粒徑可控的TeO2納米顆粒合成及其抗耐藥菌活性研究

陳 凡，劉向宇，姜興茂，呂 中

武漢工程大學環境生態與生物工程學院，湖北 武漢 430205

抗生素的大量使用使越來越多的細菌對抗生素產生耐藥性［1］。細菌耐藥不僅使治療藥物劑量加大、治療時間延長，而且會出現治療失敗［2-3］。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）是最常見的臨床耐藥菌之一，從1961年被發現至今感染遍及全球［4］。MRSA 能引起皮膚和軟組織感染、腦炎等，嚴重威脅人類健康。傳統治療金黃色葡萄球菌感染的抗生素大多為β-內酰胺類，但對MRSA 的抗菌作用大大降低，尋求新的抗MRSA 藥物迫在眉睫［5-7］。

無機納米材料由于其尺寸小、比表面積大、廣譜抗菌性及不易產生耐藥性等優點為治療耐藥菌感染提供了新的策略［8］。碲穩定性高，是人體中第四大微量元素，生物安全性好，其化合物很早被用于治療感染疾病，如麻風病、結核病等［9-10］。無機納米二氧化碲（TeO2）具有輕質、高強度及高比表面積的特點，廣泛應用于諸多新興領域，如用于制備半導體、熱電轉換元件、紅外探測器等［11-13］。同時，TeO2也被用于抗菌方面，如Zhong 等報道了2種不同類型的納米TeO2顆粒溶液對臨床分離的革蘭氏陽性和陰性病原菌株均能抑制生長［14］，但是研究較少。目前，TeO2納米顆粒的制備多采用水熱法、溶劑熱法、氣相沉積法、電化學法等［15-17］。然而，這些方法操作繁瑣、能耗高、產能低，滿足不了大量高效制備TeO2納米顆粒的要求。氣溶膠法是一種常在實驗室和工業生產中生產納米材料的方法，其制造的納米材料廣泛用于氣體吸附、催化劑、藥物傳遞和控制釋放、抗菌涂料、自清潔材料、空氣凈化和水處理等領域［18］。使用氣溶膠法制備納米材料具有工藝流程短、反應時間短、成本較低、不對環境造成污染、副產物少等優點。基于此，本研究通過控制不同的反應溫度，使用氣溶膠法一步合成不同尺寸的TeO2納米顆粒，并測定其對MRSA 的抗菌作用，豐富具有抗耐藥菌活性的無機合成納米材料種類。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

MRSA 臨床菌株由武漢市第三人民醫院提供并鑒定；碲酸（H2TeO4），亞碲酸鈉（Na2TeO3）（阿拉丁試劑有限公司）；商用TeO2（西格瑪奧德里奇貿易有限公司）；Mueller-Hinton（MH）培養基（AOBOX有限責任公司）；瓊脂糖，氯化鈉、氯化鉀、磷酸二氫鈉和磷酸氫二鉀均（國藥集團化學試劑有限公司）。

D8 ADVANCE 型X-射 線 衍 射 儀（X-ray diffraction，XRD，德國Bruker 公司）；S-4800 型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM，日本日立公司）；722 N 紫外可見分光光度計（上海儀電分析儀器有限公司）。OTL-1200 型高溫管式爐（南京博蘊通儀器科技有限公司）。

1.2 TeO2納米顆粒的制備

按圖1 搭建裝置進行合成［19］。將碲酸粉末溶解于去離子水中，配成質量濃度為100 mg/mL 的溶液，在純度為99.999%、壓力為200 kPa，氮氣保護下，通過單噴嘴噴霧器霧化成氣溶膠液滴（流速為6.5 L/min，生成粒子濃度范圍為107個/厘米3），液滴通過導管進入微波發生器（功率為800 kW）進行干燥，隨后附于氮氣上進入高溫管式爐中（電阻加熱型，選擇溫度分別為400、500、600、700、800、900 ℃）反應1 s，經過熱分解及燒結、熔融等過程后生成TeO2納米顆粒，最后由單層板過濾器進行收集。

