纳米银插层膨润土抗菌剂的性能研究

（山西省化工研究所（有限公司），山西 太原，030021）

无机抗菌剂具有抗菌广谱性、耐热性、持久性等优点，是医疗卫生、日用化工等领域常用的抗菌剂品种[1-3]。由于Ag+具有抗菌广谱性、杀菌效率高及安全性高等特点，成为具有代表性的无机抗菌剂，然而Ag+保存时遇光极易变色，直接添加银离子系列抗菌剂会明显降低基材的性能，因而开发出沸石、氧化钛等作为载体的载银离子抗菌剂[4-6]，但这些载体与银离子之间的作用力较弱，仍不能满足保护人类健康的需要。近年来发明了纳米银抗菌剂，纳米银的抗菌性能是Ag+抗菌剂的上千倍[7-8]，纳米银抗菌剂成为研究热点[9-11]。制备纳米银的报道较多，但因纳米银粒径很难控制、容易团聚，并且一般纳米银粒径较大很难载入膨润土片层间，故用载体制备载纳米银抗菌剂研究较少。把纳米银颗粒成功插入到膨润土片层间的研究报道很少，大部分报道是膨润土片层间载入银离子或表面载有纳米银[12]，因此需要开发一种载体能与纳米银牢固结合的载纳米银抗菌剂，进一步增强载体与纳米银之间的作用力，增强抗菌性能的稳定性和持续性。本课题以片层结构的膨润土为载体和模板，改善纳米银易团聚和银离子抗菌剂易变色问题，制备出一种结构稳定、颜色稳定、粒径较小。抗菌持续时间久的纳米银插层膨润土抗菌剂，满足医疗卫生、日用化工等领域的需求，提高人们生活水平和保护人类的卫生健康。

1 实验部分

1.1 主要原材料

酸改性膨润土（自制）；硝酸银，分析纯，东莞市斯巴达化学有限公司；氨水，分析纯，天津市化学试剂三厂；十二烷基苯磺酸钠，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；无水乙醇，分析纯，东莞市斯巴达化学有限公司。

1.2 纳米银插层膨润土抗菌剂的制备

将10g酸改性膨润土放入三口烧瓶中，加入200mL去离子水，然后加入100 mL 0.5%十二烷基苯磺酸钠， 30 min后加入一定浓度的银氨溶液，在60℃的水浴中搅拌，用稀硫酸或稀氨水调节pH值YL 8～9，然后在紫外光照射下，再搅拌3h后，取上层浑浊液离心分离，将分离出来的制品用去离子水洗涤至pH值约为7。将上述制品加入无水乙醇分散并在60℃烘箱中干燥，然后研磨，过400目筛分离。

1.3 测试与表征

采用JEM-2010型高分辨透射电子显微镜（HRTEM）观察样品颗粒微观形貌与大小。采用能量分散谱仪（EDS）测量样品的元素组成质量百分数和元素（原子）数量百分比，探测元素范围4Be～92U。抗菌性能测试按《消毒技术规范》（2002年版）最小抑菌浓度琼脂稀释法[13]（MIC：Minimal inhibitory concentration），选用金黄色葡萄球菌(S. aureus ATCC 6538)和大肠杆菌(E. coli ATCC8099)为测试用菌种，测试抗菌剂的最小抑菌浓度（MIC）。采用温州仪器仪表有限公司WSB-Ⅱ型白度计测试样品的白度。采用LD4-2型低速离心机水洗离心分离，每次以2500r/min的转速离心分离50000转，逐次测试抗菌剂MIC。

2 结果与讨论

2.1 微观结构分析

如图1(a)膨润土原样HRTEM 像所示，膨润土的微观结构为片层结构。膨润土边缘处能看到薄片层，薄片层叠在一起形成了片层，片层轮廓清晰，片层尺寸大小不规则，但整齐的叠在一起，形成了膨润土的片层结构。从图1(b)纳米银插层膨润土HRTEM 像可以看到，纳米银粒子分布在片层中，观察到部分纳米银粒子较为暗淡，是因为膨润土的薄片层覆盖在纳米银粒子的上面，对纳米银粒子有遮挡，影响了透射电镜测试时电子对纳米银的散射与衍射，进而影响了成像的像衬度。纳米粒子的形状为球形，有大量球形纳米银粒子夹插在膨润土片层中，纳米粒子的直径范围为2nm ～ 17nm，大部分（约90%）粒径小于8 nm，有少量直径为8nm ～ 17 nm的颗粒。从图1(c)可知，膨润土片层边缘夹插有纳米银粒子，有的已经完全插入膨润土片层中，还有的部分插入膨润土片层中（如图中标记），标记较大的纳米银粒子的直径约为8nm。

图1 膨润土原样和纳米银插层膨润土的HRTEM 像Fig.1 HRTEM images of original bentonite and nanosilver intercalated bentonite

