微纳米抗菌铜粉的制备及其在金属档案柜抗菌防霉应用

石思思,郭守晖，孙宏凯，齐维靖*，张萌

(南昌大学a.材料科学与工程学院；b.理学院，江西 南昌 330031)

近年来，病原性微生物引发的全球性流行病不断威胁着人类的健康，而且由于生物抗菌药物的滥用，病原性微生物的耐药性越来越强，传统抗菌剂杀菌效果降低[1-3]。因此，为了防止病原性微生物的传播和蔓延，开发新型抗菌材料已迫在眉睫。目前的抗菌材料根据化学组成主要分为天然抗菌材料、有机合成抗菌材料和无机抗菌材料[4]。天然抗菌材料，例如壳聚糖等[5]，具有良好的生物相容性，但其抗菌性能有限、不易进行再加工；有机合成抗菌材料，例如香草醛或乙基香草醛类化合物等，是目前市场上的主体，但其耐热性差、容易水解、毒副作用也相对较大[6]；以银、铜等金属材料为代表的无机系抗菌材料具有以上两种抗菌材料无法比拟的优良性能，不仅抗菌范围较广、持续杀菌的有效期长，而且不易产生耐药性、安全性高[7]。因此无机金属抗菌材料逐渐成为抗菌材料领域的研究热点[8]。

铜是人类最早使用的金属之一，也是维持人体生命活动所必需的微量元素[9]。人们很早就认识到了铜的杀菌作用和其在医学方面的应用潜力，在公元前2200—2600年，埃及人就已经记录了用金属铜对胸部伤口和饮用水进行消毒杀菌[10]。近年来，铜也因为其优异的抗菌性能引起了科研人员的广泛关注，它在各个领域的抗菌应用潜力也被逐渐地挖掘出来[11-13]，例如，铜制水管应用于饮用水消毒领域时，能有效控制革兰阴性杆菌、革兰阳性球菌、念珠菌等病原菌的生物活性[14]；铜应用于空调热交换器以替代铝时，对细菌生长的抑制率达到99.99%，对真菌生长的抑制率达到99.74%[15]；铜材料应用于桌椅和门把手等产品时，其表面的微生物数量显著低于不锈钢表面的微生物数量[16]。然而，目前关于金属铜防霉应用的研究不多，相应的报道还非常少。此外，随着纳米材料和纳米技术的飞速发展，粒径小于100 nm的铜纳米粒子在抗菌材料领域的比重越来越高，但纳米铜材料存在制备工艺复杂、易团聚、易氧化、难保存等缺点[17]。因此，开发抗菌防霉性能优异并且制造工艺简单、抗氧化能力强的铜材料尤为重要。

档案库房是历代纸质文献、资料馆藏的重要场所，由于长期通风不畅，容易滋生有害微生物破坏纸张。有害微生物在适宜的环境条件下，靠自身细胞分泌的酶能分解纸张中的纤维素、木质素、淀粉、蛋白质等造成纸张变脆、发黄、长霉、长斑等。此外，微生物还会附着在空气中的飘尘上，进入人体的呼吸道产生毒素，影响档案工作者、档案使用者的身体健康。如黄曲霉毒素能导致细胞突变，有强烈的致癌作用，金黄色葡萄球菌能产生肠毒素，破坏人体肠道，导致呕吐腹泻等症状[18-19]。通风或者采用空调系统控制档案库房的温湿度是纸质资料抗菌防霉的主要措施[20]。因此，从抗菌防霉档案柜这一关键设备入手，赋予其抗菌防霉功能，是一种新尝试。

本文采用液相还原法，以氧化铜为前驱体合成了一种微纳米尺寸的抗菌铜粉。通过X射线衍射(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)，透射电子显微镜(TEM)和激光粒度分析仪(LPA)表征了微纳米抗菌铜粉的形貌和结构。通过粉末振荡法探究了微纳米铜粉对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。并且将合成的微纳米铜粉作为抗菌剂，应用到金属档案柜表面喷涂中，根据国家标准检测了该产品的抗菌性能和防霉性能。

1 微纳米抗菌铜粉的制备与表征

1.1 实验试剂与仪器

主要试剂：氧化铜(CuO)、水合肼(N2H4·H2O)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、无水乙醇，所有试剂均为分析纯。主要仪器：MS300磁力搅拌器、DZF-6020真空干燥箱、Bruker D8型XRD、FEI Quanta 200F型SEM、JEM-2100型TEM、Nanotrac Wave Ⅱ型LPA。

