纳米氧化锌的价格低、来源广，是一种多功能纳米粒子。纳米氧化锌具有高激发态结合能(60 eV)的宽带隙和近紫外区域的发射光谱，可用于光催化和电子传感器。同时，纳米氧化锌在较低浓度下有良好的抗菌活性，可用作抗菌剂[1]。
近年来，电沉积技术在生物传感器、表面涂层和储能材料等方面的应用引起了人们的关注。电沉积技术具有时间和空间可控性，反应条件温和且操作简便。在不同的电沉积条件下，可在导电基材上通过不同的电化学反应制备大分子凝胶和生物薄膜材料。这些材料，在抗菌涂层、电化学检测和药物控制释放等领域有广阔的应用前景[2~6]。本文作者所在课题组报道了一种基于天然高分子与阳极电化学氧化产生的金属离子进行配位电沉积的新方法[7]。一些天然高分子材料具有良好的抗菌性能、生物相容性和生物降解性，可促进组织或器官的修复与再建，因此可用作人工器官、医疗药品或者药用高分子材料[8~12]。海藻酸钠是一种水溶性天然高分子多糖，其分子结构由α-L-古洛糖醛酸(G段)和β-D-甘露糖醛酸(D段)两种结构单元以不规则顺序多聚或交聚而成[13]。海藻酸钠富含-COOH、-OH等含氧官能团，可与二价金属离子交联[14]。因此，海藻酸钠有与金属离子进行配位电沉积的可能性。海藻酸钠具有温和的溶胶-凝胶过程和良好的生物相容性，可用于药物、蛋白质和细胞微囊的释放或包埋，也可用作生物医学的支架材料。
本文以海藻酸钠为稳定剂制备纳米氧化锌，将其与海藻酸钠溶液共混作电沉积液，用配位电沉积技术制备纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜。
1 实验方法
1.1 实验用试剂和仪器
海藻酸钠(粘度≥0.02 (10 g/L, 20℃)/(Pa·s))；氢氧化钠(NaOH)：分析纯；六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)：分析纯；氯化钠(NaCl)：分析纯；牛肉膏，蛋白胨，琼脂粉；金属电极或基材(铂片、锌片、钛片)等化学制品；大肠杆菌和金黄色葡萄球菌由中国典型培养物保藏中心提供。实验用水均为去离子水。
高速离心机：TG16-WS；超声波清洗仪：KQ-50；透射电子显微镜：JEM-2001F；场发射扫描电子显微镜：JEM-IT300；紫外可见分光光度计：UV-1500；X射线衍射仪：D8 Advance。
1.2 纳米氧化锌的制备
将1 g海藻酸钠粉末加到盛有100 mL蒸馏水的烧杯中，搅拌过夜后制备出浓度为1%的海藻酸钠溶液。将0.1 mol/L硝酸锌粉末加到海藻酸钠溶液中，搅拌1 h使其充分溶解。将上述溶液离心(8000 r/min，20 min)后将离心产物分散到0.2 mol/L的NaOH溶液中，在50℃水浴处理1 h后取出，在室温下放置24 h使其充分反应。将反应后的产物离心(10000 r/min，20 min)后用去离子水将离心产物充分清洗，然后将其放置在50℃烘箱中干燥反应24 h，得到白色纳米氧化锌粉末。
1.3 电沉积制备纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜
将0.1 g纳米氧化锌粉末加到装有浓度为1%的海藻酸钠溶液的烧杯中，搅拌过夜制备出质量分数为0.1%的纳米氧化锌/海藻酸钠混合溶液。
使用金属锌片作为电沉积的阳极，将绝缘胶带贴在锌片的一面上，另一面用砂纸反复打磨直至出现金属光泽，然后分别用丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗5 min，直至表面光滑平整。将铂片(阴极)和锌片(阳极)浸入上述电沉积混合溶液中，两电极间的距离为1 cm，使用1.5 V直流电源，电沉积一定时间(例如5 min)后断开电源。用镊子取下锌片，用去离子水清洗其上的复合膜表面，然后用镊子将复合膜从金属表面取下，即得到纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜。
1.4 性能和形貌表征
进行抑菌圈实验，以测试复合膜的抗菌性能。将上述复合膜剪切成直径为10 mm的圆盘。将一片滤纸裁切成10 mm的圆盘浸入海藻酸钠溶液中，然后取出干燥作为实验对照组。将1.0 g蛋白胨、0.6 g牛肉膏、1.0 g氯化钠和4 g琼脂粉加到200 mL去离子水中，搅拌均匀。将上述混合液在121℃灭菌30 min，取出冷却后配置固体培养基。将1.0 g蛋白胨、0.6 g牛肉膏和1.0 g氯化钠加到200 mL去离子水中搅拌均匀后，然后将上述混合液在121℃下灭菌30 min，取出冷却后配置液体培养基。将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别作为革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌模型，测试上述复合膜的抗菌活性。用液体培养基将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌活化，将复合膜片和对照组贴到固体培养基中心，用200 μL量程的移液枪分别取大肠杆菌和金黄色葡萄球菌种50 μL并均匀涂覆在固体培养基表面。设置细菌培养箱的温度为37℃，培养24 h后观察抑菌圈大小并测量。取三组实验组数据求得平均值，最后根据抑菌圈大小计算纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜的抗菌性能。
在光催化降解实验中，将干燥后的复合膜片研磨成粉末。将0.1 g粉末加到100 mL浓度为10 mg/L的亚甲基蓝溶液中，在紫外灯照射下搅拌2 h使其达到吸附平衡，每隔2 h用移液枪取5 mL到离心管中离心后取上层清液，用紫外可见分光光度计测量亚甲基蓝溶液在664 nm波段下的吸光度。根据Lamber-Beer定律[15]处理数据，得到纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜对亚甲基蓝的光催化降解率。
