专利名称：具有比表面积的银纳米颗粒及其制备方法
具有比表面积的银纳米颗粒及其制备方法本发明涉及表现出特定物理性质，特别是比表面积性质和/或等电点的银纳米颗 粒。本发明还涉及生产银纳米颗粒的新颖方法，以及包含这种特定银纳米颗粒的抗微生物 组合物。
背景技术：
在快速兴起的纳米材料领域中，银纳米颗粒具有非常有价值的应用。示例性的银 纳米颗粒应用包括配方杀生物剂、抗微生物剂和消毒剂、电子化学品、银导电油墨、医药用 途、创伤护理、太阳能电池板和智能玻璃。尽管很容易通过(物理)化学或光化学方法制备低浓度的银纳米颗粒水溶液或有 机溶液，但是生产规模的扩大需要小心控制实验条件，以避免批料与批料之间的差异。反应 物摩尔浓度的增加往往导致颗粒粒度增大和颗粒间团聚增多。因为纳米颗粒的益处体现在 其粒度，所以这些现象是不利的性质。典型的化学生产方法需要银盐、表面活性剂或包覆剂(capping agent)和还原剂 的稀溶液。生产纳米颗粒的溶剂可以是水或有机溶剂，例如N，N’ - 二甲基甲酰胺(DMF)。 合成方法大多描述到对于合成纳米颗粒，除去还原剂外，还使用合适的表面包覆剂。已经描 述了为了获得可再分散的纳米颗粒粉末，常常使用有机化合物和聚合物。这些粉末通常利 用物理回火或其它技术如热等离子体处理来进行后处理，以获得更小的颗粒。通过这类方 法得到的表面积通常不超过约20米7克，粒度约为30纳米。尽管这样容易制备低浓度纳米颗粒银的水溶液或有机溶液，但是对于控制银纳米 颗粒粒度和防止颗粒团聚来说仍然难以大规模生产。而且，从在配方杀生物剂、抗微生物和 消毒剂使用银纳米颗粒的重要领域考虑，银纳米颗粒的抗微生物效力是非常重要的，该性 质与纳米颗粒的物理化学性质息息相关。因为按照此方式生产的纳米颗粒通常非常昂贵，所以在聚合物中的应用集中在原 位产生银纳米颗粒。在本领域中已经充分确立了在作为主体材料的聚合物中原位合成银纳 米颗粒的方法。当纳米颗粒被嵌入或包封到聚合物中时，聚合物作为表面包覆剂。聚(乙 烯基醇)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸酯之类的聚合物都是文献中描 述的合适聚合物。但是，在聚合物基质中得到所需形状、反应活性和尺寸分布的零价银仍然面对许 多挑战。而且，重要的挑战仍然存在于该方法中，例如银纳米颗粒在聚合物中的稳定性，以 及防止团聚体形成和最大程度地减少聚合物氧化。因此，在本领域中仍然需要提高银纳米 颗粒的一些特定的物理性质，特别是比表面积性质和/或等电点，以及改善生产银纳米颗 粒的方法。发明概述在第一方面，本发明涉及银纳米颗粒，其中平均粒度与比表面积(BET)的比值为 0. 015-0. 15纳米/米7克，以及/或者银纳米颗粒的等电点为3-7。在另一方面，本发明 涉及银纳米颗粒，该银纳米颗粒与至少20重量％的细菌来源的生物组分结合，所述生物组 分含有至少0. 3重量％的硫(S)。
依据上述说明中任一项的银纳米颗粒可与20-80重量％、例如30-70重量％或 40-60重量％的乳杆菌属生物组分结合。在所述实施方式中，所述生物组分的重量比例可通 过任何定量方法确定，例如但不限于定量能量散射X射线分析。在该实施方式中，银纳米颗 粒可分布在生物组分的细胞被膜或S层或多糖包被(glycocalyx)之上或其内。依据本发明的上述任一实施方式的银纳米颗粒的平均粒度优选为1-8纳米，例如 2-6纳米。依据本发明的上述任一实施方式的银纳米颗粒的比表面积(BET)为30-90米7 克，例如35-85米7克或40-80米7克。在第二方面，本发明涉及生产银纳米颗粒的方法，该方法包括以下步骤(a)在氨和碱金属氢氧化物存在下，温育乳杆菌属的细菌(Lactobacillus)和包 含至少4mM银盐的水溶液，直到形成含Agtl银纳米颗粒的细菌生物质，和任选地，(b)利用浓碱金属氢氧化物或浓无机酸或酶从所述生物质提取所述Ag°银纳米颗 粒。在该方法的优选实施方式中，对用于温育步骤(a)的细菌进行预处理，以增加它 们细胞被膜中富含糖的结构，该预处理例如(但不限于)通过在C/N比至少为10 1的条 件下进行发酵，例如在浓度至少为20克/升、优选大于50克/升的可发酵糖存在下进行发 酵来完成。