纳米氧化镓的制备及其抗菌活性的研究

纳米氧化镓的制备及其抗菌活性的研究

马超，李宇兴，赖永勤，李学如

(西南交通大学生命科学与工程学院，四川 成都 610031)

摘要：采用水热法制备羟基氧化镓前驱体，再经600 ℃焙烧3 h制备纳米氧化镓。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X-射线能谱仪(EDS)对氧化镓的结构和形貌进行表征。以金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌作为指示菌，检测氧化镓的抗菌活性。结果表明，氧化镓对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌都有很好的抗菌性能。在20 μmol·L-1的氧化镓溶液中，1.5 h内对大肠杆菌的杀菌率达到98.53%，对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的杀菌率分别为95.00%和93.35%。

关键词：氧化镓；制备；抗菌性

基金项目：四川省科技支撑计划资助项目(2012FZ0048)，中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWJTU11ZT25)

收稿日期：2015-04-16

作者简介：马超(1989-)，女，天津人，硕士研究生，研究方向：生物化学与分子生物学；

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.09.008

中图分类号：TQ 133.51文献标识码：A

迄今为止，感染性疾病仍然是对人类社会的一大挑战[1-2]，抗菌材料能降低细菌的交叉感染及不易产生耐药性，尤其是无机抗菌材料由于耐热性高、使用方便、化学稳定性好、抗菌谱广、有效性长和不产生耐药性等诸多优点，备受研究者的重视,发展迅速[3]。国内外研制出了各类性能优异的无机抗菌材料，广泛应用于纤维、陶瓷、塑料、建材、涂料、搪瓷等领域[4]。

目前，广泛研究的无机抗菌材料主要有金属Ag、Cu、Zn、Ti和一些稀有金属的氧化物[5-7]。Kaneko 等[8]研究发现，Ga(NO3)3可有效地抑制绿脓杆菌的生长，阻碍生物膜的形成，并具有杀菌活性。随后，另一些研究者证实麦芽酚镓[9]、水杨酰肼镓[10]、柠檬酸镓[11]等有机镓化合物都具有较好的抗菌性，可有效抑制细菌的生长，并具有杀菌活性。作者采用水热法制备纳米氧化镓，并研究了其抗菌性能。

1实验

1.1　材料、试剂与仪器

微生物菌种：大肠杆菌(Escherichiacoli)、铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)，由四川大学华西医院提供。

硝酸镓、醋酸钠，Sigma公司；胰蛋白胨、大豆蛋白胨，OXOID公司；其它试剂为国产分析纯。

胰酪胨大豆液体培养基(TSB)：胰蛋白胨17 g，大豆蛋白胨3 g，氯化钠5 g，磷酸氢二钾2.5 g，葡萄糖2.5 g，蒸馏水定容至1 L，调节pH值7.0～7.2，121 ℃灭菌30 min。

营养琼脂培养基：蛋白胨10 g，氯化钠5 g，牛肉浸提物3 g，琼脂14 g，蒸馏水定容至1 L，调节pH值7.0～7.2，121 ℃灭菌30 min。

JSM-7001F型场发射扫描电镜、JEM-2100F型场发射透射电镜和场发射透射电镜/能谱仪，日本电子。

1.2　纳米氧化镓的制备

制备工艺参照文献[12]并稍作修改。将不同体积0.01 mol·L-1的硝酸镓水溶液和不同浓度的醋酸钠水溶液加入反应釜中，密封反应釜，在不同的pH值下于170 ℃恒温反应10 h，而后自然冷却至室温。将反应产物过滤，用水和无水乙醇反复洗涤沉淀，低温下真空干燥，得到前驱体羟基氧化镓，将其置于马弗炉中600 ℃焙烧3 h，得到氧化镓粉末。

我国学界关于政府机构改革的研究路径有国际借鉴路径、现实路径、历史反思与总结路径。各个路径之间并不是相互替代，而是相互补充，相互推动，横纵交错的研究路径为我国的政府机构改革打造了一个立体化的理论研究体系，从而为全面且细致地了解与分析我国的政府机构改革提供强大的理论支撑。

