刘海弟 岳仁亮 吴镇江 陈运法

(中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190)

立方亚铁氰化锌钾颗粒的制备和抗菌性能研究

刘海弟＊岳仁亮 吴镇江 陈运法

(中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190)

研究了以硝酸锌和亚铁氰化钾为原料制备立方状亚铁氰化锌钾抗菌材料的方法。通过比较不同产物的形貌、产率、化学组成、晶型和抗菌性能，确定了最佳的反应物配比。采用SEM、XRD、ICP等方法表征了样品的颗粒形貌、晶型和元素组成等信息；并检测了添加了立方状亚铁氰化锌钾颗粒的涂层的抗菌性能。研究发现当锌离子和亚铁氰化钾的物质的量比在1.5/1时，所得样品白度好、形貌稳定且对金色葡萄球和大肠杆菌都表现出了良好的抗菌性能。

抗菌性能；共沉淀；亚铁氰化锌钾；无机抗菌剂

随着社会的进步，人们对人居环境和器件表面的微生物安全性要求越来越高。抗菌材料作为保护人类健康、改善人类生活环境的重要功能材料之一，在减少疾病、应对突发生物污染事件方面日益表现出不可替代的重要作用[1-3]。常见的抗菌材料分有机抗菌材料和无机抗菌材料两种：有机抗菌材料包括天然抗菌化合物、香醛类、氯酚类、季铵类和咪唑类的化合物等等[4]。这类抗菌剂效用高、杀菌快，但热稳定性和耐候性差，耐溶出性不好，寿命短，难以在器件表面发挥长期高效抗菌的作用。无机抗菌材料主要包括银系抗菌材料[4-9]、锌系抗菌材料[10-13]和二氧化钛类抗菌材料[14-17]。无机抗菌材料有白度高、耐热性好、稳定性高、安全、高效等一系列优点。然而银系抗菌材料容易发黑，影响材料的美观性；锌系抗菌材料没有发黑变色的问题，但性能略逊于银系抗菌材料；氧化钛类抗菌材料借助光催化反应而抗菌，因此不能在黑暗条件下发挥作用。此外，所有无机抗菌材料都有一个纳米化的问题，当材料以微细尺度均匀分散于器件表面时，可最大限度发挥材料的抗菌能力，因此在保证相同抗菌能力的条件下，纳微尺度抗菌材料的用量可相对减少。综上，制备具有较高的稳定性和抗菌效能的无机白色纳米抗菌材料具有重要意义和广泛应用前景。

过渡金属离子和亚铁氰化钾经沉淀反应所得的亚铁氰化物是一类常见的无机纳米颗粒材料，由于其色彩丰富、颗粒微小，经常被用作染料。同时该类材料对放射性核素Cs+具有极强的选择性吸收能力，常常被用于制备用于放射性废水处理的无机离子交换剂[18-21]。然而将该类材料用于抗菌领域却从未见报道。

本研究采用硝酸锌和亚铁氰化钾为原料，通过简便的共沉淀法制备了纳米亚铁氰化锌钾颗粒，通过SEM、XRD、ICP等分析手段对产物进行了表征，摸索了反应物的最优配比。所制得的亚铁氰化锌钾颗粒较小(300～400 nm)，白度较好。对该材料的抗菌性能测试研究发现：亚铁氰化锌钾对于金色葡萄球菌和大肠杆菌具有明显的抑制作用，是一种全新的高效无机抗菌材料。

1 实验部分

1.1 主要原料和试剂

亚铁氰化钾K4[Fe(CN)6]、六水合硝酸锌Zn(NO3)2·6H2O均为分析纯，北京益利化学试剂公司。实验中的用水均为去离子水。

1.2 实验方法

1.2.1 亚铁氰化锌钾的制备

配制 0.5 mol·L-1的 K4[Fe(CN)6]溶液和 0.5 mol·L-1的Zn(NO3)2·6H2O溶液，在剧烈机械搅拌下将一定量的K4[Fe(CN)6]溶液滴入Zn(NO3)2·6H2O溶液中，滴加速度为 0.5 mL·min-1， 加完后持续搅拌 2 h，将所得浊液沉化24 h，离心分离，80℃下干燥过夜，研磨并过200目筛，得亚铁氰化锌钾材料，按照Zn-K4FC-x/y来命名，其中x/y为反应物中Zn(NO3)2·6H2O和K4[Fe(CN)6]的物质的量比，在实验中该比值取 0.5/1、1/1、1.5/1、2/1 和 3/1。 实 验 中 发 现 ：Zn-K4FC-0.5/1和 Zn-K4FC-1/1为淡灰褐色粉末、Zn-K4FC-1.5/1和Zn-K4FC-2/1为白色粉末，而样品Zn-K4FC-3/1为天蓝色粉末。

