毛華明，張 彬，唐曉寧，蔣先發(fā)，葉孟婕，楊蘇娥

(1.昆明理工大學(xué)理學(xué)院，昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)化學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650500)

1 引 言

無機(jī)抗菌材料因具有高安全性、廣泛抗菌性、穩(wěn)定、抗菌持久等特點(diǎn)，所以具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。無機(jī)抗菌材料主要是將銀、銅、鋅離子及其氧化物等通過離子交換、物理吸附或電沉積的方式擔(dān)載到載體上而制備的[1]?？咕牧系妮d體有高嶺土、石墨烯、纖維素、無定形二氧化硅等[2-5]。無定形二氧化硅是一種白色、無毒的微細(xì)粉體材料，具有穩(wěn)定性好、孔隙多、吸附性強(qiáng)等優(yōu)異性能[6]，是一種較好的載體材料。鋅相比于銀和銅其抗菌性能相對較弱，但銀型無機(jī)抗菌材料的制備成本較高，且易氧化變色；由于銅離子的顏色，限制了銅型無機(jī)抗菌材料的使用范圍。鋅型無機(jī)抗菌材料具有生產(chǎn)成本低、穩(wěn)定性好、白度高，具有良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，而且可根據(jù)不同的需求制備出不同形狀的氧化鋅，如棒狀球狀花瓣?duì)畹萚7]，但是其抗菌性能相對較低，因此提高鋅型無機(jī)抗菌材料的抗菌性能將會(huì)是研究的熱點(diǎn)[8]。

稀土元素有著獨(dú)特的4f電子層結(jié)構(gòu)，易配位形成配位化合物，使其在催化劑、永磁材料、熒光材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，有研究報(bào)道指出稀土可以提高無機(jī)抗菌材料的抗菌性能[8]。因此本研究采用溶膠-凝膠法制備出無定形二氧化硅為載體，以Zn2+為主要添加劑，并摻雜稀土Tb3+，選用液相浸漬法制備得到抗菌性能優(yōu)異的鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料。

響應(yīng)曲面法是一種利用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)，應(yīng)用建模分析確定各單因素及各因素之間交互作用關(guān)系，從而達(dá)到優(yōu)化響應(yīng)目的的方法，是目前運(yùn)用最為廣泛的試驗(yàn)優(yōu)化方法[9]。為了得到材料的較佳制備條件，基于單因素實(shí)驗(yàn)分析，確定實(shí)驗(yàn)條件范圍，利用響應(yīng)曲面法，重點(diǎn)考察主要影響因素(Zn2+濃度、pH、Tb3+濃度)之間的交互作用對抗菌率的影響，對實(shí)驗(yàn)影響因素進(jìn)行優(yōu)化，得到較佳制備工藝條件，并對鋅型無機(jī)抗菌材料的性能進(jìn)行表征。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料的制備

按一定比例量取碳酸氫鈉和硅酸鈉裝入兩個(gè)容器中，放入90 ℃的水浴鍋中預(yù)熱，將攪拌器轉(zhuǎn)速調(diào)至400～500 r/min，將部分碳酸氫鈉和硅酸鈉倒入反應(yīng)器中充分?jǐn)嚢琛４芤悍磻?yīng)完成后，將攪拌器轉(zhuǎn)速調(diào)至200 ～300 r/min，將剩余的碳酸氫鈉和硅酸鈉倒入反應(yīng)器中攪拌。溶液反應(yīng)一段時(shí)間后，用硝酸溶液調(diào)pH至1～3，反應(yīng)10 min后滴加表面活性劑，反應(yīng)30 min后，冷卻抽濾，放入烘箱干燥，即可得到二氧化硅載體。將制備好二氧化硅載體超聲分散在水溶液中，在磁力攪拌下滴加20 mL Zn2+溶液，反應(yīng)5 min后滴加20 mL Tb3+溶液，液相浸漬30 min后，用10%～30%的氨溶液調(diào)pH至9，反應(yīng)60～120 min后，離心洗滌，在200～300 ℃下煅燒120 min，即得到鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化

