TiO2 /ZnO 复合材料的制备及其在不同条件下的抗菌性能研究论文
1 引言
氧化物抗菌材料具有化学性质稳定、广谱抗菌、对人体无毒副作用、原料来源丰富等优点，是应用最广泛的抗菌材料类别之一。TiO2是氧化物抗菌材料的典型代表，但其对太阳光的利用率低，在通常光照条件下的其抗菌效果十分有限，在黑暗环境中甚至会丧失抗菌性能。近年来，人们发现将TiO2与具有不同禁带宽度的氧化物复合能够取得更好的抗菌性能。例如纳米TiO2-SiO2薄膜具有光催化抗菌性能，材料中TiO2和SiO2的相对比例对抗菌性能有显著影响。在高温条件下制备出来的CuO/TiO2纳米纤维材料具有优异良好的光催化性及抗菌性能，能够抑制肺炎克雷伯氏菌的生长，这主要得益于CuO 和TiO2的组合协同作用。也有研究者通过溶胶凝胶法或煅烧热处理制备了TiO2 /ZnO 复合纳米颗粒，它对大肠杆菌具有一定灭活作用。由于TiO2 /ZnO 性质稳定，且原材料广泛易得，在抗菌方面具有良好的应用前景。但目前对于这种材料的研究还不够深入，对其抗菌性能的描述很多仅停留在定性阶段，采用的抗菌测试手段也比较单一，且未深入考察材料在不同环境条件下抗菌性能的差异。
本文采用水热合成法制备出TiO2 /ZnO 复合材料，采用抑菌环试验和菌液接触试验对复合材料的抗菌性能进行综合分析，并通过模拟可见光照射和黑暗条件，着重考察光照和温度对TiO2 /ZnO 复合材料抗菌性能的影响。
2 实验
2. 1 材料与方法
2. 1. 1 TiO2 /ZnO 复合材料的制备
称取1 g TiO2粉末与6 g 的Zn(NO3)2·6H2O，加入到40 mL，5 mol /L NaOH 溶液中，混合均匀，80 ℃下搅拌反应12 h 后自然冷却至室温，4 000 r /min 离心(美国Thermo 公司Biofuge Stratos 型) 后收集沉淀，用蒸馏水、乙醇、蒸馏水依次洗涤沉淀并离心收集。60 ℃干燥12 h 得到干粉状TiO2 /ZnO 复合材料。
2. 2 材料的表征
利用X 射线粉末衍射仪(德国Bruker 公司D8 Advance型)对TiO2原料和制备出的TiO2 /ZnO 复合材料进行X 射线衍射图谱测定(XRD)，以Cu 靶Kα 线为辐射源，加速电压和应用电流分别为40 kV 和40 mA，扫描范围10 ～ 90°。利用带有X 射线能谱分析( engergydispersive X-ray spectrum，EDX) 的冷场发射扫描电子显微镜(SEM，日本JEOL 公司JSM - 6700F 型)进行样品微观形貌分析，分析时加速电压为5 kV。分别将0.05 g TiO2和TiO2 /ZnO 复合材料粉末分散在含0. 1%吐温-80 超纯水中，超声波混匀后在激光粒径分布测定仪(美国贝克曼库尔特LS230 /SVM + 型)上测定粒径。
2. 3 材料的抗菌性能测试
抑菌环试验:取适量样品，使用压片机(日本Shimadzu公司S72-120KN 型)，将TiO2、ZnO、TiO2 /ZnO粉末分别压片，制得的圆形压片直径为15 mm。选取大肠杆菌ATCC25922 为受试菌种，挑取单菌落大肠杆菌，加入到NaCl 溶液中，制成0. 5 麦氏浊度的菌悬液。使用无菌棉签将菌悬液均匀地涂布在营养琼脂平板上，然后将压片贴在营养琼脂上，置于智能人工气候箱(宁波海曙赛福试验仪器厂PRX-250C 型)中恒温35 ℃培养18 h 进行观察，如果在压片周围出现无菌落生长的圆形区域即抑菌环，用游标卡尺测量抑菌环的直径。采用日光灯设置光照条件，光照度为17 600 lux。
