CN108907231A - 一种提高纳米银抗菌性能的方法 - Google Patents

一种提高纳米银抗菌性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高纳米银抗菌性能的方法，该方法采用一价电解质提高水环境中纳米银的抗菌性能，其中一价电解质为含有一价阳离子的电解质。本发明方法利用一价电解质对纳米银的微生物毒害作用进行协同增效，能够有效地提高纳米银的抗菌性能，具有操作简单易行、成本低廉、实用性强、适用范围广等优点，所用试剂环保、易获取，且能够提高植物、动物、微生物和人类体内的纳米银的抗菌性能，抗菌效果好，有着很好的应用价值和应用前景。

Description

一种提高纳米银抗菌性能的方法
技术领域
本发明属于抗菌材料技术领域，涉及一种提高纳米银抗菌性能的方法。
背景技术
纳米银(Ag Nanoparticles,AgNPs)作为一种广谱的抗菌剂，具有低毒，且不易使微生物产生耐药性等特点，被人们广泛应用到生产生活中，包括涂料、纺织品、医疗用品、个人护理用品、食品储藏箱和餐具等。然而，纳米银比表面积大，比表能高，属于热力学不稳定体系，在纳米银的生产和使用过程中极易络合、团聚和溶解，进而影响其抗菌性能。尤其是在水环境中，纳米银会转化为各种形式的银，如Ag0纳米颗粒、溶解性Ag+、纳米银/溶解性Ag+与其他物质形成的络合物。研究表明，纳米银抗菌活性与水化学有关，主要通过影响纳米银的聚集、溶解和稳定性。纳米银的分散性越好，粒子间发生聚集的机率越低，其与微生物间的接触及相互作用机率越高，进而对对微生物的毒害作用越大，抗菌性能越强。以此同时，纳米银具有蓄积性，可作为载体缓慢地源源不断地释放银离子，且同等银含量时，银离子对微生物的毒害作用高于纳米银。因此，增强纳米银的分散性或增大其溶解程度是提高纳米银抗菌性能的重要手段。
目前文献中主要通过对纳米银包裹不同的包裹物，如聚乙烯吡咯烷酮、β-环糊精、明胶和富含胞嘧啶的单链寡核苷酸等，提升粒子的稳定性和分散性，增强其抗菌活性。但这些方法较为复杂，且均为改善纳米银本身的物理化学特性，而对于已存在于水环境中或是以作为药物载体进入植物、动物、微生物和人类体内的纳米银而言，上述方法并不适用。因此，鉴于纳米银大剂量使用对人体危害的增加，发展一种有效提高纳米银抗菌性能的方法具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单易行、成本低廉、实用性强、适用范围广的提高纳米银抗菌性能的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种提高纳米银抗菌性能的方法，采用一价电解质提高水环境中纳米银的抗菌性能；所述一价电解质为含有一价阳离子的电解质。
上述的方法，进一步改进的，所述方法包括以下步骤：将一价电解质与纳米银溶液混合，得到混合溶液。
上述的方法，进一步改进的，所述一价电解质为钠盐或钾盐。
上述的方法，进一步改进的，所述混合溶液中纳米银的浓度≤60μM，钠盐的浓度≤500mM。
上述的方法，进一步改进的，所述钠盐为NaNO3和/或Na2SO4。
上述的方法，进一步改进的，所述混合溶液中纳米银的浓度≤60μM，钾盐的浓度≤500mM。
上述的方法，进一步改进的，所述钾盐为KNO3、K2SO4、KCl中的至少一种。
上述的方法，进一步改进的，所述方法还包括以下步骤：将所述混合溶液与微生物混合进行振荡反应；所述微生物的加入量为0.6g/L～1.2g/L(即微生物与混合溶液的比例为0.6g～1.2g∶1L)。
上述的方法，进一步改进的，所述微生物为黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)、云芝(Trametes versicolor)、平菇(Pleurotus ostreatus)中的至少一种。
上述的方法，进一步改进的，所述振荡反应在温度为35℃～39℃下进行；所述振荡反应过程中转速为130rpm～170rpm；所述振荡反应的时间为12h～24h。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种提高纳米银抗菌性能的方法，通过采用一价电解质提高水环境中纳米银的抗菌性能。本发明中，通过加入一价电解质，能够有效提升水环境中纳米银的分散性，从而提高纳米银的抗菌性能，同时能够加剧纳米银的溶解，产生更多的银离子，导致更强的微生物毒性，从而进一步提高纳米银的抗菌性能。本发明方法，利用一价电解质对纳米银的微生物毒害作用进行协同增效，能够有效地提高纳米银的抗菌性能，具有操作简单易行、成本低廉、实用性强、适用范围广等优点，所用试剂环保、易获取，且能够提高植物、动物、微生物和人类体内的纳米银的抗菌性能，抗菌效果好，有着很好的应用价值和应用前景。
