The Probe of Mesoporous Molecular Sieves with Silver Loading HMS(Ag) Antibacterial Function Abstrate A vacuum beating decomposition route to silver loading mesporous molecular sieves HMS(Ag) is demonstrated for the purpose of antibacterial function in water. Keywords Mesoporous molecular sieves, Silver loading, Coliform, Antibacterial function 关键词 介孔分子筛 载银 大肠杆菌 灭菌作用 载银介孔分子筛HMS（Ag）对大肠杆菌灭菌作用初探 谭欣 王榕树 (天津大学化工系 300072) 霍爱群 (化工部天津化工研究设计院 300131) 介孔分子筛由于具有纳米级孔结构和较高的比表面，常用作各种催化剂和择形分子筛膜的载体[1]。近年来在介孔分子筛内壁上构造各种功能基团，使之成为水中重金属离子吸附剂的研究方兴未艾[2]。功能化介孔分子筛已成为一种新型的高效吸附材料[3]，但在使用中由于微生物容易在筛体上附着，进而造成饮用水的二次污染。为解决这一问题，我们采用经中性模板途径合成介孔分子筛HMS[4]，进而在其孔道内壁上采用真空加热分解的方法制备出了载银介孔分子筛HMS（Ag）。以大肠杆菌为研究对象，用抑菌环法试验研究了HMS（Ag）的灭菌性能以及银含量对其灭菌性能的影响。初步研究表明HMS（Ag）具有较好的灭菌功能。由于HMS（Ag）具有较大的孔径和比表面，并且在水中稳定性好，其灭菌使用性能优于粘胶基和沥青载银活性碳纤维ACF（Ag）[5,6]。 1 实验部分 1.1 功能性介孔分子筛的合成 在强烈搅拌下，将正硅酸乙酯加入到十八胺的乙醇和去离子水溶液中，加入扩孔剂正庚烷，3～4min开始出现浑浊。反应2h后，在室温下静置24h，抽滤得到六方介孔二氧化硅。所用原料的摩尔比为： 将经空气干燥后的六方介孔二氧化硅放入乙醇中（固液比为1g固体：100ml 70℃乙醇），在三口瓶中剧烈搅拌1h后抽滤。另用回流乙醇量1：4的乙醇洗涤滤饼，得到的六方介孔二氧化硅固体在80℃下烘干1h，此操作步骤重复三次，得到介孔分子筛基体HMS。 将介孔分子筛HMS放入0.1N的HNO3溶液中酸洗，过滤，水洗至中性。采用真空浸渍加热分解的方法制备HMS（Ag），其制备工艺为：HMS预处理 --->抽真空--->浸渍AgNO3溶液-->真空热分解。通过调节AgNO3溶液的浓度，真空浸渍时间和热分解温度可分别控制载银量的大小和银颗粒的直径。HMS（Ag）制备条件见表1（热分解的时间均为1h）。 1.2 菌种和培养基 菌种：大肠杆菌JM109（Escherichia coli JM109） 培养基：LB培养基组成为（g·L-1）：蛋母提取物5；氯化钠10；琼脂2。 培养条件 在900mL去离子水中加入蛋白胨、酵母提取物、氯化钠，摇动容器直至溶质完全溶解，用5mol/L NaOH（约0.2mL）调pH值至7.0，加入去离子水至总体积为1L，加入3g琼脂粉，高压下蒸气灭菌30min，将已灭菌的琼脂培养基冷却到30℃铺平板上，然后接种大肠杆菌于固体培养基中。将准备好的铺成圆形的各种HMS（Ag）按顺序依次放入接种过大肠杆菌的固体培养基表面，于恒温箱（35℃）中培养48h。 1.3 HMS及HMS（Ag）性能测试与表征 用BET-3000比表面仪测定样品的平均孔径及比表面。JEOL100 CX透射电镜（TEM）120KV下测定样品的孔道结构。XRD D/max-500 X 射线衍射仪，Cu ka ,40KV,400mA,在小角区（0～10o）测定晶型。 使用X-650型扫描电镜对HMS（Ag）表面银颗粒的大小与分布进行观测。HMS（Ag）的银含量由HITACHI-80偏光塞曼原子吸收分光光度计测量。 灭菌性能采用”halo”试验法，即抑菌环法，样品的灭菌性能由抑菌环的宽度评价。用照相机拍摄抑菌环照片，直接用JC-2型晶粒粒度测量仪（×50）测出抑菌环的宽度，每隔60o在不同的方向共测量6次，取其平均值，并以抑菌环宽度（W）与试样直径（d）的比值（w/d）的大小衡量HMS（Ag）的灭菌性能。
表1 HMS（Ag）试样的制备条件
式样号 | 比表面积 /m2 ·g-1 | AgNO3 浓度/moI·L-1 | 浸渍时间 /h | 分解温度 / ℃ | 银含量 /Wt%
1 | 920 | 0.001 | 2 | 300 | 0.085
2 | 920 | 0.005 | 2 | 300 | 1.50
3 | 920 | 0.1 | 0.5 | 300 | 8.80
4 | 920 | 0.1 | 2 | 300 | 11.00
5 | 920 | 0.5 | 2 | 300 | 19.00
6 | 920 | 0.8 | 2 | 300 | 48.30
7 | 920 | 0.01 | 2 | 250 | 1.50
8 | 920 | 0.01 | 2 | 350 | 1.51
