硫镧掺杂纳米TiO2的合成及其抗菌性能研究

王祖华,宋根娣,杨瑞先,张 拦

(洛阳理工学院环境工程与化学学院,洛阳 471023)



硫镧掺杂纳米TiO2的合成及其抗菌性能研究

王祖华,宋根娣,杨瑞先,张 拦

(洛阳理工学院环境工程与化学学院,洛阳 471023)

以钛酸四丁酯为钛源,聚乙二醇200为分散剂,采用溶胶-凝胶法制备一种新型的硫镧掺杂纳米TiO2抗菌材料。通过透射电镜和X射线衍射对纳米材料的微观结构进行表征分析,并检测硫、镧掺杂对纳米TiO2抗菌性能的影响。结果表明,所制备的硫镧掺杂TiO2为锐钛矿型纳米晶,硫、镧的掺杂导致TiO2的粒径变小。抑菌试验结果显示,在日光灯和紫外灯照射下,所制备的硫镧掺杂TiO2纳米材料具有良好的抗菌性能,在日光灯照射下抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度MIC值均≤250mg/mL。通过与纯的TiO2对比,掺杂硫镧TiO2的抑菌效果更明显,且其抗菌性能与掺杂硫镧的含量成正相关。

纳米TiO2； 硫； 镧； 抑菌性能

1 引 言

近年来,纳米TiO2因其广谱的抗菌性、无毒无污染、廉价、活性高、性质稳定等特点,被广泛应用于涂料行业、环境保护等领域[1-4]。与一般有机或无机抗菌剂不同,纳米TiO2的抗菌作用并不依赖抗菌剂的渗出,而是源于TiO2的光催化作用[5]。当TiO2与细菌、霉菌接触后,通过与菌体细胞膜、细胞壁中的蛋白质、肽聚糖和磷脂等不饱和键反应,进而破坏细胞膜和细胞壁的结构,最终起到杀灭菌体的作用。此外,经纳米TiO2杀菌后菌体被降解,不像传统含银、铜杀菌剂会造成细菌内毒素的释放,造成二次污染。同时由于光催化作用,TiO2还可以使菌体细胞质凝聚,引起细菌内毒素的变性,因而更加安全[6-7]。目前,已经证明TiO2对绿脓杆菌、沙门氏菌、大肠杆菌、曲霉、牙枝菌和金黄色葡萄球菌等均具有较强的杀菌能力[8]。然而,传统的TiO2由于禁带宽度较大,不能充分的利用太阳光[9],制约了其在生产中的应用。为了拓宽TiO2的光谱吸收范围,各国研究者开发出了一系列的方法,其中使用最为广范的是元素掺杂[10-12]。研究表明,无论是单一元素还是几种元素共掺杂均能改变TiO2的吸收光谱或增大TiO2粉体的可吸收光范围,掺杂后TiO2的可见光催化性能高于未掺杂的,并且在同一煅烧温度下TiO2所引发的光响应效率与某些掺杂离子的浓度成正相关[13-15]。此外,对于掺杂元素种类的研究发现,单一掺杂La的TiO2在紫外光区的吸光度显著高于纯的TiO2,而掺杂S能够使TiO2的激发波长向可见光区发生红移,并提高其对可见光的利用率[15]。 因此,为了研发出一种具有高效抗菌作用的新型纳米TiO2材料,本研究利用溶胶-凝胶法制备La、S共掺TiO2材料,通过X射线衍射和透射电镜技术分析其结构表征,并分别与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行共培养,研究La、S共掺TiO2在不同条件下对革兰氏阴性菌及革兰氏阳性菌的抑菌效果。

