CN114097826B - 三氧化二铋作为杀菌剂的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于杀菌剂领域，具体涉及一种三氧化二铋作为杀菌剂的应用。所述的三氧化二铋采用下述之一的方式进行制备:方法一、室温下，铋酸钠水溶液超声条件下滴加盐酸水溶液至酸性，得到的沉淀烘干后，马弗炉中加热反应，冷却后即得纳米三氧化二铋；方法二、室温下，铋酸钠水溶液滴加硝酸水溶液至酸性，得到的沉淀烘干后，管式炉中阶段升温加热反应，冷却后即得纳米三氧化二铋；方法三、将金属铋放入去离子水中，激光照射后，金属铋被移去，得到水相分散的纳米三氧化二铋。本申请使用三种方法制备得到的无机金属氧化物三氧化二铋相较于市售的微米级的三氧化二铋均具有很好的抗菌活性，可以有效杀死革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌，包括耐药菌株。
Description
技术领域
本发明属于杀菌剂领域，具体涉及一种三氧化二铋作为杀菌剂的应用。
背景技术
常用的抗菌材料分为无机抗菌剂、有机抗菌剂、光催化抗菌剂等。其中，有机抗菌剂具有杀菌速度快、抗菌效能高的特点，但是其耐热性差，持久性不足，易产生耐药性。光催化抗菌材料近年来发展迅速，但是其主要依赖于紫外光，光利用率低。而无机抗菌剂具有耐热性好、稳定性好，抗菌谱广、有效期长、毒性低、不产生耐药性等特点，是目前市场的主流产品。
其中，最常用的无机抗菌剂是银系列抗菌剂，其杀菌效果好，但是价格较为昂贵，易变色，而且银有蓄积毒性，其应用受到一定限制。铜杀菌剂效果不如银杀菌剂，而且氧化铜本身颜色很重，有一定毒性，限制了其应用范围。其它常用的无机抗菌剂如二氧化钛、三氧化钼都是2B类致癌物，其持久安全性存疑。
因此，开发新型高效、无毒、稳定性高、持续性久、经济性好的抗菌剂具有非常重要的意义和极大的经济价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提供一种三氧化二铋作为杀菌剂的应用。
为实现上述目的，本发明用的技术方案为：
一种三氧化二铋作为杀菌剂的应用，所述的三氧化二铋采用下述之一的方式进行制备:
方法一、室温下，配置铋酸钠去离子水溶液至于反应容器中，此时体系为灰褐色，加热至50-80度，超声条件下滴入HCl溶液直至酸性，此时，体系颜色变浅，继续在加热条件下超声搅拌至反应完全，离心分离收集产物，80-100度烘干1-3小时，之后转入马弗炉中300-500度加热1-3小时冷却后就得纳米三氧化二铋，为浅白偏黄粉固体；
或者方法二、室温下，称量铋酸钠放入锥形瓶中，加入去离子水和聚四氟乙烯转子；之后滴入HNO3溶液，室温搅拌，会慢慢有沉淀析出；将沉淀收集，之后用HNO3溶液洗涤，接着用去离子水洗涤；将产物置于烘箱中烘干；之后将产物放置管式炉中，在4%氢气和96%氮气氛围下，以每分钟5度升温至300-500度煅烧1-3小时，冷却后就得纳米三氧化二铋，为浅白偏黄粉固体；
或者方法三、将纯度大于99%的金属铋加入到锥形瓶中，加入去离子水；之后用激光照射，能量密度为30-160J cm -2；重复照射一个区域持续大于5分钟，频率在1kHz；照射完成之后，金属铋被移去，得到水相分散的纳米三氧化二铋。
具体地，方法一中，铋酸钠去离子水溶液的浓度为0.5-5 mol /L；HCl溶液的浓度为1-10 mol /L。
具体地，方法二中，铋酸钠水溶液的浓度为0.5-5 mol /L ；硝酸水溶液为1-10mol /L 。
具体地，方法三中，能量密度为100-160J cm -2。
具体地，方法三中，移去金属铋前对水相分散的纳米三氧化二铋进行超声分散，超声功率200-700瓦，时间10-60分钟。
本申请还包括一种所述的三氧化二铋作为杀菌剂的应用，所述的三氧化二铋与银抗菌剂、铜抗菌剂、锌抗菌剂、钛抗菌剂、钼抗菌剂联合使用；
三氧化二铋与银抗菌剂、铜抗菌剂、锌抗菌剂、钛抗菌剂、钼抗菌剂的质量比为分别为0.05-1:1-0.05。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本申请使用三种方法制备得到的无机金属氧化物三氧化二铋相较于市售的微米级的三氧化二铋均具有很好的抗菌活性，可以有效杀死革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌，包括耐药菌株。
