一种可杀灭细菌灭活病毒的微纳锌的制备方法
阅读说明：本技术 一种可杀灭细菌灭活病毒的微纳锌的制备方法 (Preparation method of micro-nano zinc capable of killing bacteria and inactivating viruses ) 是由 钱鹏 吴玄峰 黄世伟 查进 陈海亮 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及微纳米粒子抗菌领域,具体提供了一种可杀灭细菌灭活病毒的微纳锌的制备方法,包括如下步骤：步骤1：使用微乳液法按照比例制备粒径在10nm-600nm的锌粒子；步骤2：将制得的纳米锌粒子转移到下一个反应釜中,利用空蚀制得微纳锌溶液；本发明利用微乳液法制备微纳米锌粒子溶液,制备装置结构简单,器具易得且成本低,在配置溶液时操作容易,可以实现锌粒子可控,且具有不易团聚等优点；制备的微纳米锌粒子溶液无毒、无害、无味、无刺激,可替代大多数消毒产品,有利于环保,提高健康生活水平,达到真正持久有效、稳定高效、环保无味的杀菌杀毒效果。(The invention relates to the field of micro-nano particle antibiosis, and particularly provides a preparation method of micro-nano zinc capable of killing bacteria and inactivating viruses, which comprises the following steps: step 1: preparing zinc particles with the particle size of 10nm-600nm by a microemulsion method according to a proportion; step 2: transferring the prepared nano zinc particles to the next reaction kettle, and preparing a micro-nano zinc solution by cavitation erosion; according to the invention, the micro-emulsion method is utilized to prepare the micro-nano zinc particle solution, the preparation device has a simple structure, the apparatus is easy to obtain, the cost is low, the operation is easy when the solution is prepared, the zinc particles can be controlled, and the micro-nano zinc particle solution has the advantages of difficult agglomeration and the like; the prepared micro-nano zinc particle solution is non-toxic, harmless, tasteless and non-irritant, can replace most disinfection products, is beneficial to environmental protection, improves the healthy living standard, and achieves the effects of really, durably, effectively, stably, efficiently, environmentally and tasteless sterilization and disinfection.)
技术领域
本发明涉及纳米抗菌领域，具体涉及一种可杀灭细菌灭活病毒的微纳锌的制备方法。
背景技术
1869年锌Zn首次被确认是人体必需的微量元素，人体含有2-3g的锌。锌是公认的生物安全材料，由于人体内没有锌的储存系统，所以，需要每日补充锌，人体缺锌会导致诸多疾病。
锌的抗菌作用已经被广泛认知，国外研究纳米氧化锌的较多，但是在同等条件下，纳米氧化锌的抗菌效果不到纳米锌的1/10。
在研究中我们发现，纳米锌在迅速杀菌的实践中不如纳米银。根据资料显示，同等试验条件下，纳米银可以在600秒内达到90%的杀菌效果，而纳米锌需要5-6个小时才能达到90%以上的杀菌效果。纳米银和纳米锌在24小时内的杀菌效果均是99.99%，但是纳米银的缺陷也很明显：容易变色、在人体内不能代谢，价格昂贵等，限制应用在纺织品上，尤其是妇女和儿童抗菌用品上。俄罗斯科学院把纳米银描述为剧毒。
鉴于纳米银的缺陷以及纳米锌的无色、安全、无毒无害、无刺激、价格低廉等特征，我们希望把纳米锌改性，如果能够解决纳米锌的迅速杀菌性能，则可以替代纳米银作为纳米粒子抗菌剂，将会有更广泛的应用前景。