1.3　羟基氧化镓和氧化镓样品的表征

采用场发射扫描电镜对氧化镓合成过程中的前驱体羟基氧化镓及氧化镓表面形貌进行分析；通过场发射透射电镜进一步观察氧化镓结构；采用场发射透射电镜/能谱仪分析氧化镓表面元素组成。

1.4　氧化镓抗菌活性的检测

参照文献[13]方法进行。将细菌分别划线接种在营养琼脂培养基平板上，37 ℃培养16～24 h后取单一菌落转接于TSB培养基中，在37 ℃下培养16 h。取培养后的菌液用生理盐水稀释，使菌液浓度在3×103～4×103CFU·mL-1以内。取2 mL稀释后菌液分别加入到18 mL含有不同浓度的氧化镓生理盐水中，以含有2 mL菌液的20 mL生理盐水作对照。光照、37 ℃、100 r·min-1下振荡培养一定时间，取500 μL菌悬液，采用营养琼脂稀释培养法37 ℃培养24 h后进行活菌计数。按下式计算杀菌率：

式中：N0为空白对照菌落数，CFU·mL-1；N为反应后的菌落数，CFU·mL-1。

2结果与讨论

2.1　羟基氧化镓制备条件的选择

前驱体羟基氧化镓的形态会影响到后续所制备的氧化镓品质。考察了硝酸镓浓度、醋酸钠浓度、硝酸镓溶液和醋酸钠溶液体积比以及pH值对羟基氧化镓形态的影响，羟基氧化镓的制备条件见表1，所制备的羟基氧化镓样品的扫描电镜照片如图1所示。

表1羟基氧化镓的制备条件

Tab.1Preparation conditions of GaOOH

编号cGa(NO3)3mol·L-1cCH3COONammol·L-1VGa(NO3)3∶VCH3COONapH值1#0.010.41∶182#0.010.41∶1103#0.010.81∶1104#0.010.42∶110

图1不同条件下制备羟基氧化镓样品的扫描电镜照片

Fig.1SEM Images of GaOOH samples prepared

under different conditions

由图1可知，不同条件下制备的羟基氧化镓的形状和尺寸有一定差异。1#条件所制备的羟基氧化镓为300 nm大小的菱形状，2#条件所制备的羟基氧化镓为针状，3#条件所制备的羟基氧化镓为直径100 nm的球状；4#条件所制备的羟基氧化镓直径比3#条件的略大。表明，随着水热溶液中的pH值、醋酸钠浓度、硝酸镓溶液和醋酸钠溶液体积比的改变，所制得的羟基氧化镓纳米晶体的形貌和大小发生很大改变。综合考虑，选择3#条件进行纳米氧化镓的制备。

2.2　纳米氧化镓表征分析结果

以3#条件制备得到纳米氧化镓，使用场发射扫描电镜、场发射透射电镜和场发射透射电镜/能谱仪对其进行表征，结果如图2所示。

由图2a、b可知，氧化镓为棒状，长度为2 μm、宽度为1 μm、厚度为300 nm。由图2c可知，镓质量百分比为83.62%，氧质量百分比为16.38%。水热法合成的羟基氧化镓纳米颗粒在600 ℃退火处理后，所得氧化镓发生团聚，尺寸变大。可能由于温度过高，晶体表面出现裂缺现象。

图2　氧化镓表面的SEM照片(a)、TEM照片(b)和EDS分析(c) Fig.2　SEM Image(a),TEM image(b) and EDS analysis(c) of gallium oxide

2.3　氧化镓抗菌实验结果(图3)

图3　氧化镓(20 μmol·L -1)与细菌接触不同时间后的杀菌率 Fig.3　Antibacterial rate of gallium oxide(20 μmol·L -1) after contacting for different time with bacterial