2 试 验

2.1 试剂及主要仪器

钛酸四丁酯,分析纯,天津市大茂化学试剂厂；聚乙二醇200,化学纯,天津开发区新雅工贸有限公司；无水乙醇,分析纯,天津市永大化学试剂有限公；三乙醇胺,分析纯,天津市大茂化学试剂厂；冰乙酸,分析纯,天津市巴斯夫化工有限公司；硝酸镧,分析纯,天津市巴斯夫化工有限公司；硫脲,分析纯,天津博迪化工股份有限公司；去离子水,实验室自制；氯化钠,分析纯,天津市巴斯夫化工有限公司； 牛肉浸膏北京市海淀区微生物培养基制品厂； 蛋白胨,生化试剂,北京双旋微生物培养基制品厂； 琼脂粉,生物试剂,北京奥博星生物技术有限责任公司；金黄色葡萄球菌、大肠杆菌(菌种为本实验室保存)；采用JEM-2010型透射电镜观察样品的微观形貌,采用D/max2500型X射线衍射仪分析样品的XRD谱图,以CuKα为溅射靶,管电压40kV,管电流100mA,扫描速率2°/min,扫描范围2θ=10°～70°。采用德国spectro公司的X射线荧光光谱分析仪(XRF)测定各元素的质量百分含量。

2.2S,La共掺纳米TiO2的合成

分别取钛酸四丁脂20mL、无水乙醇40mL,分散剂聚乙二醇5mL、抑制剂三乙醇胺2.5mL,均匀混合制得溶液A；分别取无水乙醇40mL、蒸馏水10mL(含有作为掺杂剂的硝酸镧(镧源),钛与镧的摩尔比为1∶0.01)、冰醋酸20mL,搅拌均匀制得溶液B。在恒温水浴条件下,将B溶液缓慢加入到A溶液中,搅拌30min后得到透明胶体。将上述制得的溶胶倒入250mL的烧杯中,磁力搅拌下加入适量的硫脲(硫源),钛与硫的摩尔比为1∶0.25。此时,澄清透明的溶胶变成了黄色凝胶,同时有放热现象,反应一段时间后放入干燥箱,烘干后转入马弗炉,在350 ℃下煅烧2h后,制得硫镧掺杂纳米二氧化钛(S-La-TiO2)。

2.3 纳米TiO2与S-La-TiO2的抗菌实验

24h抑菌实验采用的菌种为大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)。将不同质量的纳米TiO2和S-La-TiO2样品经过室内照明的日光灯照射3h后,加入到培养基中,灭菌后倒入50μL已知浓度的原始菌液,迅速旋摇培养皿,使三者充分混匀,冷凝。将平板置于37 ℃培养24～28h后,确定细菌的数目为实验组菌数,另不加样品,同样操作得出细菌数目为对照组菌数,然后通过公式：抑菌率=(对照组菌数-实验组菌数)/对照组菌数×100%,得出抑菌率。

2.4 紫外光照对TiO2和S-La-TiO2抗菌性能的影响

将样品经过室内照明的日光灯照射3h和紫外灯照射30min,其它操作同2.3,可测得抑菌率。

3 结果与讨论

3.1 纳米TiO2的表征

3.1.1 材料的形貌分析

由图1可以看出,所制备的二氧化钛属纳米级颗粒(1～100nm),是具有一定几何外型的晶体,纳米颗粒的分散性较好,粒子的粒径大小均匀。其中纯纳米TiO2的平均粒径大小约为11nm,S-La-TiO2的平均粒径大小约为8nm。

