唐曉山 李 達(dá)

1(湛江師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理部，湛江 524048)

2(湛江師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湛江 524048)

引言

目前，抗菌劑的研究被廣為關(guān)注，半導(dǎo)體光催化劑已成為抗菌技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究的光催化劑主要包括 TiO2、ZnO、WO3、CdS、和 Fe2O3等，TiO2催化劑由于化學(xué)穩(wěn)定性高，催化性強(qiáng)，制備成本低，對(duì)人體安全無(wú)害等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于殺菌、凈化空氣和降解有機(jī)物等方面[1-3]。但 TiO2催化劑的電子-空穴對(duì)容易發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致其光催化效率較低;同時(shí)其較寬的帶隙(約3.2 eV)只能在紫外光區(qū)顯示光化學(xué)活性，對(duì)太陽(yáng)能的利用率低。為了提高其催化效率及光譜響應(yīng)范圍，人們采用了多種方法和手段來(lái)加以改善，其中TiO2的納米化及金屬離子摻雜已被證實(shí)為行之有效的方法。納米化使得單位質(zhì)量的粒子數(shù)增多，比表面積增大;同時(shí)產(chǎn)生量子化效應(yīng)，成為量子化粒子，使空穴 -電子對(duì)具有更強(qiáng)的氧化-還原能力，也使半導(dǎo)體獲得更大的電荷遷移速率，空穴與電子復(fù)合的幾率明顯減小，這些都利于提高光催化效率[4-5]。金屬離子摻雜可以在TiO2的能帶中引入雜質(zhì)能級(jí)，使能量較小的光子能激發(fā)摻雜能級(jí)上捕獲的電子和空穴，使TiO2的吸收帶邊紅移，拓展了光譜響應(yīng)范圍，可以更有效地利用太陽(yáng)能[6-8]。金屬銀作為一種常用摻雜物其本身也具有較強(qiáng)的殺菌性能，銀離子能通過(guò)吸附微生物，使微生物細(xì)胞中起呼吸作用的酶失去功效，從而達(dá)到殺菌作用。

考慮到雙重殺菌的特點(diǎn)，本研究采用射頻反應(yīng)濺射法在普通玻璃上制備了負(fù)載牢固的銳鈦礦型納米TiO2抗菌薄膜，然后利用離子濺射法在 TiO2納米薄膜表面制得銀包覆TiO2復(fù)合覆膜，并在真空中進(jìn)行退火處理。通過(guò)XRD和SEM對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)及微觀形貌進(jìn)行研究，并對(duì)其光催化殺菌性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 材料和方法

1.1 銀包覆TiO2納米薄膜的制備及表征方法

采用超高真空多靶磁控濺射系統(tǒng)制備的TiO2薄膜。靶材是純度99.999%(直徑為60 mm)的高純金屬鈦，襯底與靶之間的距離為60 mm。襯底為普通玻璃片，實(shí)驗(yàn)前分別利用丙酮，無(wú)水乙醇，去離子水超聲清洗，熱空氣吹干。根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，襯底溫度設(shè)定為200℃，射頻源頻率為13.56 MHz，輸出功率為250 W。工作氣體為氧氣(99.999%)和氬氣(99.999%)。反應(yīng)室本底真空為1×10-4Pa，反應(yīng)濺射前，先旋轉(zhuǎn)擋板遮住基片，利用氬等離子體清洗靶材上的污染物，氬氣的流量為20 sccm，氣壓為1.2 Pa。30 min后，通入氧氣20 sccm，反應(yīng)室真空度控制為2 Pa，進(jìn)行反應(yīng)濺射，反應(yīng)濺射時(shí)間為25 min。以純度為99.999%銀作為靶材料，利用日立E-1010離子濺射儀對(duì)制備的TiO2納米薄膜進(jìn)行離子濺射，真空度為5 Pa，濺射電流控制在16 mA，反應(yīng)濺射時(shí)間為30 s。為了增強(qiáng)銀與TiO2的相互結(jié)合，將制備的樣品在真空中500℃退火2 h。采用同樣的方法在普通玻璃片上制得金屬銀薄膜。