由于鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料的抗菌性能受Zn2+濃度、pH、Tb3+濃度、攪拌速度和反應(yīng)時(shí)間等的影響。在本次實(shí)驗(yàn)中，固定攪拌速度200～300 r/min、反應(yīng)時(shí)間2 h，考察Zn2+濃度、pH值和Tb3+濃度三個(gè)因素對抗菌性能的影響。以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)菌種，對材料進(jìn)行抗菌性檢測，初步選取鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料較佳制備條件的實(shí)驗(yàn)范圍如下，Zn2+濃度：0.2～0.4mol/L；pH: 8～10；Tb3+濃度：0.005～0.02 mol/L。初步選定實(shí)驗(yàn)范圍后，運(yùn)用Design-Expert軟件中的Box-Behnken(BBD)中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化模擬，得到制備材料的較佳工藝條件。

2.3 性能表征

2.3.1 材料形態(tài)表征

選用由荷蘭帕納科有限公司生產(chǎn)的X射線衍射儀(XRD，型號(hào)：X/pert-3，非單色Cu Kα輻射源)，在2θ為10°～80°范圍內(nèi)以50 eV的通過能量進(jìn)行檢測，分析其衍射譜圖，研究材料的形態(tài)。

2.3.2 分子結(jié)構(gòu)表征

通過傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀(FTIR，德國BRUKER光譜儀器公司的TENSOR37型，掃描頻率范圍400～4000 cm-1，掃描次數(shù)：64，分辨率4 cm-1)，研究Zn2+與Tb3+的加入對二氧化硅載體的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵是否產(chǎn)生影響。

2.3.3 材料形貌表征

采用美國FET公司超高分辨低真空場發(fā)射掃描電子顯微鏡(NOVA NANOSEM 450)，在放大倍數(shù)為10 K和25 K下觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，在觀察之前用鉑進(jìn)行濺射涂覆試樣。并用Mod550i型電制冷能譜儀(EDS)對二氧化硅表面鋅和鋱?jiān)氐暮窟M(jìn)行半定量分析。

2.3.4 材料比表面積分析

采用JW-BK22型比表面分析儀(BET)，在80 K下記錄抗菌硅膠對N2吸附-解吸等溫線，分析了摻雜稀土前后材料的比表面積變化情況。

2.3.5 抗菌性能檢測

本文采用涂布平板法對材料的抗菌性能進(jìn)行檢測，選用大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)菌種(革蘭氏陰性菌E.coli，型號(hào)為BL21，保藏編號(hào)：CCTCC AB 204033)，用LB瓊脂培養(yǎng)基進(jìn)行涂板。將大腸桿菌接種到LB液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)至對數(shù)生長期，然后將菌液用緩沖液稀釋至CFU為5.5×106個(gè)/mL。稱量不同質(zhì)量的抗菌粉體材料倒入裝有蒸餾水的試管中，然后將稀釋后的菌液量取100 μL依次裝進(jìn)試管中，搖均勻后放入恒溫?fù)u床上振蕩，將振蕩完的液體用移液槍量取100 μL到培養(yǎng)皿中，用涂布棒涂抹均勻，將涂好的培養(yǎng)皿放入37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)18～24 h，做菌落計(jì)數(shù)并計(jì)算其殺菌率。

3 結(jié)果與討論

3.1 響應(yīng)曲面法優(yōu)化制備條件

實(shí)驗(yàn)以A(Zn2+濃度)、B(pH)和C(Tb3+濃度)此3個(gè)單因素為自變量，以鋅型復(fù)合抗菌材料的Y(抗菌率)為響應(yīng)值，通過Design-Expert 10軟件中Box-Behnken Design(BBD)法進(jìn)行3因素3水平的設(shè)計(jì)。