发明内容
本发明就是通过控制反应条件，制得粒径在10nm＜φ＜600nm的微纳锌，并应用空蚀效应，把锌粒子的粒子表面形成蚀坑，以改善其迅速杀菌灭活病毒的功效。
国内外公认，当纳米粒子的平均直径φ＜100nm时，该粒子称为纳米粒子。本发明所称的微纳锌是基于制备的锌粒子的直径介于纳米和微米之间，所以称为微米纳米锌，简称微纳锌。
为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下：
一种可灭杀细菌灭活病毒的微纳锌的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：使用微乳液法制备锌粒子溶液，锌粒子的粒径为10nm-600nm；
步骤2：将制得的锌粒子溶液转移到下一个反应釜中，利用空蚀现象，制得微纳锌溶液。
进一步地，所述步骤1还包括步骤1.1：将微乳液调制形成WPO反相微乳液体系；所述微乳液由表面活性剂、助表面活性剂、有机溶剂和去离子水组成。
进一步地，所述步骤1.1还包括将所述表面活性剂溶解在所述有机溶剂中，与所述助表面活性剂和去离子水混合，搅拌制成WPO反相微乳液体系；所述表面活性剂为非离子表面活性剂。
进一步地，所述表面活性剂、助表面活性剂和有机溶剂的总体积与去离子水的体积比为1-4:1，所述表面活性剂与助表面活性剂与有机溶剂的体积比为1-5:1:2-4。
按照油水1-4：1的比例混合制成均匀透明、热力学性质稳定的WPO反相微乳液体系。
进一步地，所述有机溶剂为烷烃、环烷烃中的一种或多种，所述非离子表面活性剂为聚环氧乙烯基壬苯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚和高碳脂肪聚氧乙烯醚中的一种或多种；所述助表面活性剂为脂肪醇。
优选地，所述有机溶剂为环己烷；所述助表面活性剂为异戊醇、正庚醇、正辛醇、正壬醇、正癸醇、鲸蜡醇中的一种或多种。
进一步地，将浓度为400-600g/L的锌盐水溶液和水合肼溶液分别加入所述WPO反相微乳液体系中搅拌混合，反应5-8h后，制得粒径在10nm-600nm的锌粒子溶液；所述反应温度为40-80℃，所述搅拌转速为2000-5000rpm。
进一步地，所述锌盐水溶液和水合肼溶液的体积比为1:1，所述水合肼溶液与WPO反相微乳液体系的体积比为1: 3.5-4。
进一步地，所述锌盐为硫酸锌、硝酸锌、柠檬酸锌和葡萄糖酸锌中的一种或多种。
进一步地，所述步骤2还包括：
步骤2.1：将制得的锌粒子溶液，转移到下一个反应釜中，在60℃下搅拌，搅拌转速为2000-5000rpm，同时通入高速空气气流，形成空蚀现象；利用液体中空泡的形成、发育、溃灭和回弹过程，形成细小的液气相间的分界面，利用中空泡溃灭时产生的微射流和冲击作用，对锌粒子表面进行腐蚀；
步骤2.2：反应时间为5小时，制得微纳锌溶液。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明利用微乳液法制备微纳米锌粒子溶液，制备装置结构简单，器具易得且成本低，制备方法操作容易、可以实现锌粒子可控、且不易团聚。
本发明采用空蚀现象将锌粒子表面进行腐蚀，形成了不规则形状的锐角，微纳锌在接触细菌或病毒时，显示出正电荷效应，与显示负电荷效应的细菌细胞壁或病毒细胞产生库仑力；库仑力的吸引再加上刺突的边缘，可以迅速杀死细菌和病毒，细菌和病毒不能继续繁殖或转移，并且死亡；微纳锌在杀死细菌或病毒的过程中，并没有被消耗，可以持续导致细菌和病毒死亡，因此，本发明微纳锌可以持续持久地杀死细菌和病毒，解决纳米锌在迅速杀菌性能方面的缺陷。
本发明制备的微纳米锌粒子溶液无毒、无害、无味、无刺激，可替代大多数消毒产品，有利于环保，提高健康生活水平，达到真正持久有效、稳定高效、环保无味的灭菌杀毒效果。
附图说明
图1为本发明制备方法的步骤流程图；
图2为本发明的未进行空蚀效应之前的微纳锌的微观结构图；
图3为本发明利用空蚀效应得到的有蚀坑的微纳锌的微观结构图；
图4为本发明利用空蚀效应得到的有蚀坑的微纳锌灭菌灭病毒的作用原理示意图；
图5为本发明微纳锌的粒径分布图；
图6为本发明实施例2中微纳锌溶液作用20s后的培养菌落形态图；
图7为本发明实施例2中微纳锌溶液作用30s后的培养菌落形态图；
图8为本发明实施例2中微纳锌溶液作用60s后的培养菌落形态图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
实施例1
如图1所示步骤流程图，一种可灭杀细菌灭活病毒的微纳锌的制备方法，包括如下步骤：
步骤1.1：将50 mL壬基酚聚氧乙烯醚、30mL正辛醇溶解在120mL环己烷中，与20mL异戊醇和200mL去离子水搅拌制成WPO反相微乳液体系；
步骤1.2：将1000mL浓度为450g/L的柠檬酸锌和硝酸锌的混合液和1000mL水合肼溶液加入3600mL WPO反相微乳液中混合，在65℃，转速4600rpm下反应6.5h，制得粒径在10nm-600nm的锌粒子溶液；
步骤2.1：将制得的锌粒子溶液，转移到下一个反应釜中，在60℃，4600rpm转速下搅拌，同时通入高速空气气流，形成空蚀现象；
