负载银纳米簇功能纸的制备及其抗菌性能研究

2021-05-06成德华王绪美马庆雪郭艳玲解洪祥

中国造纸 2021年2期

成德华王绪美马庆雪郭艳玲解洪祥

（天津科技大学理学院，天津，300457）

随着人们对由微生物引起的疾病传播和交叉感染的防护意识日益增强，抗菌材料在许多领域的应用越来越重要，如抗菌防护服、抗菌包装材料等[1-5]。制备抗菌材料的一种通用方法是将抗菌剂引入到材料中，其中，银纳米粒子因其显著的抗菌活性而备受关注[6-9]。银具有广谱抗菌活性[10-11]，其可通过与细菌蛋白质或酶的巯基相互作用使细菌失活[12]。银纳米粒子释放的银离子可与DNA 中的磷部分相互作用，导致DNA 复制失活。据报道，银纳米粒子的抗菌活性高度依赖于颗粒大小[13]。当银纳米粒子的粒径减小时，会使得粒子的可迁移性和比表面积增加，从而增大与细菌的相互作用，进而有助于提高抗菌活性[14]。另外，小尺寸的银纳米粒子可以附着并穿透细胞膜，改变细胞的通透性和呼吸作用，并对细胞内的生物分子（如基因组DNA）造成进一步的损伤[15]。

银纳米簇由几十个银原子组成，直径一般小于2 nm。在该尺寸下，银纳米簇的能带结构不连续，是离散的能级，因此，银纳米簇具有独特的物理和化学性质，如荧光特性，大粒径的银纳米粒子则不具备该性能[16-18]。此前，银纳米簇已被广泛研究用于生物传感[19]、生物成像[20-21]和疾病诊断[22]，但对银纳米簇抗菌应用的探索非常有限。与大于10 nm 的银纳米粒子相比，超小尺寸的银纳米簇具有比表面积大、局部表面银浓度高、迁移率高等独特优点。这些优点增强了银纳米簇的抗菌能力，因此，相比于银纳米粒子，银纳米簇具有更强的抗菌能力[23-24]。

本研究在功能性纸上原位合成银纳米簇，并对制得的负载银纳米簇功能纸的抗菌性能进行了分析。

1 实验

1.1 材料、试剂及仪器

材料及试剂：漂白硫酸盐桉木浆和漂白硫酸盐针叶木浆由山东泰安百川纸业有限公司提供；丙烯酸（AA，分析级）和硝酸铈铵（分析级）购于百灵威试剂公司；硝酸银（分析级）购于迈瑞尔化学试剂公司；其他化学试剂均为分析级，未经进一步纯化。

实验仪器：RF-5301PC 分光光度计（日本岛津）；X 射线光电子能谱仪（美国）；FT-IR-650 傅里叶变换红外光谱仪（天津港东科技开发有限公司）；RK-ZAKWT 纸页成型器（奥地利PTI公司）；SE070E 纸张白度测定仪、SE062 抗张强度测定仪、260 纸浆疏解机（瑞典L&W公司）。

1.2 纤维素接枝聚丙烯酸

将13 g漂白硫酸盐桉木浆（含水率69%）分散于320 mL的2.5×10-3mol/L HNO3溶液中，在55℃条件下搅拌1 h，冷却至30℃，通N230 min，加入1.0 g 硝酸铈铵，搅拌15 min 后再加入80 g 丙烯酸，继续在N2保护下反应5 h，然后加入600 mL 清水终止反应。对所得产物反复用清水清洗10 次以除去游离的聚丙烯酸及无机盐，此过程用布袋过滤，最后得到含水率为69%的聚丙烯酸接枝的纤维素（Cel-PAA）。接枝率（G）按公式（1）计算。

式中，Wo和Wg分别为接枝前后纸浆的干质量。

1.3 负载银纳米簇纸浆的制备

将6.5 g 聚丙烯酸接枝的纤维素分散于400 mL 去离子水中，加入10 mL 氢氧化钠溶液（质量分数1%），使体系的pH 值在7～8 之间。然后向体系中加入100 mg 硝酸银，在无光条件下搅拌30 min 以确保H质子和Ag(I)之间充分的离子交换，然后用去离子水清洗固体组分以去除水中游离的银离子，最后稀释至0.5%的浓度，用254 nm 波长紫外灯距离10 cm 照射反应溶液一定时间后制得负载银纳米簇纸浆。