3.1.2X射线衍射分析

从图2中可见,TiO2具备一定的晶型,为锐钛矿型结构,其d值与JCPDS(84-1285)一致,属于四方晶系,空间群为I41/amd。在2θ为25.317,37.898,48.241,55.113°处的衍射峰对应于TiO2的特征峰,所对应晶面分别为(101),(004),(200),(105),(211)。X射线衍射分析结果表明所制备产品为纳米TiO2晶粒。根据Scherrer公式：Dhkl=kλ/(β·cosθ),其中k=0.89,λ=0.1542nm,β为半峰宽,θ为衍射角,计算垂直于(101)晶面的平均晶粒度D100,所制备产品为未掺杂与掺杂纳米TiO2的晶粒度分别为11.7nm和8.5nm。由图 2可知,350 ℃煅烧所得的硫镧掺杂TiO2样品均呈具有较好催化效果的锐钛矿相结构；由于硫、镧的掺杂,纳米粒子的衍射峰有明显的宽化现象,布拉格角向低角度方向移动,粒子粒径减小会产生无序的晶间结构及晶体缺陷,使点阵间距发生变化,导致X射线衍射峰变弱,使锐钛矿的(101),(004),(200),(105),(211)衍射峰强度减弱,这可能是掺杂抑致了TiO2晶粒的长大。由图2可以看出,在XRD谱上S-La-TiO2所有峰出现的位置均在纯TiO2的特征峰处,并没有明显的镧、硫系化合物、镧钛复合氧化物以及硫钛复合氧化物的衍射峰,这说明La、S元素高度分散在晶格内部导致一起无法分辨。

通过X射线荧光光谱分析(XRF)计算得出S-La-TiO2的(Ti+La)/(O+S)为0.5,与纯TiO2的Ti/O相同,说明在制备过程中La和S分别取代了TiO2晶体中Ti和O的位置,形成离子固溶体,从而生成S-La-TiO2结构的物质,未形成其它物质,这与XRD的分析结果相同。

图1 纯TiO2和S-La-TiO2的HRTEM图Fig.1 HRTEM images of pure TiO2 (a) and S-La-TiO2 (b)

图 2 纯TiO2和S-La-TiO2的XRD图谱Fig.2 XRD patterns of pure TiO2 (1#) and S-La-TiO2 (2#)

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3.2 不同条件下纳米TiO2与S-La-TiO2的抑菌作用分析

为了分析S-La-TiO2在不同条件下的抑菌效果,本研究分别采用紫外灯和室内照明用日光灯两种光源作为激发光源,并将不同质量浓度的纳米TiO2和S-La-TiO2混入培养基,分别与大肠杆菌、金黄色葡萄球菌共培养,其抑菌结果如表2所示。当培养基中纯TiO2的浓度为250mg/L时,通过日光灯照射的材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率为86%以上,而在紫外灯的照射下,其抑菌率为98%以上。 同样在紫外灯照射条件下,抑菌率达到90%以上的培养基中加入S-La-TiO2的浓度仅为150mg/L,而日光灯照射下元素掺杂材料在该浓度的抑菌率仅为70%,也显著低于紫外光照条件(P<0.05),这与纯TiO2在两种光源照射下的抑菌结果一致。由此可以看出日光灯照射下纯TiO2和S-La-TiO2的MIC为300mg/L和250mg/L，而紫外灯照射条件下纯TiO2和S-La-TiO2的MIC为200mg/L和150mg/L。此外,S-La-TiO2的抑菌活性在各个浓度梯度中均显著高于纯的TiO2。以上结果说明,紫外与日光灯两种光源都能激发TiO2产生具有较强氧化性的活性氧类物质,并进一步抑制菌体存活,而两种材料在260nm紫外灯的照射下抑菌活性高于室内照明日光灯,证明S-La-TiO2与纯的TiO2一样,与紫外光具有协同作用,并且由于S和La的掺杂,可能改变了TiO2在可见光区和紫外光区的光催化效果,增加了其光响应效率和可见光的红移,使得S-La-TiO2的抗菌性显著增强。

对比不同质量浓度纯TiO2和S-La-TiO2材料的抑菌活性发现,两种光照条件下,不同质量浓度材料的抑菌活性均存在显著差异(P<0.05),且与培养基中加入纳米抗菌材料的含量成正相关。抑菌广谱性的分析发现,只有浓度为300mg/L的纯TiO2在日光灯条件下,对两种菌的抑菌率存在差异,其他条件下,抑菌结果均无显著差异。因此,说明本研究制备的S-La-TiO2材料是一种优良的广谱抗菌材料。

