ZnO/TiO2复合粒子的抗菌性能研究

胡亚微， 贺惠蓉， 张弘弛， 马养民， 顾 鑫

(1.陕西科技大学 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西 西安 710021； 2.太仓中化环保化工有限公司， 江苏 太仓 215433)

0 引言

半导体氧化锌是一种新型多功能无机材料，因其独特的物理、化学和生物特性，受到广泛关注并且应用到很多方面[1,2]，尤其是它在光、电、力、磁、介电、催化和紫外屏蔽等方面表现出许多特殊性能，使其在橡胶、陶瓷、化工、电子、生物、医药等领域发挥重要作用.由于氧化锌的抗菌特性，对皮肤有消炎、防皱、收敛和保护等功能，临床上常将其作为皮肤的外用药物，亦有些被应用到牙科材料中，如复合树脂、义齿等[3].

在众多氧化物以及非氧化物半导体的光催化性能中，TiO2在光腐蚀和化学腐蚀方面表现出的生化惰性、强氧化性、成本低以及长期稳定性被广泛的应用于环境保护[4-6].TiO2及很多其他光催化半导体材料在水处理、空气净化以及太阳能转换等方面得到了广泛的应用[7].

ZnO/TiO2复合材料在日光中产生的自清洁、除臭、抗菌等功能更是受到了广泛的关注[8-10].在抗菌方面活性氧物质例如·OH、·O2H、·O2-以及H2O2被认为是关键物质.在本文中，通过溶胶凝胶技术合成ZnO/TiO2复合粒子，研究TiO2的引入对ZnO抑菌性能的影响，通过对苯二甲酸的荧光光谱验证粒子表面所产生的·OH是抑菌性能的活性物质.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

(1)制备ZnO化学试剂为：Zn(NO3)2·6H2O(AR，天津市天力化学试剂有限公司)；钛酸四丁酯(AR，天津市科密欧化学试剂有限公司)；无水乙醇(AR，天津市河东区红岩试剂厂)；冰醋酸(AR，天津市天力化学试剂有限公司)；去离子水.

(2)指示菌株及来源：革兰氏阴性菌：大肠杆菌(Escherichiacoli)、绿脓杆菌(Pseudomonasaeruginosa),以上菌种由陕西科技大学生命学院微生物实验室提供.

(3)培养基主要成分及菌悬液使用试剂见文献[13].

(4) 荧光分析所需试剂：对苯二甲酸(AR，国药集团化学试剂有限公司)；NaOH(AR，国药集团化学试剂有限公司).

(5)样品表征：ZnO粉末的物相组成和晶型结构采用日本Rigaku公司生产的D/Max-3c型X射线粉末衍射仪(XRD)(铜靶，电压40 kV，电流35 mA，扫描范围：20～80 °)进行表征；薄膜的表面形貌通过日本JOEL公司生产的JSM-6700F冷场发射扫描电子显微镜(SEM，加速电压15 kV，电流10μA)进行观察；·OH检测使用日本HITACHI公司生产的F-4600荧光光谱仪进行表征.

1.2 实验方法

1.2.1 ZnO/TiO2的制备

取0、1.2 mL钛酸四丁酯(Ti(OBu)4)在强烈搅拌下分别加入20 mL无水乙醇中，混合均匀后，缓慢滴加4 mL去离子水、5 mL冰醋酸，并保持搅拌40 min，得到溶液a.对应钛酸四丁酯加入量分别称取9.60、9.10 g六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)分别溶于35 mL无水乙醇中，搅拌0.5 h得到溶液b.将溶液b缓慢分别滴加入相应的溶液a中，室温搅拌8～10 h，得到TiO2掺杂量为0%、10%(摩尔分数，下同)的溶胶.

将上述溶胶于120 ℃烘箱干燥后，放入马弗炉中以16 ℃·min-1的升温速度升至500 ℃，并保温2 h，自然冷却后取出、研磨，得到TiO2含量为0%和10%的ZnO/TiO2复合粒子.

