CN111437401A

CN111437401A - 抗菌方法

Info

Publication number: CN111437401A
Application number: CN201910041760.XA
Authority: CN
Inventors: 韩若丹
Original assignee: Ketai Beijing Technology Co ltd
Current assignee: Science And Technology Qingke Beijing Technology Co ltd
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2039-01-16
Also published as: CN111437401B

Abstract

本发明提供一种具有突出抗菌效果的抗菌方法。本发明的抗菌方法包括使细菌与金属有机骨架材料在光照条件下接触，所述金属有机骨架材料由金属源及有机配体作用形成。本发明的抗菌方法不仅能够有效杀灭环境中的细菌，而且不会对人体产生辐射危害以及臭氧等二次污染等问题。

Description

抗菌方法

技术领域

本发明属于非医药领域，具体涉及一种使用金属有机骨架材料的抗菌方法及抗菌装置。

背景技术

细菌是一类广泛存在于自然界与人体中的微生物，大多数细菌是不致病的，甚至对人体、动植物是有益和必需的，如固氨菌、肠道正常菌群。但是一些细菌成为病原体，感染人体后导致破伤风、肺炎、霍乱、肺结核等严重疾病，对人体健康和环境的危害是巨大的。尤其是NDM－1，俗称超级细菌，对抗生素有超强的抵抗作用，使得大部分的抗生素对其不起作用，对人体健康造成极大的危害。现在环境污染情况不容乐观，央视《走进科学》栏目曾经报道，雾霾天气下，PM2.5中携带有大量的细菌、真菌和DNA病毒，最低估计有1300多种，而其中80%以上是细菌，研究表明其中有三种是直接致病菌，其他细菌有一个更为危险的潜在可能性，为细菌传播耐药性提供了非常适宜的温床。同时研究表明，哪里最常被接触，哪里的细菌就越多。因此在现在污染环境条件下，在医院、学校、单位、家庭等所有人类聚集活动场所，杀灭环境中的一些致病菌，显得尤为重要。

目前市面被广泛推广应用的抗菌方法有三种，紫外灯照射抗菌（如201810688241.8号专利申请：一种双波段紫外石英灯模组），纳米银离子和二氧化钛抗菌（如201810592546.9号专利申请：汽车玻璃光催化空气净化膜；201810272601.6号专利申请：一种具有可见光响应催化功能的仿真植物及制备方法），氧化锌抗菌。但这些方法都存在一定程度的缺陷，如紫外线本身会对人体造成危害，使用过程中对产生臭氧的控制能力不够，导致臭氧二次污染或者抗菌效果不明显等等。仍然需要一种对人体的伤害小、抗菌效果优秀的抗菌方法。

金属有机骨架是一类多孔材料，由金属源（例如金属团簇、金属氧化物或金属盐等）与有机配体作用形成具有周期性网络结构的有机无机杂化材料，具有孔隙率高、官能团丰富、孔道有序、结构多样等众多优点，目前该新型功能性材料在气体储存与分离、催化、膜、传感、生物医学成像等领域发挥着重要作用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种抗菌方法，包括使细菌与金属有机骨架材料在光照条件下接触，所述金属有机骨架材料由金属源及有机配体作用形成。