3.1.1 方案設(shè)計(jì)與抗菌檢測結(jié)果分析

基于單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇和設(shè)計(jì)的單因素優(yōu)化范圍，具體設(shè)計(jì)因素水平如表1所示。

表1 BBD設(shè)計(jì)因素水平Table 1 Factors and levels for BBD

表2為響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)及結(jié)果，通過BBD軟件對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，得到17組交叉試驗(yàn)條件，按其條件制備鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料并進(jìn)行抗菌性能檢測，得到17個(gè)樣品的抑菌率，如表2所示。

表3為多項(xiàng)式回歸模型方差關(guān)于響應(yīng)值(Y)的分析，通過分析結(jié)果評(píng)估擬合的顯著性和模型的可信性[10]，其中P-value可以判定模型的可信度及響應(yīng)值的顯著性，P-value≤0.05說明模型具有高可信度，且P-value值越小對應(yīng)的響應(yīng)值越顯著，由表3可知，模型中A(Zn2+濃度)、B(pH)、C(Tb3+濃度)和AC(Zn2+濃度和Tb3+濃度的交互作用)都顯著。F-value為35.74，表明實(shí)驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)效果顯著，可信度較高。關(guān)于響應(yīng)值Y的相關(guān)系數(shù)R2(0.9789)接近于1，表明模型預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值擬合度和相關(guān)性較高。鑒于以上分析，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合度較好，誤差小，此模型可用于預(yù)測鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料的抗菌率。

表2 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design matrix and results

表3 材料抗菌率擬合模型方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance results of Material antibacterial rate mathematical model

3.1.2 兩因素交互作用對材料抗菌率的影響

為了進(jìn)一步研究兩因素間的交互作用和確定最優(yōu)點(diǎn)，利用Design Expert軟件對回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到相應(yīng)的等高線圖(2D)和響應(yīng)面立體分析圖(3D)，如圖1、圖2、圖3所示。

如圖1(a)和圖1(b)顯示了A(Zn2+濃度)和B(pH)對Y(抗菌率)的影響。從圖1(a)可以看出，等高線均勻分布且呈橢圓狀，說明Zn2+濃度和pH的交互作用對材料抗菌率的影響較為顯著。從圖1(b)可知，在Zn2+濃度和pH值交匯曲面的最高點(diǎn)處，材料的抗菌率達(dá)到最高，且靠近Zn2+濃度的曲面斜率要高于靠近pH值的曲面斜率，說明Zn2+濃度對材料抗菌率的影響大于pH值的影響。該分析與表3方差分析進(jìn)行對比，表中A的Prob>F的值(0.0001)小于B的Prob>F值(0.0017)，表明Zn2+濃度對材料抗菌率的影響要比pH值顯著，與響應(yīng)面分析相一致。Zn2+濃度對應(yīng)的曲面呈半弧形，說明隨著Zn2+離子濃度增大，材料抗菌率呈先升高后趨于平穩(wěn)的趨勢，因?yàn)殇\元素作為主要的有效抗菌成分，隨著Zn2+濃度增加，Zn2+負(fù)載量也隨之增加，因此材料抗菌率呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢。pH值對應(yīng)的曲面呈“拱橋”形，說明制備材料時(shí)pH值不能過高和過低，當(dāng)pH值為9左右材料抗菌率最高，因?yàn)楫?dāng)處于酸性或強(qiáng)堿性的體系中，鋅以離子的形式存在，在反應(yīng)過程中不利于ZnO生長[11]，而材料中主要的抗菌成分為ZnO，因此在制備過程中要控制好體系的pH值。

圖1 Zn2+濃度和pH交互作用對材料抗菌率的影響(a)2D模擬圖；(b)3D模擬圖Fig.1 Effect of Zn2+ concentration and amount of pH on bacteriostatic rate of materials(a)2D diagram; (b)3D diagram