利用X射線衍射儀(Rigaku D/Max-IIIC)和掃描電子顯微鏡(Philips XL-30)表征銀包覆 TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)特征和表面形貌。

1.2 光催化殺菌性能測(cè)試

1.2.1 培養(yǎng)基的制備

稱(chēng)取牛肉膏 2 g、瓊脂 8 g、蛋白胨 4 g、NaCl 2 g、蒸餾水 400 mL置于燒杯中，加熱溶解后，用0.1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)p H值為7.0～7.2，分裝后置壓力蒸汽滅菌器內(nèi)，121℃滅菌 30 min，倒平板后備用。

1.2.2 TiO2納米薄膜殺菌實(shí)驗(yàn)步驟

配置初始菌液濃度為(5.0～10.0)×107cfu/mL的金黃色葡萄球菌(ATCC6538)和大腸桿菌(ATCC25922)菌懸液各150 mL，分別取40 mL金黃色葡萄球菌菌懸液裝于4個(gè)燒杯中。將載有空白玻璃片、純TiO2納米薄膜、金屬銀薄膜和銀包覆 TiO2納米薄膜的菌懸液分別記錄為 S1、S2、S3和 S4，所有樣品尺寸均為30 mm×30 mm。將4個(gè)燒杯置于功率為40 W、主波長(zhǎng)為404.7 nm的近紫外燈下照射，每隔5 min對(duì)燒杯中的菌懸液進(jìn)行攪拌;分別提取經(jīng)紫外光照射10 min時(shí)的菌懸液平板涂布后放入(37±1)℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，觀察菌落生長(zhǎng)情況。

將培養(yǎng)后的菌液稀釋100倍，采用顯微鏡直接計(jì)數(shù)法對(duì)S1、S2、S3和 S4的菌液進(jìn)行計(jì)數(shù)，為確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值，并通過(guò)下式計(jì)算出殺菌率。

式中，P為S1活菌數(shù)，Q為S2、S3和S4的活菌數(shù)。

大腸桿菌的殺菌實(shí)驗(yàn)步驟同上，將載有空白玻璃片、純TiO2納米薄膜、金屬銀薄膜和銀包覆 TiO2納米薄膜的菌懸液分別記錄為S5、S6、S7和S8。

2 結(jié)果

2.1 XRD分析

圖1是銀包覆前后樣品的XRD圖譜。從圖譜中可以看到，未包覆的 TiO2薄膜在 2θ=27.44°、39.28°和54.32°處出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射峰，它們分別對(duì)應(yīng)于銳鈦礦TiO2的 (110)、(200)和(211)衍射峰。說(shuō)明在該制備條件下，由于射頻功率較大，等離子體中含有充分的活性氧，可以生成銳鈦礦型TiO2多晶薄膜[9]。在銀包覆后的TiO2薄膜的XRD圖譜中出現(xiàn)了明顯的金屬銀的衍射峰，說(shuō)明在樣品的表面有金屬銀成分。而銳鈦礦的衍射峰依然很強(qiáng)，這說(shuō)明金屬銀沒(méi)有全部包覆TiO2顆粒，這是由于樣品表面是由TiO2顆粒組成，短時(shí)間的離子濺射不會(huì)全部包覆TiO2顆粒，這是選用離子濺射的優(yōu)點(diǎn)。

為了提高薄膜質(zhì)量，改善殺菌能力，對(duì)樣品進(jìn)行真空退火處理。圖2是銀包覆樣品在退火前后的XRD圖譜。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，退火后的金屬銀的衍射峰強(qiáng)度明顯降低，這說(shuō)明金屬銀與TiO2顆粒發(fā)生結(jié)合，向樣品的內(nèi)部擴(kuò)散。

圖1 銀包覆前后的TiO2薄膜的XRD圖譜Fig.1 XRD spectra of as-grown rf sputtering film and after Ag ions sputtering