9 | 920 | 0.1 | 2 | 250 | 11.30
10 | 920 | 0.1 | 2 | 350 | 10.90
11 | 920 | 0.01 | 2 | 300 | 0.70
12 | 920 | 0.1 | 2 | 300 | 4.80
13 | 920 | 0.5 | 2 | 300 | 10.98
14 | 920 | 0.8 | 2 | 300 | 21.8
2 实验结果与分析讨论
2θ/° 图1 样品的XRD谱图 ●HMS ■HMS（Ag）
2.1 结构表征 HMS的比表面积为920m2g-1，平均孔径为6.5nm，载银后HMS（Ag）平均孔径减小为2.1nm，比表面积迅速下降，但TEM谱图清楚显示其孔道结构均呈规则六方形排列，可见孔道内银颗粒并未改变基体的孔道规则孔道结构。 HMS小角度XRD谱图（图1）显示样品在处有一个很强的（100）面衍射峰，在3~6o之间还可观察到2个小峰。这反映了六方形个体晶胞的显著特征，证实它们具有与MCM-41介孔分子筛一致的骨架结构。 载银后的样品峰可以反应出微量银的存在，由于强度低导致特征峰不明显（见图1）。 2.2 不同银含量HMS（Ag）的灭菌性能分析 HMS与HMS（Ag）的抑菌环照片如图2所示。可以看出，HMS（Ag）试样周围出现了明显的抑菌环，而HMS周围未出现抑菌环，表明未载银的HMS对大肠杆菌没有杀灭能力。虽然HMS比表面积较大，对细菌的吸附能力较强，但由于HMS同一般碳硅材料一样具有较好的生物相容性，因此不会破坏细菌的生长和繁殖。
图2 HMS和HMS（Ag）的抑菌环
不同银含量的HMS（Ag）试样其灭菌能力不同（见图3）。由曲线a（原始HMS比表面积为920m2·g-1）可以看出，初始时随着银含量的增加，其w/d迅速增加，即灭菌能力迅速增强，但当银含量增加至一定值时，w/d值开始下降，灭菌能力开始减弱。综合曲线a和曲线b可知，银含量最高的HMS（Ag）试样，其灭菌能力并非最强。将曲线a与曲线b关联，则不难发现其原因。HMS（Ag）的灭菌能力不仅取决于银含量，还与试样的比表面积有关，含银量最高的试样灭菌能力低的原因是其比表面积较低的缘故，此外比较曲线a、b可以进一步证实比表面积的作用，即比表面积越大，其灭菌能力越强。由此可见认定，HMS（Ag）的灭菌机制体现在两个方面。其一，HMS（Ag）对细菌有吸附作用，使细菌被吸附于HMS（Ag）的表面，与银颗粒直接接触而被杀灭。所以吸附能力越强，灭菌能力也越强；其二，HMS（Ag）的灭菌性能来源于银离子的释放，因为只有银离子才具有灭菌功能。银含量越高，银离子的释放速度越快，扩散的距离越长，表现为灭菌能力越强。由于增加银含量使HMS（Ag）的比表面积降低（见曲线b），因此银含量和比表面积存在一个最佳的匹配值。从实用角度看，要获得最佳的灭菌效果，最有效的途径是增加原始HMS的比表面积，因为单纯增加HMS表面的银含量将导致饮用水中银离子的浓度超过饮用水标准，造成二次污染，从这一方面来考虑，含银量为0.02%的HMS（Ag)更适合于实际使用，因为它同时还可以节省银的消耗。 当银含量一定时，HMS（Ag）的灭菌能力还受银颗粒大小的制约，银颗粒越小，HMS（Ag）的灭菌能力越强，可以认为在银含量相同时，颗粒越小，银颗粒总表面积越大，银离子的释放更容易，传质阻力小，向周围释放的银离子更多，因此抑菌环越宽，灭菌能力越强。
图3 灭菌性能（a-w/d值，b-比表面积）与银含量的关系
3 结论 3.1不载银的介孔分子筛HMS对大肠杆菌没有灭菌作用。 3.2载银介孔分子筛HMS（Ag）的灭菌性能取决于银含量和比表面积的大小，经适当载银的介孔分子筛HMS（Ag）有望成为一种新型饮用水消毒材料。 4 参考文献 [1] Avelino C Chem. Rev. 1997, 97, 2373～2419 [2] Tanev P T, Pinnavaia T J.Science, 1995, 267: 865～867 [3] Beck J S, Vartuli J C, Roth W J et al. J Am. Chem. Soc., 1992, 114: 10834～10843 [4] Feng X, Fryxell G E, Wang L Q et al. Science, 1997, 276: 923~926 [5] Oya A, Wakahara T, Yohsida S,et al. Preparation of pitch-based antibacterial activated carbon fiber. Carbon, 1993, 31(8): 1243～1247 [6] Ch Y Li, Y Z Wan, Y L Wang, et al. Antibacterial pitch-based activated carbon fiber supporting silver. Carbon, 1998, 36(1-2): 61～65 1998-08-11收稿 谭欣 男 1962年11月生 副教授 研究方向：环境水化学工程 国家八六三新材料领域（863-715-004-220）项目及天津市21世纪青年科学基金（983701411）联合资助。