1.2.2 抗菌实验

1.2.2.1 供试样品的制备

取一定量ZnO/TiO2复合粒子，在无菌条件下超声分散于无水乙醇中，将已灭菌滤纸片浸入到样品的悬浮液中，静置.无水乙醇完全挥发后，在滤纸片上自然沉积得到供抗菌试验的ZnO/TiO2样品.

1.2.2.2 菌悬液的制备及抗菌性能测试

按照文献[11]中的方法制备菌悬液并进行抗菌性能测试.无菌条件下，取冷冻保藏的各测试菌种各接种于营养琼脂斜面培养基上，于恒温培养箱中，在37 ℃下培养18～24 h后作为活化的供测试用的菌种.用灭菌的竹签将活化的菌种，加入已灭菌的PBS(磷酸盐缓冲液，0.03 mol/L，pH=7.2～7.4)缓冲液的锥形瓶中，振荡使细菌悬浮均匀，制成菌悬液，菌悬液浓度约为107cfu·mL-1.为了保证实验的可重复性，每个样品在相同的条件下做3个平行实验.

1.2.3 ·OH分析

1.2.3.1 供试液的制备

将浓度为5×10-4mol·L-1的对苯二甲酸溶液与2×10-3mol·L-1的NaOH溶液混合均匀，取40 mL混合溶液备用.分别取TiO2含量为0%、10%的ZnO/TiO2粉末0.1 g，超声分散于20 mL上述混合溶液中，反应1 h后离心，并取上层清液，备用.

1.2.3.2 ·OH检测

通过荧光测试对供试液中的·OH进行检测.此方法是根据在相界面间对苯二甲酸与·OH形成2-羟基对苯二甲酸，而2-羟基对苯二甲酸能够通过荧光检测出来.

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1为TiO2含量为0%和10%的ZnO/TiO2复合粒子的XRD图谱.由图看出，未掺杂的ZnO粉体的XRD谱图中的衍射峰与六方晶系纤锌矿结构ZnO(结构索引卡片No. 65-3411)的衍射峰相吻合，分别对应(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)、(201)晶面.谱图中没有任何杂质衍射峰出现，且衍射峰尖锐，说明所得产物为纯的纤锌矿ZnO结构.与TiO2复合后，XRD谱图除了ZnO的衍射峰之外，还出现了TiO2的衍射峰，其峰位与锐钛矿型TiO2(结构索引卡片No.01-0562)相吻合，说明TiO2在ZnO粉体中以锐钛矿型TiO2的形式存在.

图1 ZnO和ZnO/TiO2粉末的XRD图

2.2 SEM分析

图2为所得ZnO和ZnO/TiO2粉末放大2 000倍的SEM照片.观察发现，经过500 ℃热处理后的ZnO和ZnO/TiO2粉末颗粒大小基本均匀，粒径约均为1μm左右，而且两者的粒子均由不同程度的团聚现象.

图2 ZnO(a)和ZnO/TiO2(b)粉末的SEM图

2.3 抗菌活性分析

实验制备的ZnO/TiO2粉末抗菌性能结果如表1所示，并且与未进行掺杂的ZnO粒子的抑菌性能进行了比较.通过对比复合TiO2前后的ZnO粒子经紫外光照射后的抗菌活性，看出样品在未引入TiO2时对大肠杆菌和绿脓杆菌的抑菌圈分别为13.5 mm和12.1 mm，而复合10%TiO2后对大肠杆菌和绿脓杆菌的抑菌圈大小可达到18.4 mm和15.9 mm，表明复合TiO2后的ZnO粉末对革兰氏阴性菌具有良好的抗菌效果，并且TiO2的复合对革兰氏阴性菌的抑菌活性有明显的增强，提高了ZnO作为抗菌材料的应用性.