菌液接触试验:将大肠杆菌ATCC25922 接种于LB 肉汤中，(37 ± 1) ℃，200 r /min 振荡培养，培养14 h，用磷酸盐缓冲液反复冲洗，使用10 000 r /min的离心机中离心获得细菌，用0. 03 mol /L 磷酸盐缓冲液稀释至获得适宜浓度(约为105 CFU/mL)的菌悬液，于4 ℃保存备用，4 h 内进行抗菌性能测试。
称取TiO2粉末和TiO2 /ZnO 粉末各(0. 5 ± 0. 05) g，分别放入灭菌的三角烧瓶中，加入95 mL 含0. 1% 吐温-80 的磷酸盐缓冲液混匀，再加入5 mL 菌悬液，(37 ± 1) ℃，150 r /min振荡培养4 h，采用不具有杀菌作用的SiO2粉末为对照样品。对照样品和试验样品经适当稀释后分别取1. 0 mL 接种于营养琼脂平板，培养48 h 后进行菌落计数，从而获得对照样品和试验样品中的细菌数量，两者的差值与对照样品细菌数量之比值即为除菌率。
将振荡培养温度分别控制在4，20 和30 ℃，采用菌液接触试验考察TiO2 /ZnO 复合材料在不同温度下的抗菌性能。
3 结果与讨论
3. 1 TiO2 /ZnO 复合材料的晶相组成和粒径分布
从衍射峰来看，所使用的TiO2原料为锐钛矿相(Anatase)和金红石相(Rutile)。且在2θ 为25. 3°出现了锐钛矿相的最强特征衍射峰。其中(a)为TiO2结构索引卡片No. 21-1272 和No. 22-0502 衍射图谱的衍射峰位置与强度，( b) 为ZnO 结构索引卡片No. 36-1451 衍射图谱的衍射峰位置与强度，( c) 为所合成的TiO2 /ZnO 复合材料的衍射图谱，由TiO2 /ZnO复合材料的XRD可知复合材料在25. 32，31. 75，34. 43，36. 23，47. 53，47. 95，56. 56，62. 85 和67. 84°出现了2θ 的衍射峰，TiO2 /ZnO 复合材料中相对于衍射的位置强度与A、B 相吻合，TiO2 /ZnO 复合材料中TiO2为锐钛矿相和金红石相，晶相在制备过程中没有发生变化;所得的ZnO 为六方纤锌矿结构，没有其它杂质峰。TiO2粉末和TiO2 /ZnO 复合材料的粒径分布特征如表1 所示，两者的粒径中位数分别为1. 411 和1. 504 μm。由此可见，通过水热合成法制得的TiO2 /ZnO复合材料实现了锐钛矿相和金红石相TiO2与六方纤锌矿结构ZnO 的异质结合，但颗粒尺寸变化不大。
3. 2 复合材料的表面形貌和元素组成分析
从2 000 倍放大的图像上可以看出TiO2 /ZnO 复合材料的粒子尺寸较TiO2略大，表面也更粗糙。在30 000倍放大的图像上可以清楚的看到TiO2 /ZnO 复合材料的`表面存在细小的片状结构，而TiO2粒子的表面则无此结构。这种片状结构的存在与否，是TiO2 /ZnO 复合材料和TiO2在微观表面形貌上的主要区别。EDX 分析的结果说明了TiO2 /ZnO 复合材料的元素组成，其中只含有Ti、Zn、O 3 种元素，其中Ti、O、Zn的质量分数分别为48. 29%，33. 17%，18. 54%，原子分数分别为29. 96%，61. 61% 和8. 43%。从TiO2 /ZnO 复合材料的EDX 图可见，复合材料由Ti、O、Zn 3 种元素组成，无其它杂质元素。结合XRD 的表征结果，可以确认复合材料含有TiO2和ZnO。TiO2 /ZnO复合材料的表面存在细小的片状结构说明了TiO2粒子和Zn(NO3)2·6H2O 在NaOH 的作用下发生了一系列的反应，使得TiO2和ZnO 发生了异质结合。这种结合产物的形貌可能具有多样性，曾有报道获得过纳米级花瓣状的TiO2 /ZnO 复合材料。
3. 3 TiO2 /ZnO 复合材料的抗菌性能
