季铵盐-钕/蒙脱土复合材料的制备及抗菌性能的研究

姜秀榕，郑珍香，林标声，吴惠亮

（1.龙岩学院化学与材料学院，福建 龙岩，364000；2.龙岩学院生命科学学院，福建 龙岩，364000）

季铵盐-钕/蒙脱土复合材料的制备及抗菌性能的研究

姜秀榕1，郑珍香1，林标声2，吴惠亮1

（1.龙岩学院化学与材料学院，福建 龙岩，364000；2.龙岩学院生命科学学院，福建 龙岩，364000）

以NaF为改性剂，利用钙基蒙脱土制备钠基蒙脱土，再用离子交换法将无机抗菌离子钕离子和有机抗菌离子十六烷基三甲基季铵阳离子对钠基蒙脱土改性，制备载钕蒙脱土（Nd-MMT）、十六烷基三甲基季铵盐-载钕蒙脱土(1631-Nd-MMT)。X-射线衍射(XRD)分析结果表明，钕离子和十六烷基三甲基季铵盐阳离子确实都已交换到蒙脱土中。抗菌实验表明，改性蒙脱土抗菌剂对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有抑制、杀菌效果，抗菌试验的结果也表明，复合抗菌剂具有较好的抗菌性能。

改性蒙脱土；抗菌性能；季铵盐；钕离子；蒙脱土复合材料；制备

抗菌材料是经过抗菌处理的一类材料。它在使用过程中能抑制对人类身体健康或生活、生产环境有害微生物的生长繁殖，保持环境的清洁卫生，提高人们生活品质[1]。

蒙脱土具有可交换的水合阳离子和很强的吸附性能，适合作为抗菌剂的载体。藻细胞超微结构表明，过量的Nd3+破坏了藻细胞内的类囊体结构，胞内脂质体含量增加，细胞膜变粗糙甚至变形破碎，对藻细胞造成不可逆伤害，是添加在长效抗菌材料中的很好的抗菌剂[2]。叶瑛等[3]将铜离子与蒙脱土交换制备了载铜蒙脱土，发现它对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)均具有一定的抑制作用，但其抗菌效果无法满足实际应用的要求，且带有颜色；Richard等[4]将季铵盐插入蒙脱土层间，使季铵盐和硅酸盐之间形成分子级的复合，季铵盐能稳定存在于硅酸盐层间的微环境中，从而提高热稳定性和长效性。本文用龙岩连城的蒙脱土作抗菌材料，将钕离子Nd3+和季铵盐十六烷基三甲基溴化铵(1631)分别载入到钠基蒙脱土中分别制得载钕蒙脱土Nd-MMT、季铵盐改性蒙脱土抗菌剂（CTAB-MMT）、季铵盐-钕-蒙脱土复合材料（CTAB-Nd-MMT），并通过改变季铵盐物质的量、反应时间、反应温度等条件来制备季铵盐-钕-蒙脱土复合材料（CTAB-Nd-MMT），观察其层间距的变化，研究各自抗菌效果，通过不断的实验制备出符合实际要求且抗菌性能优良的抗菌性能的复合材料。

1 实验部分

1.1 实验原料及药品

精制蒙脱土（龙岩连城）、十六烷基三甲基溴化铵（1631、国药集团化学试剂有限公司）；氟化钠（AR分析纯、汕头市西陇化工有限公司）；大肠杆菌（E.coli，ATCC25922）和金黄色葡萄球菌（S.aureus，ATCC6538），龙岩学院生命科学院实验室提供。

1.2 实验仪器

集热式恒温加热磁力搅拌器（DF—101S型、巩义市英峪予华仪器厂）；电子天平（BS224C型、赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9071A型、上海精宏实验设备有限公司）；X射线仪（DX-2700、丹东方园科技有限公司）。傅里叶变换红外光谱仪(美国Nicolet公司)。

1.3 复合抗菌剂的制备

1.3.1 精制蒙脱土

将一定量的连城膨润土原矿粉粉碎后置崩解槽内，加水制成10%左右的悬浊液，粗滤除去泥沙等杂质后转入静置槽，经5～6h静置沉降分离后，经超声波洗涤，抽滤，100～110℃干燥，研磨过325目筛，装瓶备用[5]。

