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纳米氧化锌的抗菌性及其抗菌机理讨论

2020-08-19 11:10:04

纳米ZnO是一种宽禁带Ⅱ~Ⅵ化合物半导体材料,是一种新型高功能精细无机材料,粒径在1~100 nm之间,具有规整的六角形纤锌矿结构,本身为白色,稳定性好,高温下不变色,不分解。并且因其特有的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等,使得纳米ZnO在磁、光、电、敏感等方面具有一般ZnO晶体无法比拟的特殊性能和新用途,在中性环境中无需光照即表现出显著的抗菌性,由于ZnO原料来源丰富,价格低廉,同时锌还是一种人体所必需的矿物元素,纳米ZnO已成为无机抗菌剂研究的热点之一。 

1 纳米氧化锌的抗菌性能 

段月琴等在单一纳米技术的基础上,将用直接沉淀法制备的纳米ZnO和用其他方法制备的银系抗菌剂等其他材料用不同方法组合后,均匀涂到普通面料上,与普通面料相比,经过纳米复合技术处理的面料对金黄色葡萄球菌、致病性大肠杆菌具有一定的抑制效果。周希萌等[2]采用菌落计数法及纸片扩散法对甲、乙、丙、丁4种纳米ZnO晶须、ZnO复合抗菌材料进行抗菌性能比较。表明4种纳米ZnO晶须复合抗菌材料都具有良好的抗菌性能,并且有一定的抗菌效果,而丙药物的抑菌效果好,100 ppm丙药物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、巨大芽胞杆菌、枯草杆菌、四联球菌基本达到了100%的抑制效果,并且在体外对病菌也有一定的抑制效果,并随作用时间延长抑制效果也增强。王春阳等[3]将配置好的不同浓度的纳米ZnO抗菌溶液分别在荧光照射、日光照射和无光照射条件下进行杀菌实验,结果表明,在不同光照射下条件下,纳米ZnO均有较强的抗菌性能,在阳光照射下效果更好,且浓度越高,抗菌性越强。另外国内外许多报道称经紫外线照射后,水溶液中的ZnO光催化剂可以产生羟自由基、过氧化氢和超氧化物等物质,这使得ZnO纳米粒子在一些有机物的降解以及对突变的细胞(如肿瘤细胞)产生细胞毒性等方面有潜在的应用。 

2 纳米ZnO的抗菌机制 

目前关于纳米氧化锌抗菌剂的抗菌机理主要有以下两种观点:一种是光催化抗菌机理;另一种是接触式杀菌机理。 

2.1 光催化抗菌机理 

由于纳米氧化锌具有较强的光催化能力,经紫外照射的纳米ZnO具有强大的氧化能力,并能降解多种有机化合物。光催化抗菌原理认为,在紫外光照射下,纳米ZnO价带中的电子会激发到导带,形成自由移动的带负电的电子和带正电的空穴,这种空穴与吸附在材料表面的氧气、羟基和水等反应产生氢氧根、氧负离子和过氧化氢等具有还原作用的羟基自由基及活性氧离子。可以激发空气和水中的氧变为活性氧,活性氧具有极强的氧化活性,它们能与多种微生物中的有机物(例如:羟基等)发生反应,破坏细菌细胞的增殖能力,而抑制或杀灭细菌。同时,纳米氧化锌粒径越小,越容易使其周围产生活性氧,而具有较强的抑菌杀菌性能。 

2.2 接触式杀菌机理 

由于纳米粒子特有的表面效应,容易与所接触的细菌产生亲和力,而具有杀菌能力。接触式杀菌机理也叫金属离子溶出机理认为:ZnO在含水介质中缓慢释放锌离子,锌离子逐渐地游离出来,由于锌离子的氧化还原性,当它和细菌细胞膜相结合时,与其中的有机物发生反应,破坏了膜蛋白的结构,使其失去活性,达到杀菌目的。同时,纳米ZnO表面的空穴会产生电子,直接参与反应,空穴数量越多就会产生更多的电子,其杀菌能力就增加。接触式杀菌机理,首要条件是锌离子与细菌的直接接触,不需要紫外照射,而且当细菌被杀死后,锌离子又会从菌体中游离出来,再与其他细菌接触,完成新的杀菌任务,所以显出很强的杀菌活性。 

另外,曲敏丽等[4]利用自制的两种纳米ZnO和普通ZnO对纯棉织物进行抗菌整理和研究,发现纳米ZnO的抗菌机制是光催化和金属离子溶出共同作用的结果,即纳米ZnO的抗菌效果在光照条件下是纳米氧化锌的光催化作用和锌离子溶出两种共同作用的结果,而在无光照条件下时是由于溶出的锌离子发生氧化反应而产生的抗菌效果。 

3 结语 

总之,纳米ZnO作为一种新型无机功能材料,随着纳米技术的不断成熟,纳米ZnO抗菌剂将由于其热稳定性好、价格低廉、高抗菌性能,将在医疗保健、食品卫生、洗涤剂、化妆品等方面得到广泛的应用。但是对纳米ZnO的抗菌性能产生机理的研究至今仍不成熟,没有统一的定论,需要人们更加努力在提高纳米ZnO的利用率和杀菌率方面的研究。相信随着研究的不断深入,纳米ZnO将有更多的优异性能被发现,并在细菌的抑制或更广阔的领域得到充分的利用,对改善人类生活环境,减少疾病,提高全民生活质量将产生十分重要的作用。 

纳米氧化锌


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