胡亞微， 賀惠蓉， 張弘弛， 馬養(yǎng)民， 顧 鑫

(1.陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點實驗室， 陜西 西安 710021； 2.太倉中化環(huán)?；び邢薰?， 江蘇 太倉 215433)

0 引言

半導(dǎo)體氧化鋅是一種新型多功能無機材料，因其獨特的物理、化學(xué)和生物特性，受到廣泛關(guān)注并且應(yīng)用到很多方面[1,2]，尤其是它在光、電、力、磁、介電、催化和紫外屏蔽等方面表現(xiàn)出許多特殊性能，使其在橡膠、陶瓷、化工、電子、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.由于氧化鋅的抗菌特性，對皮膚有消炎、防皺、收斂和保護等功能，臨床上常將其作為皮膚的外用藥物，亦有些被應(yīng)用到牙科材料中，如復(fù)合樹脂、義齒等[3].

在眾多氧化物以及非氧化物半導(dǎo)體的光催化性能中，TiO2在光腐蝕和化學(xué)腐蝕方面表現(xiàn)出的生化惰性、強氧化性、成本低以及長期穩(wěn)定性被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境保護[4-6].TiO2及很多其他光催化半導(dǎo)體材料在水處理、空氣凈化以及太陽能轉(zhuǎn)換等方面得到了廣泛的應(yīng)用[7].

ZnO/TiO2復(fù)合材料在日光中產(chǎn)生的自清潔、除臭、抗菌等功能更是受到了廣泛的關(guān)注[8-10].在抗菌方面活性氧物質(zhì)例如·OH、·O2H、·O2-以及H2O2被認為是關(guān)鍵物質(zhì).在本文中，通過溶膠凝膠技術(shù)合成ZnO/TiO2復(fù)合粒子，研究TiO2的引入對ZnO抑菌性能的影響，通過對苯二甲酸的熒光光譜驗證粒子表面所產(chǎn)生的·OH是抑菌性能的活性物質(zhì).

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

(1)制備ZnO化學(xué)試劑為：Zn(NO3)2·6H2O(AR，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)；鈦酸四丁酯(AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)；無水乙醇(AR，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠)；冰醋酸(AR，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)；去離子水.

(2)指示菌株及來源：革蘭氏陰性菌：大腸桿菌(Escherichiacoli)、綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa),以上菌種由陜西科技大學(xué)生命學(xué)院微生物實驗室提供.

(3)培養(yǎng)基主要成分及菌懸液使用試劑見文獻[13].

(4) 熒光分析所需試劑：對苯二甲酸(AR，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)；NaOH(AR，國藥集團化學(xué)試劑有限公司).

(5)樣品表征：ZnO粉末的物相組成和晶型結(jié)構(gòu)采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的D/Max-3c型X射線粉末衍射儀(XRD)(銅靶，電壓40 kV，電流35 mA，掃描范圍：20～80 °)進行表征；薄膜的表面形貌通過日本JOEL公司生產(chǎn)的JSM-6700F冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，加速電壓15 kV，電流10μA)進行觀察；·OH檢測使用日本HITACHI公司生產(chǎn)的F-4600熒光光譜儀進行表征.

1.2 實驗方法

1.2.1 ZnO/TiO2的制備

取0、1.2 mL鈦酸四丁酯(Ti(OBu)4)在強烈攪拌下分別加入20 mL無水乙醇中，混合均勻后，緩慢滴加4 mL去離子水、5 mL冰醋酸，并保持攪拌40 min，得到溶液a.對應(yīng)鈦酸四丁酯加入量分別稱取9.60、9.10 g六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)分別溶于35 mL無水乙醇中，攪拌0.5 h得到溶液b.將溶液b緩慢分別滴加入相應(yīng)的溶液a中，室溫攪拌8～10 h，得到TiO2摻雜量為0%、10%(摩爾分數(shù)，下同)的溶膠.

將上述溶膠于120 ℃烘箱干燥后，放入馬弗爐中以16 ℃·min-1的升溫速度升至500 ℃，并保溫2 h，自然冷卻后取出、研磨，得到TiO2含量為0%和10%的ZnO/TiO2復(fù)合粒子.

1.2.2 抗菌實驗

1.2.2.1 供試樣品的制備

取一定量ZnO/TiO2復(fù)合粒子，在無菌條件下超聲分散于無水乙醇中，將已滅菌濾紙片浸入到樣品的懸浮液中，靜置.無水乙醇完全揮發(fā)后，在濾紙片上自然沉積得到供抗菌試驗的ZnO/TiO2樣品.

1.2.2.2 菌懸液的制備及抗菌性能測試

按照文獻[11]中的方法制備菌懸液并進行抗菌性能測試.無菌條件下，取冷凍保藏的各測試菌種各接種于營養(yǎng)瓊脂斜面培養(yǎng)基上，于恒溫培養(yǎng)箱中，在37 ℃下培養(yǎng)18～24 h后作為活化的供測試用的菌種.用滅菌的竹簽將活化的菌種，加入已滅菌的PBS(磷酸鹽緩沖液，0.03 mol/L，pH=7.2～7.4)緩沖液的錐形瓶中，振蕩使細菌懸浮均勻，制成菌懸液，菌懸液濃度約為107cfu·mL-1.為了保證實驗的可重復(fù)性，每個樣品在相同的條件下做3個平行實驗.