该活性物质遇水会显示一定的酸性。当其接触水气时，会持续不断释放H+，从而起到一定杀菌作用。同时，该活性物质的金属离子能依靠库仑力牢固地吸附于细菌细胞膜表面，进一步穿透细胞壁，导致细胞壁破裂，引起细胞质外流最终导致细菌死亡。另外，该活性物质在光照射下能够激发水或空气中的氧产生羟自由基及活性氧离子，从而产生氧化应激反应，破坏细菌的繁殖能力，致使细菌死亡。
该活性物质性质稳定，抗菌效果持久。而且价格低廉，经济性好。将该活性物质单独使用，或者联合其它类型的抗菌剂使用都能起到非常好的杀菌效果。
其中，作为优选的形式，采用激光照射法制备的纳米三氧化二铋，因为其为片状结构，能更好的跟细菌作用，破坏细菌细胞膜导致细菌死亡。
附图说明
图1是正常的多重耐药大肠杆菌（ATCC8739）的电镜示意图；
图2是使用了实施例4制备的1mg/ml纳米三氧化二铋水溶液处理之后的大肠杆菌的电镜示意图；
图3是正常的多重耐药的金黄色葡萄球菌（ATCC 6538）的电镜示意图；
图4是使用了实施例4制备的1mg/ml纳米三氧化二铋水溶液处理之后的金黄色葡萄球菌的电镜示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：该抗菌物质三氧化二铋（CAS登录号1304-76-3），纳米级别的颗粒或者微米级别的颗粒单独使用时，都能够杀死多重耐药的革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌，其中，微米级的三氧化二铋可以直接购买市售的。
而纳米三氧化二铋的制备方法如下：
实施例2：室温下，称量14.00g铋酸钠放入250ml锥形瓶中，加入80ml去离子水，聚四氟乙烯转子。将锥形瓶固定于加热搅拌器上油浴中，此时体系为灰褐色。之后在超声下滴入5mmol/ml的HCl水溶液直至pH调节至1，此时体系颜色变浅。继续在80度下超声搅拌2h。之后，待反应体系温度降至室温，将反应体系在4200rpm条件下离心8分钟，测上清液pH，若上清液为酸性，则加入去离子水，将体系搅拌均匀，以同样条件继续离心。若上清液为中性，则收集沉淀，用去离子水洗一次，收集产物。将产物置于100度烘箱中烘干，此时会浅色结块，将结块碾碎。将上述产物加入坩埚中，放置马弗炉中加热至500度反应2小时，冷却后就得纳米三氧化二铋，为浅白偏黄粉固体。
实施例3：室温下，称量14.00g铋酸钠放入250ml锥形瓶中，加入25ml去离子水和聚四氟乙烯转子。之后滴入100mL的HNO3（5mmol/ml）溶液，室温搅拌2h，会慢慢有沉淀析出。将沉淀收集，之后用HNO3（5mmol/ml）溶液洗涤，接着用去离子水洗涤。将产物置于100度烘箱中烘干。之后将产物放置管式炉中，在4%氢气和96%氮气氛围下，以每分钟5度升温至340度煅烧2小时，冷却后就得纳米三氧化二铋，为浅白偏黄粉固体。
实施例4：将1克纯度大于99.97%纯度的金属铋加入到锥形瓶中，加入7ml去离子水。之后用1064nm激光（Nd:YAG激光器）照射，照射功率为12.5W，能量密度为160J cm-2。重复照射一个区域持续5分钟，频率在1kHz。照射完成之后，金属铋被移去，得到水相分散的纳米三氧化二铋。
实施例5：将1克纯度大于99.97%纯度的金属铋加入到锥形瓶中，加入7ml去离子水。之后用1064nm激光（Nd:YAG激光器）照射，照射功率为12.5W，能量密度为160J cm-2。重复照射一个区域持续5分钟，频率在1kHz。照射完成之后，超声功率300瓦；用超声波超声20分钟，使其均匀分散，之后金属铋被移去，得到水相分散的纳米三氧化二铋。
实施例6：将1克纯度大于99.97%纯度的金属铋加入到锥形瓶中，加入7ml去离子水。之后用1064nm激光（Nd:YAG激光器）照射，照射功率为12.5W，能量密度为30J cm-2。重复照射一个区域持续5分钟，频率在1kHz。照射完成之后，金属铋被移去，得到水相分散的纳米三氧化二铋。