在该方法的优选实施方式中，通过发酵对用于温育步骤(a)的细菌进行预处理， 直到它们的干重增加至少约200%，例如增加至少300%，该预处理例如在至少约10小时 (例如至少15小时或至少20小时)期间和/或在约4-40°C的温度下进行发酵来完成。在该方法的另一个优选的实施方式中，通过多糖包被、细胞被膜和/或S层的酸水 解来对预处理温育步骤(a)所用的细菌，例如，该预处理通过在超过约35°C的温度下进行 酸水解来完成。在该方法的另一个实施方式中，温育步骤(a)所用细菌可以是益生菌(probiotic bacteria)。该方法的可选或优选实施方式的其它详细描述见所附权利要求书。附图简要说明
图1 通过若干TEM显微照片分析得到的从发酵乳杆菌(Lactobacillus, fermentum)提取的生物纳米银的粒度分布。发明详述与已知产品相比，本发明的银纳米颗粒或通过本发明方法生产的银纳米颗粒出乎 意料地具有增强的抗微生物活性、良好的分散行为和有限的尺寸分布，并且可以高浓度生 产而不需要稳定聚合物或潜在有害的有机分子。这样得到节省成本的生产方法，其中即使 废物流也获得增加的价值。在本发明中，提供银纳米颗粒的生产方法，其中主要组分优选是在高C/N比的特 定条件下生长的经过后处理的生物组分(例如发酵乳杆菌菌株G2/10)。本发明的银纳米 颗粒并不是随意地分布在细菌的细胞容积中，而是可以在细胞的特定部分中找到，这些颗 粒具有不同但明确限定的粒度范围。利用本发明，明确限定的粒度范围可以由最外层的细 胞部分得到，下文称为“多糖包被”或“S层”或“细胞被膜”，例如平均粒度约为3-4纳米， 而在现有技术的方法中，得到较宽的粒度范围，例如对于乳杆菌菌株生产的银纳米颗粒为 15-500纳米。而且，利用本发明方法，每千克(干重)生物组分可以很容易地产生180克胶体银，而在其它生物方法中，该过程的产率要低得多，例如18克/千克。细胞被膜是细胞壁、 细胞膜和外膜(如果存在)的总和。已经发现，本发明方法可用于从多种乳杆菌种生产银 纳米颗粒，这些乳杆菌种包括但不限于发酵乳杆菌(L. fermentum)、短乳杆菌(L. brevis)、 干酪乳杆菌(L. casei)、清酒乳杆菌(L. sakei)、香肠乳杆菌(L. farciminis)和类布氏乳杆 胃(L. parabuchneri)重要的是，用于以下说明性实施方式的益生发酵乳杆菌G2/10可以约10千克(干 重)生物组分/米3的浓度在发酵装置中有效地产生。用最终C源浓度至少为20克/升的可发酵糖，优选大于50克/升，例如80克/升 的葡萄糖在C/N比高于10 1的条件下使生物组分生长，再结合任选的低pH下的水解步 骤以及在用低浓度NaOH培养后对该生物组分进行后处理，由此产生在细菌的多糖包被或S 层或细胞被膜中具有可控尺寸分布的小Ag°纳米颗粒。用于Ag(I)还原的还原剂和用于生 产的纳米颗粒的稳定剂都在皂化的反应混合物内。在Ag+还原过程中不需要加入其它还原 剂，例如葡萄糖。革兰氏阳性乳杆菌种的细菌细胞壁据知含有较厚的肽聚糖层，该层被脂磷壁质 酸(lipoteochoic acids)、磷壁酸、蛋白质和多糖覆盖，然后再依次被含胞内周质磷脂的膜 和细胞质覆盖。肽聚糖是N-乙酰基葡糖胺0 (1 — 4)N-乙酰胞壁酸(N-acetylmaramic acid)，该寡糖是构成细胞壁的长链杂多糖的结构单元(building block)。还存在胞外多糖 包被、粘性多糖或多肽粘液。S层或表面层定义为细胞壁的最外层部分，由蛋白质亚单位的 晶体阵列组成。本发明描述了以高效率生产在细胞被膜、S层或多糖包被内的具有均勻尺寸和 1-8纳米范围内的粒度的银纳米颗粒。该方法的三个重要方面如下所述1.细胞被膜中富糖结构数量增加，得到更厚的生物组分细胞被膜。该目的通过在 至少10 1的高C/N比下进行发酵来实现，例如通过在补充使最终葡萄糖浓度为80克/ 升的丰富培养基中进行培养来实现。该目的可以通过在发酵过程中逐渐或逐级提高C/N比 来实现。2.进一步增加还原糖的相对数量的方法是在加热的同时用低浓度HC1处理生物 组分的稀水溶液，例如用0. IN HC1在60°C进行处理，因为这样使多糖包被或肽聚糖的多糖 和寡糖中的糖苷键发生酸水解，由此在碱性条件下产生更多的具有游离醛基或酮基的还原 糖。