1.2.2 亚铁氰化锌钾的分析和表征

准确称取各个样品100 mg，加入5 mL浓硫酸并在电炉上加热消解并挥发至干 (由于会产生酸雾和腐蚀性气体，必须在通风橱中操作)，而后用10 mL 10wt%稀盐酸将所得黄色残渣溶解，再用去离子水定容至500 mL，利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(VISTA-MPX，美国VARIN公司)检测其中的K、Zn和Fe 3种元素的含量，从而获得样品的精确化学组成。采用Philip X′Pert Pro型X射线衍射分析仪获得样品的晶型(测试条件:Cu靶，Kα射线，Ni滤波,管电压 40 kV，电流 30 mA，λ=0.15418 nm；2θ范围 10°～90°；步长 0.017°)。 用 JSM-6700F 型场发射扫描电子显微镜分析样品的微观形貌 (加速电压5.0 kV，测试前样品需喷金，喷金电流20 mA，时间120 s)。

1.2.3 亚铁氰化锌钾的抗菌性能表征

将所制备的亚铁氰化锌钾粉末添加入普通醇酸调和涂料中(北京兆发腾飞建材有限公司)，添加量为涂料质量的4%，在高剪切乳化剂上将涂料乳化分散 10 min 后涂刷于 5×10 cm(厚度 0.3 mm)的不锈钢板上(为了保证数据可靠性，每个亚铁氰化锌钾样品均涂覆8块平行样品板)，样品板在室温下干燥固化48 h后进行抗菌性能的测试，具体测试方法依照国标GB/T 21510-2008(纳米无机材料抗菌性能检测方法)进行。

2 结果与讨论

2.1 不同的锌离子用量下样品的化学组成分析

一般而言，过渡金属离子和K4[Fe(CN)6]发生沉淀反应的生成物往往具有多种化学计量组成，而生成物的具体化学组成和反应物的物质的量比例、反应物溶液浓度、混合方式、溶液酸度等诸多因素有关[18-19]。然而最重要的因素在于过渡金属离子和K4[Fe(CN)6]的物质的量比例。表1给出了不同的nZn2+/nK4[Fe(CN)6]获得的样品的化学组成和产物质量，可知当nZn2+

/nK4[Fe(CN)6]≤2∶1时，产物当中的Zn元素和K元素的含量相对稳定，大致符合K2Zn3[Fe(CN)6]2的分子构成；然而当反应中nZn2+/nK4[Fe(CN)6]达到 3∶1 时，产物中K元素含量明显下降，其分子很可能是K2Zn3[Fe(CN)6]2和Zn2[Fe(CN)6]的混合物，按照元素分析得到的化学组成计算：样品Zn-K4FC-3/1中所含Zn2[Fe(CN)6]的物质的量分数是79.5%，所含K2Zn3[Fe(CN)6]2的物质的量分数是20.5%。以上的研究结果和 Kawamura[20]及 Loos-Neskovic[21]的研究结果类似：即当 Zn2+和 K4[Fe(CN)6](或 Na4[Fe(CN)6])发生沉淀反应时会得到2种分子组成的产物：Zn2[Fe(CN)6]或 MⅠ2Zn3[Fe(CN)6]2(MⅠ=Na or K)，其决定因素主要在于Zn2+和K4[Fe(CN)6]的物质的量比例；不同的是Kawamura的研究认为当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]达到 3∶1时，产物为单一的Zn2[Fe(CN)6]，而本研究发现当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]达到 3∶1 时，产物是 Zn2[Fe(CN)6]和 K2Zn3[Fe(CN)6]2两种组分的混合物，这很可能有两个原因：第一，本研究中反应物的浓度较高(0.5 mol·L-1)，远高于 Kawamura 报道的 0.1 mol·L-1的反应物浓度；第二，本研究中省去了在沸水浴中加热的步骤，因此Zn2+对K4[Fe(CN)6]中钾元素的置换并不充分，然而后面的抗菌实验表明：K2Zn3[Fe(CN)6]2组分具有良好的抗菌性能，不必耗费更多的Zn2+以制备Zn2[Fe(CN)6]颗粒。