圖1 氣溶膠法合成裝置Fig.1 Schematic diagram of synthesis of tellurium dioxide nanoparticles by an aerosol method

1.3 樣品表征

采用XRD 對所合成的樣品組成進行分析，掃描角度為10°～80°；采用SEM 對樣品的形貌及大小進行分析。

1.4 TeO2納米顆粒的抗菌活性

1.4.1 最低抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）測定 在無菌試管中加入1 mL 濃度為106CFU/mL（colony forming unit，CFU，菌落形成單位）的MRSA 菌液，分別加入1 mL 不同質量濃度（2～512 μg/mL）的TeO2溶液（用MH 培養基配制），混合均勻后放于37 ℃，200 r/min 恒溫搖床震蕩培養24 h。觀察試管中溶液的渾濁度，以溶液澄清透明試管對應的TeO2濃度為MIC。實驗重復3 次。

1.4.2 抗菌活性比較 選取了1 mL 質量濃度為32 μg/mL 的商用TeO2、碲酸、亞碲酸鈉、MIC 最小的合成TeO2、納米銀（文獻方法合成［20］）以及16 μg/mL的納米銀（用MH 培養基配制），再分別與1 mL 106CFU/mL 的MRSA 溶液混合，在37 ℃，200 r/min恒溫搖床震蕩培養3 h，稀釋涂板計數。實驗重復3 次，取平均值。以不添加藥物的試管為對照組。

2 結果與討論

2.1 樣品表征

圖2 是不同溫度下氣溶膠法制備的樣品的XRD 圖譜。由圖2 可知，在不同溫度條件下的TeO2納米顆粒，在26.2°、29.9°、37.3°、48.5°和55.2°出現的衍射峰均與副黃碲礦型TeO2標準卡片圖譜（JCPDS 84-1777）的110、102、200、212 及114 晶面對應；同時，不同溫度條件下合成的樣品圖譜未出現其他雜峰，表明合成了結晶度較高的TeO2。這是因為采用氣溶膠法合成TeO2納米顆粒時，前驅體為H2TeO4溶液，合成過程中未使用其他化學試劑，并且400 °C 就能有效分解H2TeO4，生成純凈的TeO2。

圖2 不同溫度合成的TeO2納米顆粒的XRD 圖Fig.2 XRD patterns of TeO2 nanoparticles synthesized at different temperatures

采用SEM 觀察不同溫度合成的TeO2的形貌。由圖3 可知，在溫度為400 ℃時，生成的TeO2納米顆粒粒徑較大且分布不均，大部分顆粒粒徑在600 nm 左右；隨著溫度從400 ℃升高到900 ℃，粒徑分布逐漸均一，并且納米顆粒的平均粒徑逐漸減小，從600 nm 降到30 nm。此外，隨著溫度由700 ℃升高到900 ℃時，TeO2粒徑顯著降低，從250 nm 減小到100 nm；溫度在升高時，粒徑減小幅度降低。這是由于H2TeO4溶液變為氣溶膠后，在管式爐中停留時間保持一致，不同的爐溫使得氣溶膠液滴在蒸發、沉淀、熱分解及燒結、熔融等各個階段的停留時間不同［21］，液滴之間發生碰撞凝聚不同，最終導致TeO2納米顆粒的粒徑分布的不同。在溫度較低時，TeO2處于液滴狀態時間長，液滴之間碰撞合并為更大液滴的概率增大，進而成核速度慢，成核數量少，使得生成的TeO2尺寸較大且分布不均；而隨著溫度的升高，液滴蒸發更快，合并概率小，生成的TeO2顆粒平均粒徑更小且分布均勻。因此，通過控制不同的管式爐溫度，可以有效控制合成的TeO2的粒徑分布。

