新型Ag/TiO2-NTs复合材料合成及其抗菌性能研究

□韦庆敏，何 军，刘荣军，李家贵

（玉林师范学院 化学与材料学院，广西农产品加工重点实验室（培育基地）；广西高校桂东南特色农产资源高效利用重点实验室，广西 玉林 537000）

新型Ag/TiO2-NTs复合材料合成及其抗菌性能研究

□韦庆敏，何 军，刘荣军，李家贵＊

（玉林师范学院 化学与材料学院，广西农产品加工重点实验室（培育基地）；广西高校桂东南特色农产资源高效利用重点实验室，广西 玉林 537000）

采用水热法制备了TiO2纳米管，并采用光化学沉积法制得含Ag量不同的Ag/TiO2-NTS纳米管复合材料；利用XRD、TEM等分析手段对Ag/TiO2-NTS复合材料进行表征，并研究了Ag/TiO2-NTS复合材料的抗菌性能. 采用琼脂孔穴扩散法探索了水热反应时间、煅烧温度、载银量对不同菌种抗菌性能的影响. 结果表明: 水热反应24h，煅烧温度为400℃，掺银量1%的Ag/TiO2复合材料对枯草芽孢杆菌的抗菌性能最好，抑菌圈直径达14.6mm.

Ag/TiO2复合材料；水热法；掺银；抗菌性能

Ti O2是一种耐光化学、酸碱腐蚀的光催化活性半导体无机功能材料，具有光化学性质稳定、催化效率高、氧化能力强、无毒无害、价格便宜、无二次污染等优点, 因而备受国内外关注.纳米TiO2在太阳能光催化分解制氢、环境污染治理及杀菌等领域得到了广泛研究和应用[1][2]，在工业上用来生产油漆、塑料、造纸、颜料、防晒霜、紫外线屏蔽剂、太阳能电池等，在食品上可以作为所有的食品白色素，在环境保护方面起到净化空气、给地球降温、对环境中污染物进行分解、杀死微生物等作用[3].由于量子产率低，太阳光利用率低、较慢的反应速率，TiO2在光催化降解和杀菌方面的应用范围受到了一些限制，适当的载银量可明显增加TiO2的光催化活性和抗菌性能[4].

银离子本身就具有杀菌作用，由于高氧化态银具有极高的还原势，使其周围产生强氧化性的原子氧，破坏细菌体的有机物，导致细菌死亡.尹晓敏[5]认为掺Ag+后的TiO2纳米抗菌剂存在三种抗菌机理，即光催化、银离子接触和溶出抗菌机理，银离子和细菌接触后，静电引力使银离子牢固吸附细菌上并发生化学反应，最终导致细菌死亡.掺银的TiO2能使光生电子-空穴对变得很难复合，从而提高了抗菌性能，而银金属不用光照也可以表现出很好的杀菌效果，二者的共同作用使Ag/TiO2复合抗菌材料无需光照也有很强的抗菌效果[6]，可以应用于室内无光环境，增加了其应用范围.由于银与TiO2抗菌机理的不同，银与TiO2含量不一样的Ag/TiO2复合材料中银所占据的表面积也不同，从而造成了在抗菌性能上表现出很大差异[7].

本文以二氧化钛粉体和氢氧化钠浓溶液为前躯体，通过水热法制备结构均一的TiO2纳米管，再由化学沉积-光还原法合成了纳米Ag表面修饰TiO2纳米管表面的Ag/TiO2-NTs复合材料.用XRD、TEM等手段对产品进行表征，并研究了Ag/TiO2-NTs复合材料的抗菌效果.

1 实验

1.1 主要试剂和仪器

实验试剂：二氧化钛，氢氧化钠，硝酸银，琼脂粉，蛋白胨，酵母浸粉等，所用试剂均为分析纯.

实验仪器：D8 Advance X-ray射线粉末衍射仪，Quanta 250 扫描电子显微镜，恒温震荡器，立式压力蒸汽灭菌器，BSP-250生化培养箱等.