优选地，使所述细菌与所述金属有机骨架材料在光照条件下接触10-300分钟。

优选地，使所述细菌与所述金属有机骨架材料在光强度为50-500mW/cm²的条件下接触。

优选地，相对于10⁷ CFU/mL的所述细菌，所述金属有机骨架材料的用量为1-50mg/mL。

优选地，所述细菌包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌。

优选地，所述金属源中的金属元素选自Cu、Zn、Fe、Ni、Zr、V、Ce中的至少一种。

更优选地，所述金属源中的金属元素选自Cu、Zn、Ni、Zr、V中的至少一种。

优选地，所述有机配体选自均苯三甲酸、1，3，5-三（4-羧基苯基）苯、2-氨基对苯二甲酸、2-甲基咪唑、苯并咪唑中的至少一种。

本发明还提供了一种抗菌装置，包括金属有机骨架材料和光源，所述金属有机骨架材料由金属源及有机配体作用形成。

优选地，所述光源在金属有机骨架材料处的光强度为50-500mW/cm²。

本发明的方法通过在光照条件下，使用金属有机骨架材料在非人体环境中进行抗菌，抗菌效果卓越。并且，本发明的方法可以实现在模拟太阳光或可见光条件下进行，不会对人体产生辐射危害以及由此而来的臭氧等二次污染等问题。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例及比较例所使用静态培养法的示意图；

图2为本发明实施例及比较例所使用动态模拟抗菌法的示意图；

图3为本发明实施例1~4、9~10所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱，其中3A为实施例1和实施例9所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱，3B为实施例2和实施例10所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱，3C为实施例3所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱，3D为实施例4所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱；

图4为本发明实施例5~8、11~12所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱，其中图4A为实施例5所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱，图4B为实施例6和实施例11所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱，图4C为实施例7和实施例12所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱，图4D为实施例8所用的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明所使用的术语等为本领域通常具有的含义，以下对本发明所使用的一些技术术语进行解释及定义。

“抗菌”一般指的是采用化学或物理方法杀灭细菌或妨碍细菌生长繁殖及其活性的过程。在本发明中，尤其指的是存活细菌的浓度在与金属有机骨架材料接触后，与在金属有机骨架材料接触前相比，具有明显降低。

本发明方法所使用的“金属有机骨架材料”，是一类功能多孔材料，由金属源（例如金属团簇、金属氧化物或金属盐等）与有机配体通过配位作用构筑而成，兼具无机和有机孔材料的优点，具有比表面积高、孔道有序可重复、官能团丰富、稳定性好、结构多样等特点。本发明使用的金属有机骨架材料可以使用本领域已知的方法合成，例如水热法、搅拌静置法、电解法、纺丝法、微波法、热压法等。上述合成方法例如记载于Katz, M. J. et al. Afacile synthesis of UiO-66, UiO-67 and their derivatives. Chem. Commun.49,9449-9451, (2013)；Park, K. S. et al. Exceptional chemical and thermalstability of zeolitic imidazolate frameworks. P. Natl. Acad. Sci. U S A.103,10186-10191, (2006)；Li S. et al.Creating Lithium-Ion Electrolytes withBiominmetic Ionic Channels in Metal-Organic Frameworks. DOI: 10.1002/adma.201707476.等文献中。不同的合成方法制备的金属有机骨架材料均可用于本发明的抗菌方法，其中，热压法是本申请的发明人首创的方法，其记载于中国发明专利ZL201510630401.X，上述专利或文献全文引入本发明。

本发明中的“光照条件”可以为模拟太阳光或可见光等，没有特别限制。本发明下述的实施例中使用300W Xe灯加全光谱反射片结合AM 1.5滤光片模拟日光、使用300W Xe灯加全光谱反射片结合CUT400发射可见光。

本发明中的“光强度”指的是被照射的物体表面单位面积所接受的光的强度，单位为mW/cm²，可通过光功率密度仪测量。

下面对本发明的抗菌方法进行详细说明。

本发明公开了一种抗菌方法，包括使细菌与金属有机骨架材料在光照条件下接触，其中金属有机骨架材料由金属源及有机配体作用形成。

本发明的方法可以用于各种常见细菌，例如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎球菌、白喉棒状杆菌、流感嗜血杆菌、大肠埃希菌、芽孢杆菌、淋球菌等。以下实施例以最常用的经典细菌大肠杆菌及金黄色葡萄球菌为例进行说明。

关于金属有机骨架材料，其由金属源及有机配体作用形成。本领域技术人员可以使用已知的、如本发明上文所述的方法合成金属有机骨架材料，上述方法合成的金属有机骨架材料在光照条件下均具有卓越的抗菌效果。