从抑菌环试验的结果上看，在黑暗和光照条件下，TiO2和ZnO 压片周围均未出现明显的抑菌区域，而TiO2 /ZnO 复合材料则抑菌效果显著，其抑菌环直径分别为17 和22 mm，说明在光照条件下该复合材料的抗菌性能更强。菌液接触试验的结果进一步表明了TiO2 /ZnO 复合材料在抗菌性能较TiO2上有显著提升。在黑暗和光照条件下，TiO2 /ZnO 复合材料与菌悬液接触4 h 后，其除菌率分别为99. 9% 和99. 99%，而同样条件下的TiO2粉末的除菌率却仅为17. 0%和19. 7%。TiO2 /ZnO 复合材料杀菌更快，随着接触时间延长，除菌率快速上升，与菌液接触2 h 后除菌率即达到96. 4%左右。黑暗和光照条件下TiO2 /ZnO 复合材料的除菌率差别主要体现在最初的阶段。在试验开始后的0. 5 h，光照条件下复合材料的除菌率为17. 0%，而黑暗条件下的仅为8. 5%;在1 h，光照条件下复合材料的除菌率为32. 2%，较黑暗条件下的除菌率(22.6%)提高了42. 5%。结果说明光照有利于提高TiO2 /ZnO 复合材料的初期除菌率，这对于TiO2 /ZnO 复合材料的应用具有重要的指导意义。上述试验充分证明了TiO2 /ZnO 复合材料的抗菌性能明显优于TiO2。从组成形式上来看该材料属于TiO2和ZnO 这两种半导体的复合，由于二者存在能级差，可以促使电荷有效分离，在光照条件下能够加速产生具有极强氧化活性的超氧离子(O -2) 和羟基自由基(·OH)，氧化分解构成细菌的有机成分，从而发挥杀菌作用。ZnO 成分的引入对该复合材料在黑暗条件下的杀菌作用起到了突出的贡献。目前研究者普遍认为H2O2是ZnO 产生抗菌性能的主要物质，即使在黑暗条件下，从ZnO 的浆液中仍然能够检出H2O2，因此TiO2 /ZnO 复合材料在黑暗条件下仍有较高的抗菌性能。此外，TiO2 /ZnO 复合材料的表面存在细小呈片状结构，这种具有较大比表面积的片状结构有利于增大与细菌的接触面积、提高H2O2产量，也是该复合材料具有良好抗菌性能的重要原因。TiO2和SiO2没有较高的溶出性，因此它们的压片在抑菌环试验中均未产生明显的抑菌环，而其粉体材料在菌液接触试验中却表现出一定的抗菌活性能。
3. 4 温度对TiO2 /ZnO 复合材料抗菌性能的影响，TiO2 /ZnO 复合材料的除菌率随接触时间的延长而增加
在4 ～ 30 ℃范围内，温度越高，在相同的初期短期接触时间内的除菌率越高。例如，菌液接触1. 5 h 后，TiO2 /ZnO 复合材料在30 ℃下的除菌率为74. 1%，而在4 和20 ℃条件下的除菌率分别为46. 6%和57. 8%。然而，在菌液接触试验4 h，3种温度下的复合材料除菌率均达到95% 以上。较高温度对TiO2 /ZnO 复合材料抗菌性能有促进作用，其原因可能是在较高温度下TiO2 /ZnO 复合粒子的活性高，超氧离子和羟基自由基的产生速率加快，从而加速了对细菌的灭活效率。
4 结论
(1) 利用水热法在较低温度下制备出的TiO2 /ZnO 复合材料的晶相组成为锐钛矿相、金红石相和六方纤锌矿相，其表面存在细小的片状结构。
(2) TiO2 /ZnO 复合材料的抗菌性能明显优于TiO2，在光照条件下可对大肠杆菌产生直径22 mm 的抑菌环，菌液接触试验4 h 除菌率可达100%。
(3) 光照有利于提高TiO2 /ZnO 复合材料的初期除菌率，但其在黑暗和光照条件下最终的除菌率几乎没有差别;在4 ～ 30 ℃ 范围内，较高温度对TiO2 /ZnO 复合材料抗菌性能有促进作用。
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