圖2 Zn2+濃度和Tb3+交互作用對材料抗菌率的影響(a)2D模擬圖；(b)3D模擬圖Fig.2 Effect of Zn2+ concentration and amount of Tb3+ on bacteriostatic rate of materials(a)2D diagram;(b)3D diagram

圖2(a)和圖2(b)顯示了A(Zn2+濃度)和C(Tb3+濃度)對Y(抗菌率)的影響。圖2(a)中，等高線在Zn2+濃度坐標(biāo)一側(cè)較為密集且呈橢圓狀，說明Zn2+濃度比Tb3+濃度對材料抗菌率的影響更顯著。圖2(b)中靠近Zn2+濃度的曲面斜率大于Tb3+濃度的曲面斜率，說明Zn2+濃度對材料殺菌率的影響大于Tb3+濃度。該分析與表3中A的Prob>F值(0.0001)小于C的Prob>F值(0.0040)的解釋相一致。圖2(b)中兩曲面均呈半弧狀，說明隨著Zn2+濃度和Tb3+濃度增加，材料抗菌率均呈上升趨勢，因?yàn)椴牧现衂n2+為主要抗菌成分，Tb3+作為一種添加劑，起到協(xié)同抗菌的作用，因此隨著Zn2+、Tb3+濃度增加，Zn2+負(fù)載量呈上升趨勢，直到接近飽和，因此材料的抗菌率呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢。但考慮到制備成本問題，添加Zn2+濃度和Tb3+濃度可在0.3 mol/L和0.013 mol/L左右。

圖3(a)和圖3(b)顯示了B(pH)和C(Tb3+濃度)對Y(抗菌率)的影響。圖3(a)中，等高線在pH值坐標(biāo)一側(cè)較為密集且橢圓狀，說明pH值比Tb3+濃度對材料抗菌率的影響更顯著。圖3(b)中靠近pH濃度的曲面斜率大于Tb3+濃度的曲面斜率，說明pH濃度對材料殺菌率的影響大于Tb3+濃度。該分析與表3中B的Prob>F值(0.0017)小于C的Prob>F值(0.0040)的解釋相一致。圖3(b)中pH值對應(yīng)的曲面呈“拱橋”形，說明在pH值與Tb3+濃度的交互實(shí)驗(yàn)中，pH值不能太大和太小，應(yīng)該保持pH值在9左右，才能有效提高材料的抗菌性能。

綜上所述，Zn2+濃度、pH值、Tb3+濃度對材料抗菌率均有影響，每個(gè)因素間的相互作用對材料抗菌率顯示出了不同影響程度。結(jié)合圖表數(shù)據(jù)，3個(gè)因素對材料抗菌率的影響大小分別為：Zn2+濃度>pH值>Tb3+濃度；且Zn2+濃度和Tb3+濃度交互作用對材料抗菌率影響最為顯著。

圖3 pH和Tb3+交互作用對材料抗菌率的影響(a)2D模擬圖；(b)3D模擬圖Fig.3 Effect of Ph and amount of Tb3+ concentration on bacteriostatic rate of materials(a)2D diagram; (b)3D diagram

3.1.3 響應(yīng)曲面優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

設(shè)定材料抗菌率達(dá)最大值時(shí)，為材料制備的最優(yōu)條件，通過軟件Design-Expert進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最優(yōu)條件如表4所示。根據(jù)該預(yù)測條件，制備出最優(yōu)樣，以大腸桿菌為菌種進(jìn)行抗菌性能檢測。從表4可知，以優(yōu)化條件制備出的鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料，抗菌率為97%，與實(shí)驗(yàn)?zāi)M值相差較小，計(jì)算相對平均偏差為0.414%，在正常誤差范圍內(nèi)，再結(jié)合3.1.2中響應(yīng)面分析，表明模型擬合度和可信度較高。故當(dāng)Zn2+濃度為0.3 mol/L，pH為9,Tb3+濃度為0.01 mol/L時(shí)，鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料有較佳的經(jīng)濟(jì)效益和抗菌性能。

