李曉玫，鄧 旭

(電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院，成都 610054)

引 言

微生物與固體表面接觸后，會(huì)形成復(fù)雜的細(xì)胞群落。這種細(xì)胞群落可能會(huì)威脅人類(lèi)的健康安全，還會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染產(chǎn)生很大影響［1］。例如，生物醫(yī)學(xué)設(shè)備上殘留的細(xì)菌或病毒導(dǎo)致人體感染［2-3］，食品包裝運(yùn)輸過(guò)程中細(xì)菌繁殖導(dǎo)致食品中毒［4］，海洋運(yùn)輸過(guò)程中海洋微生物的附著腐蝕船體［5-6］，以及石油管道運(yùn)輸過(guò)程中生物腐蝕導(dǎo)致運(yùn)輸阻力加大［7］等等。因此，研究表面生物污染的影響因素及其解決方案有重大意義。

目前解決表面生物污染的方法主要有兩種，一是降低微生物在表面的粘附，二是使用抑制劑或者滅菌劑消滅微生物［7-9］。近幾年來(lái)，利用超疏水表面進(jìn)行生物防污的研究已取得了很大的進(jìn)展，其防污原理是降低生物污染源在表面上的粘附［10-11］。例如，SELIM M S 等人［12］使用原位技術(shù)制備聚二甲基硅氧烷/ZnO NR 復(fù)合材料，通過(guò)調(diào)節(jié)納米填料的摻入濃度，獲得對(duì)各種細(xì)菌和真菌具有高抗性的粗糙表面。HE X Y 等人［13］在鋁基板上原位生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的氧化鋁，通過(guò)表面改性后獲得超疏水的微/納米二元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水、蛋白和蛋黃的超級(jí)排斥作用［13］。ZHOU X 等人［14］以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS) 作為引發(fā)劑，通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移活性自由基聚合(Single-Electron-Transfer Living Radical Polymerization，SET-LRP) 法與原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(Atom-Transfer Radical Polymerization，ATRP) 法來(lái)發(fā)生聚合，獲得的ABC(PDMS58-PtBA122-PiBuPOSSMA97) 三嵌段共聚物可發(fā)生自組裝形成分級(jí)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)經(jīng)二氯甲烷/二甲基甲酰胺混合物澆筑后呈現(xiàn)超疏水性，顯示出優(yōu)異的防污性能，能有效抑制銅綠假單胞菌ATCC 15692的附著。

上述超疏水表面實(shí)現(xiàn)對(duì)生物污染物的排斥與低粘附作用都是基于污染物在超疏水表面呈現(xiàn)Cassie-Baxter狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即液滴與固體表面間存在氣穴，降低了兩者間的接觸面積，這意味著表面的疏水程度及持久性將影響其防污效果。從文獻(xiàn)［15-16］可知，固體表面的疏水效果可以通過(guò)改變其表面張力和粗糙度來(lái)進(jìn)行調(diào)控，粗糙度越大、表面能越低則疏水效果越好。因此，可以通過(guò)改變表面的粗糙度來(lái)調(diào)控其防污效果。

本文通過(guò)經(jīng)典光刻法、液相沉積法和氣相沉積法獲得不同疏水程度的表面，通過(guò)測(cè)量?jī)杀砻嬖谌R茵衣藻溶液中的受污染程度，探究表面的超疏水性對(duì)生物防污效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和原料

濃硫酸、雙氧水、丙酮、乙醇、異丙醇和氨水，均為AR 級(jí)，產(chǎn)自國(guó)藥化學(xué)集團(tuán); 丙二醇甲醚乙酸酯(AR，蘇州研材微納科技有限公司) ，四乙氧基硅烷(AR，Sigma-Aldrich) ，全氟辛基三氯硅烷(AR，Sigma-Aldrich) ，去離子水(自制) ，SU-8 2025 負(fù)性光刻膠(蘇州研材微納科技有限公司) ，商用納米二氧化硅微球溶液(Soft99，上海速特99 化工有限公司) ，萊茵衣藻(FACHB479，中科院淡水藻種庫(kù)) ，SE 培養(yǎng)基(中科院淡水藻種庫(kù)) 。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

