硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料及广谱抑菌、杀菌 【技术领域】
本发明属于硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料的一种新的应用领域，具体涉及一种由硅酸盐基纳米孔材料和纳米氧化锌粒子、锌离子制备的硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料及该材料在抑菌和杀菌方面的应用。
背景技术
细菌和病毒始终伴随着人类社会的发展，但是它们一旦发生变异传染到人类，将会极大地影响人类正常的经济生活秩序和健康，如：淋病奈瑟菌(Neisseriagonorrhoeae)、霍乱弧菌(Vibrio cholerae)、结核杆菌(Mycobacterium tuberculosis)、乙肝病毒(HBV)、人类免疫缺陷病毒(HIV)、SARS病毒等。现已证实，幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)与消化性溃疡及胃癌的致病有密切关系，HIV引起获得性免疫缺陷综合症(AIDS)，导致机体免疫系统的彻底崩溃，蔓延速度快，死亡率高，至今仍无满意治疗措施。细菌和病毒无孔不入，尤其是体积只有50纳米的SARS病毒，对人类健康造成重大危害。因此在现代生活中，如何清洁空气，隔离、阻断各类传染源，使人类居住及生活环境保持清洁；如何处理病人尤其是高传染性、高致病性病人排泄物，阻止病毒及细菌污染空气及向外部环境传播，都是急需解决的问题。具体的如医院空气、废液的除菌杀毒，病房空气中各种细菌和病毒的过滤，公共环境消毒，居家卫生安全等等都是当前迫在眉睫的重大问题。
我们周围到处都有大量的细菌存在，尽管一些非致病菌的菌体生长和繁殖对人们的生活是有利的。但是在多数情况下，菌体地恶性生长和繁殖为人类带来疾病和灾难。世界卫生组织1998年统计数字表明：1995年因细菌传染造成的死亡人数为1700万人。在人类与细菌性疾病的长期斗争中，人们已经认识到抗菌的重要性。不仅在医院、公共场所和住宅，连生活用品和生产工具逐步采用抗菌材料。
目前人们所用的抗菌材料可分为三大类：天然抗菌材料、无机抗菌材料和有机抗菌材料。天然抗菌材料是指提取动植物具有抗菌功能的部位，但目前尚未规模化。有机抗菌材料是指各种除菌剂、杀菌剂等，一般为有机酸、醇、酯、酚等化学物质合成的材料，它们具有短期高效的杀菌效果，但挥发性强，安全性和化学稳定性差，时效短，易产生微生物耐药性，尤其是耐热性差(＜200℃)，高温分解产物有毒，不易和防菌物体融合在一起，难以实现长效抗菌的功能，无法应用到涂料、塑料、化纤、陶(搪)瓷、橡胶等制品。随着科技的进步和人们生活水平的提高，全民健康意识的增强，对抗菌材料质量的要求也日渐提高。抗菌材料应该可用于日常生产、生活的每一个细节：大到厂房车间，小到织物纤维，坚到墙皮地表，柔到贴体衣物，不被自身存在的物理状态束缚，摆脱使用的时限和次数控制，这就是人们所期待的新一代抗菌材料所应具备的特征。
无机抗菌材料以其具有广谱抗菌性、耐水、耐酸碱、耐洗涤、不老化、不产生抗药性、抗菌能力持久等优点，越来越受到人们的重视。其抗菌方式可分为三类：一类是以银离子等为代表的接触式杀菌，含锌离子物质的抗菌机理也归于此类，但它们的详细机理有待于进一步研究阐明；第二类是以TiO2等为代表的光催化式杀菌；第三类是以Al2O3等为代表的远红外辐射式杀菌。其中无机银系抗菌剂的抗菌效果突出，但由于银离子对光的反应敏感性强，容易氧化变色，这已成为限制其应用的重要问题，此外，银系抗菌剂的成本也非常高。因此，科学家致力于研究开发抗菌效果好、时效长、安全性高、使用性能好且价格低廉的新型抗菌剂及其抗菌制品。
锌离子作为人体必须每日补充的微量元素，以离子状态存在，无时间累积作用，又易于被人体吸收，并且分子筛中缓慢释放出来的离子对人体无伤害。所以，含锌分子筛是一种理想的抗菌材料。
氧化锌离子纳米孔复合材料系指粒径小于30纳米由纳米氧化锌粒子和锌离子组成的氧化锌离子高度分散于硅酸盐基纳米孔材料中的复合材料。氧化锌离子能与组成DNA的主要物质蛋白质、肽、氨基酸形成稳定配合物，如氨基酸和锌配位时羧基(-COO-)中的氧原子与金属通过静电作用和配位键结合，胺基(-NH2)中氮原子提供孤对电子与金属形成配键。另外氧化锌还可与羟基(-OH)，巯基(-SH)，硫醚基(-C-S-C-)形成配位，从而抑制，杀死细菌和病毒。同时，氧化锌离子纳米孔复合材料具有很强的对蛋白质，酶因的等有机生物大分子吸附性能，常常用于蛋白质和酶等的提纯。
【发明内容】
本发明的目的就是提供硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料及该材料广谱的杀菌和抑菌用途。
硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料是硅酸盐基纳米孔材料与锌盐(包括硫酸锌、氯化锌、醋酸锌、硝酸锌)通过热动力学离子交换或溶液离子交换然后热处理制得，硅酸盐基纳米孔材料包括：A型沸石分子筛，X型沸石分子筛，Y型沸石分子筛，丝光沸石分子筛，ZSM-5沸石分子筛，Beta型沸石分子筛，MCM-41型硅铝介孔分子筛，MCM-48型硅铝介孔分子筛，SBA-15型硅铝介孔分子筛，SBA-16型硅铝介孔分子筛，SBA-3型硅铝介孔分子筛，MAS系列硅铝介孔分子筛(其包括MAS-5等孔径从4氧化到30纳米的含阴离子骨架的层，孔或笼型材料)。
硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料可由如下两种方法制得：
方法1：取硅酸盐纳米孔材料与锌源(包括硫酸锌、氯化锌、醋酸锌、硝酸锌)以质量比1∶0.02-15加入反应容器中，在避光条件下搅拌均匀，然后转移到马弗炉中在100-600℃区间内加热反应0.5-24个小时，冷却后得到白色或浅灰色粉末硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。
方法2：取硅酸盐纳米孔材料，加入盛有蒸馏水的反应容器中，在搅拌、避光条件下加入硝酸锌，反应混合物质量比为：纳米孔材料∶水∶锌源＝1∶20∶0.02-15。然后在10至95℃区间内，恒温下搅拌8-24个小时。反应结束后过滤，产物在35～170℃区间内干燥，一般控制在80～100℃，然后转移到马弗炉中在100-600℃区间内加热反应0.5-24个小时，得硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。
该硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料不同于其它单纯氧化锌或含锌离子分子筛抗菌材料，该硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料既含有高度分散的0.5-30纳米氧化锌粒子又含有高度分散的锌离子，有效地结合了纳米氧化锌和锌离子二者杀菌能力，同时充分地利用了硅酸盐基纳米孔材料的吸附作用。
本发明材料是白色或灰色固体粉末，热稳定性好，可以根据需要制成各种尺寸和形状，方便，安全，零污染，可回收，无限次重复使用。
经试验证明，该硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料具有广谱的杀菌和抑菌作用，对常见的各种细菌具有很强的杀死和抑制生长作用，尤其对皮肤癣菌。
试验报告一
材料和方法：
1、检测菌株：由中国微生物菌种保藏管理委员会医学真菌中心提供的常见15属19种致病真菌和常见条件致病菌的标准菌种，其分别为毛癣菌属(Trichophyton)：红色毛癣菌(T.rubrum，菌号：CCCCM ID T.1a)、须癣毛癣菌(T.mentagrophytes，菌号：CCCCM ID T.5c)；小孢子菌属(Microsporum)：犬小孢子菌(M.canis，菌号：CCCCM ID M.3d)；表皮癣菌属(Epidermophyton)：絮状表皮癣菌(Epidermophyton floccosum，菌号：CCCCM ID E.1c)；念珠菌属(Candida)：白念珠菌(C..albicans，菌号：CCCCM ID C.1a)、热带念珠菌(C..tropicalis，菌号：CCCCM ID C.2b)、光滑念珠菌(C..glabrata，菌号：CCCCM ID Y.10)；酵母菌属(Saccharomyces)：红酵母(Rhodotorula，菌号：CCCCM ID Y.1)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae，菌号：CCCCM ID Y.8)；青霉属(Penicillium)：桔青霉(Penicillium citrinum，菌号：CCCCM ID B.7)；曲霉属(Aspergillus)：熏烟色曲霉(A.fumigatus，菌号：CCCCM ID A.1)、黑曲霉(A.niger，菌号：CCCCMID A(3)、局限曲霉(A.restrictus，菌号：CCCCM ID A(23)；链格孢霉属(Alternaria)：互隔链格孢(Alternaria alternata，菌号：CCCCM ID B(1)；镰刀霉属(Fusarium)：串珠镰刀霉(又称串珠镰孢菌Fusarium monillforme，菌号：CCCCM ID B(36)；帚霉属(Scopulariopsis)：短帚霉(Scopulariopsis brevicalus，菌号：CCCCM ID B(4)；马拉色菌属(Malassezia)：糠秕马拉色菌(Malasseziafurfur)、合轴马拉色菌(Malassezia sympodialis)、球形马拉色菌(Malasseziaglobosa)的标准株由法国巴斯特研究所馈赠。痤疮丙酸杆菌(Propionibacteriumacnes)1株，由中国皮肤病研究所门诊痤疮病人分离。
2、所用培养基：真菌：以不含任何抗生素的沙堡琼脂为基础培养基；
痤疮丙酸杆菌：以不含任何抗生素的厌氧肉汤为基础培养基。
3、检测方法：真菌：琼脂稀释法(试管法)
痤疮丙酸杆菌：液体肉汤稀释法(试管法)
精确称取1.0g硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料(A型)，其中含超微粒锌0.25g，加入灭菌蒸馏水25ml，超声震荡30分钟吸取超微粒锌混悬液10ml，再加入10ml蒸馏水，依次作倍比稀释，计10个梯度浓度。