表4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)條件Table 4 Verify the experimental conditions

3.2 材料形態(tài)分析

利用X射線衍射儀(XRD)在2θ為10°～80°范圍內(nèi)，對材料的形態(tài)進(jìn)行表征，其結(jié)果如圖所示。

如圖4中分別為純二氧化硅和鋅-鋱二氧化硅的XRD圖。由圖可知，純二氧化硅在衍射角度(2θ)為16°～32°處出現(xiàn)一個(gè)包峰，沒有其他晶形特征峰，證明二氧化硅載體為無定型態(tài)。鋅-鋱二氧化硅的XRD圖中，在2θ為31.6、34.5、36.4、47.5、56.6、62.9、66.3、67.8、69.1、72.6、77.0出現(xiàn)的衍射峰，分別對應(yīng)于ZnO晶體(100)，(002)，(101)，(102)，(110)，(103)，(200)，(112)，(201)，(004)和(202)晶面的衍射峰，屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)[12-13]。但是在圖中沒有發(fā)現(xiàn)TbOx的相關(guān)衍射峰，TbOx的量可能低于XRD的檢測限。即該抗菌材料的載體二氧化硅為無定型態(tài)，其中負(fù)載的鋅是以六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO形態(tài)存在，說明該材料中ZnO為主要抗菌成分。

3.3 分子結(jié)構(gòu)分析

實(shí)驗(yàn)通過傅里葉紅外光譜圖(FTIR)，對純二氧化硅和鋅-鋱二氧化硅各基團(tuán)振動(dòng)頻率的變化情況進(jìn)行表征比較，檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5為二氧化硅和鋅-鋱二氧化硅紅外譜圖，由圖可知，1099 cm-1附近較強(qiáng)的吸收峰屬于Si-O-Si反對稱伸縮振動(dòng)峰，950 cm-1附近較弱的峰是Si-OH的彎曲振動(dòng)吸收峰，800 cm-1、468 cm-1附近的峰為O-Si-O鍵對稱伸縮振動(dòng)峰，這四個(gè)吸收峰一起組成二氧化硅的特征吸收峰。3440 cm-1處有一個(gè)較寬的吸收峰，屬于結(jié)構(gòu)水-OH反對稱伸縮振動(dòng)吸收峰，1635 cm-1附近的吸收峰屬于水的H-O-H彎曲振動(dòng)峰，1384 cm-1附近的吸收峰屬于O-H的變形震動(dòng)[14-15]。從鋅-鋱二氧化硅紅外譜圖可知，與二氧化硅紅外譜圖相比，摻雜鋅和鋱后的二氧化硅，在950 cm-1附近的Si-OH彎曲振動(dòng)吸收峰消失，其他對應(yīng)的峰形沒有太大的改變。因?yàn)殇\-鋱二氧化硅在制備過程中，要經(jīng)過300 ℃的煅燒，在煅燒過程中Si-OH縮合成Si-O-Si鍵，因此譜圖中沒有Si-OH彎曲振動(dòng)吸收峰?？傮w而言，二氧化硅在添加少量的Zn2+和Tb3+后，其分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，不會(huì)影響二氧化硅原有的性能，因此二氧化硅可應(yīng)用的領(lǐng)域，鋅-鋱二氧化硅也一樣適用。

圖4 鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料XRD圖Fig.4 XRD patterns of zinc composite inorganic antibacterial material

圖5 鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料的FTIR譜圖Fig.5 FTIR patterns of inc composite inorganic antibacterial material

3.4 材料形貌分析

本文通過SEM對鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料的形貌進(jìn)行表征，用EDS對材料表面元素成分和含量進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖6所示。

圖6 鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料的SEM檢測圖，(a，b)不同放大倍數(shù)下的SEM圖，(c)圖b中的能譜圖Fig.6 SEM image of zinc composite inorganic antibacterial material，(a,b)SEM images of sample under different magnifications, (c)EDS pattern of corresponding to the SEM image of(b)

