银-稀土复合抗菌剂制备及应用研究

徐 健，刘丽瑜，梁 健，刘永龙*，黄卫军，黄小茉，施庆珊

1.广东迪美生物技术有限公司，广东 广州 510530；2.广东省微生物研究所，广东 广州 510530

随着卫生安全意识的提高，人们对室内环境卫生和健康的关注更加强烈[1-3]。长时间的居家活动增加了人们在家中感染病毒、细菌等的风险。因此，在日常清洁、购置家具和室内装修中，抗菌类材料逐渐得到了广泛的应用。从不同角度来看，研究开发高效抗菌剂对于满足人们日常生活中对卫生安全的需求至关重要。

在以往的研究中，赵苏等于2012年发现的镧-ZnO 稀土复合抗菌剂明显提高了ZnO 的光催化活性和抗菌性能[4]，对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌混合体的抗菌率为94%。但是，锌离子本身的抗菌活性较差，需要较高的添加浓度才能达到一定的抗菌要求。为了克服银纳米材料在应用中的局限性，王丽娟等在2019年制备了一系列银/稀土复合抗菌剂[5]。其中，通过水热法成功合成了具有花状形态的CeF3 纳米颗粒，在其表面修饰了壳聚糖（CTS）和羧甲基壳聚糖(CMCTS），并负载了银纳米颗粒合成银/CTS/CeF3 和银/CMCTS/CeF3 复合材料。实验发现，随着稀土元素浓度的增加，材料的抗菌性能越来越好了。不过，由于以CeF3 为载体合成的样品表面修饰的壳聚糖和羧甲基壳聚糖有限，尽管能够改善该复合材料的分散性，却无法有效提高其抗菌活性，从而限制了其应用范围。

SBA-15 分子筛具有高度有序、大孔径介孔结构均匀的特点，其孔径大小和孔道结构可以通过调整合成条件和合成模板来实现[6]。在催化、分离和吸附等领域，SBA-15 分子筛展现了广泛的可能性和应用前景[7]。通过将银离子和稀土离子掺杂入SBA-15 介孔载体中，本研究成功制备了银-稀土复合抗菌剂，它有望成为一种具有卓越抗菌特性和广泛应用前景的新型材料。

1 实验部分

1.1 主要实验材料

P123（聚乙二醇-聚丙三醇-聚乙二醇三嵌段共聚物EO20-PO70-EO20，M 5800，Aldrich）、正硅酸乙酯（TEOS）、硝酸铈（Ce（NO3）3）、硝酸镧（La（NO3）3·6H2O）、硝酸钕（Nd（NO3）3）、硝酸钐（Sm（NO3）3）、硝酸铕（Eu（NO3）3）均为分析纯，购买自上海阿拉丁试剂有限公司；营养肉汤（NB）、营养琼脂培养基（NA）购买自广东环凯微生物科技有限公司；金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）ATCC 6538、大肠埃希氏菌（Escherichia coli）ATCC 25922。

1.2 主要实验设备

水热反应釜（JTF-50，北京吉泰远成科技有限公司）、马弗炉（SX-G02123，天津市中环实验电炉有限公司）、电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS（XII，美国赛默飞世尔公司）、发射扫描电子显微镜（SU-8000，日本）、集热式磁力搅拌器（DF-101S，巩义市予华仪器有限责任公司）。

1.3 抗菌剂制备

1.3.1 SBA-15 模板剂制备

参考文献中提到的制备方法[8]，优化条件，在酸性条件下以三嵌段共聚物PEO.PPO.PEO（P123）为模板剂，正硅酸乙酯（TEOS）为硅源合成纯硅结构SBA-15，原料物质的量比为n（P123）∶n（HCl）∶n（H2O）∶n（TEOS）=1∶350∶11 600∶60。具体合成步骤如下：称取一定量的P123，根据原料物质的量加入2 mol/L 的盐酸和蒸馏水混合均匀，40℃水浴并搅拌1 h 使其溶解，然后加入一定量的TEOS，继续搅拌24 h，装入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在100 ℃的烘箱中静置晶化48h，冷却后抽滤并用蒸馏水洗涤，烘干后得到SBA-15 原粉；将该SBA-15 原粉转至马弗炉中，在空气气氛中以1 ℃/min 的速率升温至550 ℃，然后在此温度下焙烧5 h，即可得到SBA-15 样品，萃取SBA-15 样品后，制得SBA-15 介孔载体。