1.3.2 钠基蒙脱土的制备

往10%左右的精制蒙脱土矿浆中加入4.2%的氟化钠溶液，调节磁力搅拌器转速1800 r/min，在70℃恒温搅拌1.5 h，抽滤，得到粉色的沉淀，再用去离子水反复洗涤、过滤，然后在65℃真空干燥48 h，研磨，过325目筛，筛得粉末进行XRD测试，即得钠基蒙脱土（Na-MMT）。

1.3.3 载钕蒙脱土的制备

将20 g钠基蒙脱土（Na-MMT）通过搅拌分散在800mL蒸馏水中，加入20mmol的氧化钕Nd2O3，在65℃恒温搅拌4 h，抽滤，得到粉色沉淀，再用蒸馏水反复洗涤，直至滤液中无钕析出为止，然后于65℃真空干燥48 h，研磨，过325目筛[6]，筛得粉末进行XRD测试，即得载蒙钕蒙脱土(Nd—MMT)。

1.3.4 十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）与钠基蒙脱土的离子交换

往5 g钠基蒙脱土悬浮液（取钠基蒙脱土5 g置于20 mL蒸馏水中）中加入5.5 mmol十六烷基三甲基溴化铵溶液（40 mL溶有5.5 mmol十六烷基三甲基溴化铵的溶液），在65℃恒温搅拌5 h，冷却，抽滤，得到粉色沉淀物，用蒸馏水反复洗涤、过滤，滤液用0.1 mol/L AgNO3溶液检验至无粉色沉淀生成；取部分粉色沉淀物在65℃真空干燥48 h，研磨，过325目筛，即得季铵盐改性蒙脱土（CTAB-MMT），筛得粉末进行XRD测试。

1.3.5 复合抗菌材料的制备

将5 g载钕蒙脱土（Nd-MMT）通过搅拌分散在100 mL蒸馏水中，加入2.5 mmol的十六烷基三甲基溴化铵，在65℃恒温下搅拌反应5 h后，抽滤，得到白色沉淀，再用蒸馏水反复洗涤，直至滤液中无Br-检出（用0.1 mol/L的AgNO3检验），然后于真空65℃干燥48 h，研磨，过325目筛，即得季铵盐-钕-蒙脱土复合材料（1631-Nd-MMT），再进行XRD测试。

1.4 结构和成分测定

使用DX-2700型X射线衍射仪，Cu靶Kα射线，λ=0.15405 nm，扫描速度为0.03°/s，扫描范围为2°～10°。管电压35 kV，管电流30 mA，转动方式θs-θd。用傅里叶变换红外光谱仪(美国Nicolet公司)对所制备的样品的红外光谱吸收性能进行分析。

1.5 抗菌性能测试

1.5.1 抑菌圈测试

将Φ90mm玻璃培养皿及配好的查氏培养基放在高温灭菌锅中，0.15 MP下灭菌20min。待查氏培养基冷却至50℃左右，倒板固化。取适量自然霉菌孢子液均匀涂布在培养基表面，将直径25 mm的滤纸圆片置于约15 mL载钕蒙脱土浆液中浸泡20 min，晾干，贴于培养皿中心，作3个平行试验。取滤纸圆片置于未载钕的蒙脱土浆液中浸泡约20 min，做对比实验。最后，将培养皿放在霉菌培养箱中培养观察（培养温度24.5～26.5℃）[7]。

1.5.2 最小抑菌浓度M IC的测定

先将抗菌剂用MH肉汤做2倍连续稀释至不同浓度，再分别加入到含有一定菌量（金黄色葡萄球菌S.aureus和大肠杆菌E.coll i的菌株分别为ATCC8099和ATCC6538）的培养液中，使混合液中的最终菌液浓度控制在106 cfu/mL；在37℃振荡培养24 h，以不长菌管的抗菌剂浓度计量为抗菌剂的MIC[8]。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