表1 不同Zn/K4[Fe(CN)6]物质的量比下所得样品的组成和产物质量Table 1 Compositions and masses of samples under various Zn/K4[Fe(CN)6]molar ratios

在制备样品 Zn-K4FC-0.5/1和 Zn-K4FC-1/1的过程中，其反应产物经沉化后的上清液为黄绿色，很可能溶有尚未反应的K4[Fe(CN)6]，而样品Zn-K4FC-1.5/1～Zn-K4FC-3/1的反应产物经沉化后的上清液则完全无色透明；结合表1中样品Zn-K4FC-0.5/1和Zn-K4FC-1/1的质量明显低于其他样品的现象可以推测：要使K4[Fe(CN)6]发生充分的沉淀，Zn2+和K4[Fe(CN)6]物质的量比例应大于等于1.5/1。

2.2 不同的锌离子用量下样品的XRD分析

图 1 是 样 品 Zn-K4FC-0.5/1～Zn-K4FC-3/1 的XRD 谱图，由图可知，Zn-K4FC-0.5/1，Zn-K4FC-1/1，Zn-K4FC-1.5/1，Zn-K4FC-2/1 的这 4 个样品的 XRD图符合MⅠ2Zn3[Fe(CN)6]2类物质的标准图，而Zn-K4FC-3/1的XRD图则很可能是K2Zn3[Fe(CN)6]2和Zn2[Fe(CN)6]的混合物[20-21]。从谱图的对比可知：Zn-K4FC-0.5/1，Zn-K4FC-1/1，Zn-K4FC-1.5/1，Zn-K4FC-2/1的这4个样品的峰强依次增强，结晶度不断提高，然而当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]达到 3∶1 时，样品的 X 射线衍射峰强明显减弱，这可能的原因是：当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]达到3∶1时，产物的晶型开始从 K2Zn3[Fe(CN)6]2向Zn2[Fe(CN)6]转变，在当前的实验条件下，虽然产物K2Zn3[Fe(CN)6]2的晶体含量和结晶度已经明显减弱，但是Zn2[Fe(CN)6]的晶体尚未充分发育长成，所以导致样品Zn-K4FC-3/1的XRD图峰强较弱，且表现出K2Zn3[Fe(CN)6]2和Zn2[Fe(CN)6]混合的状态。以上XRD分析的结果和前文中样品化学组成的分析结果具有较好的一致性。

2.3 样品的SEM分析

图 2 给出了样品 Zn-K4FC-0.5/1～Zn-K4FC-3/1的SEM照片，从照片可以看出，样品Zn-K4FC-0.5/1为尺寸不均的类球形粒子，粒径分布很不均匀，从（a)中嵌入的SEM图片可以看出，该球形粒子由类立方状的一次颗粒堆积而成；样品Zn-K4FC-1/1为粒度更小的无定形颗粒，团聚比较严重，没有明显的形貌可言；样品Zn-K4FC-1.5/1的颗粒形貌为立方状，粒径在300～400 nm左右，样品Zn-K4FC-2/1的颗粒形貌也是立方状，但粒径有所增大(≈500 nm)。 由图 2（e)还可看出，样品 Zn-K4FC-3/1的粒子粗大，完全没有规则形貌，不适合作为抗菌剂均匀分散在涂料、高分子材料和纤维织物中，因此后面的抗菌评价实验中选择了样品Zn-K4FC-1.5/1和Zn-K4FC-2/1为研究对象。原因有二：第一，其组成稳定可控；第二，其形貌相对规则，粒度相对均匀，易于在涂料、高分子材料和纤维织物中分散。结合前述的分子组成和XRD分析可知：虽然在nZn2+/nK4[Fe(CN)6]低于2∶1时，产物的组成均大致为K2Zn3[Fe(CN)6]2，但当Zn2+用量变化时产物的颗粒形貌也发生明显变化，Zn2+用量较低时粒子呈类球形，这很可能和反应体系中过量存在的K4[Fe(CN)6]有关；随着Zn2+用量增加，产物的形貌由类球形转变为无规则形状；进一步增加Zn2+/K4[Fe(CN)6]物质的量比至1.5/1和2/1时，样品的颗粒形貌变为明显的立方状，其粒度小于500 nm；当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]达到 3∶1 时，产物中开始产生Zn2[Fe(CN)6]，其颗粒形貌也变为粗大的无规则形状。