还可通过纳入接触低pH条件的步骤而将该步骤任选包括在发酵过程中。可使用含有 Cu(II)0的本内迪克特试剂(Benedict’ s Reagent)测量还原糖的数量。3.在最后一步中，用水洗涤培养的生物组分，用0. 01-0. 03N NaOH进行后处理。通 过与NaOH或其它碱反应，在碱性环境中，细菌细胞壁结构中的还原单糖的异头q原子游离 出来可被Ag+氧化，这是因为围绕异头Q进行了结构重建。还原糖是在碱性条件下可被Ag+ 氧化的糖。发生该反应使游离异头(^醛基或酮基氧化为羧基。在碱性条件下利用Ag+使还 原糖的异头Q醛发生氧化还原反应的例子如下RCH0+30r+2Ag+ = > RC00>2Ag°+2H20 (1)令人惊奇的是，本发明显示通过将溶解在NH3中的AgN03引入按照上文所述生产并 经过后处理的生物组分中，0. 9-7纳米Ag°的纳米颗粒沉积物均勻地分散在多糖包被、细胞 被膜和/或S层上。为了便于引用，多糖包被、细胞被膜和S层总称为外细胞区域(0CC)。生物纳米颗粒在0CC中至少可以稳定3个月，并且可以通过差分提取进行提取。可以用NaOH 提高通过该方法生产这种均勻的Ag°，因为在碱性条件下Ag+被还原糖的氧化得到加强，产 生可氧化的异头醛基或酮基。当酮糖通过烯二醇异构化为醛糖时其也可以是还原糖，如以 下反应所示
权利要求
与20 80重量％乳杆菌属生物组分结合的银纳米颗粒，所述银纳米颗粒的平均粒度与比表面积(BET)的比值为0.015 0.15纳米/米2/克。
2.如权利要求1所述的银纳米颗粒，其特征在于，所述银纳米颗粒的等电点为3-7。
3.如权利要求1或2所述的银纳米颗粒，其特征在于，所述生物组分是益生的。
4.如权利要求1-3中任一项所述的银纳米颗粒，其特征在于，所述银纳米颗粒分布在 所述生物组分的细胞被膜或S层或多糖包被上或分布在所述生物组分的细胞被膜或S层或 多糖包被内部。
5.如权利要求1-4中任一项所述的银纳米颗粒，其特征在于，所述银纳米颗粒的平均 粒度为1-8纳米。
6.如权利要求1-5中任一项所述的银纳米颗粒，其特征在于，所述银纳米颗粒的比表 面积(BET)为30-90米7克。
7.—种生产银纳米颗粒的方法，其包括以下步骤在氨和碱金属氢氧化物存在下，用 包含至少4mM银盐的水溶液温育乳杆菌属的细菌，直到形成含Ag°银纳米颗粒的细菌的生 物质。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤利用浓碱金属氢 氧化物或浓无机酸或酶从所述生物质提取所述Ag0银纳米颗粒。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，用于温育步骤的细菌已经经过预处理以 使它们细胞被膜中的富糖结构增多。
10.如权利要求7-9中任一项所述的方法，其特征在于，用于温育步骤的细菌已经通过 在至少10 1的C/N比下进行发酵而得到预处理。
11.如权利要求7-10中任一项所述的方法，其特征在于，用于温育步骤的细菌已经通 过在至少20克/升、优选大于50克/升浓度的可发酵糖存在下进行发酵而得到预处理。
12.如权利要求7-11中任一项所述的方法，其特征在于，用于温育步骤的细菌已经通 过发酵直到它们的干重增加至少200%而得到预处理。
13.如权利要求7-12中任一项所述的方法，其特征在于，用于温育步骤的细菌已经通 过发酵至少10小时而进行了预处理。
14.如权利要求7-12中任一项所述的方法，其特征在于，用于温育步骤的细菌已经通 过在4-40°C的温度进行发酵而进行了预处理。
15.如权利要求7-13中任一项所述的方法，其特征在于，用于温育步骤的细菌已经通 过对多糖包被、细胞被膜和/或S层进行酸水解而得到预处理。
16.如权利要求7-15中任一项所述的方法，其特征在于，用于温育步骤的细菌已经通 过在超过35°C的温度进行酸水解而进行了预处理。
17.如权利要求8-16中任一项所述的方法，其特征在于，所述提取步骤进行至少5分钟。
18.如权利要求7-17中任一项所述的方法，其特征在于，所述浓碱金属氢氧化物是氢 氧化钠0. 01N-2. ON(优选0. 5-2. ON)，所述提取步骤(b)在至少70°C的温度下进行。