超純水儀(Synergy UV，上海巴玖實(shí)業(yè)有限公司) ，超聲清洗儀(CPX3800H-C，上海巴玖實(shí)業(yè)有限公司) ，旋涂?jī)x(WS-650MZ-23NPPB，邁可諾技術(shù)有限公司) ，恒溫?zé)崤_(tái)(HP10，大龍興創(chuàng)實(shí)踐儀器有限公司) ，光刻機(jī)(URE-2000/17，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所) ，等離子清洗機(jī)(PDC-002，默克化工技術(shù)有限公司) ，接觸角測(cè)量?jī)x(OCA-50AF，DataPhysics，Germany) ，掃描電子顯微鏡(JEOL，JSM-7500F，日本日立公司) ，正置金相顯微鏡(102C，尼康公司) 。

1.3 樣品制備

1.3.1 超疏水微型柱子結(jié)構(gòu)表面的制備

超疏水微型柱子結(jié)構(gòu)是采用經(jīng)典的光刻方法和表面改性方法獲得，具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1) 清洗基底: 依次用丙酮、乙醇和去離子水，利用超聲來(lái)清潔載玻片(厚度為170 μm) ，并用氮?dú)獯蹈伞?/p>

(2) 旋膠:將負(fù)性光刻膠(SU-8 2025) 以3000 轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速旋涂在洗過(guò)的載玻片上，時(shí)間為30 s。

(3) 前烘:將旋涂好的樣品放在溫度為65 ℃的熱臺(tái)上烘烤5 min，然后將溫度升至95 ℃，繼續(xù)烘烤10 min，取出樣品，避光靜置，緩慢冷卻至室溫并過(guò)夜。

(4) 曝光:用光刻機(jī)和掩膜版進(jìn)行紫外曝光，光強(qiáng)為5.5 mW/cm2，時(shí)間為40 s) 。

(5) 后烘:方法同前烘。

(6) 顯影:將后烘后的樣品在顯影劑(丙二醇、甲醚、乙酸酯混合物) 中浸泡3 min 后，用異丙醇將非交聯(lián)區(qū)沖洗掉，并用氮?dú)獯蹈伞?/p>

(7) 堅(jiān)膜:將顯影后的樣品在溫度為150 ℃的恒溫?zé)崤_(tái)上烘烤30 min。

(8) 表面改性: 在真空室溫條件下，將4 mL 氨和4 mL四乙氧基硅烷混合反應(yīng)24 h，然后用氧氣等離子體活化其表面，采用化學(xué)氣相沉積法將氟化試劑鍵合在微型柱子表面，獲得超疏水的微型柱子結(jié)構(gòu)。

1.3.2 超疏水微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面的制備

將微型柱子結(jié)構(gòu)浸泡在商用疏水納米二氧化硅微球溶液中3 min，取出，自然干燥后，將樣品放在150 ℃的恒溫?zé)崤_(tái)上烘烤15 min。重復(fù)上述過(guò)程三次，得到微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的表面能，通過(guò)氧氣等離子體活化其表面后，再用氣相化學(xué)沉積法將氟化試劑鍵合在結(jié)構(gòu)表面。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 樣品結(jié)構(gòu)表征

利用掃描電子顯微鏡表征樣品表面形貌特征，所有樣品的SEM 圖都是在傾斜樣品臺(tái)35°角的條件下掃描獲得的。

1.4.2 接觸角和滾動(dòng)角的測(cè)量［15-17］

測(cè)量接觸角時(shí)，將4 μL 超純水液滴輕輕滴在待測(cè)樣品表面進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量滾動(dòng)角時(shí)，將10 μL 超純水液滴輕輕滴在樣品表面，平緩地傾斜樣品臺(tái)直到液滴從表面上滾落，獲得其在樣品表面的滾動(dòng)角。每個(gè)樣品選取3 ～5 個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，取其平均值作為結(jié)果。