超声震荡状态下，吸取8ml各个梯度的药液加入72ml灭菌后保温于65℃沙堡琼脂中，再超声震荡混匀。最终使药基中实际含超微粒锌的锌浓度分别为：
(1)1.0mg/ml (2)0.50mg/ml (3)0.25mg/ml (4)0.125mg/ml
(5)0.062mg/ml (6)0.031mg/ml (7)0.016mg/ml (8)0.008mg/ml
(9)0.004mg/ml (10)0.002mg/ml (11)0.001mg/ml (12)基础培养基对照
接种菌量：1.0～0.1×103cfu/ml
培养条件：真菌：念珠菌、酵母菌30℃，48h；其他丝状真菌7d。
痤疮丙酸杆菌：37℃，48～72h。
结果判断方法：
1、最低抑菌浓度(MIC)：以基础培养基对照管为参照，菌已生长为“+”示无抑菌作用；菌未生长为“-”示有抑菌作用，菌未生长的最低药物浓度管为最低抑菌浓度(MIC)，用mg/ml表示。
2、最低杀菌浓度(MBC)：将在药物培养基上7d未生长的各管接种的菌，移种到新鲜不含任何抗生素的基础培养基上，菌生长“△”示仅有抑菌作用，而菌仍未生长“-”示有杀菌作用；菌仍未生长的最低药物浓度管为最低杀菌浓度(MBC)，用mg/mL表示。
实验结果，见表1：
表1：超微粒锌体外抗常见15属19种真菌和丙酸杆菌实验结果(试管法)
培养基超微粒锌锌浓度(mg/mL) MIC MBC
菌名
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 对照 (mg/mL)
红色毛癣菌 - - △ △ △ + + + + + + + 0.062 0.5
须癣毛癣菌 - △ + + + + + + + + + + 0.5 1.0
犬小孢子菌 △ △ + + + + + + + + + + 0.5 ＞1.0
絮状表皮癣菌 - △ △ △ + + + + + + + + 0.125 1.0
白念珠菌 - △ △ + + + + + + + + + 0.25 1.0
热带念珠菌 - △ △ △ + + + + + + + + 0.125 1.0
光滑念珠菌 - - △ △ + + + + + + + + 0.125 0.5
红酵母 - △ △ △ △ + + + + + + + 0.062 1.0
酿酒酵母 - △ △ + + + + + + + + + 0.25 1.0
桔青霉 - △ + + + + + + + + + + 0.5 1.0
熏烟色曲霉 △ △ △ + + + + + + + + + 0.25 ＞1.0
黑曲霉 △ △ △ △ + + + + + + + + 0.125 ＞1.0
局限曲霉 △ △ △ △ + + + + + + + + 0.125 ＞1.0
互隔链格孢 △ △ + + + + + + + + + + 0.5 ＞1.0
串珠镰刀霉 - - △ △ △ + + + + + + + 0.062 0.5
短帚霉 - △ △ + + + + + + + + + 0.25 1.0
糠秕马拉色菌 - - △ △ + + + + + + + + 0.125 0.5
含轴马拉色菌 - - △ △ △ + + + + + + + 0.062 0.5
球形马拉色菌 - - - △ △ △ + + + + + + 0.031 0.25
痤疮丙酸杆菌 △ △ + + + + + + + + + + 0.5 1.0
结论：
实验结果表明：超微粒锌(氧化锌复合材料)对常见15属19种真菌有较广的抗菌谱，其MIC范围在0.031～0.5mg/mL，MBC范围在0.25～1.0mg/mL之间，对痤疮丙酸杆菌的MIC为0.5mg/mL，MBC为1.0mg/mL。
试验报告二
试验样品：
硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料(A型)，超微粒锌浓度为19％(g/g)。
试验菌株：
金黄色葡萄球菌ATCC6538(Staphylococcus aureus)，大肠氧化希氏杆菌(Escherichia coli)，绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)，腊样杆菌(Bacilluscereus)，枯草芽孢杆菌ATCC6633(Bacillus subtilis)，表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis)，白色念珠菌ATCC10231(C..albicans)，黑曲霉菌(A.niger)，乳酸链球菌(Streptococcus lactis)和淋病奈瑟球菌(Neisseria gonorrhoeae)。
培养基：
乳酸链球菌培养基：牛肉浸出膏0.5％，酵母浸出粉0.5％，蛋白胨1％，葡萄糖1％，乳糖0.5％，NaCl0.5％，琼脂2％，pH6.8。淋病奈瑟球菌培养基：牛肉浸出膏0.3％，蛋白胨1％，NaCl0.5％，琼脂2％，脱脂羊血8％～9％，pH7.2～7.4。其余菌种的培养基都为营养肉汤培养基和营养琼脂培养基。
实验方法：
淋病奈瑟球菌体外最低抑菌浓度(MIC)采用固体二倍稀释法测定，试验菌液为含有109个细胞/ml的液体培养液；选择最高的药物浓度为1024mg/L，最低测定浓度为2mg/L；用微量加样器吸取10ul试验菌液接种于含有不同浓度测试药物的固体培养基上，培养20小时，观察结果，判定测试药物的体外最低抑菌浓度(接种位置不长菌的培养物所对应的最低药物浓度为MIC值)。
