载银活性炭纤维的结构表征与抗菌性能研究

载银活性炭纤维的结构表征与抗菌性能研究
陶玥;张峰;陈思宇;陈宇岳;乔志
【摘要】本文采用扫描电镜、X射线衍射和光电子能谱等手段对载银活性炭纤维的表面结构进行了表征和分析，并测试了其抗菌性能。

结果表明：载银活性炭纤维表面银颗粒呈纳米级均匀分布，粒径为20～40 nm，其存在形式为单质银；载银活性炭纤维具有优异的抑菌性能，当银含量达到2200 mg/kg时，对白色念珠菌（C.albicans）、大肠杆菌（E.coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）的抑菌率均可达到99.99%；载银活性炭纤维不仅起到抑制细菌生长繁殖的作用，还起到了一定程度的杀菌作用。

%Structure of the silver loaded activated carbon fiber was characterized by SEM, XRD and XPS in this paper, and the antibacterial properties were also studied. The results showed that the silver particles on the silver loaded activated carbon fiber were distributed evenly at nanoscale sizes, the average size of the silver particles was about 20 ~ 40 nm and its existence format was metallic silver. The silver loaded activated carbon fiber had excellent antibacterial performance. When the silver content of the silver loaded activated carbon fiber was 2 200 mg/kg, the bacteria inhibitive rate against candida albicans(C.albicans), escherichia coli (E.coli)and staphylococcus aureus (S.aureus)exceeded 99.99%. The silver loaded activated carbon fiber can not only inhibit the growth and multiplication of bacteria, but also can kill bacteria.
【期刊名称】《纺织导报》
【年(卷),期】2014(000)012
【总页数】4页(P47-50)
【关键词】载银活性炭纤维;结构表征;抗菌性能
【作者】陶玥;张峰;陈思宇;陈宇岳;乔志
【作者单位】苏州大学纺织与服装工程学院; 张家港耐尔纳米科技有限公司;张家港耐尔纳米科技有限公司; 沙洲职业工学院纺织工程系;苏州大学纺织与服装工程学院; 张家港耐尔纳米科技有限公司;苏州大学纺织与服装工程学院;沈阳中恒新材料有限
公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ342+.87
活性炭纤维具有优异的吸附性能，是继颗粒状活性炭和粉末状活性炭之后的新型活性炭产品，具有比表面积大、孔径分布窄、吸附容量大、吸脱附速率快等特点，已广泛应用于环境保护、化学化工、生物医学等领域。

在应用于空气和水过滤过程中，由于活性炭纤维表面丰富的微孔和巨大的比表面积，易成为细菌生长的温床，助长了细菌的繁殖，使其自身在净化过程中很有可能也成为了污染源；在作为医用敷料时，活性炭纤维可有效吸附异味和渗液，但细菌滋长的问题也严重限制了其应用。

银本身就具有优异的杀菌灭菌性能，在活性炭纤维中引入银颗粒，可有效解决其使用过程中的细菌滋长问题，同时活性炭纤维中的大量孔隙也为银颗粒发挥杀菌作用提供了良好的载体。

卫牧娟等比较了纳米银-活性炭纤维敷料与纳米银敷料、碳纤
维敷料和普通敷料的抗菌性能，证明纳米银-活性炭纤维敷料的抗菌效果最显著。

Lin等研究了含银活性炭纤维敷料对伤口愈合的作用，无论是体外还是体内实验，含银活性炭纤维均对伤口的快速愈合有促进作用，且具有较高的生物相容性。

张峰等以粘胶为前驱体，采用前载银技术制备了新型载银活性炭纤维，结合了活性炭纤维的吸附性能和银离子优异的抗菌性能。

本文采用扫描电镜（SEM）对不同
银含量载银活性炭纤维的表面结构进行了进一步的表征和分析；采用X射线衍射（XRD）和光电子能谱（XPS）研究了载银活性炭纤维表面银元素的存在形式；并研究了不同银含量载银活性炭纤维的抗菌特性，以为载银活性炭纤维在生物医学、环境保护、水质净化等领域的应用提供理论依据。

1 实验部分
1.1 实验材料与仪器
实验材料：烷基化环糊精（张家港耐尔纳米科技有限公司）；粘胶纤维（丹东化学纤维集团有限责任公司）；HNO3、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠，均为分析纯（AR级以上）；营养琼脂、沙氏琼脂、营养肉汤，均为生化试剂（上海盛思生化科技有限公司）；金黄色葡萄球菌（S.aureus）ATCC6538、白色念珠菌（C.albicans）ATCC 10231、大肠杆菌（E.coli）ATCC 8099（张家港市疾控中
心提供）。