1.4.3 表面生物防污實(shí)驗(yàn)［18-19］

首先在無(wú)菌條件下，將萊茵衣藻(FACHB479) 轉(zhuǎn)移至SE 培養(yǎng)液中生長(zhǎng)，直至原種培養(yǎng)物達(dá)到B1107 細(xì)胞的密度。將該原種培養(yǎng)物用新鮮培養(yǎng)液稀釋(兩者比例1∶5) 。將稀釋的培養(yǎng)物加入到80 mL 方形培養(yǎng)皿中，加入待測(cè)樣品超疏水微型柱子表面或超疏水微型分級(jí)柱子表面，使藻類(lèi)沉積在測(cè)試表面上。然后，將培養(yǎng)皿置于熒光燈具(Sun Blaze T5HO) 下，每天16 h 光照、8 h黑暗的條件下循環(huán)生長(zhǎng)7 d。然后取出樣品，觀察其表面污染情況，分析表面受污染后的浸潤(rùn)性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樣品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

樣品掃描電子顯微鏡圖如圖1 所示。其中，圖1(a)為微型柱子結(jié)構(gòu)表面，柱子直徑為10 μm，高度為40 μm，中心間距為60 μm;圖1(b) 和圖1(c) 分別為微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)和其側(cè)壁細(xì)節(jié)，柱子直徑為12 μm，高度為42 μm，中心間距為60 μm，側(cè)壁的納米微球平均直徑約為80 nm，柱子外表的納米微球厚度約為2 μm。

圖1 樣品掃描電子顯微鏡圖

從圖1 中可知，相比于微型柱子結(jié)構(gòu)表面，微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)的粗糙度大大增加了，這是由納米二氧化硅微球的引入引起的。

2.2 樣品的浸潤(rùn)性能

通過(guò)測(cè)量水滴在表面上的表觀接觸角和滾動(dòng)角來(lái)表征樣品的浸潤(rùn)性能。水滴在微型柱子結(jié)構(gòu)和微型分級(jí)柱子表面上的狀態(tài)如圖2 所示，水滴在兩表面上的接觸角和滾動(dòng)角見(jiàn)表1。

表1 水滴在兩表面上的接觸角和滾動(dòng)角

圖2 水滴在微型柱子和微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面的狀態(tài)

從圖2 和表1 可知，水滴在微型柱子結(jié)構(gòu)和微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面均為圓球狀，呈現(xiàn)明顯的Cassie-Baxter態(tài);水滴在微型柱子結(jié)構(gòu)表面的接觸角為151°左右，滾動(dòng)角約為5°，呈現(xiàn)出超疏水的性能［20-22］; 水滴在微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面的表觀接觸角高達(dá)158°(比微型柱子結(jié)構(gòu)增大了7°) ，且滾動(dòng)角僅有1°(比微型柱子結(jié)構(gòu)降低了4°) 。上述結(jié)果說(shuō)明氟化后的微型柱子表面和微型分級(jí)柱子表面均具有優(yōu)良的超疏水性能，但微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面的疏水效果更好，分級(jí)結(jié)構(gòu)的引入提高了表面的疏水性能。

2.3 樣品的防污效果

微型柱子結(jié)構(gòu)和微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面的生物防污效果如圖3 所示，圖3(a) 、圖3(b) 分別為微型柱子結(jié)構(gòu)表面和微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面的生物防污效果。

圖3 微型柱子結(jié)構(gòu)和微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面的生物防污效果

