王祖華，劉 萍，楊瑞先，代東風(fēng)，王麗穎，李小建

(1.洛陽理工學(xué)院 環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，河南 洛陽 471023;2.洛陽市吉利區(qū)污水處理廠，河南 洛陽 471012)

納米TiO2的合成及其抗菌性能的研究

王祖華1，劉 萍1，楊瑞先1，代東風(fēng)2，王麗穎2，李小建2

(1.洛陽理工學(xué)院 環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，河南 洛陽 471023;2.洛陽市吉利區(qū)污水處理廠，河南 洛陽 471012)

本文采用水熱法合成納米TiO2，并通過X射線衍射儀和正交實(shí)驗(yàn)分析了其表征和各因素對抑菌性能的影響。研究結(jié)果表明，在pH值為8、反應(yīng)時間20 h、煅燒溫度為350℃條件下制得的納米TiO2為銳鈦礦型納米晶，且其抑菌效果最好，在日光燈和紫外燈條件下抗菌性的最小抑菌濃度MIC值分別為300 mg/mL和200 mg/mL，其濃度與抗菌性能成正相關(guān)。

納米TiO2；水熱法；抑菌性能；平板菌落計(jì)數(shù)法

納米TiO2因具有很強(qiáng)的氧化還原性以及無毒無污染、廉價等特點(diǎn)，在涂料行業(yè)、空氣凈化、光學(xué)器件等領(lǐng)域的應(yīng)用受到人們的廣泛關(guān)注[1-2]。納米TiO2的殺菌機(jī)理是通過光子的激發(fā)后，發(fā)生催化作用產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，這些物質(zhì)與有機(jī)物反應(yīng)從而將有機(jī)物降解，而不依賴于抗菌劑的滲出[3]。TiO2產(chǎn)生的強(qiáng)氧化物與細(xì)胞成分中的不飽和鍵反應(yīng)，從而破壞了細(xì)胞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致細(xì)胞的死亡，達(dá)到殺菌的目的。傳統(tǒng)的含銀、銅的殺菌劑在殺菌后會導(dǎo)致細(xì)菌釋放內(nèi)毒素等有害物質(zhì)，引起二次污染，而納米TiO2由于其滅菌機(jī)理的特點(diǎn)，在滅菌后產(chǎn)生內(nèi)毒素，同時還可以使細(xì)菌內(nèi)毒素的變性，從而更加安全[4]。目前已經(jīng)證明TiO2對很多革蘭氏陰性菌和陽性菌菌株均具有較強(qiáng)的殺菌能力，具有廣譜性[5]。研究表明，TiO2粉末在溶液中的分散程度對其光催化殺菌性能起著關(guān)鍵作用[6]。在食品應(yīng)用方面TiO2和TiO2/AcF薄膜分別對嗜酸乳酸桿菌和青霉菌具有抗菌作用[7-8]。本文采用水熱法制備了納米TiO2，并分析了其結(jié)構(gòu)表征以及不同條件下抗菌性能。

1 材料制備與方法

1.1 藥品及設(shè)備

四氯化鈦、鹽酸、硝酸銀、氨水等一般分析純化學(xué)試劑。純水為去離子水、氯化鈉、牛肉浸膏、蛋白胨、瓊脂粉等為一般的生化試劑。金黃色葡萄球菌，大腸桿菌為本實(shí)驗(yàn)室保存的菌種。在帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱合成，合成樣品采用BD86型X衍射儀(XRD)，測試電壓40 kV，電流60 mA，Cu靶Kα2射線(λ=0.154 18 nm)。

1.2 納米TiO2的水熱合成

合成TiO2所需藥品和量如表1所示。

表1 合成TiO2所需藥品和所需的量

續(xù)表

溶液種類藥品所需的量溶液B無水乙醇40mL蒸餾水10mL冰乙酸20mL

將表1中的藥品與含量均勻混合制得溶液 A和B，將配制好的溶液A放在恒溫水浴中磁力攪拌10 min；將B液緩慢滴加入攪拌下的A液中，滴定完成時間為30 min，得到透明膠體；將上述膠體陳化后放入干燥箱中干燥后；放入馬弗爐中在不同溫度和pH值之下煅燒不同時間制得TiO2。

1.3 納米TiO2的抗菌性實(shí)驗(yàn)