由图3可知，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌随着时间延长杀菌效果增强，在1 h左右达到峰值；铜绿假单胞菌达到峰值时间比大肠杆菌和金黄色葡萄球菌延迟0.5 h。氧化镓浓度为20 μmol·L-1时，1.5 h内可杀死98.53%的大肠杆菌、95.00%的金黄色葡萄球菌和93.35%的铜绿假单胞菌。

3结论

采用简单的水热法制备了氧化镓并研究了其抗菌性能。结果表明，所制备的氧化镓为长2 μm、宽1 μm、厚300 nm的棒状结构。所制备的氧化镓在较低浓度下对大肠杆菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌都表现出较好的抗菌效果。所制备的氧化镓纳米颗粒可以添加到各种原料中制备各种抗菌材料，具有一定的潜在应用价值。

参考文献：

[1]DYE C，WILLIAMS B G，ESPINAL M A，et al.Erasing the world′s slow stain:Strategies to beat multidrug-resistant tuberculosis[J].Science，2002，295(5562):2042-2046.

[2]PRABHAT J,ANNE M,KARA H,et al.Improving the health of global poor[J].Science，2002，295(5562):2036-2039.

[3]葛伟青,苑少强,郝斌.无机抗菌材料的应用及其抗菌性能测试和评价[J].陶瓷，2007,(7):53-55.

[4]陈君华,王飞,程年寿,等.铜原位改性HMS 材料的表征及抗菌性能[J].无机材料学报,2009,24(4):695-701.

[5]孔令春.纳米金属氧化物抗菌材料的制备及其抑菌性能研究[D].曲阜:曲阜师范大学,2007.

[6]邱凡珠.含锌、银离子以及稀有金属氧化物的抗菌发泡EVA的研究[D].福州:福建师范大学,2008.

[7]徐惠,黄剑,陈泳,等.聚苯胺/氧化铜纳米复合材料的制备及抗菌性能[J].高分子材料科学与工程,2011，(10):173-176.

[8]KANEKO Y,THOENDEL M,OLAKNMI O,et al.The transition metal gallium disruptsPseudomonasaeruginosairon metabolism and has antimicrobial and antibiofilm activity[J].The Journal of Clinical Investigation，2007,117(4):877-888.

[9]COLEMAN M,KUSKIE K,LIU M,et al.Invitroantimicrobial activity of gallium maltolate against virulentRhodococcusequi[J].Veterinary Microbiology,2010,146:175-178.

[10]HAKOBYAN S,BOILY J F,RAMSTEDT M.Proton and gallium(Ⅲ) binding properties of a bioloically active salicylidene acylhydrazide[J].J Inorg Biochem,2014,138:9-15.

[11]FECTEAU M E,ACETO H W,BERNSTEIN L R,et al.Comparison of the antimicrobial activities of gallium nitrate and gallium maltolate againstMycobacteriumaviumsubsp.paratuberculosisinvitro[J].The Veterinary Journal,2014,202(1):195-197.

[12]全玉.基于水热法合成纳米氧化镓及镓酸锌的形貌和性能研究[D].长沙：中南大学，2010.

[13]SN/T 3122-2012,无机抗菌材料抗菌性能试验方法[S].

[14]李学如，孟涛，王艳.铜绿假单胞菌耐药机理研究进展[J].国外医药抗生素分册,2004,25(3)：105-108.

Study on Preparation and Antibacterial Activities of Nano-gallium oxide

MA Chao,LI Yu-xing,LAI Yong-qin,LI Xue-ru

(SchoolofLifeScienceandEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract：The presoma GaOOH was prepared via hydrothermal method,and then heated at 600 ℃ for 3 h to form Nano-gallium oxide.The structure and morphology of gallium oxide were characterized by scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM) and X-ray spectroscopy(EDS).E.coli,S.aureus and P.aeruginosa were selected as model microorganisms for antibacterial test of gallium oxide.At the concentration of 20 μmol·L-1 gallium oxide solution,the antibacterial rate towards E.coli,S.aureus and P.aeruginosa were 98.53%,95.00% and 93.35%,respectively within 1.5 h.

Keywords：gallium oxide；preparation；antibacterial activity