纳米银的制备及其在抗菌玻璃中的应用

杜文修,杨 娟, 程晓农,吴贲华,王银茂,高国忠

(1.江苏大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013;2.江苏铁锚玻璃股份有限公司，江苏 海安 226600)

纳米银的制备及其在抗菌玻璃中的应用

杜文修1,杨 娟1*, 程晓农1,吴贲华2,王银茂2,高国忠2

(1.江苏大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013;2.江苏铁锚玻璃股份有限公司，江苏 海安 226600)

选用硝酸银为原料，硼氢化钠为还原剂，室温下制备了平均粒径为31 nm的银颗粒并对其抗菌性能进行了检测，结果表明：纳米银对大肠杆菌具有良好的抗菌性能。以石英玻璃基片为载体，带负电荷的氧化石墨烯为模板，采用简单易操作的提拉法，依次提拉氧化石墨烯溶液和银溶胶，制备具有抗菌功能的镀膜玻璃。

纳米银；抗菌玻璃；镀膜

纳米银从发现至今已经有120多年的历史[1]，是一种高效而且低毒的抗菌材料，具有杀菌广谱性和无耐药性的特点。如今作为抗菌剂使用的纳米银已经渗透到临床医学、生物医学以及日常生活各个方面，并发挥着重要的作用[2]。近年来，我国工业化进展迅速，各种功能玻璃产业高速发展[3-5]。因为三废排放等监管力度不够，大气污染、环境恶化、细菌微生物大量繁殖、不同类型的传染性疾病增加，人们对工作、生活环境的更加重视，使得国内关于抗菌玻璃的研究日益增多。而镀膜抗菌玻璃因为其保持玻璃原有的形状、对透光率没有太大影响、抗菌剂只分散在玻璃表面而不会造成浪费、与细菌直接接触而且有效接触面积大等[6]优点，从而被广泛地研究和应用。本文在制备获得具有优异抗菌性能的纳米银的基础上，采用提拉法制备了具有优异透光性和抗菌性能的石英玻璃。

1 实验

1.1 实验试剂

硝酸银，聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDDA)，KH-550硅烷，氢氧化钠，氨水，双氧水，盐酸，硝酸，乙醇，硼氢化钠，氮气，去离子水(二次蒸馏水)。

1.2 实验装置与仪器

双面高抛石英基片，烧瓶，磁力搅拌器，真空干燥箱，电子天平，超声波清洗器。

1.3 实验方法

1.3.1 氧化石墨烯(GO)悬浮液的制备

采用改进的Hummers法制备GO。称取经冷冻干燥获得的GO并配成浓度为0.1 mg/mL的GO悬浮液，超声振荡2 h得到稳定且均匀分散的GO悬浮液。

1.3.2 纳米银的制备

将10 mL硝酸银溶液(0.09 mol/L)逐滴加入到20 mL的PDDA(0.18 mol/L)中，磁力搅拌混合均匀。将该混合溶液逐滴加入到新制的硼氢化钠溶液中(0.36 mol/L，10 mL)，磁力搅拌反应0.5 h后停止，即获得单分散的纳米银溶胶，并置于棕色试剂瓶中于阴暗处保存待用。

1.3.3 银基镀膜玻璃的制备

根据文献报道，以PDDA为表面活性剂所制备的纳米银粒子(Ag NPs)带正电荷，GO片层上由于其丰富的含氧官能团而带有大量的负电荷。这些含氧官能团作为吸附点，可以通过静电吸附的方式吸附大量带正电荷的纳米银，在实验中我们先把质子化处理的玻璃基片浸渍到GO悬浮液中，再将纳米银负载到GO片层上，即可得到镀膜玻璃基片，制备流程如图1所示。

图1 纳米银镀膜抗菌玻璃制备流程

1)石英玻璃基片预处理及表面羟基化

先清洗石英基片，再用含有无水乙醇的碱溶液浸泡24 h，然后在体积比为7∶3的H2SO4∶H2O2(30%)洗液中浸泡40 min，再将基片浸入体积比为1∶1∶5的NH3·H2O (25%)∶H2O2(30%)∶H2O的混合溶液中，60 ℃下水浴加热20 min，最后用大量去离子水清洗，空气吹干。将石英基片放入体积浓度为2%硅烷的乙醇溶液中浸渍2.5 h，然后取出基片，并用乙醇冲洗3次，再放入pH=3的盐酸中，10 min后取出并用氮气吹干，即可获得表面带有正电荷的石英玻璃基片[7]。

2)银基镀膜玻璃基片的制备

首先将处理后的玻璃基片浸入配制好的氧化石墨烯溶液中3 min，取出后用氮气吹干，然后把玻璃基片浸渍在制备的银溶胶中，3 min后以10 mm/s的提拉速度将基片取出，氮气吹干，即获得表面镀纳米银的石英玻璃基片。

