納米銀插層膨潤土抗菌劑的性能研究

（山西省化工研究所（有限公司），山西 太原，030021）

無機抗菌劑具有抗菌廣譜性、耐熱性、持久性等優點，是醫療衛生、日用化工等領域常用的抗菌劑品種[1-3]。由于Ag+具有抗菌廣譜性、殺菌效率高及安全性高等特點，成為具有代表性的無機抗菌劑，然而Ag+保存時遇光極易變色，直接添加銀離子系列抗菌劑會明顯降低基材的性能，因而開發出沸石、氧化鈦等作為載體的載銀離子抗菌劑[4-6]，但這些載體與銀離子之間的作用力較弱，仍不能滿足保護人類健康的需要。近年來發明了納米銀抗菌劑，納米銀的抗菌性能是Ag+抗菌劑的上千倍[7-8]，納米銀抗菌劑成為研究熱點[9-11]。制備納米銀的報道較多，但因納米銀粒徑很難控制、容易團聚，并且一般納米銀粒徑較大很難載入膨潤土片層間，故用載體制備載納米銀抗菌劑研究較少。把納米銀顆粒成功插入到膨潤土片層間的研究報道很少，大部分報道是膨潤土片層間載入銀離子或表面載有納米銀[12]，因此需要開發一種載體能與納米銀牢固結合的載納米銀抗菌劑，進一步增強載體與納米銀之間的作用力，增強抗菌性能的穩定性和持續性。本課題以片層結構的膨潤土為載體和模板，改善納米銀易團聚和銀離子抗菌劑易變色問題，制備出一種結構穩定、顏色穩定、粒徑較小。抗菌持續時間久的納米銀插層膨潤土抗菌劑，滿足醫療衛生、日用化工等領域的需求，提高人們生活水平和保護人類的衛生健康。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

酸改性膨潤土（自制）；硝酸銀，分析純，東莞市斯巴達化學有限公司；氨水，分析純，天津市化學試劑三廠；十二烷基苯磺酸鈉，分析純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；無水乙醇，分析純，東莞市斯巴達化學有限公司。

1.2 納米銀插層膨潤土抗菌劑的制備

將10g酸改性膨潤土放入三口燒瓶中，加入200mL去離子水，然后加入100 mL 0.5%十二烷基苯磺酸鈉， 30 min后加入一定濃度的銀氨溶液，在60℃的水浴中攪拌，用稀硫酸或稀氨水調節pH值YL 8～9，然后在紫外光照射下，再攪拌3h后，取上層渾濁液離心分離，將分離出來的制品用去離子水洗滌至pH值約為7。將上述制品加入無水乙醇分散并在60℃烘箱中干燥，然后研磨，過400目篩分離。

1.3 測試與表征

采用JEM-2010型高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察樣品顆粒微觀形貌與大小。采用能量分散譜儀（EDS）測量樣品的元素組成質量百分數和元素（原子）數量百分比，探測元素范圍4Be～92U。抗菌性能測試按《消毒技術規范》（2002年版）最小抑菌濃度瓊脂稀釋法[13]（MIC：Minimal inhibitory concentration），選用金黃色葡萄球菌(S. aureus ATCC 6538)和大腸桿菌(E. coli ATCC8099)為測試用菌種，測試抗菌劑的最小抑菌濃度（MIC）。采用溫州儀器儀表有限公司WSB-Ⅱ型白度計測試樣品的白度。采用LD4-2型低速離心機水洗離心分離，每次以2500r/min的轉速離心分離50000轉，逐次測試抗菌劑MIC。