1.3.2 银-稀土抗菌剂的制备

参考文献中的制备方法[9]及优化条件，在含有0.014 7 mol/L 硝酸银（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸铈（Ce（NO3）3）的100 mL 混合水溶液中加入10 g 预先制备的SBA-15 介孔载体，在室温下搅拌20 h，然后将反应混合物转移到水热反应釜中，在100 ℃下静置48 h，然后取出反应釜在流动自来水下冷却至室温，转移到烧杯中，用氢氧化钠溶液调pH 至7.5，然后经48 h 水热处理，取出反应釜自然冷却，经洗涤、抽滤、干燥，得到载Ag+∶Ce3+=1∶1 的银-稀土复合抗菌剂。

取含有0.029 4 mol/L 硝酸银（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸铈（Ce（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制备方法相同，得到载Ag+∶Ce3+=2∶1 的银-稀土复合抗菌剂。

取含有0.044 1 mol/L 硝酸银（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸铈（Ce（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制备方法相同，得到载Ag+∶Ce3+=3∶1 的银-稀土复合抗菌剂。

取含有0.044 1 mol/L 硝酸银（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸镧（La（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制备方法相同，得到载Ag+∶La3+=3∶1 的银-稀土复合抗菌剂。

取含有0.044 1 mol/L 硝酸银（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸钕（Nd（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制备方法相同，得到载Ag+∶Nd3+=3∶1 的银-稀土复合抗菌剂。

取含有0.044 1 mol/L 硝酸银（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸钐（Sm（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制备方法相同，得到载Ag+∶Sm3+=3∶1 的银-稀土复合抗菌剂。

取0.044 1 mol/L 硝酸银（AgNO3）和0.007 7 mol/L 硝酸铕（Eu（NO3）3）的100 mL 混合水溶液，制备方法相同，得到载Ag+∶Eu3+=1∶1 的银-稀土复合抗菌剂。

1.3.3 银抗菌剂的制备

将10 g 预先制备的SBA-15 介孔载体加入含有0.044 1 mol/L 硝酸银（AgNO3）的100 mL 混合水溶液中，室温下搅拌20 h。然后将反应混合物转移到水热反应釜中，在100 ℃条件下静置48 h。然后取出反应釜，在流动自来水下冷却至室温，将其转移到烧杯中，使用氢氧化钠溶液调pH 至7.5，随后进行48 h 的水热处理，取出反应釜并自然冷却，进行洗涤、抽滤、干燥、煅烧等步骤，最终得到载银抗菌剂。

1.3.4 抗菌塑料材料的制备

研究复合银-稀土离子的引入策略及其与其他纳米材料间的相互作用对于进一步开发高效抗菌材料在医疗和环境卫生等领域的应用价值具有重要意义。因此，取ABS 塑料、聚乙烯（PE）材料、聚丙烯（PP）材料、TPR 热塑性橡胶材料、热塑性聚氨酯橡胶等材料母粒，加热至熔融状态，以0.1%的添加比例将抗菌剂加入其中，经过降温冷却、固化，得到抗菌塑料片。

1.4 银含量检测

银含量的检测方法参考文献《化妆品安全技术规范（2015年版）》[10]，使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测试，根据公式1 计算得到样品的银含量。

式中：w（Ag）为样品中银元素的质量分数，mg/kg；ρ1为测试溶液中待测元素的质量浓度，μg/L；ρ0 为空白溶液中待测元素的质量浓度，μg/L；V 为样品消化液总体积，mL；m 为样品取样量，g。

1.5 抗菌性能检测

抗菌塑料材料抗菌性能的检测参照标准QB/T 2591-2003《抗菌塑料——抗菌性能试验方法和抗菌效果》附录A 的检测方法[11]。通过接种大肠埃希氏菌（简称大肠）、金黄色葡萄球菌（简称金葡）测试对这两种细菌的抵抗能力。