1.2 实验工艺流程

本文采用液相还原法制备微纳米抗菌铜粉，具体实验步骤如下：

(1) 悬浊液的制备：分别称取24 g CuO、10 g PVP、5 g CTAB溶于200 mL无水乙醇中，制得悬浊液。将其置于磁力搅拌器上加热搅拌均匀。

(2) 还原剂的添加：当(1)中的悬浊液加热至50℃时，向其缓慢滴入50 mL N2H4·H2O，继续搅拌1 h，悬浊液由黑色变为砖红色。

(3) 清洗干燥：反应完成后，用无水乙醇反复清洗，清洗完后放入真空干燥箱中干燥，研磨装袋，最终制得微纳米抗菌铜粉。

1.3 抗菌性能测试

依据GB/T 21510—2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》，以大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)为受试菌株，采用粉末振荡法对制得的微纳米铜粉的抗菌性能进行测试。

微纳米铜粉的抗菌率按式(1)计算：

(1)

式中：R为抗菌率(%)；A为对照样品与受试菌接触一定时间后平均回收菌落，单位为菌落形成单位每毫升(cfu·mL-1);B为试验样品与受试菌接触一定时间后平均回收菌落，单位为菌落形成单位每毫升(cfu·mL-1)。

2 结果与讨论

2.1 结构和形貌表征

图1为微纳米抗菌铜粉的XRD图谱，扫描范围为10°～90°，扫描速度为10°/分。图1(a)为刚制成时抗菌铜粉的XRD图谱，从图谱可以看出，仅在43.3°，50.4°和74.1°处出现3个明显的衍射峰，分别对应面心立方结构(fcc)单质铜的(111)，(200)和(220)晶面，表明所制备的微纳米抗菌铜粉纯度很高，没有氧化铜和氧化亚铜等杂质。随后，将该铜粉用普通塑料试样袋密封存放于药品柜中，2个月后测得的XRD衍射图谱如图1(b)所示，图谱中仅出现了微弱的氧化物特征峰，这表明用该方法合成的微纳米铜粉抗氧化能力较强，不易被氧化。

所制得微纳米抗菌铜粉的表面形貌及粒径大小分布如图2所示。图2(a)为微纳米抗菌铜粉的SEM图像(工作电压30 kV)，从SEM图像中能清楚地看到铜颗粒形貌呈近球形，铜颗粒之间较分散，没有严重的团聚现象，颗粒直径大约在600至800 nm之间。图2(b)和2(c)是铜粉的TEM图像，样品在无水乙醇中超声分散后在铜网上制样测得。TEM图像证实了铜颗粒形貌为近球形。利用LPA测试了铜颗粒的粒度分布，样品在无水乙醇中超声分散后滴入样品池测得，结果如图2(d)所示。从粒径分布的直方图可见，铜颗粒的粒径分布均匀，平均粒径为653 nm。

反应过程中，溶液中释放的铜离子与PVP的柔性链结合，形成类离子交联聚合物，滴加还原剂后，吸附在PVP柔性链上的铜离子被还原为铜原子，PVP分子内的C—H长链伸向四周，能形成立体屏障，分子链的空间位阻效应能阻碍铜粒子的聚集和生长，从而提高铜颗粒的分散性[21]。CTAB属于阳离子表面活性剂，有良好的表面活性、稳定性，在强酸及强碱中稳定，与非离子及两性离子表面活性剂有良好的配位性[22]，同时，它也是一种电解质，在溶液中溶解时会电离出大量的阳离子基团，电离出的阳离子基团会吸附在生成的铜粒子表面，从而使得颗粒与颗粒之间获得较强的排斥力。因此，在PVP和CTAB的协同作用下，制备得到的微纳米抗菌铜粉具有较好的分散性。另外，还原剂水合肼缓慢匀速地滴入反应溶液中，氧化还原反应速率稳定，铜粒子长大的速率相差不大，因此粒度分布较为均匀。

2.2 抗菌性能

表1为微纳米铜粉的抗菌性能测试结果。在未加微纳米铜粉的对照组中，振荡前的平均活菌数为4.0×104，振荡培养后大肠杆菌的平均活菌数增加到3.5×105，金黄色葡萄球菌的平均活菌数增加到4.8×104。然而，加了微纳米铜粉的试验组，振荡6～8 h后，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的平均活菌数都小于1，根据抗菌率的计算公式可计算出该微纳米铜粉对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率都达到了99%以上。图3为振荡后空白对照组和试验组平板计数琼脂培养基上的菌落生长图。从图中可以看出，振荡培养后，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在琼脂培养平板上生长繁殖出很多菌落，而添加微纳米铜粉后，琼脂培养平板上几乎没有菌落生长。结果表明，本文制得的微纳米铜粉抗菌性能优异，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭、抑制效果显著。