改性膨润土用阴离子表面活性剂对膨润土进行插层改性，柱状插入片层中间，增加了片层间距离，增强吸附性能[14,15]。较长的反应时间，独特的阴离子表面活性剂SDBS插层控制片层间距，合适的搅拌速度等有利于[Ag(NH3)2]+与膨润土片层中间的阳离子进行离子交换反应进入到膨润土片层中间，然后在紫外光的照射下发生光催化还原反应，缓慢生成纳米银颗粒；加热能促进纳米银粒子的形成[16-17]， 60℃时粒子的分散性好，合适的温度促进了反应体系物质间频繁相互碰撞，促进光催化还原[Ag(NH3)2]+顺利进行，有利于制备出纳米银。纳米银在膨润土的片层间逐渐长大，当纳米银的粒径达到膨润土的片层间距时，膨润土的片层结构起到了模板作用，阻碍纳米银的粒径长大，控制了纳米银粒径的生长；加之表面活性剂SDBS的分散作用，能够有效防止纳米银的团聚，使得纳米银的粒径较小且分布均匀，纳米银被夹插在膨润土的片层中。个别纳米银粒径较大（为17nm），分布在膨润土片层表面，因其只受到了表面活性剂的分散作用，没有受到片层模板作用，故粒径要比在片层中的纳米银粒径大。膨润土片层中夹插纳米银，使得片层与纳米银之间除有吸附力、氢键等作用力外，更有片层的夹持压力，片层牢牢夹住了纳米银粒子，使得结构的稳定性大大提高，从而提高抗菌剂的稳定性，进而提高抗菌剂的持久抗菌性能。片层的夹插包裹，避免了纳米银直接暴露在环境中，改变了传统银抗菌剂的易变色的问题，具有颜色不易变色性。

2.2 能谱分析

从表1和图2中可知，膨润土主要含有O、Na、Mg、Al、Si、Ca等元素。经过与Ag(NH3)2OH溶液离子交换反应后，膨润土中含有银元素，银元素的含量为质量分数1.04%，证明银氨络离子与膨润土中的离子发生了交换反应，膨润土成功载上了银，形成了纳米银粒子，这与透射电镜观察到的结果一致；同时有N元素的存在，说明还有部分 [Ag(NH3)2]+存在或有NH4+存在，吸附在膨润土的片层中。

表1 膨润土及纳米银插层膨润土的元素含量Table1 Element content of bentonite and Nano-Ag/BT

图2 膨润土原样及纳米银插层膨润土的能谱图：(a)膨润土原样; (b) 纳米银插层膨润土Fig.2 EDS images of original bentonite and nanosilver intercalated bentonite： (a) original bentonite (b) Nano-Ag/BT

2.3 抗菌性能测试

纳米银含量为1.04%的Nano-Ag/BT的最小抑菌浓度（MIC）从表2可知，Nano-Ag/BT对（革兰氏阳性菌）金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度（MIC）为50 μg/mL；Nano-Ag/BT抗菌剂对（革兰氏阴性菌）大肠杆菌的最小抑菌浓度（MIC）为50 μg/mL，具有优异的抗菌性能。纳米银插层膨润土有抗菌剂优异的抗菌性能主要是因为纳米银的抗菌性能优异，纳米银的抗菌性能是银离子的上千倍[7-8]。Nano-Ag/BT抗菌剂中的纳米银粒径较小，大部分（90%）小于8 nm，纳米银的粒径越小意味着比表面积越大，使得纳米银粒子能更好的与细菌接触或吸附，纳米银粒径越小活性越高抑制细菌生长的能力越强，越有利于杀灭细菌[18-19]，具有优异的抗菌性能。

表2 纳米银插层膨润土的最小抑菌浓度（MIC）Table2 Minimum inhibitory concentration of the Nano-Ag/BT

2.4 白度测试

从图3可知，酸改性膨润土的白度是78.6，随时间的推移白度基本不变。纳米银插层膨润土抗菌剂的白度是76.7比酸改性膨润土略有降低，可能是膨润土片层的表面或边缘有纳米银存在所致。纳米银插层膨润土抗菌剂的白度略有下降，5天后白度变为73.2，共下降4.6%；30天后，白度变为67.3，共下降12.3%；60天后白度趋于稳定，变为66.9，共下降12.8%；可见30天以后颜色变化很小，此后一个月，颜色共下降0.5%，特别是50天后，颜色没有变化，颜色趋于稳定。30天以内，白度有降低是由于膨润土表面或边缘有少量[Ag(NH3)2]+和纳米银的存在，暴露在光线中被还原成黑色的单质银[20]或部分被氧化而变色；30天以后，抗菌剂颜色基本不变，膨润土表面或边缘的纳米银已经处于稳定状态，大部分的纳米银分布在膨润土的片层中，这种膨润土片层夹插纳米银的结构避免了纳米银直接暴露在环境中，保护纳米银不被光照，同时片层对纳米银的遮挡掩盖，也保障了纳米银抗菌剂颜色的稳定，改变了传统银系抗菌剂易变色的问题，具有颜色稳定性。

图3.样品白度随时间变化关系图Fig.3 Time-dependent curve of sample whiteness

2.5 抗菌持久性测试

Nano-Ag/BT抗菌剂经过水洗离心分离5次(离心250 000转)，测得其最小抑菌浓度见表3：抗菌剂对金黄色葡萄球菌(S. aureus ATCC 6538)和大肠杆菌(E. coli ATCC8099)的MIC离心分离100000转后，MIC保持不变，均为50μg/mL；MIC离心分离250000转后，MIC仍都保持在75μg/mL，具有抗菌持久性，说明纳米银粒子夹插在膨润土片层中，不容易脱离出来，这是一种稳定的结构。

表3 Nano-Ag/BT离心分离后的最小抑菌浓度（MIC）Table3 MIC of the Nano-Ag/BT after centrifugation

3 结论

制备的纳米银插层膨润土抗菌剂：（1）纳米银成功地载入膨润土片层中；（2）纳米银是球形，纳米银直径为2-17nm，大部分粒径小于8 nm；（3）纳米银插层膨润土抗菌剂的纳米银含银量为质量分数1.04wt%，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的最小抑菌浓度(MIC)分别为50 μg/mL，有很好的抗菌性能；（4）抗菌剂白度共下降12.8%，30天后颜色基本不变，具有颜色稳定性，（5）离心分离100000转，MIC保持不变，具有抗菌持久性。