实施例7：将1克纯度大于99.97%纯度的金属铋加入到锥形瓶中，加入7ml去离子水。之后用1064nm激光（Nd:YAG激光器）照射，照射功率为12.5W，能量密度为100J cm-2。重复照射一个区域持续5分钟，频率在1kHz。照射完成之后，金属铋被移去，得到水相分散的纳米三氧化二铋。
以上方法都可制得纳米三氧化二铋颗粒，其中实施例2制得的纳米三氧化二铋颗粒对金黄色葡萄球菌（ATCC6538）的MIC为250μg/mL，实施例3制得的纳米三氧化二铋颗粒对金黄色葡萄球菌（ATCC6538）的MIC为31.25μg/mL，实施例4、5、6、7制得的纳米三氧化二铋颗粒对金黄色葡萄球菌（ATCC6538）的MIC分别为10μg/mL、5μg/mL、25μg/mL、15μg/mL、。另外，实施例1市售的微米级别的三氧化二铋也具有一定的抗金黄色葡萄球菌（ATCC6538）的能力，MIC为2-10mg/mL。
利用激光方法制得的纳米三氧化二铋有如下优点：首先，制得的是片状的，不是球状的，具有更大的表面积，有助于更有效的跟细菌接触。其次，因为制备过程中只使用金属铋和水，不使用其它化学物质，所以纳米表面非常干净，因此杀菌效果更好。该方法制得的纳米三氧化二铋其长度约为0.9-1.4 μm，宽度约为0.8-1.1μm。而典型的革兰氏阳性细菌比如金黄色葡萄球菌为球型，直径0.8μm。典型的革兰氏阴性大肠杆菌其大小为：0.5～0.8μm，1.0～3.0μ m。制得的纳米三氧化二铋尺寸跟细菌相仿，因此能更好的跟细菌作用，破坏细菌细胞膜导致细菌死亡。
最后，激光照射完成之后，用超声波超声2小时，有助于得到均匀度更好的纳米三氧化二铋，从而产生更好的杀菌效果。
此外，当我们使用的激光照射能量密度为30J cm-2时，获得的产物以纳米颗粒为主。而激光照射能量密度为100J cm-2时，得到的产物以纳米片为主，纳米颗粒为辅。而激光照射能量密度为160J cm-2时，得到的产物是片状的纳米三氧化二铋，其尺寸为长度约为0.9-1.4 μm，宽度约为0.8-1.1μm，厚度为30-60nm。此种情况下，三氧化二铋采取片状结构生长有助于降低整体结构的能量。
纳米三氧化二铋颗粒的杀菌效果如扫描电子显微镜拍摄的图1-图4所示。其中图1是正常的多重耐药大肠杆菌（ATCC8739），图2是使用了1mg/ml纳米三氧化二铋水溶液处理之后的大肠杆菌。图3是正常的多重耐药的金黄色葡萄球菌（ATCC 6538），图4是使用了1mg/ml纳米三氧化二铋水溶液处理之后的金黄色葡萄球菌。可以看到无论是多重耐药的革兰氏阴性菌或是革兰氏阳性菌，细胞壁都遭到多处破坏，产生多个孔洞，破裂严重，引起细胞质外流最终导致细菌死亡。
另外，三氧化二铋对幽门螺旋杆菌有抑制效果。24小时培养基共孵育实验表明1mg/ml三氧化二铋水溶液能够有效杀死幽门螺旋杆菌，抑菌率〉95%（按照WST650-2019抗菌和抑菌效果评价方法来进行测试）。
该活性物质可联合银离子抗菌剂使用。比如三氧化二铋联合纳米硝酸银、纳米银，能取得很好的抗菌效果。将纳米三氧化二铋与纳米硝酸银按比例溶于水中，进行抗菌活性测试，抑菌率计算按照WST650-2019抗菌和抑菌效果评价方法来进行测试。具体结果如下表所示，24小时培养基共孵育实验表明，其混合物能够杀死多种细菌，包括革兰氏阴性菌大肠杆菌（ATCC8739）、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（ATCC 6538, ATCC 43300)、耐万古霉素肠球菌（ATCC 29212、ATCC 51299、ATCC 51559），其效果如下表1所示。
表1
该活性物质可联合铜抗菌剂使用，也能取得很好的抗菌效果。比如三氧化二铋联合纳米氧化铜、纳米铜，能取得很好的抗菌效果。将纳米三氧化二铋与纳米氧化铜按比例溶于水中，进行抗菌活性测试，抑菌率计算按照WST650-2019抗菌和抑菌效果评价方法来进行测试。24小时培养基共孵育实验表明，其混合物能够杀死多种细菌，包括革兰氏阴性菌大肠杆菌（ATCC8739）、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（ATCC 6538, ATCC 43300)、耐万古霉素肠球菌（ATCC 29212、ATCC 51299、ATCC 51559），其效果如下表2所示。