2.4 反应物中Zn2+/K4[Fe(CN)6]最佳物质的量比的选择

从前面的研究结果可以看到，1.5/1为 Zn2+和K4[Fe(CN)6]的最佳物质的量配比，主要有以下四个原因：

第一：当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]=1.5/1时产物具有比较稳定的分子组成，其中各元素的含量相对稳定。产物品质易于控制；第二：当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]=1.5/1 时产物具有较好的结晶度；第三：当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]=1.5/1 时产物的形貌和分散性较好，粒度小于400 nm，易于在涂料、高分子材料和纤维织物中分散；第四：当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]=1.5/1时，产物的组成最接近反应物配比，因此废液当中的反应物含量最少。因为残余的K4[Fe(CN)6]会提高废液的COD值，而过多的Zn2+也是废液造成污染的原因之一，当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]＜1.5/1 时，反应物中K4[Fe(CN)6]没有完全沉淀，导致废液COD高，而当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]≥2/1 时，虽然 K4[Fe(CN)6]完全沉淀，但过量的Zn2+将进入废液中而导致污染，当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]=1.5/1 时，Zn2+和 K4[Fe(CN)6]几乎完全沉淀，这时废液的主要成分是副产的KNO3，对环境的污染程度相对较低，甚至可以作为液体钾氮肥加以综合利用。

2.5 样品Zn-K4FC-1.5/1和Zn-K4FC-2/1的抗菌性能研究

依照国标GB/T 21510-2008对样品Zn-K4FC-1.5/1和Zn-K4FC-2/1进行了抗菌性能表征，其抗菌效果如表2所示，可知样品Zn-K4FC-1.5/1和Zn-K4FC-2/1均对金色葡萄球菌和大肠杆菌表现出了很高的抗菌能力，其抗菌效率均高于99%，可见本研究中制备的分子式为K2Zn3[Fe(CN)6]2的颗粒材料具有很好的抗菌效果，其抗菌机理尚不清楚，很可能是因为K2Zn3[Fe(CN)6]2晶体表面暴露出的具有活性的Zn离子对细菌具有抑制和杀灭的功能。

表2 样品Zn-K4FC-1.5/1和Zn-K4FC-2/1的抗菌效果Table 2 Antibacterial performance of Zn-K4FC-1.5/1 and Zn-K4FC-2/1

3 结 论

采用简单的共沉淀方法成功制备出粒径小于300～400 nm的立方状亚铁氰化锌钾颗粒材料。研究表明， 在反应物浓度 0.5 mol·L-1、nZn2+/nK4[Fe(CN)6]≤2/1的反应条件下，可以获得分子组成为K2Zn3[Fe(CN)6]2颗粒，而当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]达到3/1时，所得的样品为K2Zn3[Fe(CN)6]2和 Zn2[Fe(CN)6]的混合物；当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]=0.5/1时，反应物中 K4[Fe(CN)6]不能充分沉淀，而所得产物为类球形粒子；当nZn2+/nK4[Fe(CN)6]=1/1时，K4[Fe(CN)6]仍不能充分沉淀，产物为无定形颗粒；nZn2+

/nK4[Fe(CN)6]为 1.5/1或 2/1时，参与反应的 K4[Fe(CN)6]充分沉淀，产物为立方状颗粒；nZn2+/nK4[Fe(CN)6]=3/1时，产物为粗大的无定形颗粒。抗菌实验可知：对于金色葡萄球菌和大肠杆菌，立方状的K2Zn3[Fe(CN)6]2颗粒都具有良好的抗菌性能，在涂料中用量4%时可以赋予涂料大于99%的抗菌率。