從圖3(a) 、圖3(b) 可知，微型柱子表面泡入海藻溶液中1 d 后，表面沉積的海藻數(shù)目明顯增多，取出后在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)海藻溶液已經(jīng)完全浸潤(rùn)微型柱子結(jié)構(gòu)，將其表面干燥后，水滴在該表面呈半球狀態(tài)，較之浸泡前的狀態(tài)(圖2) ，發(fā)現(xiàn)其表面疏水性能大大降低; 而微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)在放入海藻溶液7 d 后，其表面上沉積的海藻較少，取出后在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)表面幾乎無(wú)海藻粘附，并且液滴在其干燥后的表面呈現(xiàn)出與浸泡前(圖2) 無(wú)差別的接觸狀態(tài)。由此可知，疏水效果越好的表面(微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面) ，受海藻污染程度更小，防止海藻污染的時(shí)間也更長(zhǎng)。

2.4 表面的超疏水性影響生物防污效果的機(jī)理

多數(shù)情況下，表面發(fā)生生物污損的過(guò)程很相似:首先是有機(jī)分子在表面上自發(fā)產(chǎn)生非特異性吸附，然后是微生物的繁殖和生長(zhǎng)［23-24］。要降低表面生物污染，主要有兩種方法:一是要降低污染源在表面的粘附，二是使用抑制劑進(jìn)行滅菌，一般是采用前者。超疏水表面與液滴間的低粘附效果是基于液體在表面形成Cassie-Baxter 態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是這種狀態(tài)極不穩(wěn)定，在外在震動(dòng)或冷凝條件下極易轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel 態(tài)，這會(huì)加大液體與表面的粘附。因此，超疏水表面的疏水穩(wěn)定性和持久性是影響防污效果的關(guān)鍵。

超疏水表面實(shí)現(xiàn)生物防污效果的原理如圖4 所示。

圖4 超疏水表面實(shí)現(xiàn)生物防污的原理示意圖

從圖4 可知，將微型柱子結(jié)構(gòu)放入海藻溶液中浸泡1 d 左右后，由于海藻粘附和搖晃等原因?qū)е乱簩铀?，使液層從Cassie-Baxter 態(tài)轉(zhuǎn)變成Wenzel 態(tài)，導(dǎo)致防污失效，進(jìn)一步說(shuō)明微型柱子結(jié)構(gòu)表面疏水效果差; 微型分級(jí)柱子在海藻溶液浸泡7 d 后，液層依舊維持Cassie-Baxter 態(tài)，說(shuō)明微型分級(jí)柱子可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久的防污效果，這是因?yàn)槠渲幸肓耸杷{米微球，這大大提高了其表面疏水效果，即使將表面浸入海藻溶液中一周后。

3 結(jié) 論

(1) 以SU-8 負(fù)性光刻膠為原料，采用傳統(tǒng)光刻法制備微型柱子結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上利用商用疏水二氧化硅微球，通過(guò)液相沉積法來(lái)制備微型柱子分級(jí)結(jié)構(gòu)。為了增加上述結(jié)構(gòu)的超疏水性，以全氟辛基三氯硅烷為氟化劑，采用化學(xué)氣相沉積法對(duì)其表面進(jìn)行了改性。用電子掃描電鏡表征了微型柱子和微型柱子分級(jí)結(jié)構(gòu)表面的形貌，發(fā)現(xiàn)后者的粗糙度較前者增加了。

(2) 通過(guò)測(cè)量水滴在表面的接觸角和滾動(dòng)角，比較了不同結(jié)構(gòu)表面的疏水性能，發(fā)現(xiàn)微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)相比于單一的微型柱子結(jié)構(gòu)，其疏水性能明顯提高，表觀接觸角增大了7°，滾動(dòng)角降低了4°。

(3) 測(cè)試了不同結(jié)構(gòu)表面在萊茵衣藻培養(yǎng)液中的防污，發(fā)現(xiàn)微型分級(jí)柱子結(jié)構(gòu)表面相比于單一微型柱子結(jié)構(gòu)表面受萊茵衣藻污染的面積更小，抗污時(shí)間更長(zhǎng)，結(jié)果說(shuō)明表面疏水程度越高則其防污效果越好、越持久。