(2)本发明方法中，以NaNO3、Na2SO4、KNO3、K2SO4、KCl中的至少一种为一价电解质，通过将这些一价电解质与纳米银溶液混合从而能够有效提高纳米银的抗菌性能，其中混合溶液中存在的阴离子也会对纳米银的抗菌性能产生一定的影响，如NO3 -、SO4 2-存在时，有利于提高纳米银的抗菌性能，但是某些阴离子(如S2-和Cl-)可能会降低纳米银的抗菌性能，这是因为阴离子(如S2-和Cl-)能够与纳米银(银离子)迅速结合，形成硫化银沉淀或氯化银沉淀，从而降低纳米银的抗菌性能。然而，虽然Cl-能与纳米银(银离子)结合形成氯化银沉淀，但是当Cl-的浓度过高或过低时，Cl-与纳米银(银离子)形成的是可溶性的氯化银络合物，不影响甚至能够提高纳米银的抗菌性能。另外，当混合溶液中存在阳离子(如K+)时，由于阳离子对纳米银的影响更加显著，此时Cl-对纳米银抗菌性能的影响则不显著。
(3)本发明方法中，仅以一价电解质为原料，具有原料易得、原料成本低廉等优点，同时，混合溶液中一价电解质的浓度为1mM～500mM时一价电解质均能够增强纳米银抗菌效应，从而提高纳米银的抗菌性能，即在较宽的一价电解质浓度范围内易于实现对纳米银抗菌性能的提高，且不需要其他苛刻条件，对实验条件和实验设备的要求低，为抑制微生物在纳米银水环境中的生长提供了有利的条件。
(4)本发明中，在一价电解质(钠盐)的作用下，能够提高浓度≤60μM的纳米银溶液的抗菌性能，降低微生物的活性。在一价电解质(钾盐)的作用下，能够提高浓度≤60μM的纳米银溶液的抗菌性能，降低微生物的活性。本发明中，在一价电解质(钠盐和钾盐)的作用下，混合溶液中低浓度的纳米银对微生物的刺激效应转变为纳米银抗菌效应，能够大大提高纳米银的抗菌性能并且降低纳米银的使用剂量，即在低剂量纳米银条件下能够获得更好的抗菌效果，为加快纳米银在生物医学领域的应用奠定了坚实的基础。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例1中不同一价电解质及浓度条件下黄孢原毛平革菌细胞活性的变化示意图。
图2为本发明实施例2中不同纳米银浓度条件下黄孢原毛平革菌细胞活性的变化示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1
一种提高纳米银抗菌性能的方法，包括以下步骤：
(1)纳米银的制备：将1.5mL、浓度为24mmol/L的柠檬酸三钠溶液和4.5mL、浓度为24mmol/L硼氢化钠溶液加入到53.5mL超纯水中，在冰浴条件下剧烈搅拌，同时边搅拌边加入0.5mL、浓度为24mM的硝酸银溶液，混合液转变为黄色，表明有纳米银生成。然后在室温条件下继续搅拌3h，搅拌所得纳米银溶液通过1KDa透析膜进行纯化，去除可溶性杂质，如柠檬酸三钠和银离子，得到纳米银储备液。
(2)黄孢原毛平革菌菌球的制备：将黄孢原毛平革菌孢子加入到无菌水中，形成黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，取3.5mL孢子悬浮液于200mL Kirk培养基中，在温度为37℃、转速为150rpm的条件下培养60h，过滤，清洗，得到黄孢原毛平革菌菌球。
(3)将一价电解质与步骤(1)中得到的纳米银储备液混合，得到不同一价电解质浓度的混合溶液。
其中，一价电解质为NaNO3时，NaNO3的浓度为1mM、10mM、50mM、100mM和500mM，对应的混合溶液分别为A1、A2、A3、A4、A5，且这些混合溶液中纳米银的浓度均为30μM。
一价电解质为Na2SO4时，Na2SO4的浓度为1mM、10mM、50mM、100mM和500mM，对应的混合溶液分别为A6、A7、A8、A9、A10，且这些混合溶液中纳米银的浓度均为30μM。
一价电解质为KNO3时，KNO3的浓度为1mM、10mM、50mM、100mM和500mM，对应的混合溶液分别为A11、A12、A13、A14、A15，且这些混合溶液中纳米银的浓度均为30μM。
一价电解质为K2SO4时，K2SO4的浓度为1mM、10mM、50mM、100mM和500mM，对应的混合溶液分别为A16、A17、A18、A9、A20，且这些混合溶液中纳米银的浓度均为30μM。
一价电解质为KCl时，KCl的浓度为1mM、10mM、50mM、100mM和500mM，对应的混合溶液分别为A21、A22、A23、A24、A25，且这些混合溶液中纳米银的浓度均为30μM。