FTIR分析结果如图1。

图1 各种蒙脱土的红外光谱图

由图1可得，Na-MMT和季铵盐改性蒙脱土的红外光谱的共同特征是：在1039 cm-1处的强吸收峰为Si-O的伸缩振动峰，800～400 cm-1处为Al-O和Si-O的弯曲振动峰，3625，3425，1634 cm-1为蒙脱土层间-OH相应的伸缩振动峰和弯曲振动峰。在825 cm-1处是由蒙脱土矿物中的石硅石产生的。改性蒙脱土的红外光谱中，除了保留蒙脱土原有的特征峰外，还出现了新的吸收峰：在2925、2853 cm-1处有2个强的吸收峰分别为-CH2的C-H反对称和对称伸缩振动峰，这说明经过离子交换反应，季铵盐阳离子已经进入蒙脱土片层之间，发生了插层反应，在红外光谱图中表现为波数和强度的变化。

2.2 XRD分析

根据公式：2D Sinθ=λ,λ=0.15405及图2可知，蒙脱土与Na+离子交换后，得钠基蒙脱土（Na-MMT）层间距为1.2440 nm；钠基蒙脱土（Na-MMT）与Nd3+离子交换后，得载钕蒙脱土(Nd-MMT)层间距增加到1.5681 nm，(r(Nd3+)=0.0983 nm，＜r(Na+)=0.102 nm)；当Na-MMT与十六烷基三甲基溴化铵（1631）反应后，得季铵盐蒙脱土(1631-MMT)其层间距进一步增大到1.8548 nm，载钕蒙脱土(Nd-MMT)经有机季铵盐十六烷基三甲基溴化铵（1631）表面改性后的季铵盐载钕蒙脱土（1631-Nd-MMT）层间距增加到1.7145 nm，比较这些数据可以看到，Na-MMT与改性基团进行阳离子交换，蒙脱土的层间距在增大，表明钕离子（Nd3+）和季铵阳离子已交换到蒙脱土层间。

图2 各种蒙脱土的X-射线衍射（XRD）图

3 蒙脱土抑菌性能研究

3.1 抑菌环

由图3和表1可以看出钠基蒙脱土（Na-MMT）、季铵盐蒙脱土（1631-MMT）、载钕蒙脱土（Nd-MMT）和季铵盐载钕蒙脱土（1631-Nd-MMT）样片周围后者出现的抑菌环均比前者周围出现的抑菌环较大，钠基蒙脱土（Na-MMT）样片对金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抑菌环为6 mm，对大肠杆菌(E.coli)的抑菌环为5 mm；载钕蒙脱土（Nd-MMT）样片对金黄色葡萄球菌S.aureus)的抑菌环为11 mm，对大肠杆菌(E.coli)的抑菌环为7 mm；季铵盐蒙脱土（1631-MMT）样片对金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抑菌环为13 mm，对大肠杆菌(E.coli)的抑菌环为9 mm；季铵盐载钕蒙脱土（1631-Nd-MMT）样片对金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抑菌环为15 mm，对大肠杆菌(E.coli)的抑菌环为10 mm；抗菌活性由抑菌环的大小决定。因此钠基蒙脱土（Na-MMT）、载钕蒙脱土（Zn-MMT）、季铵盐蒙脱土（1631-MMT）和季铵盐载钕蒙脱土（1631-Nd-MMT）对金黄色葡萄球菌的抑制效果均要好于大肠杆菌，且后者的抑菌能力依次均比前者的抗菌能力强。