表1 ZnO和ZnO/TiO2复合粒子抗菌性能比较

2.4 机理讨论

掺杂TiO2前后ZnO粒子的抗菌活性不同，可能是因为掺杂TiO2的ZnO粒子在光照射下羟基自由基等活性物质加速产生，而活性物质之间往往存在相互转化或干扰，导致·OH产量变化[12].ZnO在光照条件下会产生活性氧类物质，例如·OH、·O2H、·O2-或H2O2[13]，这些活性物质具有强的氧化能力.尤其是·OH具有非常强的氧化能力，对任何有机基团可以无选择性的发生反应，可以将细菌氧化分解为CO2和H2O[14,15]，光催化过程中产生的·OH对ZnO粒子的抑菌活性起到了重要作用.试验中掺杂TiO2后ZnO粒子的抑菌活性明显增强，可能是因为TiO2的引入增加了ZnO粒子表面·OH的产生.对苯二甲酸可以与·OH反应生成2-羟基对苯二甲酸，反应方程如下：

2-羟基对苯二甲酸为红色荧光物质，可以通过检测2-羟基对苯二甲酸的荧光推断在光催化过程中ZnO粒子表面·OH的产量.

图3为TiO2含量为0%和10%的ZnO/TiO2样品所对应的与对苯二甲酸溶液反应1 h后溶液的荧光光谱.在315 nm的激发下，掺杂TiO2的ZnO粒子在425 nm出具有红色发射.而加入10%的 TiO2后，ZnO粒子的荧光发射强度明显增强，说明TiO2的引入使ZnO粒子表面产生更多的·OH，从而使样品的抑菌活性明显增强.

图3 与ZnO和ZnO/TiO2粒子反应后对苯二甲酸溶液的荧光光谱

3 结束语

采用溶胶凝胶法制备了ZnO/TiO2复合粒子，可以有效的抑制大肠杆菌和绿脓杆菌.TiO2的引入有效的提高ZnO粒子表面·OH的浓度，从而增强了ZnO的抑菌性能，为ZnO作为抗菌材料提供了实验基础和理论依据.

[1] Cui Y,Wei Q,Park H,et al.Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection of biological and chemical species[J].Science,2001,293(2):1 289-1 292．

[2] Fubini B.Surface reactivity in the pathogenic response to particulates[J].Environ Health Perspect,1997,105S(20):1 013-1 020.

[3] 金建烽,张文云.纳米氧化锌的制备及其在牙科中的应用[J].西南国防医药,2012,22(1):100-102.

[4] Kamat P V.Photochemistry on nonreactive and reactive

(semiconductor) surfaces[J].Chem.Rev,1993,93(1):267-300.

[5] Vohra M S,Kim S,Choi W.Effects of surface fluorination of TiO2on the photocatalytic degradation of tetramethylammonium[J].J.Photochem.Photobiol.A,2003,160(1-2):55-60.

[6] 罗菊仙,赵中一.半导体多相光催化氧化技术在环境保护中的应用研究进展[J].中国地质大学学报,2000,25(5):536-541.

[7] Fujishima,A.,Honda,K.Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode[J].Nature (London),1972,238(5):37-38.

[8] 周晓谦,周文淮.纳米二氧化钛的光催化特性及应用进展[J].辽宁化工,2002,31(10):448-451.

[9] 黄岳元,米 钰,郭人民,等.TiO2/Ag抗菌材料[J].西北大学学报,2003,33(5):566-568.

[10] 季君晖,史维明.抗菌材料[M].北京：化学工业出版社,2003.

[11] 胡亚微,贺惠蓉,张弘弛,等.纳米ZnO粒子的溶胶凝胶制备及抗菌活性研究[J].陕西科技大学学报,2012,3(30),58-60.

[12] Luo Y S,Liu J P,Xia X H,et al.Fabrication and characterization of TiO2/short MWNTs with enhanced photocatalytic activity[J].Material Letter,2007,61:2 467-2 472.

[13] Yu J G,Wang W G,Cheng B,et al.Enhancement of photocatalytic activity of mesporous TiO2powders by hydrothermal surface fluorination treatment[J].J.Phys.Chem.C,2009,113:6 743-6 750.

[14] 孟 丹,王和义,刘秀华,等.低含量铁掺杂纳米TiO2薄膜的制备及其抗菌机理研究[J].影像科学与光化学，2011,29(4):306-314.

[15] 李艳琼，余 巍，张俊敏，等.Ag /TiO2纳米复合材料的结构及抗菌性能研究[J].贵金属，2011, 32(4):24-28.