尽管对金属材料的抗菌性已有诸多研究乃至应用，但对其在细菌或酵母和其他微生物中发挥抗菌作用的生物物理和生物化学机制学者们还没有统一观点[23-24]。目前的报道提出，金属材料的抗菌机制主要包括以下几个方面：①与细菌内蛋白质半胱氨酸残基的巯基相互作用，使其失活[25]；②作用于细菌细胞膜，与细胞膜中的成分相互作用，增加细胞膜的通透性，破坏细胞膜的完整性[26]；③作用于细菌的DNA，导致细菌的DNA降解[27]；④干扰细菌营养吸收，导致其生长停滞[28]；⑤引起活性氧物质(ROS)如羟基自由基的产生，导致对细菌生存至关重要的细胞成分如核酸和脂类的氧化损伤[29]。由此可以推测，铜颗粒发挥抗菌作用时首先接触到的都是细菌的外膜，且细菌的细胞膜由磷脂双分子层构成，包含具有高电负性化学基团的聚合物，能作为金属阳离子的吸附位点，从而介导金属离子的吸收，因此我们认为细胞膜这种协调金属的能力跟金属的抗菌活性直接相关，微生物的膜功能受损可能是铜颗粒导致细菌死亡的重要原因之一。

表1 微纳米铜粉的抗菌性能测试数据

3 微纳米铜粉在金属档案柜表面涂层的抗菌防霉应用

金属档案柜产品采用优质冷轧钢板模压成型，表面经去油、除锈、磷化等工序，然后静电喷涂，高温塑化加工而成。传统喷涂工艺在金属表面喷涂的粉末涂料主要由树脂、颜料、填料、固化剂和添加剂等组成[30]。为了获得具有抗菌防霉功能的金属档案柜涂层，在静电喷涂过程，将质量分数为1%的上述微纳米铜粉添加到聚酯树脂粉末涂料中，通过高能球磨等机械混合的方式使微纳米铜粉与传统的粉末涂料混合均匀得到抗菌防霉粉末涂料，然后用喷枪将抗菌防霉粉末涂料静电喷涂至冷轧钢板表面，喷涂完成后放入电热恒温干燥箱中190 ℃保温15 min，烘烤涂层使其固化。全程不改变金属档案柜原始的生产工艺与流程。

按上述方法制得的抗菌防霉金属涂层依据GB/T 21866—2008《抗菌涂料(漆膜)抗菌性测定法和抗菌效果》测定其抗菌性能。表2为抗菌防霉金属涂层的抗菌性能测试数据。按标准培养24 h后，对照样上大肠杆菌的平均活菌数从1.8×105增加到了2.3×106，金黄色葡萄球菌的平均活菌数从2.8×105增加到了1.3×106。由微纳米铜粉制备的抗菌防霉金属涂层样品上，大肠杆菌在24 h后的平均活菌数小于20，金黄色葡萄球菌的平均活菌数为7.2×104。根据抗菌率的计算公式可计算出，抗菌防霉金属涂层对大肠杆菌抗菌率超过了99.99%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为94.46%。根据相关标准，抗菌率达到99%为Ⅰ级抗菌，抗菌率达到90%为Ⅱ级抗菌，结果表明添加微纳米铜粉制备得到的金属涂层符合抗菌产品要求，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有明显的杀灭和抑制作用。

此外，制得的抗菌防霉金属涂层的防霉性能依据GB/T 1741—2007《漆膜耐霉菌性测定法》测定。用黑曲霉、黄曲霉、球毛壳、腊叶芽枝霉、桔青霉、宛氏拟青霉、绿色木霉、出芽短梗霉等8种霉菌的标准菌株对试验样品进行了28 d的测试，结果如表3所示，8种霉菌的长霉面积为8%，长霉等级为1级，说明添加了微纳米铜粉的金属涂层能有效抵御这8种霉菌。对纸质档案保存有害的微生物主要包括青霉、曲霉、芽枝霉、毛壳霉等霉菌，比如毛球壳科和黑曲霉能降解纸张中的纤维素，木霉菌具有胶质分解的能力，黄曲霉能分解蛋白质，这些都会影响纸质档案的质量和使用寿命。因此，本实验制得的抗菌防霉金属档案柜涂层可用于档案库房抵制细菌、霉菌等有害微生物的侵蚀。

表2 抗菌防霉金属涂层的抗菌性能测试数据

表3 抗菌防霉金属涂层的长霉等级测试数据

4 结论

本文以氧化铜为前驱体，采用液相还原法制备得到了微纳米尺寸抗菌铜粉：

(1) XRD、SEM、TEM和LPA测试结果表明：微纳米抗菌铜粉形貌为近球形，平均粒径约650 nm。

(2) 抗菌测试结果显示：微纳米抗菌铜粉对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均>99%。

(3) 将微纳米抗菌铜粉按质量分数1%添加至金属档案柜表面喷涂用粉末涂料中，制得抗菌防霉金属涂层产品，测试结果表明，该产品对大肠杆菌抗菌率>99.99%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到94.46%，防霉等级为1级。