圖6(a)和6(b)為鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡照片，圖6(c)為選取掃描區(qū)域內(nèi)點(diǎn)掃描的EDS半定量分析結(jié)果。由圖6(a)可知，鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料呈不規(guī)則的顆粒狀，結(jié)構(gòu)蓬松，平均粒徑較小。從圖6(b)可知，在二氧化硅載體表面，氧化鋅主要以無規(guī)則的絮狀和花瓣?duì)钌L，該結(jié)構(gòu)有利于增加氧化鋅晶型的缺陷程度，從而增加氧化鋅晶型結(jié)構(gòu)中的氧空位和空穴程度，促進(jìn)了活性氧的產(chǎn)生，提高材料的抗菌性能[16]。從圖6(c)可知，材料主要由O、Na、Si、Au、Tb、Zn元素組成(Na來自提供硅原的Na2SiO3，Au來自檢測樣品時(shí)的噴金處理)，其中鋅元素的含量相對較高，質(zhì)量比為16.96%，鋱?jiān)氐暮肯鄬τ阡\元素較低，其質(zhì)量比為1.34%，符合制備材料時(shí)添加的元素配比。

3.5 材料比表面積分析

為了對比添加鋱?jiān)厍昂箐\型無機(jī)抗菌材料的比表面積變化情況，對純二氧化硅、單載鋅二氧化硅和鋅-鋱二氧化硅進(jìn)行了進(jìn)行BET檢測，結(jié)果如圖7所示。

圖7 鋅復(fù)合無機(jī)抗菌材料的氮?dú)馕矫摳降葴鼐€Fig.7 Material nitrogen isotherm analysis of zinc composite inorganic antibacterial

圖7分別為純二氧化硅、單載鋅二氧化硅和鋅-鋱二氧化硅的氮?dú)馕矫摳降葴厍€，從圖中可以看出各等溫曲線均呈IV型等溫線(H3型磁滯回線)，材料對氮?dú)獾奈胶兔摳骄珠_進(jìn)行，說明該材料屬于介孔材料。其中純二氧化硅、單載鋅二氧化硅和鋅-鋱二氧化硅的比表面積分別為82.8 m2/g、187.4 m2/g和236.0 m2/g，由此說明負(fù)載氧化鋅后二氧化硅的比表面積增加的較大，因?yàn)檠趸\在二氧化硅的孔隙內(nèi)和表面呈絮狀和花瓣?duì)钌L，使二氧化硅的孔隙內(nèi)部和表面更加粗糙，從而擴(kuò)大了二氧化硅比表面積。當(dāng)摻雜鋱?jiān)睾螅牧系谋缺砻娣e大于單獨(dú)載氧化鋅的比表面積，據(jù)介紹，將金屬離子與鋅共摻雜能使氧化鋅結(jié)晶度降低，增加晶型缺陷程度，氧化鋅晶面暴露更多[17-20]。因此初步推測，稀土鋱和鋅共摻雜能夠增加氧化鋅的缺陷程度，使氧化鋅晶面暴露增大，增加鋅離子溶出和促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生，同時(shí)也增加了材料與細(xì)菌的有效接觸面積，從而提高材料的抗菌性能。

3.6 抗菌性能檢測

3.6.1 抗菌活性

為了考察鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料的抗菌性能，采用涂布平板法，對在較佳條件下制備出的純二氧化硅、單載鋱二氧化硅、單載鋅二氧化硅和鋅-鋱二氧化硅進(jìn)行了抗菌檢測，檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 抗菌性能檢測圖(a)對照組，(b)純二氧化硅，(c)鋱-二氧化硅，(d)鋅-二氧化硅，(e)鋅-鋱二氧化硅Fig.8 Image of material antibacterial performance test(a)blank，(b)silica，(c)Tb-silica，(d)Zn-silica，(e)Zn-Tb-silica