2 结果与讨论

GO和纳米银形貌的分析在透射电子显微镜(TEM)上进行；采用Zeta电位仪测试GO和纳米银溶胶的Zeta电位；纳米银抗菌性能的分析采用抑菌圈测定和最低杀菌浓度(MBC)测试的方法来进行；玻璃基片表面成分利用X射线衍射仪(XRD)测量；薄膜表面形貌采用原子力显微镜(AFM)表征；采用紫外-可见分光光度计(UV-Vis) 测试玻璃和镀膜玻璃的透光性；镀膜玻璃的抗菌性能采用抑菌圈测定分析。

2.1 GO的结构表征

均匀分散且稳定的GO悬浮液是制备均匀薄膜的关键。将实验获得的GO配制成0.1 mg/mL的GO水溶液，超声分散得到稳定分散的悬浮液。静置10天，分散体系仍然非常稳定，如图2内插图。利用TEM对GO进行分析，从图2中可看到GO可以单独存在，而且非常的薄，几乎与背景融于一体，但是特有的褶皱可以分辨出GO的存在。这种单分散且稳定的GO悬浮液为采用提拉法制备薄膜提供了可能。

图2 GO形貌的透射电镜图

2.2 纳米银的表征

首先，采用TEM对银溶胶中的纳米银粒子进行表征，如图3(a)所示。

从图3(a)中可以看出电镜下的纳米粒子成类球状，且纳米粒子分散较为均匀。通过对纳米银粒子统计可以得出其平均直径为31.1 nm。图3(b)是纳米银的高分辨透射电镜照片，图中晶面间距d=0.233 nm，对应于Ag(111)晶面，表明纳米银粒子的成功制备。

对实验所获得的GO悬浮液和纳米银溶胶的Zeta电位进行了测试，结果显示：GO悬浮液的Zeta电位约为-40.356 mV，银溶胶的Zeta电位约为+38.726 mV，表明带正电荷的纳米银溶胶制备成功，预示着利用静电吸附制备薄膜是可行的。

2.3 纳米银抑菌性能测试

采用抑菌圈法测定银溶胶的抑菌性能。先把琼脂基进行灭菌处理，倒入培养皿中，制成平板，再取1 mL的大肠杆菌菌液，置于平板上并涂匀。用牛津杯在培养基上打4个孔，1个不作处理，另外3个分别滴加相同体积的去离子水、0.1 mg/mLGO悬浮液、0.1 mg/mL的纳米银溶胶。再把培养皿放置于37 ℃的恒温箱中，经24 h后观察试样周围是否有抑菌圈的出现，以此评价材料的抗菌性能。

从图4可知，大肠杆菌在培养皿上均匀生长，滴加纳米银溶液的小孔周围有抑菌圈的出现，直径可达20 mm，而其他3个对照组则没有，这说明实验制备的纳米银具有良好的抑菌效果。

2.4 纳米银杀菌性能测试

用磷酸缓冲盐溶液稀释细菌悬浮液至一定浓度，然后把一定体积0.02 mg/mL的纳米银溶液加入菌体悬浮液中，再把菌体混合液放到25 ℃的恒温震荡培养箱中培养。此后分别在0、1、2、3、4和5 h的培养时间取出1 μL的菌体溶液，同时立刻用磷酸缓冲盐溶液稀释1 000倍，再取出100 μL菌体溶液涂到琼脂板上，并把平板放在37 ℃恒温培养箱中倒置培养24 h，观察菌落的生长情况。

从图5可知：纳米银材料具有比较明显的杀菌作用，0 h的培养基上生长着大量的细菌；到2 h时，细菌几乎全部被杀死；3 h时则完全被杀死。

图5 纳米银溶液处理的生长菌落

2.5 纳米银薄膜的检测

把质子化处理的玻璃基片依次浸渍到带有大量负电荷的GO悬浮液和带正电的银溶胶中，通过静电吸附的方式来制备含有GO和纳米银的镀膜玻璃基片。为了验证纳米银已经通过提拉法成功地负载到石英玻璃基片的表面上，对所制备的镀膜玻璃表面进行了XRD测试，并采用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)进行透光率测试，结果如图6所示。

图6 (a)玻璃基片表面成分的XRD谱图(b)紫外-可见光透过光谱图

从图6(a)可以看出在38.1°处有特征峰，与PDF卡片相对比发现，它是银立方晶系结构中(111)晶面所对应的特征峰。这表明，纳米银粒子被成功地负载到了石英玻璃基片上。图6(b)为石英玻璃基片、浸渍GO之后的玻璃基片、浸渍GO和银溶胶之后的玻璃基片的UV-Vis光谱图，从图6(b)中可以看出，在400～700 nm的可见光波长范围内，镀膜玻璃的透光率与镀膜之前差别并不是十分明显，在可见光平均波长550 nm处的透光率由97.6%降为96.7%，透光率仍然非常高。