将一滴纳米氧化锌溶液滴在碳涂层的铜栅极上制备样品，用透射电子显微镜测试纳米氧化锌的粒径，用紫外可见光分光计测试纳米氧化锌的水分散性；用X射线衍射仪表征纳米氧化锌的化学结构，用扫描电子显微镜观察复合膜的形貌。
2 实验结果
2.1 纳米氧化锌的形貌
图1
2.2 纳米氧化锌的UV-vis和XRD表征
图2给出了纳米氧化锌的紫外-可见吸收曲线。紫外-可见吸收水分散的纳米氧化锌曲线显示，在波长360 nm处有明显的吸收峰，在360 nm处的吸收峰相对于纳米氧化锌的典型吸收峰(380 nm)发生了蓝移[17]，而海藻酸钠溶液曲线没有吸收峰。纳米氧化锌的XRD图谱和氧化锌的标准XRD图谱(JCPDS 36-1451)如图2b所示。纳米氧化锌在31.7°，34.4°，36.3°，47.4°，56.6°，62.8°和67.9°的峰分别对应ZnO晶体在(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(112)晶面的衍射峰［18］，均与氧化锌晶体的峰相吻合，证实纳米氧化锌在海藻酸钠基体上的形成。XRD图谱未见杂质峰，说明所得到的纳米氧化锌纯度较高，剩余的Zn(OH)2完全转化为纳米氧化锌。
图2
图2
纳米ZnO的紫外-可见吸收光谱和XRD图谱
Fig.2
UV-vis absorption spectrum (a) and the XRD pattern (b) of nano ZnO
2.3 纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜的生成和形貌
图3
图3
纳米ZnO/海藻酸钠复合膜的制备
Fig.3
Preparation of nano ZnO/sodium alginate composite film
图4
图4
纳米ZnO/海藻酸钠复合薄膜在不同放大倍数下的扫描电镜图
Fig.4
SEM images of nano ZnO/sodium alginate composite films at different magnification (a) 100 μm, (b) 1 μm
2.4 纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜的抗菌性能
使用电沉积技术，可在金属基材表面制备涂层材料。制备的电沉积纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜可应用在抗菌涂层领域［19］。图5a给出了在37℃培养24 h后复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈照片。可以看出，对照组周围没有抑菌圈，而在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌实验组周围呈现出明显的抑菌圈，表明纳米氧化锌具有正的Zeta电位，能破坏革兰氏阴性大肠杆菌的细胞膜。纳米氧化锌与细菌的接触使Zn2+释放缓慢，重金属离子Zn2+对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌有抑制作用[20,21]。这表明，用电沉积技术制备含有纳米氧化锌的复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的抗菌性能。从图5b可见，三组实验组直径大小取平均值后得到抑菌圈大小分别为24.2 mm和25.6 mm。以上结果表明，纳米氧化锌能提高复合膜的抗菌性能，因此可通过电沉积技术在金属基材上制备生物活性抗菌涂层。
图5
图5
海藻酸钠对照样品和复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制圈和抑制圈的平均直径
Fig.5
Inhibition zones (a) (b) and average diameters of inhibition zones (c) of the control SA sample and the composite film against E. coli and S. aureus
2.5 纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜的光催化降解性能
图6
图6
光催化降解亚甲基蓝复合膜的紫外-可见吸收光谱及降解时间复合膜光催化降解亚甲基蓝的速率曲线
Fig.6
UV-vis absorption spectrum of photocatalytic degradation of methylene blue in composite film (a), and time-degradation rate curve of photocatalytic degradation of methylene blue by composite film (b)
3 结论
以海藻酸钠为稳定剂制备粒径约25 nm的纳米氧化锌，将其与海藻酸钠溶液共混作电沉积液，用配位电沉积技术可制备出表面平整均一的纳米氧化锌/海藻酸钠复合膜。复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有良好的抗菌性能，抑菌圈的直径分别为24.2 mm和25.6 mm；这种复合膜对亚甲基蓝有良好的降解性能，在紫外灯照射反应12 h条件下对亚甲基蓝的降解率达到71.6%。
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