实验仪器：FA/JA系列电子天平（上海上平仪器有限公司）； LRH-250A生化培
养箱（广东省医疗器械厂）；751MC型紫外-可见分光光度计（上海分析仪器）；SHZ-82A数显测速恒温摇床（苏州威尔实验用品有限公司）；AXIS Ultra HAS X 射线光电子能谱仪（英国岛津/Kratos公司）；日立S-4800型扫描电子显微镜；
D8 Advance X-射线衍射仪（德国布鲁克AXS）。

1.2 实验方法
1.2.1 不同银含量载银活性炭纤维的制备
参照发明专利[7]，控制前驱体粘胶纤维吸附银离子的量，制备银含量为150～15 000 mg/kg的载银活性炭纤维。

1.2.2 载银活性炭纤维的SEM测试
根据要求制备试样，并进行喷金处理（10 mA，60 s）。

采用S-4800扫描电镜（Hitachi，日本）观察载银活性炭纤维表面银颗粒的形貌特征，放大倍数根据实
验内容设定。

1.2.3 载银活性炭纤维的XRD分析
将载银活性炭纤维研磨成粉末状，利用D8 Advance X-射线衍射仪对其进行测试，扫描2θ范围30°～80°，得到载银活性炭纤维粉体的X射线衍射强度I-2θ曲线。

1.2.4 载银活性炭纤维的XPS测试
采用AXIS Ultra HAS X射线光电子能谱仪对载银活性炭纤维表面的元素成分进行分析。

1.2.5 载银活性炭纤维的抗菌性能测试
采用GB 15979—2002《一次性使用卫生用品卫生标准》附录C5非溶出性抗（抑）菌产品抑菌性能试验方法检测不同银含量载银活性炭纤维对C.albicans、E.coli和S.aureus等3种细菌的抗菌性能。

抑菌动力学研究：取未载银活性炭纤维和载银活性炭纤维各0.8 g，分别放入
S.aureus、E.coli和C.albicans菌悬液各200 mL，在37 ℃的振荡器中密封振荡
培养，每隔30 min取样，采用751MC型紫外-可见分光光度计在546 nm处测
量菌悬液的吸光度，试验时间为24 h，研究载银活性炭纤维的抑菌动力学。

2 结果与讨论
2.1 载银活性炭纤维的微观形态
为了了解不同银含量载银活性炭纤维表面的微观形貌特征，制备了银含量分别为150、1 000、2 000、3 000和15 000 mg/kg的载银活性炭纤维，采用扫描电
镜分别观察其表面形态，并与普通未载银活性炭纤维进行对比，结果如图1所示。

图1 不同银含量载银活性炭纤维的SEM照片
从图1 可以看出，载银活性炭纤维比普通活性炭纤维纵向形态更加粗糙，表面有
明显的银颗粒附着。

随着银含量的增加，载银活性炭纤维表面银颗粒的密度显著增加。

银颗粒呈纳米级均匀分布，粒径约在20～40 nm之间，即便是当银含量达到15 000 mg/kg时，亦未见银颗粒团聚现象，部分银颗粒甚至嵌入活性炭纤维内部，活性炭纤维与银颗粒结合紧密。

2.2 载银活性炭纤维的XRD分析
为了进一步确定活性炭纤维表面颗粒是否为单质银，分别将未载银活性炭纤维与银含量为2 200 mg/kg的载银活性炭纤维剪成粉末状，通过D8 Advance X-射线衍射仪进行测试，结果如图2所示。

图2 未载银活性炭纤维与载银活性炭纤维粉末的XRD图谱
从图2 可以发现，两图的区别在于2θ为38.4°、43.8°、64.5°和78.4°附近时，出现了 4 个明显的衍射峰，这些峰的位置对应立方晶系银的（111）、（200）、（220）和（311）晶面，由此可以判断载银活性炭纤维表面银颗粒为单质银。

2.3 载银活性炭纤维元素分析
为了进一步了解载银活性炭纤维表面的元素组成，分别将未载银活性炭纤维和银含量2 200 mg/kg的载银活性炭纤维剪成粉末状，采用AXIS Ultra HAS X射线光
电子能谱仪测定粉末中的元素成分，结果如图3所示。