2 結果與討論

2.1 微觀結構分析

如圖1(a)膨潤土原樣HRTEM 像所示，膨潤土的微觀結構為片層結構。膨潤土邊緣處能看到薄片層，薄片層疊在一起形成了片層，片層輪廓清晰，片層尺寸大小不規則，但整齊的疊在一起，形成了膨潤土的片層結構。從圖1(b)納米銀插層膨潤土HRTEM 像可以看到，納米銀粒子分布在片層中，觀察到部分納米銀粒子較為暗淡，是因為膨潤土的薄片層覆蓋在納米銀粒子的上面，對納米銀粒子有遮擋，影響了透射電鏡測試時電子對納米銀的散射與衍射，進而影響了成像的像襯度。納米粒子的形狀為球形，有大量球形納米銀粒子夾插在膨潤土片層中，納米粒子的直徑范圍為2nm ～ 17nm，大部分（約90%）粒徑小于8 nm，有少量直徑為8nm ～ 17 nm的顆粒。從圖1(c)可知，膨潤土片層邊緣夾插有納米銀粒子，有的已經完全插入膨潤土片層中，還有的部分插入膨潤土片層中（如圖中標記），標記較大的納米銀粒子的直徑約為8nm。

圖1 膨潤土原樣和納米銀插層膨潤土的HRTEM 像Fig.1 HRTEM images of original bentonite and nanosilver intercalated bentonite

改性膨潤土用陰離子表面活性劑對膨潤土進行插層改性，柱狀插入片層中間，增加了片層間距離，增強吸附性能[14,15]。較長的反應時間，獨特的陰離子表面活性劑SDBS插層控制片層間距，合適的攪拌速度等有利于[Ag(NH3)2]+與膨潤土片層中間的陽離子進行離子交換反應進入到膨潤土片層中間，然后在紫外光的照射下發生光催化還原反應，緩慢生成納米銀顆粒；加熱能促進納米銀粒子的形成[16-17]， 60℃時粒子的分散性好，合適的溫度促進了反應體系物質間頻繁相互碰撞，促進光催化還原[Ag(NH3)2]+順利進行，有利于制備出納米銀。納米銀在膨潤土的片層間逐漸長大，當納米銀的粒徑達到膨潤土的片層間距時，膨潤土的片層結構起到了模板作用，阻礙納米銀的粒徑長大，控制了納米銀粒徑的生長；加之表面活性劑SDBS的分散作用，能夠有效防止納米銀的團聚，使得納米銀的粒徑較小且分布均勻，納米銀被夾插在膨潤土的片層中。個別納米銀粒徑較大（為17nm），分布在膨潤土片層表面，因其只受到了表面活性劑的分散作用，沒有受到片層模板作用，故粒徑要比在片層中的納米銀粒徑大。膨潤土片層中夾插納米銀，使得片層與納米銀之間除有吸附力、氫鍵等作用力外，更有片層的夾持壓力，片層牢牢夾住了納米銀粒子，使得結構的穩定性大大提高，從而提高抗菌劑的穩定性，進而提高抗菌劑的持久抗菌性能。片層的夾插包裹，避免了納米銀直接暴露在環境中，改變了傳統銀抗菌劑的易變色的問題，具有顏色不易變色性。

2.2 能譜分析

從表1和圖2中可知，膨潤土主要含有O、Na、Mg、Al、Si、Ca等元素。經過與Ag(NH3)2OH溶液離子交換反應后，膨潤土中含有銀元素，銀元素的含量為質量分數1.04%，證明銀氨絡離子與膨潤土中的離子發生了交換反應，膨潤土成功載上了銀，形成了納米銀粒子，這與透射電鏡觀察到的結果一致；同時有N元素的存在，說明還有部分 [Ag(NH3)2]+存在或有NH4+存在，吸附在膨潤土的片層中。

表1 膨潤土及納米銀插層膨潤土的元素含量Table1 Element content of bentonite and Nano-Ag/BT

圖2 膨潤土原樣及納米銀插層膨潤土的能譜圖：(a)膨潤土原樣; (b) 納米銀插層膨潤土Fig.2 EDS images of original bentonite and nanosilver intercalated bentonite： (a) original bentonite (b) Nano-Ag/BT