在紫外灯条件下,仅当培养基中抗菌材料为150mg/L的低浓度时,S-La-TiO2的抑菌活性显著高于纯的TiO2(P<0.05),而其他浓度时,抑菌活性均无显著差异。在日光灯条件下,仅在300mg/L的高浓度下,两种材料对金黄色葡萄球菌的抑菌效果差异不显著,而其他各浓度S-La-TiO2的抑菌作用均显著高于纯的TiO2。根据以往对TiO2的应用研究发现,该材料主要用于医学义齿、家用涂料等方面[16]。而本研究开发的新型元素掺杂S-La-TiO2纳米材料,其主要用途是作为抗菌涂料的添加剂。此外,由于目前居民住房楼间距小,日常使用的涂料,在墙体上主要接触的光照来源是家用日光灯。因此,在模拟日常应用的环境条件,本研究制备的S-La-TiO2纳米材料具有良好的广谱抗菌性,且与传统的纯TiO2材料相比具有更高的抑菌活性。

表2 不同条件下抗菌材料的抑菌效果

仅对比每组样本不同光源的显著性差异,同上字母一样表示差异不显著,P<0.05。其中A为TiO2,B为S-La-TiO2,C为日光灯,D为紫外灯

4 结 论

本研究利用溶胶-凝胶法制备一种新型S-La-TiO2抑菌材料，该纳米材料的衍射峰有明显的宽化现象，布拉格角向低角度方向移动，粒子粒径减小。通过X射线荧光光谱分析得出S-La-TiO2的(Ti+La)/(O+S)为0.5，与纯TiO2的Ti/O相同, 说明生成了S-La-TiO2结构的物质而未形成其它物质。其抗菌性能无论是在日光灯还是紫外灯的照射下，纯TiO2和S-La-TiO2的抑菌效果都与其加入含量成正相关，而S-La-TiO2的抑菌效果显著高于纯TiO2，并且两种材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果没有显著差异，结合表征分析与抑菌结果表明，所制备的S-La-TiO2材料具有较高的、广谱的抗菌活性，是一种具有良好应用前景的新型无机抗菌材料。

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Preparation and Antibacterial Property of S-La Co-doped Nano-TiO2

WANG Zu-hua,SONG Gen-di,YANG Rui-xian,ZHANG Lan

(DepartmentofEnvironmentalEngineeringandChemistry,LuoyangInstituteofScienceandTechnology,Luoyang471023,China)

S-La-dopedTiO2nanoparticlesweresynthesizedbysol-gelmethodwithtetrabutyltitanateasrawmaterialandPEG200asdispersant.ThedopedTiO2wascharacterizedbyTEMandXRD,andtheantibacterialpropertywasalsodetectedforeffectofSandLa.TheresultsshowthatthecrystalformofS-La-dopedTiO2issingleanatase,andtheadulterationofSandLainducedthegranularitydecrescenceofthenanoparticles.ResultsofantibacterialtestshowedthatthisS-Laco-dopednano-TiO2hasgoodantibacterialpropertywhenwhichpreparedbythefluorescentlampandUVirradiation.Theminimalinhibitoryconcentrations(MIC)oftheresistanceofEscherichiacoliandStaphylococcusaureusarealllessthanorequalto250mg/mLunderthefluorescentlampirradiation.ComparedwithpureTiO2,theantibacterialeffectofS-Laco-dopednano-TiO2ismoreobvious,andthereisapositivelycorrelationbetweenthebacteriostasisandthecontentofS-Laco-dopednano-TiO2.

nano-TiO2;S;La;antibacterialproperty

国家杰出青年科学基金(31500008)；河南省科技攻关项目(122102310039)

王祖华(1976-),女,硕士,讲师.主要从事微生物学的研究.

TB

A

1001-1625(2016)12-4222-05