1.2.3 ·OH分析

1.2.3.1 供試液的制備

將濃度為5×10-4mol·L-1的對苯二甲酸溶液與2×10-3mol·L-1的NaOH溶液混合均勻，取40 mL混合溶液備用.分別取TiO2含量為0%、10%的ZnO/TiO2粉末0.1 g，超聲分散于20 mL上述混合溶液中，反應(yīng)1 h后離心，并取上層清液，備用.

1.2.3.2 ·OH檢測

通過熒光測試對供試液中的·OH進行檢測.此方法是根據(jù)在相界面間對苯二甲酸與·OH形成2-羥基對苯二甲酸，而2-羥基對苯二甲酸能夠通過熒光檢測出來.

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為TiO2含量為0%和10%的ZnO/TiO2復(fù)合粒子的XRD圖譜.由圖看出，未摻雜的ZnO粉體的XRD譜圖中的衍射峰與六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO(結(jié)構(gòu)索引卡片No. 65-3411)的衍射峰相吻合，分別對應(yīng)(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)晶面.譜圖中沒有任何雜質(zhì)衍射峰出現(xiàn)，且衍射峰尖銳，說明所得產(chǎn)物為純的纖鋅礦ZnO結(jié)構(gòu).與TiO2復(fù)合后，XRD譜圖除了ZnO的衍射峰之外，還出現(xiàn)了TiO2的衍射峰，其峰位與銳鈦礦型TiO2(結(jié)構(gòu)索引卡片No.01-0562)相吻合，說明TiO2在ZnO粉體中以銳鈦礦型TiO2的形式存在.

圖1 ZnO和ZnO/TiO2粉末的XRD圖

2.2 SEM分析

圖2為所得ZnO和ZnO/TiO2粉末放大2 000倍的SEM照片.觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過500 ℃熱處理后的ZnO和ZnO/TiO2粉末顆粒大小基本均勻，粒徑約均為1μm左右，而且兩者的粒子均由不同程度的團聚現(xiàn)象.

圖2 ZnO(a)和ZnO/TiO2(b)粉末的SEM圖

2.3 抗菌活性分析

實驗制備的ZnO/TiO2粉末抗菌性能結(jié)果如表1所示，并且與未進行摻雜的ZnO粒子的抑菌性能進行了比較.通過對比復(fù)合TiO2前后的ZnO粒子經(jīng)紫外光照射后的抗菌活性，看出樣品在未引入TiO2時對大腸桿菌和綠膿桿菌的抑菌圈分別為13.5 mm和12.1 mm，而復(fù)合10%TiO2后對大腸桿菌和綠膿桿菌的抑菌圈大小可達到18.4 mm和15.9 mm，表明復(fù)合TiO2后的ZnO粉末對革蘭氏陰性菌具有良好的抗菌效果，并且TiO2的復(fù)合對革蘭氏陰性菌的抑菌活性有明顯的增強，提高了ZnO作為抗菌材料的應(yīng)用性.

表1 ZnO和ZnO/TiO2復(fù)合粒子抗菌性能比較

2.4 機理討論

摻雜TiO2前后ZnO粒子的抗菌活性不同，可能是因為摻雜TiO2的ZnO粒子在光照射下羥基自由基等活性物質(zhì)加速產(chǎn)生，而活性物質(zhì)之間往往存在相互轉(zhuǎn)化或干擾，導(dǎo)致·OH產(chǎn)量變化[12].ZnO在光照條件下會產(chǎn)生活性氧類物質(zhì)，例如·OH、·O2H、·O2-或H2O2[13]，這些活性物質(zhì)具有強的氧化能力.尤其是·OH具有非常強的氧化能力，對任何有機基團可以無選擇性的發(fā)生反應(yīng)，可以將細菌氧化分解為CO2和H2O[14,15]，光催化過程中產(chǎn)生的·OH對ZnO粒子的抑菌活性起到了重要作用.試驗中摻雜TiO2后ZnO粒子的抑菌活性明顯增強，可能是因為TiO2的引入增加了ZnO粒子表面·OH的產(chǎn)生.對苯二甲酸可以與·OH反應(yīng)生成2-羥基對苯二甲酸，反應(yīng)方程如下：

2-羥基對苯二甲酸為紅色熒光物質(zhì)，可以通過檢測2-羥基對苯二甲酸的熒光推斷在光催化過程中ZnO粒子表面·OH的產(chǎn)量.

圖3為TiO2含量為0%和10%的ZnO/TiO2樣品所對應(yīng)的與對苯二甲酸溶液反應(yīng)1 h后溶液的熒光光譜.在315 nm的激發(fā)下，摻雜TiO2的ZnO粒子在425 nm出具有紅色發(fā)射.而加入10%的 TiO2后，ZnO粒子的熒光發(fā)射強度明顯增強，說明TiO2的引入使ZnO粒子表面產(chǎn)生更多的·OH，從而使樣品的抑菌活性明顯增強.

圖3 與ZnO和ZnO/TiO2粒子反應(yīng)后對苯二甲酸溶液的熒光光譜

3 結(jié)束語

采用溶膠凝膠法制備了ZnO/TiO2復(fù)合粒子，可以有效的抑制大腸桿菌和綠膿桿菌.TiO2的引入有效的提高ZnO粒子表面·OH的濃度，從而增強了ZnO的抑菌性能，為ZnO作為抗菌材料提供了實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù).

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