为了进一步描述纳米银薄膜的形貌结构，用AFM进行表征，结果如图7所示。

图7 纳米银薄膜的AFM图

从图7中可以清楚地看到纳米银颗粒均匀分散在氧化石墨烯片层表面，结果进一步表明实验在玻璃基片上成功镀上了纳米银薄膜，与预设的实验方案相符合。

2.6 纳米银镀膜玻璃抑菌性能测试

采用抑菌圈法测定抗菌玻璃的抑菌性能。先制作2个涂菌平板，方法同2.2。分别将镀膜玻璃和空白玻璃碎片放入培养皿。再把培养皿放置于37 ℃的恒温箱中，经24 h后观察试样周围是否有抑菌圈的出现，以判断镀膜玻璃的抑菌性能。由图8(a)可知，大肠杆菌可以在培养基上均匀生长，即使是玻璃片下面也有菌落生长，而图8(b)中镀膜玻璃的下方没有细菌生长，甚至在其周围也形成了一个不规则的抑菌区域，这说明镀银玻璃具有良好的抑菌性能。

图8 未镀膜(a)和镀膜(b)玻璃抑菌圈测试图

3 结论

1)室温下，用硼氢化钠还原硝酸银，以PDDA作为分散稳定剂，制备出了分散性好、球状、均匀分布且粒径小的纳米银颗粒。2)抑菌实验中，可以明显看到纳米银溶胶抑菌圈的存在，在杀菌实验中，20 mg/L的纳米银溶液在3 h时就可以将细菌全部杀死。3)采用提拉法，可以获得表面负载纳米银的石英玻璃基片，而且镀膜玻璃的透光率没有明显下降；获得的镀膜玻璃具有良好的抑菌性能。

[1] NOWACK B,KRUG H F,HEIGHT M.120 years of nanosilver history:implications forpolicy makers[J].Environmental Science & Technology,2011,45(4):1177-1183.

[2] 谢小保,李文茹,曾海燕,等.纳米银对大肠杆菌的抗菌作用及其机制[J].材料工程,2008(10):106-109.

[3] 王德宪.抗菌玻璃的研究现状[J].玻璃,2007,34(1):21-28.

[4] 刘金彩.无机抗菌玻璃材料的研制及应用前景[J].上海建材,2009(4):25-26.

[5] 郑思辉,杨娟,吴贲华,等.防砸复合玻璃的应用和发展前景[J].成都工业学院学报，2015(2):64-66.

[6] 王静,雷振宇,冀志江.平板镀膜抗菌玻璃研究与应用进展[C]//中国抗菌产业发展大会,2008.

[7] 周亚洲,杨娟,孙磊,等.石墨烯/银复合薄膜的制备及表征[J].无机化学学报,2012,28(1):137-142.

Preparation of Silver Nanoparticles and Its Application in Antibacterial Glass

DUWenxiu1，YANGJuan1*，CHENGXiaonong1,WUBenhua2，WANGYinmao2，GAOGuozhong2

(1. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Tiemao(Jiangsu) Safety Glass Co., Ltd. Nantong 226600, China)

Using silver nitrate as raw material and sodium hydrogen as reducing agent, the silver nanoparticles are prepared at room temperature, the average size of silver particles is 31nm and their antibacterial properties are studied. The results show that silver nanoparticles have good antibacterial property against Escherichia coli (E. coli). Film-coating antibacterial glass is further prepared by simple dip-coating technique. The quartz glass is used as a substrate and the negatively charged graphene oxide and positively charged silver nanoparticles are coated on the glass in sequence. The obtained glass shows good antibacterial property towards E. coli.

silver nanoparticle；antibacterial glass；dip-coating

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.021

2016-11-17

国家自然科学基金“石墨烯负载Ag-M(M=Fe, Co, Ni)二元合金纳米粒子三维多孔复合材料的构筑及其抗菌性能”(51572114)；江苏省产学研联合创新资金：前瞻性联合研究项目“抗高载荷冲击复合玻璃的研究开发”(BY2014123-01)；江苏省科技支撑计划工业部分“高速轨道车用轻质防火的玻璃的定量灌注成套技术研发”(BE20141854)

杜文修(1990— )，男(汉族)，安徽宿州人，在读硕士研究生，研究方向：无机功能材料。 杨娟(1974— )，女(汉族)，江苏镇江人，教授，研究方向：无机功能材料，通信作者邮箱：yangjuan6347@ujs.edu.cn。

TQ171

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2095-5383(2016)04-0083-04