淋病奈瑟球菌体外最低杀菌浓度(MBC)的测定以体外最低抑菌浓度MIC的实验结果为基础进行。试验中首先测定MIC，再将MIC药物浓度的固体培养物继续培养20小时，观察结果，判定测试药物的体外最低杀菌浓度(接种位置不长菌的培养物所对应的最低药物浓度为MBC值)。
其余菌种的体外最低抑菌浓度(MIC)的测定均采用液体二倍稀释法测定，试验菌液为含有109个细胞/ml的液体培养液；选择最高的药物浓度为1024mg/L，最低测定浓度为2mg/L；在1ml含有不同浓度测试药物的液体培养基中加入10ul试验菌液，培养20小时，观察结果，判定测试药物的体外抑菌浓度(MIC)。
其余菌种的体外最低杀菌浓度(MBC)的测定以体外最低抑菌浓度MIC的实验结果为基础进行。试验中首先测定MIC，再将MIC药物浓度的液体培养物(0.1ml)涂布在含有琼脂培养基的平皿上，培养20小时后进行存活菌落的计数，判定MBC值(菌落数小于5个的培养物所对应的最低药物浓度为MBC值)。
实验结果，见表2和表3：
表2：硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料体外抗菌试验结果
阳性
浓度(mg/L) 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2
对照
金黄色葡萄球菌 - -① - -② + + + + + + +
大肠氧化希氏杆菌 -① - - -② + + + + + + +
绿脓杆菌 -① - -② + + + + + + + +
腊样杆菌 - - -① - - -② + + + + +
枯草芽孢杆菌 - - - -① - -② + + + + +
表皮葡萄球菌 - -① - - -② + + + + + +
白色念珠菌 - - -① - -② + + + + + +
黑曲霉菌 - -①② + + + + + + + + +
乳酸链球菌 - -① - -② + + + + + + +
淋病奈瑟球菌 - - -①② + + + + + + + +
+试验管长菌；-试验管未长菌；①最低杀菌浓度；②最低抑菌浓度。
备注：以上试验结果为三次试验结果的平均值；测试结果仅对委托者本次所提供的样品负责；试验结果仅作为试验参考资料。
结论：
表3：硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料体外抗菌试验结果
病原体 编号 MIC(mg/L) MBC(mg/L)
金黄色葡萄球菌 ATCC6538 128 512
大肠氧化希氏杆菌 128 1024
绿脓杆菌 256 1024
醋样杆菌 32 256
枯草芽孢杆菌 ATCC6633 32 128
表皮葡萄球菌 64 512
白色念珠菌 ATCC10231 64 256
黑曲霉菌 512 512
乳酸链球菌 128 512
淋病奈瑟球菌 256 256
由于该硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料具有的广谱杀菌和抑菌抗菌作用，亦可广泛应用于食品、药品、保健品、化妆品等行业，制备出各种具有杀菌、抑菌和抗菌作用的产品，如包装材料、各种器皿及现今广为使用和接受的各种形式的护肤品和药剂产品等。硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料还可与2种以上的成分配合使用，此外，为了增强杀菌效果，亦与其它杀菌剂并用。
该硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料还可以与塑料、化纤、树脂等物质混合配料，利用现有的加工工艺和设备，制备于具有杀菌和抑菌抗菌作用的抗菌材料和卫生产品，如建筑材料、装潢装饰材料等，可广泛应用于建筑领域及居家民用领域，既不影响原材料的物化性能，又不影响原材料的加工工艺，且又能够扩展原材料的应用范围与领域。
具体实施方式：
实施例1、
方法1：取A型硅酸盐纳米孔材料1000g和硝酸锌1000g，加入反应容器中，在避光条件下搅拌均匀，然后转移到马弗炉中在500℃区间内加热反应5个小时。冷却后得到白色或浅灰色粉末固体A型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。
方法2：取A型硅酸盐纳米孔材料1000g，加入盛有蒸馏水的反应容器中，在搅拌、避光条件下加入硝酸锌，反应混合物质量比为纳米孔材料∶水∶硝酸锌＝1∶20∶0.8。然后在室温恒温下搅拌10个小时。反应结束后过滤，最后产物在80℃区间内干燥，然后转移到马弗炉中在500℃区间内加热反应5个小时。同样得到A型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。
在上述方法中，通过改变硝酸锌的量可以得到晶胞组成为：Zn6-X/2NaX[Al12Si12O48]0-27ZnO，(X＝0.1-1)的一系列A型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。
