各組稱取等質量的粉末放入含有40 mL超純水的燒杯中，每隔2 h移取適當溶液測試吸光度。

1.5 檢測響應釋放情況

使用銅離子濃度優化后的溶液對端口處存在BTA載藥納米管進行封孔處理，經過一系列離心干燥步驟后，得到2.5 g載藥納米管。將其放入盛有40 mL超純水的燒杯中，每隔2 h移取0.5 mL的溶液（高速離心取上層清液），用超純水配成2 mL溶液測試其吸光度。在24 h時，加入硫化鈉使溶液中的硫離子濃度達到0.4 mmol/L，之后選擇適當的時間點移取溶液測試吸光度。

1.6 臨界濃度的測量

在確認載藥納米管能在0.4 mmol/L硫離子濃度下實現響應釋放后，下一步為了測量硫離子響應釋放臨界濃度，將封孔處理后的載藥埃洛石納米管分成等質量的6組，放入含有40 mL超純水的燒杯中，加入不同量的硫化鈉溶液，使溶液體系中的硫離子濃度分別為 0、0.01、0.05、0.1、0.5、1 mmol/L。2 h 后移取適當溶液測試其吸光度，之后每隔2 h移取適當溶液測試其吸光度。

2 結果與分析

2.1 材料的制備和響應釋放原理

以Cu-BTA絡合物為封堵膜層的硫離子響應釋放載藥納米管的制備和控制釋放原理如圖1所示。將埃洛石納米管置于甲硝唑的水醇溶液中，在真空條件下，將甲硝唑溶液填充到納米管內，經過離心干燥等步驟的處理，在管內形成甲硝唑粉末。經過同樣的負載處理，將 BTA填充到管內（由于甲硝唑不溶于丙酮，負載BTA的過程中甲硝唑基本不會流失）。然后在粉末表面滴加硫酸銅溶液，使其表面形成Cu-BTA絡合物膜層。當體系中加入一定量的硫離子后，在納米管端口處的 Cu-BTA絡合物膜被溶度積更小的Cu-S等難溶物取代破壞掉，使甲硝唑快速釋放到溶液中去。

2.2 埃洛石的表征和甲硝唑吸光度與濃度標準曲線

如圖2所示，埃洛石納米管長度在500 nm左右，其內徑平均尺寸約為 16 nm，其他參數如孔容為0.16 mL/g，埃洛石納米管較小的內徑尺寸有利于Cu-BTA膜層在端口處穩定存在。甲硝唑的紫外吸收光譜如圖3所示，它的最大紫外吸收峰在320 nm處。以此為依據，配制不同濃度的甲硝唑溶液，測試其在320 nm處的紫外吸收峰。繪制了甲硝唑濃度與吸光度的標準曲線，如圖4所示。結果表明，甲硝唑濃度與吸光度存在較好的線性關系，進一步擬合得到了標準曲線方程：A=0.051C-0.0260，R2=0.99973（A代表吸光度，C代表濃度）。

2.3 封裝條件的優化

不同銅離子濃度處理下待測液中甲硝唑的釋放濃度隨時間的變化情況如圖5所示。隨著銅離子濃度的升高，Cu-BTA絡合物膜層對載藥納米管的封堵效果越來越好。當銅離子濃度達到 160 mmol/L時，Cu-BTA絡合物膜層對載藥納米管的封堵效果最好，甲硝唑的自流失現象也最少。在后續的實驗中，也驗證了繼續增大銅離子濃度不會進一步提升封孔效果。

2.4 載藥納米管在硫離子條件下的響應釋放

載藥體系中的甲硝唑在加入硫離子前后的釋放濃度隨時間的變化情況如圖6所示。當體系中的硫離子濃度達到 0.4 mmol/L后，載藥納米管內的甲硝唑的釋放濃度明顯提高，之后的釋放速率逐漸減緩。這時可以判斷 Cu-BTA-甲硝唑載藥納米管能夠實現對硫離子的響應釋放。

2.5 硫離子響應釋放臨界濃度

載藥體系中的甲硝唑在加入不同濃度硫離子后的釋放濃度隨時間的變化情況如圖7所示。當溶液中硫離子的濃度為0.01、0.05 mmol/L時，其釋放情況與未加入硫離子的實驗組相比沒有明顯的變化。當溶液中的硫離子濃度達到0.1 mmol/L時，甲硝唑的釋放濃度明顯提高。進一步提高硫離子濃度后，效果一致。因此可以初步確認0.1 mmol/L是Cu-BTA-甲硝唑載藥納米管在溶液中實現響應釋放對應的硫離子的臨界濃度。

3 結論

該研究以埃洛石納米管為載體，甲硝唑作為殺菌劑，Cu-BTA絡合物作為封孔劑，制備了一種響應釋放殺菌材料。該材料基于 Cu-BTA絡合物膜與 Cu-S難溶物間溶度積差異的原理，實現了對環境中硫離子的響應釋放。研究證明，在一定范圍內，銅離子濃度越大，Cu-BTA絡合物膜層對甲硝唑的封堵作用越好，最優條件是 160 mmol/L。同時，通過比較加入硫離子前后甲硝唑的釋放情況，驗證了材料能夠在一定濃度的硫離子條件下實現響應釋放，硫離子響應釋放的臨界濃度為0.1 mmol/L。該材料的開發可為海洋環境硫酸鹽還原菌腐蝕防護提供新的途徑。