图3 抗菌实验照片

表1 抗菌剂的抑菌环的大小

3.2 最小抑菌浓度

最小抑菌浓度结果见表2。

表2 抗菌剂的最小抑菌浓度（MIC）

从表2中可知，钠基蒙脱土（Na-MMT）对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）的最小抑菌浓度（MIC）均大于10000 mg/L，可见钠基蒙脱土（Na-MMT）的抗菌效果很差；载钕蒙脱土（Nd-MMT）对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）的最小抑菌浓度（MIC）都为4000 mg/L，季铵盐蒙脱土（1631-MMT）对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli的最小抑菌浓度（MIC）都为400 mg/L和4000 mg/L，季铵盐载钕蒙脱土（1631-Nd-MMT）对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）的最小抑菌浓度MIC都为400 mg/L，可知本实验改性蒙脱土抗菌性能大大增强。此外，金黄色葡萄球菌（S.aureus）是革兰氏阳性菌，大肠杆菌（E.coli）是革兰氏阴性菌，从细胞壁的结构来看，革兰氏阳性菌具有比革兰氏阴性菌厚得多的肽聚糖细胞壁，但其结构粗糙，很难阻止小分子扩散；而革兰氏阴性菌比革氏阳性菌的细胞壁更复杂，且有一层像筛子一样的外膜[9]，所以，载钕蒙脱土（Nd-MMT）、季铵盐蒙脱土（1631-MMT）、季铵盐载钕蒙脱土（1631-Nd-MMT）对革兰氏阳性菌(S.aureus)抗菌性能均比对革兰氏阴性菌(E.coli)的好。

4 结论

(1)改性蒙脱土的红外光谱中，在2925、2853cm-1处有2个强的吸收峰分别为-CH2的C-H反对称和对称伸缩振动峰，同时，3425，1634 cm-1处的-OH峰强度减弱，这是由于季铵盐插层后，层间的水被置换出来，水的含量减少，证明季铵盐已经交换到蒙脱土上。可以证明钕离子、季铵盐有载进蒙脱土层间。由布拉格方程：2D sinθ=λ，λ=0.15405计算改性蒙脱土的层间距均增大，说明钠离子Na+、钕离子Nd3+有机基团已将蒙脱土晶层撑开，增大了蒙脱土的层间距，进入了蒙脱土晶层间，制备出各种改性蒙脱土。

(2)载钕蒙脱土（Nd-MMT）对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）的最小抑菌浓度都为4000 mg/L，对金黄色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌环为11 mm，对大肠杆菌（E.coli）的抑菌环为7 mm；季铵盐改性蒙脱土（1631-MMT）对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）的最小抑菌浓度都为400和4000 mg/L；对金黄色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌环为13 mm，对大肠杆菌（E.coli）的抑菌环为9 mm；季铵盐载锌蒙脱土（1631-Nd-MMT）对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）的最小抑菌浓度都为400 mg/L；对金黄色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌环为15 mm，对大肠杆菌（E.coli）的抑菌环为10 mm；表明载钕蒙脱土（Zn-MMT）、季铵盐改性蒙脱土（1631-MMT）和季铵盐载钕蒙脱土（1631-Nd-MMT）对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）具有抑制和杀灭作用。

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(责任编辑：朱联九)

Preparation and Antibacterial Property of M ontm orillonite Com posite M aterial Exchanged w ith Nd3+and Cetyltrimethylammonium Brom ide Cation

JIANG Xiu-rong1,ZHENG Zhen-xiang1,LIN Biao-sheng2,WU Hui-liang1
(1.College of Chemistry an Material Science,Longyan University,Longyan36400,China)2.College of Life Science,Longyan University,Longyan36400,China)

A kind ofmodifiedmontmorillonitewas prepared by introducing Nd3+and quaternary ammoniumcations into montmorillonite via the ion exchange,Ca-montmorillonite in Longyan city was converted into Na-montmorillonite w ith NaF as conversion agent.Na-montmorillonite(Na-MMT)wasmodified w ith Nd3+and cetyltrimethylammonium bromide cation(CTAB)by the ion-exchange method.The results of XRD show that Nd3+and quaternary ammonium salts have been exchanged in montmorillonite.The investigation into the antibacterial property of the prepared composite antibacterial agent shows that them inimal inhibitory concentrations(M IC)towards E.coli,S.aureus are nomore than 250mg/L,which shows that the antibacterialagentpossesses excellentantibacterial property and ratherw ide antibacterial spectrum.

modified montmorillonite;antim icrobial property;quaternary ammonium salts;neodym ium ion;montmorillonite compositematerial;preparation.

TB332

A

1673-4343（2014）02-0073-06

2014-01-12

龙岩学院创新创业训练计划项目（201207）

姜秀榕，女，福建永定人，讲师。研究方向：复合材料。