圖2 銀包覆TiO2薄膜退火前后的XRD圖譜Fig.2 XRD spectra of the Ag ions sputtering samples before and after annealing

2.2 薄膜表面形貌表征

圖3和圖4給出了銀包覆TiO2納米薄膜退火前后SEM圖像。從圖中可以看出，薄膜的表面顆粒均勻，直徑在30～80 nm之間，屬于納米級(jí)。顆粒間距較大，薄膜的致密性比較差。如果把這樣的薄膜作為光電材料來(lái)使用，質(zhì)量是很差的，但是作為光催化殺菌材料，表面稀疏可以增大和細(xì)菌的接觸面積，提高殺菌性能。顆粒大小不一，由于量子尺寸效應(yīng)，可以擴(kuò)大光學(xué)帶隙范圍，提高光譜響應(yīng)能力。退火后，薄膜表面的變化不是很明顯，在表面的下層，致密度有所提高，這樣可以提高薄膜與襯底的粘附性。

2.3 薄膜光催化殺菌性能測(cè)試

圖3 銀包覆TiO2納米薄膜退火前的SEM圖像Fig.3 SEM image of TiO2 thin films before annealing

圖4 銀包覆TiO2納米薄膜退火后的SEM圖像Fig.4 SEM image of TiO2 thin films after annealing

圖5為金黃色葡萄球菌菌懸液S1、S2、S3和 S4平板涂布后菌落生長(zhǎng)情況。每個(gè)濃度的菌懸液做3次平行實(shí)驗(yàn)，同一濃度的4個(gè)培養(yǎng)皿上的細(xì)菌均保持較好的重復(fù)性。從圖5(a)可以看出，空白玻璃所在的菌懸液經(jīng)近紫外光照射的菌落布滿(mǎn)整個(gè)培養(yǎng)皿，呈圓形向四周擴(kuò)展，菌落間隙小，部分已相互融合，并與近紫外光照射前的菌落對(duì)比無(wú)明顯改變，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)所用近紫外光自身殺菌能力不強(qiáng)，不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖5(b)可以看到，樣品S2菌懸液經(jīng)過(guò)10 min照射后菌落明顯變少，散布在培養(yǎng)皿上，菌落間隙較大，由于相互間無(wú)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)，菌落體積較大，其數(shù)量較樣品 S1減少明顯，說(shuō)明純TiO2薄膜具有一定的殺菌作用;圖5(c)反映出同圖5-b相似的結(jié)果，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)中銀金屬薄膜對(duì)金黃色葡萄球菌的殺菌性能和純TiO2薄膜差不多;從圖5(d)可以看出，銀包覆的 TiO2復(fù)合薄膜的菌落數(shù)量明顯減少，菌落體積進(jìn)一步增大，這說(shuō)明該薄膜具有優(yōu)良的殺菌能力。

圖6為大腸桿菌菌懸液S5、S6、S7和S8平板涂布后菌落生長(zhǎng)情況。其結(jié)果同金黃色葡萄球菌類(lèi)似。

圖5 不同殺菌處理后金黃色葡萄球菌菌落圖。(a)沒(méi)有樣品;(b)TiO2樣品;(c)銀薄膜樣品;(d)銀包覆TiO2樣品Fig.5 The photocatalytic sterilizing capability to staphylococcus aureus of the films.(a)no sample;(b)TiO2 nano thin film;(c)Ag thin film;(d)Ag-Coated TiO2 nano thin film

圖6 不同殺菌處理后大腸桿菌菌落圖。(a)沒(méi)有樣品;(b)TiO2樣品;(c)銀薄膜樣品;(d)銀包覆TiO2樣品Fig.6 The photocatalytic sterilizing capability to escherichia coli of the films.(a)no sample;(b)TiO2 nano thin Film;(c)Ag thin Film;(d)Ag-Coated TiO2 nano thin Film.