本发明的金属有机骨架材料的金属源可以为金属团簇、金属氧化物、金属离子等，金属源中包含的金属元素可以自由选择，例如为Mg、Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Mn、Fe、Ru、Co、Rh、Ni、Cu、Ag、Zn、Cd、Al、In、Ce、Nd、Sm、Gd、Er、Si中的至少一种。优选地，金属元素包含Cu、Zn、Fe、Ni、Zr、V、Ce中的至少一种。更优选地，金属元素包含Cu、Zn、Ni、Zr、V中的至少一种。当金属元素为Cu、Zn、Ni、Zr、V中的至少一种时，使用本发明的抗菌方法所得到的抗菌效果更优良，抗菌效果达到90%、甚至医用抗菌标准以上。或与无光照条件相比，抗菌效果具有明显提升。有机配体可以为含氧、氮等的多齿有机配体，例如均苯三酸、2，5二羟基对苯二甲酸、对苯二甲酸、1，3，5-三（4-羧基苯基）苯、2-氨基对苯二甲酸、2-甲基咪唑、苯并咪唑等。

在本发明下述的实施例中，所制备的金属有机骨架材料通过X射线粉末衍射进行表征，其中使用的仪器为Bruker D8 Advance（布鲁克，德国），参数为电压40Kv、电流15mA、Cu靶、λ＝0.154nm。

本发明的发明人发现，与无光条件相比，金属有机骨架材料在光照条件下具有提高了的抗菌效果。金属有机骨架材料对光照条件没有特别的要求，可以根据抗菌的实际需求优化光照时间、光强度等参数。优选地，使细菌与金属有机骨架材料在光照条件下接触10分钟以上，抗菌效果更优。更优选的，光照时间为10-300分钟。此外，优选的，光强度为50Mw/cm²以上，更优选的，光强度为50-500Mw/cm²，此时，能在减少光照时间的情况下达到更好的抗菌效果，提高抗菌效率。

对于金属有机骨架材料的用量，可以自由选择，从成本以及效率考虑，优选相对于10⁷ CFU/mL的细菌，金属有机骨架材料的用量为1-50mg/mL。

本发明的抗菌效果通过以下方法进行验证。

（一）粉体金属有机骨架材料静态培养法

以革兰氏阴性大肠杆菌（ CPCC 100522 中国药学微生物菌种保藏管理中心）或金黄色葡萄球菌（CPCC 100520 中国药学微生物菌种保藏管理中心）为模型菌。测试前，对所有的器皿和材料进行高温高压灭菌处理。细菌在37℃的营养液（营养琼脂，奥博星，中国）中培养18小时，得到约10⁹ CFU/mL的细胞计数。然后通过离心(5000rpm，15分钟)收集细菌，将其悬浮于无菌盐水溶液(0.9％(wt/vol))。用于下步抗菌实验的细菌初始浓度（C₀）为10⁷CFU/mL，用0.9%（w/v）盐水梯度稀释法调整。

将不同质量的金属有机骨架材料加入含有10mL细菌溶液(10⁷ CFU/mL)的50mL光反应器中。在室温下用磁力搅拌器将细菌和金属有机骨架材料混合，同时用不同的光在不同光强度下照射不同时间。随着反应的进行，在一定的时间间隔内移出混合物0.5mL，并用标准平板计数法测定残留细菌浓度。将培养皿在37℃下孵育20小时，通过观察计数菌落数，得到抗菌后浓度（C）。在本发明中，抗菌效果表示为(C₀-C)/C₀。同时设置黑暗对照组和光空白对照组实验。黑暗对照组为添加相同量的金属有机骨架材料而不光照，光空白对照组为相同光照条件而不添加金属有机骨架材料。所有实验重复三次，其平均值作为最终结果。