由图3 可知，C1s结合能对应于284.5 eV，O1s结合能对应于533.9 eV，Ag3d 结合能对应于368.2 eV，表明载银活性炭纤维元素组成包含C、O、Ag等3种元素，其中由于载银活性炭纤维银含量较低，Ag3d的峰值较弱。

除这3种元素外，未见其他杂质元素存在，说明采用前载银技术制备的载银活性炭纤维的纯净度高，更适合于医用敷料等领域的使用。

图3 未载银活性炭纤维与载银活性炭纤维的XPS分析对比
Ag3d轨道的能谱峰由 2 个峰组成，峰点位置分别出现在368 eV和374 eV附近，这是由于发生了自旋-轨道耦合能级分裂，分裂能量间距为 6 eV。

结合图4，可以
判断活性炭纤维表面银颗粒存在形式主要为单质银。

图4 载银活性炭纤维的Ag3d峰谱
2.4 载银活性炭纤维的抗菌特性
2.4.1 抑菌率测试
为了了解不同银含量的载银活性炭纤维的抗菌性能，以未载银活性炭纤维为对照样，采用GB 15979—2002《一次性使用卫生用品卫生标准》附录C5非溶出性抗（抑）菌产品抑菌性能试验方法检测银含量分别为150、300、900、1 500、2 200、3 000和15 000 mg/kg的载银活性炭纤维对C.albicans、E.coli和
S.aureus的抗菌性能，结果如表1所示。

表1 不同银含量的载银活性炭纤维的抑菌率测试样与对照样抑菌率抑菌率（%）
对照样03.72×1052.51×1063.25×105银含量（mg/kg）
C.albicansE.coliS.aureus菌落数（CFU/mL）抑菌率（%）菌落数（CFU/mL）
抑菌率（%）菌落数（CFU/mL）测试样
1508.20×10477.964.40×10582.471.20×10563.08
3002.40×10493.551.20×10595.223.40×10489.54
9001.60×10495.706.00×10497.614.00×10398.77 1 5001.38×10399.63＜3099.99＜3099.99 2 200＜3099.99＜3099.99＜3099.993000＜3099.99＜3099.99＜3099.99 15 000＜3099.99＜3099.99＜3099.99
由表1 可知，随着银含量的增加，活性炭纤维的抗菌性能也随之提高。

当银含量
为1 500 mg/kg时，载银活性炭纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率可以达到99.99%，对白色念珠球菌达到99.63%；当银含量达到2 200 mg/kg时，
对三者的抑菌率均达到99.99%。

2.4.2 载银活性炭纤维的抑菌动力学
为了了解载银活性炭纤维的抗菌特性，以银含量为2 200 mg/kg的载银活性炭纤
维为例进行抑菌动力学研究，实验结果如图5—图7所示。

图5 载银活性炭纤维对E.coli的抑菌动力学
图6 载银活性炭纤维对S.aureus的抑菌动力学
图7 载银活性炭纤维对C.albicans的抑菌动力学
由图5—图7 可知，不含活性炭纤维的S.aureus、E.coli和C.albicans菌悬液在
2 h后吸光度开始上升，10 h左右趋于稳定并略有上升。

而添加了未载银活性炭
纤维的菌悬液在 6 h后吸光度开始上升，20 h趋于稳定，且吸光度低于不含活性
炭纤维的菌悬液。

这是因为活性炭纤维的吸附性能在培养初期起到了抑制细菌生长的效果，但是活性炭纤维仅是吸附而非杀死细菌，随着培养时间的增加，抑菌效果逐渐消失。

添加了载银活性炭纤维的菌悬液在实验时间范围内并没有出现吸光度提高的现象。

由此可见，载银活性炭纤维不仅起到抑制细菌生长繁殖的作用，还起到了一定程度的杀菌作用。

3 结论
（1）随着载银量的增加，活性炭纤维表面银颗粒的密度显著增加，呈纳米级分布，银颗粒粒径在20～40 nm之间；
（2）载银活性炭纤维的元素组成包含C、O、Ag等3种元素，未见其他杂质元素存在，纤维表面的银颗粒存在形式为单质银；
（3）载银活性炭纤维具有优异的抑菌性能，当银含量达到2 200 mg/kg时，抑
菌率可达99.99%。

参考文献
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