硅胶接枝新型长链季铵盐抗菌材料制备及其抗菌性能

硅胶接枝新型长链季铵盐抗菌材料制备及其抗菌性能
张 昕a * 乌学东a 高保娇b
(a 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 宁波315201;b 中北大学化工与环境学院 太原)
摘 要 将聚乙烯亚胺(PE I)接枝在硅胶上(PE I/S i O 2)。

先以环氧丙烷叔胺化再以氯化苄季铵化,制备了硅
胶接枝的聚乙烯亚铵季铵盐水不溶抗菌材料(QPE I/S i O 2)。

通过红外光谱对产物的化学结构进行了表征,测
定了材料的接枝率为1517%(1517g PEI /100g Si O 2),季铵化度最高为1157mm o l/g 。

采用平板活菌计数法考
察了Q PEI /S i O 2的季铵化度对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抗菌性能的影响规律;采用B -半乳糖苷酶活性测定
法,探索了QPE I/S i O 2的抗菌机理。

结果表明,Q PE I /Si O 2抗菌材料具有较强的抗菌能力,当剂量为15g /L 时
对浓度为1@109CFU /mL 的金黄葡萄球菌液和大肠杆菌菌液的抗菌率分别为100%和接近100%,其抗菌性
能随季铵化度的增大而增强。

酶活性测定结果表明,QPEI /S i O 2的抗菌机理主要基于杀菌作用。

关键词 硅胶接枝季铵盐,水不溶抗菌材料,聚乙烯亚胺,抗菌机理
中图分类号:O 632.6;O 645.2 文献标识码:A 文章编号:1000-0518(2008)12-1455-05
2007-11-20收稿,2008-03-14修回
宁波市科技攻关资助项目(2007B1009)
通讯联系人:张昕,女,硕士,工程师;E-m ai:l zxyu z uodeyun@163.co m;研究方向:水处理及表面工程
近年来使用不同类型的抗菌剂及抗菌材料的饮用水处理技术研究十分活跃。

由于传统的氧化性小分子杀菌剂常会使原水中天然有机物和无机离子生成多种具有致癌、致畸、致突变的次级产物
[1~5]。

为了避免水溶性小分子和高分子杀菌剂对水体产生的二次污染[6~8],将抗菌基团共价结合在不溶性载体上,利用集中在载体表面上的抗菌基团进行杀菌消毒,不仅可以有效地避免二次污染,而且可以重复利
用[9~13],因此受到国内外学者的密切关注。

本文将聚乙烯亚胺通过偶联剂先接枝在硅胶表面,继而对其进行叔胺化和季铵化,制得了固载大量季铵盐抗菌基团的水不溶抗菌材料QPE I/S i O 2,为制备水不溶抗菌材料的研究提供了依据。

1 实验部分
1.1 试剂和仪器
聚乙烯亚胺(M r :20000),工业级;硅胶(01125~01097mm ),试剂级;大肠杆菌、金黄色葡萄球菌(山西省微生物研究所);邻硝基苯酚-B -D -半乳糖苷(ONPG,A l d rich 公司);2,3,5-氯化三苯基四氮唑(TTC ,比利时Across 公司);环氧丙烷,氯化苄,C -氯丙基三甲氧基硅烷(CP -T M S),以上试剂及其它试剂均为分析纯。

1700型傅立叶红外光谱仪(美国Per k i n -E l m er 公司);UV2602型紫外分光光度计(美国UN I C 公司);250B 型生化培养箱(河南巩仪市英峪予华仪器厂);YXQ-SG46-280S 型灭菌器(上海博迅实业有限公司医疗设备厂);TH Z -82型恒温振荡器水浴。

1.2 水不溶抗菌材料QPEI/Si O 2的制备与表征
QPE I/S i O 2的制备过程如Sche m e 1所示。

首先按文献[14]方法制备载体PE I/Si O 2,以H C l 反滴定法测定接枝度(%)。

再按文献[15]的反应计量关系和时间进行叔胺化和季铵化反应。

称取5g PE I/S i O 2,在搅拌下向其加入适量环氧丙烷,置冰浴上反应8h 后倒出未反应的环氧丙烷,再加热蒸出残留的环氧丙烷。

加入适量乙醇溶剂后在搅拌下加入适量的氯化苄,于60e 搅拌反应30h 。

过滤用乙醇充分洗涤产物,制得季铵化抗菌材料QPE I/S i O 2,将产物置于干燥箱中干燥,采用硝酸银滴定法测定抗菌材料QPE I/Si O 2的季铵化度(mm o l/g)。

采用KBr 压片法分别测定硅胶及表面季铵化
第25卷第12期
应用化学V o.l 25N o .122008年12月 C H I NESE J OURNAL OF A PPL I ED C HE M IS TRY D ec .2008
后的抗菌材料QPE I/Si O 2的红外光谱,
表征其表面化合物结构。

Sche m e 1 T erti ary a m i nation and quater i sati on processes of ep i hydr i n to prepare Q PE I /S i O 2
1.3 QPEI/Si O 2的抗菌实验
取大肠杆菌、金黄色葡萄球菌菌种,接种于液体培养基中,37e 摇床培养24h ,制得原菌液(原菌液浓度约为1@109
CF U /mL)。