步骤2.2：反应时间为5小时，制得微纳锌溶液。
制备的锌粒子的TEM图如图2所示，制备的微纳锌的TEM图如图3所示。
如图5所示，用微乳液法制备粒径介于微米级和纳米级的锌，控制反应条件，制得锌粒子粒径：10nm＜φ＜600nm；
优选结果：10nm＜φ＜100nm的锌粒子占总数的50%，锌粒子的粒径100nm＜φ＜600nm占总数的30%。
实施例2
将实施例1制备得到的微纳锌溶液配置成浓度为1000mg/kg的微纳锌水溶液，然后依次稀释成浓度为：800mg/kg、500 mg/kg、400 mg/kg、300 mg/kg的微纳锌水溶液，浓度为1000mg/kg、800mg/kg、500 mg/kg、400 mg/kg、300 mg/kg的微纳锌水溶液依次标记为组5、组4、组3、组2、组1，按照《消毒技术规范》悬液定量法测定微纳锌水溶液的杀菌率，测试菌种为大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、绿脓杆菌，测试时间分别为20s、30s、60s；测试结果如表1所示，组1至组5不同浓度的微纳锌水溶液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、绿脓杆菌作用20s后的培养菌落形态如图6所示，作用30s后的培养菌落形态如图7所示，作用60s后的培养菌落形态如图8所示。
实施例3
将实施例1制备得到的微纳锌溶液配置成浓度为1000mg/kg的微纳锌水溶液，然后依次稀释成浓度为：800mg/kg、500 mg/kg、400 mg/kg、300 mg/kg的微纳锌水溶液，浓度为1000mg/kg、800mg/kg、500 mg/kg、400 mg/kg、300 mg/kg的微纳锌水溶液依次标记为组5、组4、组3、组2、组1，按照《消毒技术规范》测定微纳锌水溶液的病毒灭活率，测试病毒为脊髓灰质炎病毒、甲型流感病毒H1N1、肠道病毒、禽流感病毒H5N1，测试时间分别为10s、20s、30s；测试结果如表2所示。
将市售3%双氧水消毒液进行稀释，依次稀释成浓度为：1000mg/kg、800mg/kg、500mg/kg、400 mg/kg、300 mg/kg的双氧水水溶液，浓度为1000mg/kg、800mg/kg、500 mg/kg、400 mg/kg、300 mg/kg的双氧水水溶液依次标记为组5、组4、组3、组2、组1，按照《消毒技术规范》测定双氧水水溶液的病毒灭活率，测试病毒为脊髓灰质炎病毒、甲型流感病毒H1N1、肠道病毒、禽流感病毒H5N1，测试时间分别为10s、20s、30s；测试结果如表3所示。
实施例4
将制备得到的微纳锌配置成浓度为1000mg/kg的水溶液，再将该微纳锌水溶液稀释10000倍，得到浓度为100μg/kg的微纳锌水溶液，取5个平行样标记为：组1、组2、组3、组4和组5，组1至组5分别与浓度为106TCID50/ml的伪狂犬病毒、冠状病毒（PEDV）接触混合30min，测定病毒灭活率；测试结果如表4所示。
将市售戊二醛消毒液进行稀释，得到浓度为100μg/kg的戊二醛水溶液，取5个平行样标记为：组1、组2、组3、组4和组5，组1至组5分别与浓度为106TCID50/ml的伪狂犬病毒、冠状病毒（PEDV）接触混合30min，测定病毒灭活率；测试结果如表5所示。
由上述实施例的实验数据可知，本法制得的微纳锌溶液可以实现快速杀菌杀毒的效果。
参考图4，本发明所制得的微纳锌溶液杀菌杀病毒机理：
由于微纳锌粒径小以及表面不规则形状导致颗粒表面反应性、活性增强，而许多微生物的存在范围从几百纳米到几十微米不等，纳米级的金属粒子具有较大的比表面积，积累了较高的势能，总体来说有纳米粒子效应、比表面积效应和量子隧道效应，还有活性氧ROS效应等，各种效应协同作用，形成了较好的抗菌活性。
微纳锌在接触细菌或病毒时，显示出正电荷效应，与显示负电荷效应的细菌细胞壁或病毒细胞产生库仑力，可以刺破细菌的细胞壁以及病毒的蛋白质外壳，使得细胞质流出或发生变化，从而细菌和病毒不能继续存活或者繁殖。
微纳锌粒子和释放的锌离子与细菌中的-NH、-COOH、-SH等反应，从而破坏细胞的结构组成，阻止其繁殖，达到杀灭细菌和病毒的作用；释放的锌离子对活性转运抑制以及氨基酸代谢和酶系统均有显著影响。
微纳锌从死亡的菌体中游离出来，进行新一轮杀菌，周而复始。
另外，微纳锌诱导产生活性氧ROS，可诱发氧化应激反应，产生大量的羟基自由基、过氧化氢H2O2、导致细菌凋谢死亡。
如果没有微纳锌类似刺突的边缘，仅库仑力不足以短时间内刺破细胞壁，但当微纳锌的表面被空蚀后，形成了不规则形状的刺突，库仑力的吸引再加上刺突，可以迅速杀死细菌和病毒，使细菌和病毒不能继续繁殖或转移。
微纳锌在杀死细菌或病毒的过程中，并没有被消耗，可以持续导致细菌和病毒死亡，因此，微纳锌可以持续持久地杀死细菌和病毒。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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