（二）金属有机骨架材料负载到基底上的静态培养法

如图1所示，将2mL的细菌悬浮液（10⁷ CFU/mL）逐滴均匀滴涂在负载有金属有机骨架材料1（2mg／cm²）的基材2（5cm×5cm，无纺布、真丝布、玻纤、金属网、泡沫金属、聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵等）表面上，然后用光照射一定时间。基材2浸泡在无菌蒸馏水3中。经光催化杀菌反应后，用20mL 0.9%（w/v）的生理盐水溶液对以上负载有金属有机骨架材料的基材进行洗脱处理，然后采用2倍稀释法对洗脱液进行逐级稀释，取稀释的样品（50μL）置于营养琼脂培养基上。这些平板在37℃下孵育20小时，然后进行活细胞计数，得到抗菌后浓度（C）。抗菌效果表示为(C₀-C)/C₀。在上述情况下，在黑暗中进行黑暗对照组实验。光空白对照组在不存在金属有机骨架材料的情况下进行。所有实验重复三次，其平均值作为最终结果。

（三）动态模拟抗菌法

搭建一个宽度45厘米、高度45厘米、长度为90厘米的矩形舱体作为空气杀菌的管道模型，用长10厘米、宽10厘米的负载有金属有机骨架材料（0.3mg／cm²）的基材4（无纺布、真丝布等）将空气管道模型分为入口段、反应段以及出口段（如图2所示）。整个装置位于II类微生物安全柜中，以确保实验的无菌性。采用微生物气溶胶将10⁵CFU/mL大肠杆菌悬浮液雾化后，以0.5 mL／min的流速喷入反应段，制备的粒径为1～5μm、与人打喷嚏或咳嗽产生的气溶胶大小相近的含大肠杆菌气溶胶6，作为模型气溶胶。使用混合装置，例如风扇5使气溶胶6与负载有金属有机骨架材料的基材4充分接触。在模拟太阳光条件下照射0.5小时，然后用六级空气撞击采样器（山东恒美电子科技有限公司）对出口段中的空气进行采样。调整采样体积以避免琼脂平板饱和。附着在采样器上的培养皿含有细菌的生长培养基。用营养琼脂收集细菌样品，在37℃下孵育20小时，孵育后，计数菌落，得到抗菌后浓度（C）。抗菌效果表示为(C₀-C)/C₀。在相同条件下，光空白对照组为不同的空白基材代替负载有金属有机骨架材料的基材，而黑暗对照组仍为负载有金属有机骨架材料的基材在黑暗条件下的进行黑暗对组实验。每次试验重复三次，其平均值作为最终结果。

以下实施例1-12使用上述（一）粉体金属有机骨架材料静态培养法检测抗菌效果。其中，光照时间为2小时、光强度为100 mW/cm²、金属有机骨架材料的用量为8 mg/mL。实施例1-8使用的细菌为革兰氏阴性大肠杆菌，实施例9-12使用的细菌为金黄色葡萄球菌。

实施例1

金属有机骨架材料的金属源为硝酸铈、有机配体为1,3,5-三(4-羧基苯基)苯。制备的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱如图3A所示，其中7表示模拟曲线，8表示实验曲线。如图所示，制备的金属有机骨架材料与模拟曲线吻合，说明成功得到了金属有机骨架材料。其中，使用300W Xe灯加全光谱反射片结合AM1.5滤光片为光源。同时进行光空白对照组和黑暗对照组的实验，结果记录于表1中。

实施例2

除了金属有机骨架材料的金属源为硝酸铜、有机配体为均苯三甲酸，以300W Xe灯加全光谱反射片结合CUT 400滤光片为光源，其他与实施例1相同。制备的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱如图3B所示，其中9表示模拟曲线，10表示实验曲线。如图所示，制备的金属有机骨架材料与模拟曲线吻合，说明成功得到了金属有机骨架材料。

实施例3

除了金属有机骨架材料的金属源为硝酸铁、有机配体为均苯三甲酸，以300W Xe灯加全光谱反射片结合CUT 400滤光片为光源，其他与实施例1相同。制备的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱如图3C所示，其中11表示模拟曲线，12表示实验曲线。如图所示，制备的金属有机骨架材料与模拟曲线吻合，说明成功得到了金属有机骨架材料。