2 结果与分析

2.1 抗菌剂的制备

研究过程中基于模板剂的分子自组装能力形成圆柱形胶束，接着加入硅源（如Na2SiO·H2O 或正硅酸乙酯TEOS）填充胶束间的空隙，最后形成硅骨架结构，即所示的SBA-15 介孔载体（详见图1（a）和图1（b））。接下来，经过煅烧去除模板剂后，将银离子/稀土离子掺杂进SBA-15 介孔载体中，制得一种结构如图1（c）所示的银-稀土复合抗菌剂。在介孔纳米材料领域，复合稀土离子被认为是一种有效添加剂，能够增强材料对细菌和真菌的抑制作用。

图1 银稀土复合抗菌剂形成机理图

2.2 复合抗菌剂银含量结果分析与表征

本研究采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测试方法测定银-稀土复合抗菌剂中的银含量，具体测试结果详见表1。基于银离子的理论值和实际测试结果，我们进一步计算并获得了SBA-15 介孔载体的负载率。值得注意的是，随着硝酸银与稀土元素摩尔比的增加，银的负载率呈递减趋势，并且不同的稀土元素对SBA-15 负载率的影响程度存在差异。其中，样品3 中的银含量约为3.65%，对应的负载率约为76.7%。

表1 银-稀土复合抗菌剂的基础性能测试结果

表2 含复合抗菌剂塑料的抗菌性能表

本研究对样品3 进行扫描电镜观察，根据图2呈现的电镜图像，我们观测到制备的SBA-15 介孔载体内部存在规则的孔隙结构，表明所得到的介孔载体形状规则，具有较高的比表面积。在该载体的负载过程中，溶液中的游离银稀土元素被有效载入SBA-15 介孔载体，并引起了外壳的不规则变形。需要注意的是，蔡国辉等学者的研究结果[12]与本研究所得的结果有相似之处，这可能与在制备过程中加入硝酸盐导致溶液的pH 偏酸有关，同时这种变形也因为银稀土元素与分子筛外壳的相互作用而影响了SBA-15 介孔载体骨架的形成过程。

图2 SBA-15 分子筛电镜图（左）与银-稀土分子筛电镜图（右）

2.3 抗菌性能分析

本研究制备了塑料薄板，并对其进行抗菌性能测试，以模拟抗菌塑料的实际应用环境。通过对抗菌测试数据进行统计分析，发现银含量的增加显著提高了复合抗菌材料的抗菌性能。具体而言，样品1-3的含银量越高，其抑菌效果就越明显。这可能是银离子与细菌细胞膜和DNA 等成分相互作用，引起其结构和功能变化，从而导致细菌死亡。此外，我们观察到不同的稀土元素表现出的抑菌效果各异，但整体而言其差异并不显著，复合稀土元素方案提高抗菌性能的效果并不明显。在样品3（Ag+∶Ce3+=3∶1）中，我们观察到最佳抗菌性能，表明Ce3+在复合抗菌方案中具有协同抗菌的最佳效果。在添加稀土元素的过程中，我们推测其抗菌性能提高的原理可能是：相较于仅含银离子的纳米复合抗菌剂，引入复合稀土离子有助于提高银离子在介孔中的分散程度，增加其与硅骨架的接触面积，形成更多的银纳米线，从而显著提高银-稀土复合抗菌剂的抗菌效能。这也能够解释为何在本研究中，含银和铈的复合样品表现出最佳抗菌性能，可能是由于Ce3+离子具有良好的氧化还原能力，能与银离子表现出协同抑菌效果，促进其在介孔载体中分散并增加其与细菌的接触面积，从而提高抗菌剂的抑菌效果。

3 结论

本研究采用水热法制备了一系列银-稀土复合抗菌剂。通过扫描电镜表征，证明复合材料SBA-15具有有序的介孔二维六角孔道结构。其中，载Ag+∶Ce3+=3∶1 的银-稀土复合抗菌剂表现出最佳性能，具体为银含量3.65%，载银率76.7%，该抗菌剂应用于塑料材料中后，对大肠埃希氏菌、金黄色葡萄球菌抗菌率均超过99%。介孔复合抗菌材料的结构和制备过程展现出可调整的介孔结构和空间效应，有望优化其抗菌性能。因此，未来的研究可以进一步调控复合介孔载体的结构和性能，以实现更高效和实用的抗菌材料的制备。