(4)取25份步骤(2)中制备得到的黄孢原毛平革菌菌球，分别加入到步骤(3)中制得的混合溶液A1～A25中，其中黄孢原毛平革菌菌球的加入量为0.9g/L(即黄孢原毛平革菌菌球与混合溶液的比例为0.9g∶1L)，混合均匀后，于温度为37℃、转速为150rpm的条件下振荡反应20h。
以未添加一价电解质为纳米银组，即以纳米银溶液代替混合溶液，在相同条件下与黄孢原毛平革菌菌球混合进行振荡反应。
以未添加一价电解质和纳米银为对照组，即以超纯水代替混合溶液，在相同条件下与黄孢原毛平革菌菌球混合进行振荡反应。
振荡反应结束后，测定黄孢原毛平革菌细胞活性，结果如图1所示。
图1为本发明实施例1中不同一价电解质及浓度条件下黄孢原毛平革菌细胞活性的变化示意图。图1中，黄孢原毛平革菌细胞活性为与对照组的相对活性，用百分比表示，用于反映不同条件对纳米银抗菌性能的影响。由图1可知，混合溶液中NaNO3的浓度为1mM～500mM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性为53.8％～77.0％；混合溶液中Na2SO4的浓度为1mM～500mM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性为63.7％～80.0％；混合溶液中KNO3的浓度为1mM～500mM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性为29.0％～74.1％；混合溶液中K2SO4的浓度为1mM～500mM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性为60.0％～79.6％；混合溶液中KCl的浓度为1mM～500mM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性为60.6％～73.9％。同时，本发明中，若进一步增加一价电解质的浓度，黄孢原毛平革菌细胞会由于渗透作用严重脱水，导致细胞活性大大降低，此时一价电解质对纳米银的抗菌性能的影响微乎其微。另外，纳米银组中，未添加一价电解质时黄孢原毛平革菌的细胞活性为82.2％。通过比较可知，相比纳米银组，本发明中加入的一价电解质(NaNO3、Na2SO4、KNO3、K2SO4和KCl)能够降低黄孢原毛平革菌细胞的活性，均低于82.2％，表明一价电解质的加入，能够有效提升水环境中纳米银的分散性，从而提高纳米银的抗菌性能，同时也能够加剧纳米银的溶解，产生更多的银离子，导致更强的微生物毒性，从而进一步提高纳米银的抗菌性能，即一价电解质的加入提高了水环境中纳米银对微生物的毒害作用，提高了纳米银的抗菌性能；同时混合溶液中一价电解质(NaNO3、Na2SO4、KNO3、K2SO4和KCl)的浓度为1mM～500mM时，黄孢原毛平革菌的细胞活性均低于纳米银组(82.2％)，这说明浓度为1mM～500mM的一价电解质均能够增强纳米银抗菌效应，使得一价电解质在较广的浓度范围内均能提高纳米银的抗菌性能，即一价电解质的浓度使用范围广，不需要其他苛刻条件，对实验条件和实验设备的要求低，易实现提高纳米银的抗菌性能。
实施例2
一种提高纳米银抗菌性能的方法，包括以下步骤：
(1)将一价电解质与实施例1中制备得到的纳米银储备液混合，得到不同纳米银浓度的混合溶液。
其中，一价电解质为NaNO3时，纳米银浓度为0μM、10μM、60μM、100μM，对应的混合溶液分别为B1、B2、B3、B4，且这些混合溶液中NaNO3的浓度均为30mM。
一价电解质为KNO3时，纳米银浓度为0μM、10μM、60μM、100μM，对应的混合溶液分别为B5、B6、B7、B8，且这些混合溶液中KNO3的浓度均为30mM。
(2)取8份实施例1中制备得到的黄孢原毛平革菌菌球，分别加入到步骤(1)中制得的混合溶液B1～B8中，其中黄孢原毛平革菌菌球的加入量为0.9g/L(即黄孢原毛平革菌菌球与混合溶液的比例为0.9g∶1L)，混合均匀后，于温度为37℃、转速为150rpm的条件下振荡反应20h。
以碳酸氢钠缓冲溶液代替一价电解质为碳酸氢钠缓冲溶液组，对应的混合溶液为D1、D2、D3、D4，且这些混合溶液中碳酸氢钠的浓度为2mM，在相同条件下与黄孢原毛平革菌菌球混合进行振荡反应。
以未添加二价电解质和纳米银为对照组，即以超纯水代替混合溶液，相同条件下与黄孢原毛平革菌菌球混合进行振荡反应。
振荡反应结束后，测定黄孢原毛平革菌细胞活性，结果如图2所示。