实施例4

除了金属有机骨架材料的金属源为四水合硝酸锌以及硝酸镍（摩尔比，Zn：Ni＝1:2）、有机配体为2-甲基咪唑，其他与实施例1相同。制备的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱如图3D所示，其中13表示模拟曲线，14表示实验曲线。如图所示，制备的金属有机骨架材料与模拟曲线吻合，说明成功得到了金属有机骨架材料。

实施例5

除了金属有机骨架材料的金属源为三氯化钒、有机配体为1,3,5-三(4-羧基苯基)苯，其他与实施例1相同。制备的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱如图4A所示，其中15表示模拟曲线，16表示实验曲线。如图所示，制备的金属有机骨架材料与模拟曲线吻合，说明成功得到了金属有机骨架材料。

实施例6

除了金属有机骨架材料的金属源为四氯化锆、有机配体为2-氨基对苯二甲酸，以300WXe灯加全光谱反射片结合CUT 400滤光片为光源，其他与实施例1相同。制备的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱如图4B所示，其中17表示模拟曲线，18表示实验曲线。如图所示，制备的金属有机骨架材料与模拟曲线吻合，说明成功得到了金属有机骨架材料。

实施例7

除了金属有机骨架材料的金属源为四水合硝酸锌、有机配体为苯并咪唑，其他与实施例1相同。制备的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱如图4C所示，其中19表示模拟曲线，20表示实验曲线。如图所示，制备的金属有机骨架材料与模拟曲线吻合，说明成功得到了金属有机骨架材料。

实施例8

除了金属有机骨架材料的金属源为四水合硝酸锌、有机配体为2-甲基咪唑，其他与实施例1相同。制备的金属有机骨架材料的X射线衍射图谱如图4D所示，其中21表示模拟曲线，22表示实验曲线。如图所示，制备的金属有机骨架材料与模拟曲线吻合，说明成功得到了金属有机骨架材料。

实施例9

金属有机骨架材料的金属源为硝酸铈、有机配体为1,3,5-三(4-羧基苯基)苯，其中，使用300W Xe灯加全光谱反射片结合AM1.5滤光片为光源。所制备的金属有机骨架材料的X射线粉末衍射图谱如图3A所示。同时进行光空白对照组和黑暗对照组的实验，结果记录于表1中。

实施例10

除了金属有机骨架材料的金属源为硝酸铜、有机配体为均苯三甲酸，以300W Xe灯加全光谱反射片结合CUT 400滤光片为光源，其他与实施例9相同。所制备的金属有机骨架材料的X射线粉末衍射图谱如图3B所示。

实施例11

除了金属有机骨架材料的金属源为四氯化锆、有机配体为2-氨基对苯二甲酸，其他与实施例9相同。所制备的金属有机骨架材料的X射线粉末衍射图谱如图4B所示。

实施例12

除了金属有机骨架材料的金属源为四水合硝酸锌、有机配体为苯并咪唑，其他与实施例9相同。所制备的金属有机骨架材料的X射线粉末衍射图谱如图4C所示。

上述实施例1-12所使用的金属有机骨架材料、细菌以及抗菌效果记录于表1中。

表1

通过以上实施例可以看出，与无光条件相比，在光照条件下金属有机骨架材料的抗菌效果具有明显提高，部分实施例甚至提高了三倍以上。并且光照条件下的金属有机骨架材料的抗菌性效果卓越，均在80%以上，甚至达到99.99％以上。

本发明的发明人发现金属有机骨架材料对光照条件没有特别的要求，如下所示，本发明的发明人对不同的光照时间、光照强度以及金属有机骨架材料的用量分别设计了不同的实施例。实施例13-18涉及不同光照时间、实施例19-21涉及不同光照强度、实施例22-25涉及不同的金属有机骨架材料的用量。实施例13-25使用以金属源为四氯化锆、有机配体为2-氨基对苯二甲酸制备而成的金属有机骨架材料为例，细菌采用大肠杆菌，初始浓度为10⁷CFU/mL，使用上述（一）粉体金属有机骨架材料静态培养法进行检测。具体结果如表2-4所示。