納米TiO2的抗菌性實(shí)驗(yàn)采用的菌種為金黃色葡萄球菌，通過平板計(jì)數(shù)法得出細(xì)菌數(shù)目。實(shí)驗(yàn)方法如下：將各種條件下制備出的樣品經(jīng)過室內(nèi)照明的日光燈照射3 h后，將一定質(zhì)量抗菌劑加入到培養(yǎng)基中配成含納米TiO2為150 mg/L質(zhì)量濃度的培養(yǎng)基；滅菌后冷卻至40℃左右時，倒入已經(jīng)加有50 μL菌懸液的培養(yǎng)皿中搖勻、冷卻，在37℃條件下過夜培養(yǎng)，平板上菌落數(shù)為實(shí)驗(yàn)組菌數(shù)。同上操作得到的菌落數(shù)為對照組菌數(shù)，三次重復(fù)。通過公式抑菌率=(對照組菌數(shù)-實(shí)驗(yàn)組菌數(shù))/對照組菌數(shù)×100%，計(jì)算出抑菌率。

1.4 不同條件對納米TiO2抗菌性能的影響

將最佳樣品分別用室內(nèi)照明的日光燈照射3 h和紫外燈照射1 h，將不同質(zhì)量濃度的抗菌劑加入到培養(yǎng)基中，采用的菌種為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，可得抑菌率。

2 結(jié)果與討論

2.1 水熱合成條件的影響

為制備抑菌性能較好的納米TiO2，選擇3個因素進(jìn)行試驗(yàn)，即反應(yīng)物質(zhì)的pH值A(chǔ)、反應(yīng)時間B、煅燒溫度C，每個因素3個水平。將A、B、C 3個因素選用正交表L9(34),只需要作9次試驗(yàn),進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)獲得9個樣品，當(dāng)TiO2的濃度為150 mg/L時，通過抗菌實(shí)驗(yàn)得出其抑菌率，在溫度350℃的條件下得到的樣品抑菌率最強(qiáng)。極差分析知，最佳因素組合是A2、B2、C2，即pH=8，反應(yīng)20 h，煅燒溫度350℃，因素重要性主次順序?yàn)镃>A>B，如表2所示。

表2 不同條件下樣品的抑菌效果

2.2 表征與分析

將抑菌效果最佳的樣品通過X射線衍射進(jìn)行XRD分析如圖1所示。從圖1中可以看出，其d值與JCPDS(84-1285)一致，屬于4方晶系，空間群為141/amd。在2θ為25.277°、37.818°、48.063°處的衍射峰對應(yīng)于TiO2的特征峰，所對應(yīng)晶面分別為(101)、(004)、(200)(105)、(211)。由此推斷TiO2為銳鈦礦型結(jié)構(gòu)，其晶粒尺寸分布在12.3 nm～16.0 nm之間。

圖1 純TiO2的XRD圖譜

2.3 不同條件下納米TiO2的抑菌分析

通過對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌實(shí)驗(yàn)來分析TiO2在室內(nèi)照明用日光燈和紫外燈兩種光源照射下的抑菌效果。實(shí)驗(yàn)中將經(jīng)過兩種光源照射過的納米TiO2配置成不同質(zhì)量濃度，分別與一定濃度梯度的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌進(jìn)行共培養(yǎng)，其抑菌結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，日光燈條件下納米TiO2的抗菌性能與其含量成正相關(guān)。當(dāng)TiO2的濃度為≥300 mg/L時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率均為92%以上，由此可以得出在日光燈條件下其MIC為300 mg/L。而紫外燈照射過的材料，其抗菌性能與其含量成正相關(guān)。當(dāng)濃度為≥200 mg/L時其抑菌率均為95%以上，由此可以得出在紫外燈條件下其MIC為200 mg/L。通過結(jié)果也可以看出在這兩種條件下都可以使TiO2產(chǎn)生具有氧化性的活性物質(zhì)而抑制菌體活性，且紫外燈條件下其抑菌活性高于日光燈的條件，這說明紫外光與TiO2的協(xié)同作用提高了TiO2的殺菌作用。從廣譜抗菌性來講，對陰性菌和陽性菌均無顯著差異。