1.4 负载银纳米簇功能纸的制备

将按一定质量比混合的负载银纳米簇纸浆和漂白硫酸盐针叶木浆加入到2 L 去离子水中，在10000 r/min 下打浆15 min，将混合物减压抽滤并压平以获得湿纸幅，然后在减压条件下将湿纸幅在90℃下干燥10 min，制得负载银纳米簇功能纸。

1.5 性能表征

利用RF-5301PC分光光度计对干燥样品进行荧光光谱测试，以确定是否成功制备银纳米簇；利用X射线光电子能谱（XPS）对干燥的负载银纳米簇的纤维素浆进行X 射线光电子能谱分析，以确定银的价态；利用FT-IR 测试干燥样品的红外光谱图，测试温度为25°C温度，红外光谱记录范围为400～4000 cm-1。

1.6 纸张物理性能检测

将所得纸样在常温环境下平衡水分24 h，然后对其物理性能进行检测。白度按照国家标准GB/T 2804—2006 测试；抗张指数按照国家标准GB/T 12914—2018测试。

1.7 抗菌实验

测试负载银纳米簇功能纸对革兰氏阳性葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌的抑制性能。选择LB 肉汤作为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的营养液，在培养箱中37℃条件下培养14 h。将10 μL 细菌接种物添加到1.0 mL 去离子水中以获得106～107菌落形成单位（CFU）的细菌悬浮液。然后对直径约为1 cm 的不同载银纤维素浆含量的纸样进行抗菌评价。在抗菌评价实验前，先对样品进行紫外线消毒，放置在1个琼脂平板上，上面铺上200 μL 的细菌悬浮液。然后在培养箱中培养24 h，最后根据抑菌圈来评估纸样的抑菌效果。

2 结果与讨论

2.1 负载银纳米簇纸浆的表征

为了在纤维素上原位生长银纳米簇，实验设计将聚丙烯酸接枝在纤维素上，目的是使得纤维素表面含有丰富的羧基结构。因为根据文献报道[25-27]，聚丙烯酸是生成银纳米簇良好的模板剂，其丰富的羧基结构可以稳定银纳米簇，阻止其进一步发生团聚。本研究所用聚丙烯酸改性纤维素的方法参考了文献[28]的报道，接枝率达7.5%。纤维素接枝聚丙烯酸前后的红外光谱图如图1 所示。由图1 可知，接枝后的纤维素在1735 cm-1处出现了一条新的吸收带，为碳氧双键的伸缩振动峰，证明聚丙烯酸接枝在了纤维素上。得到聚丙烯酸接枝的纤维素后，在其表面通过光诱导还原法原位制备银纳米簇。首先将聚丙烯酸改性纤维素分散于AgNO3水溶液（1.5 mmol/L，pH 值= 7～8）中0.5 h，其目的是使纤维素表面羧基充分与Ag(I)进行离子交换，然后从水溶液中分离出含Ag(I)前体的纤维素，再用蒸馏水冲洗几次后，将其重新分散在水中，以去除游离的Ag(I)，然后将溶液置于波长为254 nm 紫外灯下照射，将纤维素上的Ag(I)离子还原为Ag 原子，最终得到负载银纳米簇纸浆，其红外光谱如图1 所示；与聚丙烯酸接枝的纤维素的红外光谱图相比，负载银纳米簇纸浆在1560 cm-1处出现了一条新的吸收带，1735 cm-1的吸收带变弱，分析原因是由于羧基与银的相互作用所引起。

图1 不同纤维素的红外光谱图Fig.1 FT-IR of different cellulose pulps

图2 负载银纳米簇纸浆的荧光激发和发射谱图Fig.2 Fluorescence excitation and emission spectra of cellulose pulp loaded with silver nanoclusters

图3 负载银纳米簇纸浆的Ag 3d区域XPS谱图Fig.3 XPS spectrum of Ag 3d area of cellulose pulp loaded with silver nanoclusters