实施例2、除改A型沸石分子筛为X型沸石分子筛以外，反应步骤条件同实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体X型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。晶胞为：Zn43-X/2NaX[Al86Si106O384]0-264ZnO(X＝0.1-86)。
实施例3、除改A型沸石分子筛为Y型沸石分子筛以外，反应步骤条件同实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体Y型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。晶胞为：Zn28-X/2NaX[Al56Si136O384]0-264ZnO(X＝0.1-55)。
实施例4、除改A型沸石分子筛为丝光型沸石分子筛以外，反应步骤条件同实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体丝光型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。晶胞为：Zn4-X/2NaX[Al8Si40O416]0-24ZnO(X＝0.1-7.9)。
实施例5、除改A型沸石分子筛为ZSM-5型沸石分子筛以外，反应步骤条件同实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体ZSM-5型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。晶胞为：Zn(Y-X)/2NaX[AlYSi96-nO192]0-16ZnO(X＝0.1～7.9；Y＝0～27)。
实施例6、除改A型沸石分子筛为钙霞石型沸石分子筛以外，反应步骤条件同实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体钙霞石型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。晶胞为：Zn3-X/2NaX[Al12Si24O72]0-40ZnO(X＝0.1-6)。
实施例7、除改A型沸石分子筛为L型沸石分子筛以外，反应步骤条件同实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体L型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。晶胞为：Zn4.5-X/2KX[Al9Si27O72]0-21ZnO(X＝0.1-9)。
实施例8、除改A型沸石分子筛为Beta型沸石分子筛以外，反应步骤条件同实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体Beta型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料料。晶胞为：Zn3.5-X/2KX[Al7Si57O128]0-40ZnO(X＝0.1-7)。
实施例9、取硅铝介孔MCM-41分子筛1Kg，重复实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体MCM-41型氧化锌复合材料。产物SiO2/Al2O3从3到无穷大，氧化锌离子的含量从零到50％。
实施例10、取硅铝介孔MCM-48分子筛1Kg，重复实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体MCM-48型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。产物SiO2/Al2O3从3到无穷大，氧化锌离子的含量从零到50％。
实施例11、取硅铝介孔SBA-15分子筛1Kg，重复实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体SBA-15型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。产物SiO2/Al2O3从3到无穷大，氧化锌离子的含量从零到50％。
实施例12、取硅铝介孔SBA-16分子筛1Kg，重复实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体SBA-16型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。产物SiO2/Al2O3从3到无穷大，氧化锌离子的含量从零到50％。
实施例13、取硅铝介孔SBA-3分子筛1Kg，重复实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体SBA-3型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料料。产物SiO2/Al2O3从3到无穷大，氧化锌离子的含量从零到50％。
实施例14、取硅铝介孔MAS-5分子筛1Kg，重复实施例1，得到一系列白色或浅灰色粉末固体MAS-5型硅酸盐基氧化锌离子纳米孔复合材料。产物SiO2/Al2O3从3到无穷大，氧化锌离子的含量从零到50％。