圖9 不同濃度鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料殺菌作用圖Fig.9 Bactericidal effect of zinc-based composite inorganic antibacterial materials with different concentrations

圖8中(a)空白樣，(b)純二氧化硅的抗菌圖，(c)單載鋱型二氧化硅的抗菌圖，(d)單載鋅型二氧化硅的抗菌圖，(e)鋅-鋱二氧化硅的抗菌圖。由各圖比較可知，純二氧化硅和單載鋱型二氧化硅并沒有殺菌性能；單獨(dú)載鋅的二氧化硅殺菌性能較低，殺菌率約為76%；而鋅-鋱二氧化硅的抗菌性能較好，殺菌率達(dá)到97%。因此，可以看出單載鋅的二氧化硅抗菌性較弱，微量的稀土鋱沒有抗菌性，當(dāng)鋅和鋱共摻雜時(shí)，鋅-鋱二氧化硅具有優(yōu)異的抗菌性能，說明在載鋅型二氧化硅中添加微量稀土鋱，能有效提升材料的抗菌性能，稀土鋱對材料具有協(xié)同抗菌作用。

3.6.2 最小殺菌濃度

本文以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)菌種，來檢測摻雜稀土鋱對材料最小殺菌濃度的影響，將大腸桿菌培養(yǎng)至對數(shù)生長期，用緩沖溶液稀釋至CFU為5.5×106個(gè)/mL，分別稱取2.5 g/L、3 g/L、3.5 g/L、4 g/L、4.5 g/L、5 g/L、5.5 g/L和6 g/L粉體材料，進(jìn)行抗菌檢測[21]，結(jié)果如圖9。

如圖9可知，隨著材料的濃度升高，大腸桿菌的菌落數(shù)逐漸減少，當(dāng)材料濃度為5.5 g/L時(shí)，摻雜鋱后的鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料的抗菌率達(dá)到99.9%，即5.5 g/L為該材料的最小殺菌濃度，而在此濃度下未摻雜鋱的鋅型抗菌材料的抗菌率為91%。由此說明，摻雜稀土鋱能有效提高鋅型抗菌材料的抗菌性能。

綜上所述，該鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料中，鋅以纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氧化鋅存在，呈絮狀和花瓣?duì)钌L，摻雜稀土鋱?jiān)睾蟛牧系谋缺砻娣e明顯增大，使氧化鋅晶面暴露增大，增加鋅離子溶出和促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生，同時(shí)也提高了材料與細(xì)菌的有效接觸面積，因此材料抗菌性顯著提高。

4 結(jié) 論

(1)運(yùn)用溶膠-凝膠法制備出結(jié)構(gòu)蓬松多孔的二氧化硅載體，采用液相浸漬法制備得到鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料，通過響應(yīng)曲面擬合、分析優(yōu)化，得到材料的較佳制備條件：Zn2+濃度為0.3 mol·L-1，pH為9，Tb3+為0.01 mol·L-1，此時(shí)鋅型復(fù)合無機(jī)抗菌材料具有較佳的抗菌效果和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)通過XRD、FTIR、SEM和EDS表征得到，該材料呈無定形態(tài)，結(jié)構(gòu)蓬松多孔，六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO呈絮狀和花瓣?duì)钌L，其中鋅元素質(zhì)量百分比為16.96%。

(3)通過BET檢測得到，負(fù)載氧化鋅后的二氧化硅比表面積顯著提高，摻雜鋱?jiān)睾蟛牧系谋缺砻娣e進(jìn)一步提升，增加了材料與細(xì)菌的有效接觸面，從而使抗菌性能顯著提高。

(4)采用涂布平板法對添加稀土前后的材料進(jìn)行抗菌性能檢測，結(jié)果表明，材料的抗菌率從76%提高到97%，抗菌性能提升顯著，最優(yōu)樣的最小殺菌濃度為5.5 g/L。