图2 为经紫外灯下照射10 min 后负载银纳米簇纸浆的荧光激发和发射谱图，其中的荧光发射谱图为扣除背景干扰的荧光谱图。图2结果表明，最佳激发波长为355 nm，发射波长为555 nm，发射带分布在400～700 nm 范围内。说明在聚丙烯酸接枝的纤维素表面通过光诱导还原法形成了银纳米簇。图3为经紫外照射10 min 后负载银纳米簇纸浆的XPS 谱图，图3显示出了金属Ag 原子的典型能量值，表明Ag(I)离子被还原为Ag 原子[29]。为进一步优化反应条件，本研究进一步分析了辐照时间对荧光强度的影响。图4为在波长为254 nm 紫外光照射5、10、15、30 min 条件下所得负载银纳米簇纸浆样品的荧光谱图，为扣除背景干扰的显示结果。从图4可知，当光照时间为10 min时，峰值强度达到最大值，随着光照时间的增加，银纳米簇的尺寸会不断增大，进而导致荧光强度降低[25,30]，结果表明较优光照时间为10 min，表明在此条件下，成功将银纳米簇被负载在聚丙烯酸接枝的纤维素上。

2.2 负载银纳米簇功能纸的性能

图4 光照时间对负载银纳米簇纸浆荧光发射谱图的影响Fig.4 Effect of illumination time on the fluorescence emission of cellulose pulp loaded with silver nanoclusters

在制得负载银纳米簇纸浆后，进一步探索了基于该材料制备负载银纳米簇功能纸的方法及纸张性能。以负载银纳米簇纸浆和漂白硫酸盐针叶木浆按照一定比例混合抄纸，负载银纳米簇纸浆占浆的总质量分别为40%、30%、20%、10%、0，共制得4 个负载银纳米簇功能纸样品和1 个空白纸样品。图5 为不同负载银纳米簇纸浆含量功能纸的荧光发射谱图。由图5 可知，虽然经历了“打浆-抽滤-真空加热干燥”的造纸工艺流程，成纸后的银纳米簇的荧光性质仍然保留，说明负载于聚丙烯酸接枝纸浆上的银纳米簇具有较好的稳定性，这主要是由于接枝的聚丙烯酸对银纳米簇起到良好的保护和稳定作用。另外，对所得纸张进行了抗张强度和白度测试，结果如图6 所示。从图6 可知，随着负载银纳米簇纸浆含量的增加，纸张的抗张指数呈现出先增加后减小趋势，相比于其他比例，纸张中含有10%载银纳米簇纸浆时，其抗张指数最优为39.3 N·m/g，原因可能是接枝的聚丙烯酸与纤维素综合作用的结果，接枝的聚丙烯酸有利于抗张指数增加，但当长纤维含量大量减少时，总体强度仍体现出减少的趋势。负载的银纳米簇对纸张白度也有一定影响，结果表明，当负载银纳米簇纸浆含量为40%时，纸张白度由81.5%减少至74.4%，说明负载银纳米簇后的纸张仍具有良好的白度。

2.3 负载银纳米簇功能纸的抗菌评价

图5 不同负载银纳米簇纸浆含量功能纸的荧光发射谱图Fig.5 Fluorescence spectra of functional paper with different content of silver-loaded cellulose pulp

图6 不同负载银纳米簇纸浆含量功能纸的白度与抗张指数Fig.6 Whiteness and tensile index of functional paper with different content of silver-loaded cellulose pulp

对负载银纳米簇功能纸进行了抗菌性能评价。抗菌评价选择的菌群对象为革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌。测试结果如图7 所示，其中图7(a)、图7(c)使用的是革兰氏阳性金黄葡萄球菌，图7(b)、图7(d)使用的是革兰氏阴性大肠杆菌。图7中无负载银纳米簇纸浆的纸张样品（负载银纳米簇纸浆含量为0）和含有银离子的纸张样品（即Ag+纸张）作为对照，其中Ag+纸张是未经光照负载银纳米簇纸浆含量为10%的纸样。对于这两种细菌，4 个纸张样品（负载银纳米簇纸浆含量10%、20%、30%、40%）表现出相似的抗菌活性，而不含银的纸张样品则没有抗菌活性。与Ag+纸张相比，含10%的负载银纳米簇纸浆的纸张样品表现出更好的抗菌活性，抑菌圈直径为14 mm。这可能是由于银纳米簇比表面积大、表面能较高所致。因此，含量10%的负载银纳米簇纸浆的纸张样品是一种理想的抗菌材料。