图2为本发明实施例2中不同纳米银浓度条件下黄孢原毛平革菌细胞活性的变化示意图。图2中，黄孢原毛平革菌细胞活性为与对照组的相对活性，用百分比表示，用于反映不同条件对纳米银抗菌性能的影响。由图2可知，在碳酸氢钠缓冲溶液存在的条件下，混合溶液中纳米银的浓度分别为0μM、10μM、60μM和100μM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性分别为100％、125.7％、78.1％和69.2％；在一价电解质(NaNO3)存在的条件下，混合溶液中纳米银的浓度分别为0μM、10μM、60μM和100μM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性分别为82.0％、70.9％、73.7％和108.0％；在一价电解质(KNO3)存在的条件下，混合溶液中纳米银的浓度分别为0μM、10μM、60μM和100μM时，黄孢原毛平革菌细胞的活性分别为86.7％、94.1％、72.2％和69.9％。通过比较可知，当混合溶液中纳米银的浓度≤60μM时，一价电解质(NaNO3)的加入，使得黄孢原毛平革菌细胞的活性均低于碳酸氢钠缓冲溶液组中各纳米银浓度对应的细胞活性，这说明一价电解质(钠盐)能够提高浓度≤60μM的纳米银溶液的抗菌性能，这也说明加入一价电解质(钠盐)后低剂量纳米银的抗菌性能得到提高，即在低浓度纳米银水环境中仍然能够保证纳米银具有很高的抗菌效果；当混合溶液中纳米银的浓度≤60μM时，一价电解质(KNO3)的加入，使得黄孢原毛平革菌细胞的活性均低于碳酸氢钠缓冲溶液组中各纳米银浓度对应的细胞活性，这说明一价电解质(钾盐)能够提高浓度≤60μM的纳米银溶液的抗菌性能，这也说明加入一价电解质(钾盐)后低剂量纳米银的抗菌性能得到提高，即在低浓度纳米银水环境中仍然能够保证纳米银具有很高的抗菌效果。然而，当纳米银的浓度进一步增加到100μM时，一价电解质NaNO3和KNO3组中微生物的活性均高于碳酸氢钠缓冲溶液组，这说明纳米银的浓度过高时一价电解质NaNO3和KNO3的加入不能提升纳米银的抗菌活性，甚至是大大降低了纳米银的抗菌性。
综上可知，本发明方法中，利用一价电解质对纳米银的微生物毒害作用进行协同增效，有效地提高了纳米银的抗菌性能，具有操作简单易行、成本低廉、抗菌效果好等优点，所用试剂环保、易获取，实用性强，能够提高植物、动物、微生物和人类体内的纳米银的抗菌性能，有着很好的应用价值和较广的应用范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种提高纳米银抗菌性能的方法，其特征在于，采用一价电解质提高水环境中纳米银的抗菌性能；所述一价电解质为含有一价阳离子的电解质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将一价电解质与纳米银溶液混合，得到混合溶液。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一价电解质为钠盐或钾盐。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述混合溶液中纳米银的浓度≤60μM，钠盐的浓度≤500mM。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述钠盐为NaNO3和/或Na2SO4。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述混合溶液中纳米银的浓度≤60μM，钾盐的浓度≤500mM。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述钾盐为KNO3、K2SO4、KCl中的至少一种。
8.根据权利要求2～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：将所述混合溶液与微生物混合进行振荡反应；所述微生物的加入量为0.6g/L～1.2g/L。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述微生物为黄孢原毛平革菌、云芝、平菇中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述振荡反应在温度为35℃～39℃下进行；所述振荡反应过程中转速为130rpm～170rpm；所述振荡反应的时间为12h～24h。
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