圖3 不同溫度合成的TeO2納米顆粒的SEM 圖：（a）400 ℃，（b）500 ℃，（c）600 ℃，（d）700 ℃，（e）800 ℃，（f）900 ℃Fig.3 SEM images of TeO2 nanoparticles synthesized at different temperatures：（a）400 ℃，（b）500 ℃，（c）600°C，（d）700°C，（e）800 ℃，（f）900 ℃

2.2 TeO2納米顆粒的抗菌活性

2.2.1 TeO2納米顆粒對MRSA 的MIC 值 表1 是不同粒徑TeO2納米顆粒的MIC 值。由表1 可知，不同溫度下合成的TeO2納米顆粒的抗菌活性存在差異，其MIC 從512 μg/mL 到8 μg/mL 不等。相對于商用TeO2（粒徑為1～5 μm），通過氣溶膠法合成的所有TeO2納米顆粒的MIC 都更小，即具有更強的抗菌活性。其中，合成溫度為400 ℃時合成的TeO2納米顆粒的MIC 最大，并且隨著溫度的升高所合成的TeO2的MIC 逐漸減小，在900 ℃時到達最小，為8 μg/mL。且合成溫度從700 ℃升高到800 ℃時，MIC 從128 μg/mL 降低到16 μg/mL，降低程度顯著增大，這種變化趨勢與TeO2粒徑的變化趨勢相一致。抗菌活性隨顆粒粒徑減小而增大的可能原因是更小的TeO2納米顆粒，更容易進入細菌細胞，從內部發揮抗菌作用。相同作用也見于不同粒徑的納米銀［22］、銅［23］等。

表1 不同溫度合成的抗MRSA TeO2納米顆粒的MICTab.1 MIC of TeO2 nanoparticles synthesized at different temperatures against MRSA

2.2.2 抗菌活性比較測試 為進一步評估所合成的TeO2抗MRSA 的活性，比較了相同質量濃度下（32 μg/mL）900 ℃所合成的TeO2（T6）與合成前體H2TeO4、含 碲 化 合 物Na2TeO3、商 用TeO2以 及 納 米銀（32 和16 μg/mL）的抗MRSA活性，結果見圖4。由圖4 可知，與空白對照相比，TeO2合成前體H2TeO4和商用TeO2幾乎未表現出抗MRSA 活性；含碲化合物Na2TeO3表現出了一定的抗菌活性，細菌數量從8.32 log CFU/mL（lg CFU/mL 定義為每毫升樣品中細菌菌落數的對數值）降到7.48 lg CFU/mL。T6具有較強的抗菌活性，使細菌數量從8.32 lg CFU/mL 降到5.16 lg CFU/mL，低于同質量濃度的納米銀，而與濃度低一倍的納米銀相當。目前已報道的無機納米抗菌劑中，納米銀的抗菌活性遠高于其他抗菌劑，因此本文在900 ℃所合成的TeO2具有較高的抗菌活性。

圖4 TeO2納米顆粒與其他抗菌劑對MRSA 的抗菌活性Fig.4 Antibacterial activities against MRSA of TeO2 nanoparticles and other antibacterial agents

3 結 論

采用氣溶膠法合成TeO2納米顆粒，通過控制管式爐溫度，可獲得不同粒徑的TeO2納米顆粒。溫度升高，粒徑減小；400 ℃時平均粒徑為600 nm，在900 ℃時平均粒徑最小，為30 nm。TeO2納米顆粒對MRSA 的抗菌活性受到其粒徑的影響，隨著粒徑的減小，其抗菌活性逐漸增強。在相同質量濃度下，30 nm 粒徑的TeO2納米顆粒抗MRSA 活性遠高于前體H2TeO4、商用TeO2及Na2TeO3，與濃度低1 倍的納米銀相當，表明所合成的TeO2納米顆粒具有較高的抗耐藥菌活性。并且相對于價格高昂的納米銀，氣溶膠法合成的TeO2納米顆粒粒徑可控，成本低廉，方法簡便，將是一種有前景的抗耐藥菌藥物。