目前，TiO2納米材料的應(yīng)用比較廣泛，在涂料、義齒、食品保鮮膜等方面應(yīng)用也比較多[7]。本研究研制的TiO2納米材料，其主要用途是作為抗菌涂料的添加劑。居民住房樓間距小，居民所用涂料中的TiO2納米材料在墻體上主要是受到家用日光燈的照射。因此，雖然在紫外燈光照條件下，本研究制備的TiO2抑菌活性僅在低濃度(250 mg/L)時高于在日光燈照射下的TiO2，但在300 mg/L的高濃度下，其抑菌效果都達(dá)到了92%以上。因此，對于日常的環(huán)境條件，本研究制作的TiO2納米材料的廣譜抗菌性效果良好，可以作為一種無機(jī)抗菌劑進(jìn)行開發(fā)與利用[9]。

表3 不同條件下抗菌材料的抑菌效果

3 結(jié) 語

本文利用水熱法在pH=8，反應(yīng)20 h，煅燒溫度為350℃的條件下制備的納米TiO2的抗菌性能最佳，并對影響納米TiO2性能的3個因素進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)溫度的影響最大，并通過X射線衍射對該納米材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征分析，結(jié)果表明所制備納米TiO2晶粒尺寸分布在12.3 nm～16.0 nm之間，為銳鈦礦型結(jié)構(gòu)的納米TiO2晶粒。通過對比不同光照條件下自制的TiO2抑菌實(shí)驗(yàn)表明，紫外燈照射條件下TiO2的抗菌效果要優(yōu)于日光燈條件下的抗菌效果。但無論是在哪種條件下，TiO2的加入含量與抑菌效果是成正相關(guān)的，且對兩種菌體的抑菌效果沒有差別，結(jié)合抑菌率與表征分析，自制的TiO2材料抗菌性能效果良好，具有廣譜性，是一種具有良好應(yīng)用前景的納米TiO2材料。

[1] 郭樹梁.納米二氧化鈦的性能研究及其在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用[J].廣西紡織科技,2010,39(3):31-33.

[2] 莊建東,曾文琳,劉平,等.納米TiO2光催化薄膜在陶瓷絕緣子防污閃中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程材料,2011,36(9):85-88.

[3] 楊海峰,張?zhí)O,文峰.納米二氧化鈦光催化降解聚丙烯酰胺催化性能研究[J].化工管理,2013,(1):16-18.

[4] 徐瑞芳,許秀艷,付國柱.納米TiO2在抗菌塑料中的應(yīng)用性能研究[J].塑料,2002,3(31):26-29.

[5] 王佳媚,章建浩.不同作用條件對納米二氧化鈦光催化抑菌效果的影響[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,28(11):54-58.

[6] 黃濤,張國亮,張輝,等.高性能納米二氧化鈦制備技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2010,29(3):498-503.

[7] 李振霞,薛晶,陳婷婷,等.納米二氧化鈦對正畸粘接劑抗菌性與拉伸粘接強(qiáng)度的影響[J].口腔醫(yī)學(xué),2016,36(7):591-594.

[8] 宋賢良,葉盛英,黃葦,等.納米TiO2/玉米淀粉復(fù)合涂膜對圣女果保鮮效果的研究[J].食品科學(xué),2010,31(12):255-259.

[9] 孟阿蘭,岑偉,李鎮(zhèn)江,等.Ag/ZnO納米復(fù)合抗菌劑解團(tuán)聚工藝及機(jī)制[J].稀有金屬材料與工程,2009,38(2):358-360

Preparation of Nano-TiO2and Research on Antibacterial Property

WANG Zuhua1,LIU Ping1,YANG Ruixian1,DAI Dongfeng2,WANG Liying2,LI Xiaojian2

(1.Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023 China;2.The wastewater treatment plant in district,Luoyang 471023,China)

In the paper,the nano-TiO2nanoparticles were synthesized by hydrothermal method. The nano-TiO2was characterized by XRD,and the antibacterial property was also detected for effect of various factors. The results show that the crystal form of the nano-TiO2is single anatase under such conditions as pH is eight,and reaction time is 20 h,and calcination temperature is 350 ℃,and its antibacterial property was good. The minimal inhibitory concentrations(MIC) of the antibacterial property is 300 mg/mL and 200 mg/mL by the fluorescent lamp and UV irradiation,and there are a positively correlation and significant difference between the bacteriostasis and the content of the nano-TiO2.

Nano-TiO2;hydrothermal method;antibacterial Property;plate colony-counting methods

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.001

O614

A

1674-5403(2017)03-0001-04

2017-07-10

王祖華(1976-)，女，河南通許人，碩士，講師，主要從事微生物學(xué)方面的研究.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31500008).