2.3 抗菌性能測試

納米銀含量為1.04%的Nano-Ag/BT的最小抑菌濃度（MIC）從表2可知，Nano-Ag/BT對（革蘭氏陽性菌）金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度（MIC）為50 μg/mL；Nano-Ag/BT抗菌劑對（革蘭氏陰性菌）大腸桿菌的最小抑菌濃度（MIC）為50 μg/mL，具有優異的抗菌性能。納米銀插層膨潤土有抗菌劑優異的抗菌性能主要是因為納米銀的抗菌性能優異，納米銀的抗菌性能是銀離子的上千倍[7-8]。Nano-Ag/BT抗菌劑中的納米銀粒徑較小，大部分（90%）小于8 nm，納米銀的粒徑越小意味著比表面積越大，使得納米銀粒子能更好的與細菌接觸或吸附，納米銀粒徑越小活性越高抑制細菌生長的能力越強，越有利于殺滅細菌[18-19]，具有優異的抗菌性能。

表2 納米銀插層膨潤土的最小抑菌濃度（MIC）Table2 Minimum inhibitory concentration of the Nano-Ag/BT

2.4 白度測試

從圖3可知，酸改性膨潤土的白度是78.6，隨時間的推移白度基本不變。納米銀插層膨潤土抗菌劑的白度是76.7比酸改性膨潤土略有降低，可能是膨潤土片層的表面或邊緣有納米銀存在所致。納米銀插層膨潤土抗菌劑的白度略有下降，5天后白度變為73.2，共下降4.6%；30天后，白度變為67.3，共下降12.3%；60天后白度趨于穩定，變為66.9，共下降12.8%；可見30天以后顏色變化很小，此后一個月，顏色共下降0.5%，特別是50天后，顏色沒有變化，顏色趨于穩定。30天以內，白度有降低是由于膨潤土表面或邊緣有少量[Ag(NH3)2]+和納米銀的存在，暴露在光線中被還原成黑色的單質銀[20]或部分被氧化而變色；30天以后，抗菌劑顏色基本不變，膨潤土表面或邊緣的納米銀已經處于穩定狀態，大部分的納米銀分布在膨潤土的片層中，這種膨潤土片層夾插納米銀的結構避免了納米銀直接暴露在環境中，保護納米銀不被光照，同時片層對納米銀的遮擋掩蓋，也保障了納米銀抗菌劑顏色的穩定，改變了傳統銀系抗菌劑易變色的問題，具有顏色穩定性。

圖3.樣品白度隨時間變化關系圖Fig.3 Time-dependent curve of sample whiteness

2.5 抗菌持久性測試

Nano-Ag/BT抗菌劑經過水洗離心分離5次(離心250 000轉)，測得其最小抑菌濃度見表3：抗菌劑對金黃色葡萄球菌(S. aureus ATCC 6538)和大腸桿菌(E. coli ATCC8099)的MIC離心分離100000轉后，MIC保持不變，均為50μg/mL；MIC離心分離250000轉后，MIC仍都保持在75μg/mL，具有抗菌持久性，說明納米銀粒子夾插在膨潤土片層中，不容易脫離出來，這是一種穩定的結構。

表3 Nano-Ag/BT離心分離后的最小抑菌濃度（MIC）Table3 MIC of the Nano-Ag/BT after centrifugation

3 結論

制備的納米銀插層膨潤土抗菌劑：（1）納米銀成功地載入膨潤土片層中；（2）納米銀是球形，納米銀直徑為2-17nm，大部分粒徑小于8 nm；（3）納米銀插層膨潤土抗菌劑的納米銀含銀量為質量分數1.04wt%，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的最小抑菌濃度(MIC)分別為50 μg/mL，有很好的抗菌性能；（4）抗菌劑白度共下降12.8%，30天后顏色基本不變，具有顏色穩定性，（5）離心分離100000轉，MIC保持不變，具有抗菌持久性。