表2
该活性物质可联合锌抗菌剂使用。比如三氧化二铋联合纳米氧化锌、纳米锌，能取得很好的抗菌效果。将纳米三氧化二铋与纳米氧化锌按比例溶于水中，进行抗菌活性测试，抑菌率计算按照WST650-2019抗菌和抑菌效果评价方法来进行测试。24小时培养基共孵育实验表明，其混合物能够杀死多种细菌，包括革兰氏阴性菌大肠杆菌（ATCC8739）、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（ATCC 6538, ATCC 43300)，其效果如下表3所示。
表3
该活性物质可联合二氧化钛抗菌剂使用。将三氧化二铋与纳米二氧化钛按比例溶于水中，进行抗菌活性测试，抑菌率计算按照WST650-2019抗菌和抑菌效果评价方法来进行测试。24小时培养基共孵育实验表明，其混合物能够杀死多种细菌，包括革兰氏阴性菌大肠杆菌（ATCC8739）、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（ATCC 6538, ATCC 43300)，其效果如下表4所示。
表4
该活性物质可联合三氧化钼抗菌剂使用。将三氧化二铋与三氧化钼按比例溶于水中，进行抗菌活性测试，抑菌率计算按照WST650-2019抗菌和抑菌效果评价方法来进行测试。24小时培养基共孵育实验表明，其混合物能够杀死多种细菌，包括革兰氏阴性菌大肠杆菌（ATCC8739）、革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（ATCC 6538, ATCC 43300)，其效果如下表5所示。
表5
综上可以看出，该活性物质性质稳定，抗菌效果持久。而且价格低廉，经济性好。将该活性物质单独使用，或者联合其它类型的抗菌剂使用都能起到非常好的杀菌效果，例如联合银离子、铜离子、锌离子抗菌剂，或者联合二氧化钛、三氧化钼类杀菌剂使用，可杀死多种细菌。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种三氧化二铋作为杀菌剂的应用，其特征在于，菌为革兰氏阴性菌、或者革兰氏阳性菌；其中所述的三氧化二铋采用下述之一的方式进行制备:
方法一、室温下，配置铋酸钠去离子水溶液置 于反应容器中，此时体系为灰褐色，加热至50-80度，超声条件下滴入HCl溶液直至酸性，此时，体系颜色变浅，继续在加热条件下超声搅拌至反应完全，离心分离收集产物，80-100度烘干1-3小时，之后转入马弗炉中300-500度加热1-3小时冷却后就得纳米三氧化二铋，为浅白偏黄粉固体；其中，铋酸钠去离子水溶液的浓度为0.5-5 mol /L；HCl溶液的浓度为1-10 mol/L；
或者方法二、室温下，称量铋酸钠放入锥形瓶中，加入去离子水和聚四氟乙烯转子；之后滴入HNO3溶液，室温搅拌，会慢慢有沉淀析出；将沉淀收集，之后用HNO3溶液洗涤，接着用去离子水洗涤；将产物置于烘箱中烘干；之后将产物放置管式炉中，在4%氢气和96%氮气氛围下，以每分钟5度升温至300-500度煅烧1-3小时，冷却后就得纳米三氧化二铋，为浅白偏黄粉固体；铋酸钠去离子水溶液的浓度为0.5-5 mol/L ；硝酸水溶液为1-10 mol/L ；
或者方法三、将纯度大于99%的金属铋加入到锥形瓶中，加入去离子水；之后用1064nm激光照射，照射功率为12.5W，能量密度为30-160J cm -2；重复照射一个区域持续大于5分钟，频率在1kHz；照射完成之后，金属铋被移去，得到水相分散的纳米三氧化二铋。
2.根据权利要求1所述的三氧化二铋作为杀菌剂的应用，其特征在于，方法三中，能量密度为100-160J cm-2。
3.根据权利要求2所述的三氧化二铋作为杀菌剂的应用，其特征在于，方法三中，移去金属铋前对水相分散的纳米三氧化二铋进行超声分散，超声功率200-700瓦，时间10-60分钟。
4.根据权利要求1-3任一项所述的三氧化二铋作为杀菌剂的应用，其特征在于，所述的三氧化二铋与银抗菌剂、铜抗菌剂、锌抗菌剂、钛抗菌剂、钼抗菌剂联合使用。
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