表2

表3

表4

通过以上实施例可以看出，本发明的抗菌方法在不同用量的金属有机骨架材料以及不同的光照强度、光照时间下均取得了抗菌效果，甚至达到医用抗菌标准以上。

此外，本发明的抗菌方法中所使用的金属有机骨架材料不仅可以以粉体的形式与细菌接触，也能够负载在基底上与细菌接触。使用负载在基底上的金属有机骨架材料也能够达到本发明的抗菌效果。通过上述（二）金属有机骨架材料负载到基底上的静态培养法使用负载在基底上的金属有机骨架材料与大肠杆菌接触检测其抗菌效果，如实施例26所示。

实施例26

在本实施例中，以无纺布为例，使用由金属源为四氯化锆、配体为2-氨基对苯二甲酸制备的金属有机骨架材料，在光强度为100 mW/cm²的模拟日光下照射60分钟，所得到的抗菌效果大于99.99%，暗反应对照组的效果为38%，光空白对照组的效果为50%。

由此可见，负载于基底上的金属有机骨架材料同样能够在光照条件下获得卓越的抗菌效果，基底的存在并不会影响金属有机骨架材料的光催化活性。

本发明的发明人进一步通过上述（三）动态模拟抗菌法检测了本发明的抗菌方法在动态下的效果，以大肠杆菌为模型菌，如实施例27所示。

实施例27

负载基材以无纺布为例，使用由四氯化锆和2-氨基对苯二甲酸制备的金属有机骨架材料，在光强度为100 mW/cm²的模拟日光下照射30分钟测得的抗菌效果大于99.99%，暗反应对照组的效果为36.2%，光空白对照组的效果为37%。

通过实施例27可以看出，本发明的抗菌方法在动态情况下同样具有优越的抗菌效果。

通过以上实施例及比较例可以看出，金属有机骨架材料在光照条件下具有突出的抗菌效果，能够有效杀灭环境中的细菌，甚至达到医用级别的抗菌要求，具有广阔的市场应用。

Claims

1.一种抗菌方法，其特征在于，所述方法包括使细菌与金属有机骨架材料在光照条件下接触，所述金属有机骨架材料由金属源及有机配体作用形成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述细菌与所述金属有机骨架材料在光照条件下接触10-300分钟。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述细菌与所述金属有机骨架材料在光强度为50-500mW/cm²的条件下接触。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对于10⁷ CFU/mL的所述细菌，所述金属有机骨架材料的用量为1-50mg/mL。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述细菌包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌。

6.根据权利要求1-5其中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属源中的金属元素选自Cu、Zn、Fe、Ni、Zr、V、Ce中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述金属源中的金属元素选自Cu、Zn、Ni、Zr、V中的至少一种。

8.根据权利要求1-5其中任一项所述的方法，其特征在于，所述有机配体选自均苯三甲酸、1，3，5-三（4-羧基苯基）苯、2-氨基对苯二甲酸、2-甲基咪唑、苯并咪唑中的至少一种。

9.一种抗菌装置，其特征在于，包括金属有机骨架材料和光源，所述金属有机骨架材料由金属源及有机配体作用形成。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述光源在金属有机骨架材料处的光强度为50-500mW/cm²。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述金属源中的金属元素选自Cu、Zn、Fe、Ni、Zr、V、Ce中的至少一种。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述金属源中的金属元素选自Cu、Zn、Ni、Zr、V中的至少一种。

13.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述有机配体选自均苯三甲酸、1，3，5-三（4-羧基苯基）苯、2-氨基对苯二甲酸、2-甲基咪唑、苯并咪唑中的至少一种。