1.2 Ag/TiO2-NTs复合材料的制备[8]

称取3g锐钛矿TiO2粉末，将其加入到80ml的10mol/L氢氧化钠溶液中，超声波分散30min，磁力搅拌3h，转入到100mL的水热反应釜中，在140℃下水热反应24h.反应完成后将反应釜取出，自然冷却至室温后，将白色样品分离并加入到300mL0.1mol/L HCl溶液中，磁力搅拌3h后，真空抽滤，并用蒸馏水洗涤3次，60℃真空干燥4h，研磨后在400℃下煅烧2h备用.

取煅烧后的TiO20.80g，加入到200ml蒸馏水中，采用1mol/L硝酸调节该混合液的pH=2.0.用酸式滴定管将一定量的0.01mol/LAgNO3溶液加入到混合液中，超声分散30min，在暗箱中再磁力搅拌24h.搅拌完成后，逐滴加入0.3mol/L NaOH溶液调节pH=12，紫外灯下照射4h.将获得的样品离心分离，并用蒸馏水洗涤3次.将洗涤后的样品放入干燥箱中，80℃下干燥10h，研磨，可得样品.通过控制AgNO3溶液的加入量，可得到Ag/TiO2质量比不同的复合材料.

1.3 Ag/TiO2-NTs复合材料的抗菌性能试验

在无菌培养皿中，倒入冷却至50℃左右的固体培养基约15mL，摇匀后水平放置，使培养基均匀分布在皿底，凝固后待用.用移液枪精确地吸取107cfu/mL的菌液100uL，用无菌涂布棒将菌液在培养基表面上轻轻地涂布均匀，干燥后用直径5mm 的真空打孔器打孔，称取10mg样品，放入孔中，转置于37℃生化培养箱中培养24h后，取出测量抑菌圈直径，拍摄样品抑菌圈相片，最后计算平均直径.

1.4 表征

用D8 Advance X-ray射线粉末衍射仪测定样品的晶相，用Quanta 250扫描电子显微镜观察其形貌结构.

2 结果与讨论

2.1 Ag/TiO2-NTs复合材料的结构和形貌分析[8]

由图1可知，三种样品的特征峰数值均与TiO2标准粉末衍射卡（PDF）21－1272一致，衍射峰都很突出, 无杂质峰，说明结晶性较好，纯度高，晶型为锐钛矿型.锐钛矿的(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(116)和(220)晶面的特征峰很清晰(对应的2θ分别为25.3°、37.7°、48.0°、54.0°、55.0°、62.7°、68.7°和70.2°).从图1（b）还看出，掺Ag样品(b)的XRD谱与未掺Ag样品(a)和(c)的相比，衍射峰位置无明显变化，除了出现有锐钛矿TiO2的特征峰外，在2θ=44.3°处还出现了一个衍射峰，这是金属Ag的一个特征峰.表明化学沉积-光还原法制备的样品中Ag的掺入能均匀分散在TiO2载体表面，对TiO2晶型无改变.

图1 样品的XRD图谱 Fig.1 XRD chart of sample

2.2 Ag/TiO2-NTs复合材料的TEM分析[8]

图2（a）、（b）分别为TiO2-NTs和Ag/TiO2-NTs（含4%Ag）的TEM图.从图2（a）中可以看出，样品经过673K（400℃）煅烧后，纳米管表明比较光滑，说明纳米管表面结晶程度良好.纳米管的直径约为10nm，长度约为几百个纳米，形貌规则，说明在该温度下所得的TiO2-NTs晶化程度好，且管状结构无破损.图2（b）看出，银离子均匀地附着在TiO2纳米管表面，且附着力较强，没有出现散落在纳米管外的银粒子.银粒子大小约5nm，尺寸均匀，均匀地分散在纳米管的表面，没有出现团聚现象.