取1mL 各原菌液,采用逐级稀释法制成不同浓度菌液。

取原菌液稀释8倍、9倍浓度菌液各011m L 分别接种到固体培养基上,倒置37e 培养24h ,对菌落数在100左右的平板做活菌记数,得原菌液的活菌浓度(即菌落形成数/mL ,CF U /mL ,与原菌数成正比)。

按同样方法,对加入不同季铵度和不同剂量试剂,在固体培养基上接种细菌原液,经不同温度时间后的样品采用逐级稀释法测定各试液的活菌浓度(同时平行测定此原菌悬液的菌浓),按式1计算抗菌率(Antibacteria l ratio ,AR ),绘制抗菌率时间曲线(AR ~t )、抗菌率~剂量曲线(AR ~m )及抗菌率~季铵化度曲线(AR~c )。

抗菌率按下式计算:
抗菌率(An ti b acterial ratio)(%)=
原菌数-活菌数原菌数@100%1.4 QPEI/Si O 2的抗菌机理实验
以ONPG 为底物,测定B -半乳糖苷酶催化ONPG 水解生成邻硝基苯酚(O -nitra pheno,l ONP),吸光度随时间的变化来判断大肠杆菌内膜是否遭到破坏。

在2份815mL PBS 缓冲溶液中(p H =714),同时加入0175mL 原菌液和0175mL 浓度为25mm o l/L 的底物ONPG,振荡15m in 后其中1份加入抗菌材料QPE I /S i O 2(季铵化度为1157mm ol/g),并迅速加以振荡静置不同时间后,用分光光度计分别检测原菌液及加QPE I/S i O 2菌液的上清液在420nm 处吸光度随时间的变化,绘制吸光度值~时间曲线(A ~t )。

2 结果与讨论
2.1 抗菌材料QPEI/Si O 2的接枝度、季铵化度及表面结构表征
通过H C l 反滴定法测得PE I 在S i O 2表面的接枝率为1517%;用A g NO 3滴定法测定QPE I /S i O 2的季铵化度结果列于表1。

图1为抗菌材料QPE I /S i O 2形成前后的红外光谱图。

图中可见,当PE I 接枝到硅胶上并形成季铵盐以后,在2958~2848c m -1范围出现)CH 3和>CH 2基团同时存在时的伸缩振动吸收峰,说明叔胺化后环氧丙烷与伯、仲胺基发生了反应;同时在1600、1580、1507、1454和702c m -1处出现了苯环的特征吸收;在1061c m -1处出现季铵盐的特征吸收峰。

这些峰的出现表明了接枝在硅胶上的PE I 已经发生了叔胺化与季铵化反应,形成了聚乙烯亚胺季铵盐抗菌材料QPE I /S i O 2。

表1 Q PE I/S i O 2的表面阳离子度
T ab le 1 Cation ic d egree of QPEI /S i O 2
No .
12345Cation i c degree ofQPE I/S i O 2/(mm ol #g -1)0.690.881.011.29 1.57
1456应用化学 第25卷
图1 Si O 2、QPEI /S i O 2的红外光谱图
F i g .1 FT IR spectra of Si O 2and Q PE I /S i O 2图2 QPEI /S i O 2在不同质量浓度下对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率曲线
F i g .2 An ti bac terial ability o f QPEI /S i O 2at d ifferent
concentra tions to E.Coli and S.aure us
contact ti m e :10m i n
2.2 QPEI/Si O 2的抗菌活性
图2为随QPE I/S i O 2剂量对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌原菌液抗菌率的变化曲线。

图3为大肠杆菌原菌液抗菌率随与QPE I /S i O 2接触时间的变化曲线。

从图中可以看到,QPE I /S i O 2对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度比对大肠杆菌的略小。

当季铵化度为1157mm o l/g 、接触时间为10m i n 、药剂量为15g /L 时,对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到100%,对大肠杆菌的抗菌率接近100%。

结果表明,QPE I/S i O 2具有非常好的抗菌能力。

图3 Q PE I /Si O 2在不同接触时间下对
大肠杆菌的抗菌率曲线
F ig .3 An tibac terial ability o fQ PEI /S i O 2
a t diff e rent contact ti m e
QPE I/S i O 2:15g /L;
Th e cation i cdegree ofQPE I /S i O 2:1.57mm ol/g 图4 不同表面季铵化度的Q PEI /S i O 2在不同浓度下对大肠杆菌的抗菌率曲线F i g .4 A nti bacter i a l ab ilit y of QPE I/S i O 2w it h different ca ti onic degrees a t d iffe rent concentrati ons Con tact ti m e :10m i n c (QPETI /S i O 2)/(mm ol #g -1):a .0.69;
b .0.88;
c .1.01;
d .1.29;
e .1.57
图4为不同季铵化度的QPE I/Si O 2样品当接触时间为10m in 时,抗菌率随其剂量的变化曲线,同样显示QPE I /S i O 2具有较好的抗菌性能。