致谢：作者对中国科学院理化技术研究所季君晖研究员在抗菌性能测试方面的大力帮助深表谢意。

[1]Cole M D.Biochem.Syst.Ecol.,1994,22(8):837-856

[2]Davies J.Nature,1996,383:219-220

[3]Nevalainen T J,Graham G G,Scott K F.Biochim.Biophys.Acta,2008,1781(1/2):1-9

[4]LU Xiao-Dong(卢晓东),WANG Qin-Zhao(王庆昭),WU Jin-Xi(吴进喜),et al.China Chemicals(Huagong Wenzhai),2008(4):53-55

[5]Jeon S,Jun H.Biomaterials,2003,24(27):4921-4928

[6]Nischala K,Rao T N,Hebalkar N.Colloids Surf B Biointerfaces,2011,82(1):203-208

[7]WANG Xiao-Cou(王 晓 凑),XU Shui-Ling(徐 水 凌).Cotton Textile Technol.(Mian Fangzhi Jishu),2008,36(2):126-128

[8]Jia H S,Hou W S,Wei L Q,et al.Dent.Mater.,2008,24(2):244-249

[9]Magana S M,Quintana P,Aguilar D H,et al.J.Mol.Catal.A:Chem.,2008,281(1/2):192-199

[10]Gordon T,Perlstein B,Houbara O.Colloids Surf.,A,2011,374(1/2/3):1-8

[11]Hirota K,Sugimoto M,Kato M,et al.Ceram.Int.,2010,36(2):497-506

[13]Yamamoto O.Int.J.Inorg.Mater.,2001,3(7):643-646

[14]Sayilkan F,Asiltürk M,Kiraz N,et al.J.Hazard.Mater.,2009,162(2/3):1309-1316

[15]Cheng Q L,Li C Z,Pavlinek V,et al.Appl.Surf.Sci.,2006,252(12):4154-4160

[16]Trapalis C C,Keivanidis P,Kordas G,et al.Thin Solid Films,2003,433(1/2):186-190

[17]Amin S A,Pazouki M,Hosseinnia A.Powder Technol.,2009,196(3):241-245

[18]Liu H D,Li F Z,Zhao X,et al.Nucl.Technol.,2009,165(2):200-208

[19]LIU Hai-Di(刘 海 弟),LI Fu-Zhi(李 福 志),ZHAO Xuan(赵璇).Chinese J.Inorg.Chem.(Wuji Huaxue Xuebao),2008,24(10):1657-1663

[20]Kawamura S,Kuraku H,Kurotaki K.Anal.Chim.Acta,1970,49:317-322

[21]Loos-Neskovic C,Fedoroff M,Garnier E.Talanta,1989,36(7):749-759

Preparation of Cubic Potassium Zinc Hexacyanoferrate Particles and Its Antibacterial Performance Investigation

LIU Hai-Di＊YUE Ren-Liang WU Zhen-Jiang CHEN Yun-Fa
(State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Cubic potassium zinc hexacyanoferrate particles were prepared with zinc nitrate and potassium hexacyanoferrate.The optimized reactant molar ratio was obtained by researching into the particles morphologies,yields,compositions,crystal structures and antibacterial performances of the various samples.The as-made particles were analyzed by SEM,XRD and ICP methods to obtain the results such as particles morphology,crystal structure and elemental composition.The antibacterial performances of the coating doped with the asprepared samples were also assessed.It was revealed by the results that when the molar ratio between Zn2+and potassium hexacyanoferrate was 1.5/1,the as-synthesized sample exhibit best brightness,morphology stability and antibacterial ability against both Aureus Staphylococcus and Escherichia coli.

antibacterial performance;co-precipitation;potassium zinc hexacyanoferrate;inorganic antimicrobial

X50

A

1001-4861(2011)11-2116-05

2011-05-04。收修改稿日期：2011-06-27。

国家高技术研究发展计划(863)(No.2010AA064903)资助项目。

＊通讯联系人。 E-mail：liuhaidi@home.ipe.ac.cn