图2 TiO2-NTs和Ag/TiO2-NTs复合材料纳米管的TEM图片Fig.2 TEM images of TiO2and Ag/TiO2nanotube composites

2.3 样品的抗菌性能分析

2.3.1 含银量对抗菌性能的影响

以枯草芽孢杆菌为实验菌种，测试不同掺银量的Ag/TiO2复合材料的抗菌性能，其抗菌测试结果见图3、表1所示.图3(1)为加入没有掺银的复合材料，培养24h的抗菌实验照片；(2)为加入经300℃煅烧的TiO2纳米管，掺银量分别为0.5%(D)、1%(A)、2%(B)、3%(C)的Ag/TiO2复合材料，培养24h的抗菌实验照片；(3)为加入经400℃煅烧的TiO2纳米管，掺银量分别为0.5%(B)、1%(A)、2%(C)、3%(D)的Ag/TiO2复合材料，培养24h的抗菌实验照片.

图3 Ag/TiO2纳米复合材料的抗菌实验照片Fig.3 ntibacterial test picture of the Ag/TiO2composite materials

表1 不同银含量的Ag/TiO2纳米复合材料的抗菌性能结果Tab.1 Test results of antibacterial activity of nanomrter Ag/TiO2composite materials

从图3和表1的数据表明，不含Ag的TiO2样品没有抑菌效果.TiO2的水热反应时间和煅烧温度对Ag/TiO2复合材料的抑菌效果有影响，合成TiO2的水热反应时间越长，所合成的Ag/TiO2复合材料抑菌效果越好；TiO2煅烧温度越高，所合成的Ag/TiO2复合材料抑菌效果也越好.Ag/TiO2复合材料抑菌效果随掺银量的增加而增强，但在掺银量大于1%时抑菌效果开始减小，掺银量为1%时抑菌效果最好.综上所述，Ag/ TiO2复合材料的制备条件为水热反应24h、煅烧温度为400℃、掺银量1%，其抑菌效果最好.

2.3.2 不同菌种对Ag/TiO2复合材料的抗菌性能的影响

以金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌为实验菌种，以水热反应24h、400℃下煅烧、掺银量1%的TiO2为实验样品，考察Ag/TiO2复合材料对不同菌种的抗菌性能，实验结果见下表2所示.

表2 Ag/TiO2复合材料对不同菌种的抗菌结果Table 2 The results of antibacterial Ag/TiO2composites of different strains

从表2中结果可知，Ag/TiO2复合材料对这三种代表性的菌种都有很好的抑菌效果.由此可见，Ag/ TiO2复合材料抗菌范围广、抗菌效果良好，是一种广谱抗菌性材料.

2.3.3 Ag/TiO2复合材料的抗菌持久性实验

为了试验Ag/TiO2复合材料是否具有持久抗菌性能，采用枯草芽孢杆菌作为试验菌种，在生化培养箱中培养1天和7天作对比，实验结果见图9 (1)和(2)所示.

图4 持久性和不同材料抑菌实验结果Fig.4 The results of persistence and different materials antibacterial experiment

从图4（1）（2）可以看出，在生化培养箱中培养7天后的抑菌圈和培养1天后的抑菌圈相比，抑菌圈直径的大小、边界基本没有变化，抑菌圈依然透明清晰，说明Ag/TiO2复合材料的抑菌效果具有持久性，一次投放可长久使用，可以降低了使用成本.