硅胶上固载的长链QPE I 季铵盐所带正电荷与带负电荷的菌体之间通过强静电作用吸附菌体进而杀死菌体。

图5为相同剂量不同季铵化度的QPE I/Si O 2的抗菌率随季铵化度变化的拟和直线,可以看出其抗菌率随着QPE I /S i O 2季铵化度的增大而明显增强。

说明材料的季铵化度越大,正电荷密度越大,抗菌材料对菌体的吸附能力也就越强,杀菌率就越高。

1457
第12期张昕等:硅胶接枝新型长链季铵盐抗菌材料制备及其抗菌性能
图5不同表面季铵化度Q PEI/S i O
2
的
抗菌率拟和曲线
F i g.5A nti bacter i a l ab ility of Q PE I/S i O
2
w it h
d ifferent ca ti onic degrees
Contact ti m e:10m i n
图6不同时间下ON P吸光度曲线
F i g.6A bsorption o f ON P at different ti m e
QPE I/S i O2:a.0g;b.0.1g
2.3QPEI/Si O2的抗菌机理
大肠杆菌细胞内具有B-半乳糖苷酶,对ONPG的水解反应具有底物特异性。

若大肠杆菌细胞发生破裂,则B-半乳糖苷酶会泄露到溶液中,催化溶液中的ONPG水解反应产生ONP。

因此,可通过分光光度法检测ONP在420nm处的特征吸收判断大肠杆菌细胞是否破裂。

当在含有ONPG的菌液中加入QPE I/S i O2时,测定了试液吸光度随时间的变化(同时也测定不加QPE I/S i O2菌液空白体系的吸光度)结果见图6。

从图中曲线看出,未加QPE I/S i O2的菌液在420n m处的吸光度几乎不随时间变化,表明活菌细胞内膜完好,无B-半乳糖苷酶泄漏;而加入QPE I/S i O2的菌液,在420n m处的吸光度值随时间推移而逐渐增大。

说明菌液中加入QPE I/S i O2后,QPE I/S i O2表面大分子链QPE I的正电荷将细菌吸附到抗菌材料表面,QPE I大分子链上的季铵盐基团穿透细菌细胞壁,与细胞膜的类脂层和蛋白质层结合,阻碍细菌对外界的正常离子交换和物质交换,破坏控制细胞渗透性的原生质膜,使细胞内物质B-半乳糖苷酶外渗,而导致细菌死亡。

由此可以判断,QPE I/S i O2的作用位点可能是在菌体的内膜上,其抗菌作用以杀菌为主,而抑菌作用为辅。

说明水不溶QPE I/S i O2是一种以杀菌为主的抗菌材料。

用于饮用水的杀菌消毒处理,既有可能防止产生消毒副产物,又可以回收重复使用,具有一定开发前景。

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Preparation and Antibacterial Characteristics of a Novel
AntibacterialM aterial of SiO 2-Grafted
Long -chain Quaternary Ammonium Salt
Z HANG X in a *,WU Xue -Dong a ,GAO Bao -Ji a o
b (a
N i n gbo Institute of M aterials Technology &Eng ineering Chinese Acade m y of Sciences ,N ingbo 315201;b D epart m ent of Che m icalE ng ineering N ort h University of China,Tai y uan )
Abst ract Po lye t h ylene i m i n e w as grafted on silica gel(PE I/Si O 2)by a coupli n g agen,t then PE I on sili c a ge l w as converted to terti a ry a m ine w ith epihydrin and quaterisation fo llo w ed by reaction w ith benzy l ch l o r i d e to obtai n w ater -i n so l u ble an ti b acterial m ateria l(QPE I /S i O 2).The che m i c al structures o f t h e products w ere character ized w ith FTI R spectroscopy .The degree of grafting w as 1517%,the m ost h i g hest qua ter nary deg ree w as 1157mm o l/g .The anti b acterial characteristics and m echanis m s of QPE I/S i O 2to E.C oli and S.aureus w ere tested pri m arily .The effects of quaternary deg rees on the anti m i c rob ial property o f QPE I /S i O 2w ere exa m i n ed .The experi m ent results indicate thatQPE I/S i O 2has a very strong anti m icrobial ability .The anti m -i crob i a l ratio to E.C oli reached to 100%and to S.aureus can be closed to 100%when it is con tacti n g w ith bacteri u m suspensi o n of 1@109CFU /mL under t h e conditi o ns o f a dose o f 15g /L.The higher t h e cati o nic deg ree i s ,the better the anti m icr obia l acti v ity is .The m easured resu lts of enzy m e activitiy show that the anti m icrobialm echanis m o fQPE I/Si O 2is based on a sterilizing bacterium process .
K eywords sili c a gel grafted quaternary a mm on i u m sa l,t w ater -i n so luble antibacterial m ateria,l po l y ethy lene-i m ine ,an ti m icrobia lm echan is m 1459 第12期张昕等:硅胶接枝新型长链季铵盐抗菌材料制备及其抗菌性能。