19.如权利要求8-17中任一项所述的方法，其特征在于，所述浓无机强酸是硫酸 1N-10N，所述提取步骤在至少0°C的温度下进行。
20.如权利要求8-19中任一项所述的方法，其特征在于，所述提取步骤在不超过100°C的温度下进行。
21.如权利要求7-20中任一项所述的方法，其特征在于，所述温育步骤进行至少1小时。
22.如权利要求7-21中任一项所述的方法，其特征在于，所述温育步骤在10-40°C的温 度下进行。
23.如权利要求7-22中任一项所述的方法，其特征在于，所述温育步骤在无外加的还 原剂或包覆剂(例如表面活性剂)存在下进行。
24.如权利要求8-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述提取步骤还包括对所述 提取的Ag°银纳米颗粒的浆液进行离心或过滤。
25.如权利要求8-24中任一项所述的方法，其特征在于，所述提取步骤产生(i)第一 银纳米颗粒部分，该部分的平均粒度为1-8纳米，与所述细菌的细胞被膜或多糖包被和/或 S层结合；和(ii)第二银纳米颗粒部分，该部分的平均粒度为20-200纳米，与所述细菌的 细胞质结合。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，该方法还包括分离所述第一部分(i)与所 述第二部分(ii)的步骤。
27.如权利要求25或26所述的方法，其特征在于，所述第一部分(i)与所述第二部分 (ii)的重量比大于1 1。
28.如权利要求25-27中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二部分(ii)作为导电 油墨或催化剂的组分引入。
29.如权利要求25-28中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一部分(i)和/或所 述第二部分(ii)作为抗微生物组合物的组分引入。
30.一种通过如权利要求8-29中任一项所述的方法生产的银纳米颗粒部分。
31.一种抗微生物组合物，其包含有效量的如权利要求1-6中任一项或权利要求30所 述的银纳米颗粒。
32.如权利要求31所述的抗微生物组合物，其特征在于，所述组合物还包含一种或多 种其它抗微生物剂。
33.如权利要求31或32所述的抗微生物组合物，其特征在于，所述银纳米颗粒与沸石 或C盐结合。
34.如权利要求1-6中任一项或权利要求30所述的银纳米颗粒在制备具有抗微生物活 性的制品或组合物中的应用。
35.如权利要求34所述的应用，其特征在于，有效量的所述银纳米颗粒分散或浸渍到 所述制品或组合物中。
36.一种制备具有抗微生物活性的制品或组合物的方法，该方法包括将如权利要求 1-6中任一项或权利要求30所述的银纳米颗粒分散或浸渍到所述制品或组合物中。
37.一种具有抗微生物性质的制品，该制品包含分散在其中的如权利要求1-6中任一 项或权利要求30所述的银纳米颗粒。
38.如权利要求37所述的制品，其特征在于，所述银纳米颗粒与沸石或C盐结合。
全文摘要
本发明揭示了与20-80重量％乳杆菌属生物组分结合的银纳米颗粒，所述银纳米颗粒的平均粒度与比表面积(BET)的比值为0.015-0.15纳米/米2/克；生产银纳米颗粒的方法，包括以下步骤在氨和碱金属氢氧化物存在下，用包含至少4mM银盐的水溶液温育乳杆菌属的细菌，直到形成含Ag0银纳米颗粒的细菌的生物质，和任选地利用浓碱金属氢氧化物或浓无机酸或酶从所述生物质提取所述Ag0银纳米颗粒；包含有效量所述银纳米颗粒的抗微生物组合物；所述银纳米颗粒在制备具有抗微生物活性的制品或组合物中的应用；制备具有抗微生物活性的制品或组合物的方法，包括将所述银纳米颗粒分散或浸渍到所述制品或组合物中；其中分散有所述银纳米颗粒的具有抗微生物性质的制品。
文档编号A01N25/08GK101977509SQ200980101772
公开日2011年2月16日 申请日期2009年1月2日 优先权日2008年1月4日
发明者M·冯温博克, N·布恩, W·德温特, W·韦斯特雷特 申请人:詹森药业有限公司