2.4.4 不同材料的抗菌性能的比较

为了考察不同材料对枯草芽孢杆菌的抗菌效果，采用P25(A)、Ag/TiO2复合材料(B)、未掺银的二氧化钛(C)、硝酸银(D)为抗菌实验材料.实验效果见图4（3）所示.在无光照的情况下，分别加入质量相同的P25(A)、Ag/TiO2复合材料(B)、未掺银的二氧化钛(C)、硝酸银(D)，其中P25(A)、未掺银的二氧化钛(C)都没有出现抑菌圈，只有硝酸银(D)、Ag/TiO2复合材料(B)都出现清晰透明的抑菌圈，而且Ag/TiO2复合材料的透明抑菌圈径更大.说明掺银后的二氧化钛即使在无光照条件下也具有很强的抑菌性能，与纯硝酸银相比，其抑菌效果更好，容易实现工业化生产，更具有使用价值

3 结论

（1）以锐钛矿粉未TiO2为原料，通过水热法合成了锐钛矿TiO2-NTs.以400℃下煅烧2h后的TiO2-NTs作基体，采用光化学沉积法制得Ag/TiO2-NTs复合材料.

（2）通过对样品进行抑菌圈试验，在没有光照的条件下，P25没有抑菌性，而掺银二氧化钛对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌具有良好抑菌效果，而且抑菌作用持久，具有广谱抗菌性. ■

[1]曹沛森，许 璞，王玉宝等. 纳米TiO2光催化剂的改性及应用研究进展[J].纳米材料与结构，2008，45（3）：145-152.

[2]周 艺，黄可龙，朱志平等. TiO2纳米管的水热法合成研究[J].长沙理工大学学报(自然科学版)，2007，4（4）：86-90.

[3]邱松山，姜翠翠，海金萍.纳米二氧化钛表面改性及其抑菌性能研究[J].食品与发酵科技，2010，46（6）：5-7.

[4]刘守新，曲振平，韩秀文等.Ag担载对TiO2光催化活性的影响[J].催化学报，2004，25(2)：133-134.

[5]尹晓敏.掺杂型纳米二氧化钛粉体的抗菌性能研究[D].西安：西北工业大学，2006.

[6]章启军，孙承华，严峻等.低银量掺杂TiO2纳米片薄膜的制备及其抗菌性能研究[J].影像科学与光化学，2010，28(4)：305-309.

[7]徐惠，史星伟，刘小育，等.水热法制备Ag /TiO2纳米复合材料及其抗菌性能[J].兰州理工大学学报，2009，35(4)：26-29.

[8]李家贵，韦庆敏，何军等. Ag /TiO2纳米复合材料的合成及其光催化性能研究[J].材料导报（B刊），2014，28（10）：13-17.

【责任编辑 谢文海】

Preparation and Antibacterial Activity of New Ag/TiO2Naotube Composites

WEI Qing-min, HE Jun, LIU Rong-jun, LI Jia-gui＊
（Guangxi Key Laboratory of Agricultural Products Processing (Cultivating Base), Colleges and Universities Key Laboratory for Efficient Use of Agricultural Resources in Southeast Guangxi, School of Chemistry and Material, Yulin Normal University, Yulin, Guangxi 537000）

Photocatalyst TiO2-NTs was synthesized by hydrothermal method. The Ag/TiO2-NTs composites with different Ag content were synthesized by chemical deposition-photoreduction method, and characterized by XRD, TEM, UV-Vis. The antibacterial Activity of New Ag/TiO2Naotube composites were investigated. By means of agar hole diffusion method, the impact of hydrothermal reaction time, calcination temperature and the amount of silver loaded on the antibacterial properties of different strains were observed and analyzed. The results showed that, the hydrothermal reaction of 24h, calcination temperature was 400℃. Ag/TiO2composites silver with 1% doped quantity (atomic ratio Ag: Ti = 1:100) has the strongest antibacterial effect on Bacillus subtilis; the diameter of inhibition zone was 14.6mm.

Ag/TiO2composite materials; hydrothermal method; mixed silver; antibacterial capability

[文献标识码] A [文章编号] 1004-4671（2015）02-0040-05

2015-03-31

玉林师范学院重点项目（2012YJZD14）.玉林师范学院教授基金项目（G20130014）。

第一作者：韦庆敏（1978～），男，玉林师范学院化学与材料学院实验师，研究方向：光催化材料。＊