表1為各樣品的活菌數(shù)及計(jì)算得到的殺菌率。經(jīng)紫外光催化10 min后，純 TiO2納米薄膜與空白玻璃片相比，對(duì)金黃色葡萄球菌的殺菌率達(dá)到71.43%，對(duì)大腸桿菌的殺菌率達(dá)到了73.08%;Ag薄膜對(duì)金黃色葡萄球菌的殺菌率達(dá)到69.64%，對(duì)大腸桿菌的殺菌率達(dá)到了75.64%;Ag包覆TiO2納米薄膜對(duì)金黃色葡萄球菌的殺菌率達(dá)到91.25%，對(duì)大腸桿菌的殺菌率達(dá)到了93.21%。由此可以看出，Ag包覆TiO2納米薄膜對(duì)日常生活中常見(jiàn)的金黃色葡萄球菌等細(xì)菌具有良好的殺菌作用。

表1 各樣品的活菌數(shù)及殺菌率Tab.1 The viable count and sterilize rate of the samples

3 討論和結(jié)論

TiO2的殺菌機(jī)理是利用光催化反應(yīng)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)的強(qiáng)氧化-還原能力。TiO2的納米化及金屬離子摻雜均能提高其光催化殺菌能力。本實(shí)驗(yàn)采用的射頻反應(yīng)濺射法工藝簡(jiǎn)單，結(jié)晶質(zhì)量好，顆粒大小均勻，與襯底粘附性強(qiáng)，能有效提高TiO2顆粒的比表面積以及產(chǎn)生量子化效應(yīng)，從而提高其光催化能力。金屬銀(Ag)本身能通過(guò)吸附微生物，阻礙微生物細(xì)胞的呼吸功能達(dá)到殺菌作用;其次，從 Ag離子的能級(jí)、電子構(gòu)型以及價(jià)態(tài)來(lái)分析，都適合作為一種有效的摻雜物。離子濺射鍍Ag法能使Ag離子均勻分布于納米TiO2薄膜上，顆粒大小均勻、不產(chǎn)生團(tuán)聚，從而充分發(fā)揮其自身殺菌作用;其次，通過(guò)對(duì)離子濺射功率、時(shí)間的控制及真空退火處理，使得金屬銀與 TiO2顆粒充分、均勻地結(jié)合，并向樣品的內(nèi)部擴(kuò)散，充分發(fā)揮其捕獲導(dǎo)帶上電子和價(jià)帶上空穴的能力，降低電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率，進(jìn)一步提高光催化性能。目前，人們對(duì)TiO2的金屬離子摻雜改性及光催化性能進(jìn)行了大量的研究工作，但摻雜改性后TiO2的光量子效率仍然偏低，并且不能有效的利用太陽(yáng)光作為光源，只能借助波長(zhǎng)僅為300～400μm范圍內(nèi)的近紫外光。影響光催化殺菌的因素比較復(fù)雜，機(jī)理尚不完全清楚，對(duì)整個(gè)降解過(guò)程缺乏中間降解產(chǎn)物和活性物質(zhì)的鑒定，因此，對(duì)于摻雜TiO2光催化的機(jī)理仍需作進(jìn)一步的研究。

采用射頻反應(yīng)濺射法在玻璃襯底上制得TiO2納米薄膜，通過(guò)Ag離子濺射法制得銀包覆 TiO2納米復(fù)合薄膜。射頻功率為250 W時(shí)，銀摻雜薄膜表面光滑平整、透明，呈淡藍(lán)色;由銳鈦礦型 TiO2納米微粒構(gòu)成，其微粒大小在30～80 nm左右。采用細(xì)菌涂布培養(yǎng)法對(duì)銀摻雜TiO2納米薄膜的光催化殺菌性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明銀摻雜TiO2納米復(fù)合薄膜在光催化殺菌范圍、速度及效率上明顯高于純TiO2納米薄膜及銀薄膜;對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在10 min內(nèi)的殺菌率均達(dá)到90%以上，這為進(jìn)一步提高TiO2納米薄膜的光催化活性提供了新的途徑。

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