表面的超疏水性对生物防污效果的影响

李晓玫，邓 旭

(电子科技大学基础与前沿研究院，成都 610054)

引 言

微生物与固体表面接触后，会形成复杂的细胞群落。这种细胞群落可能会威胁人类的健康安全，还会对工业生产中的设备腐蚀和环境污染产生很大影响［1］。例如，生物医学设备上残留的细菌或病毒导致人体感染［2-3］，食品包装运输过程中细菌繁殖导致食品中毒［4］，海洋运输过程中海洋微生物的附着腐蚀船体［5-6］，以及石油管道运输过程中生物腐蚀导致运输阻力加大［7］等等。因此，研究表面生物污染的影响因素及其解决方案有重大意义。

目前解决表面生物污染的方法主要有两种，一是降低微生物在表面的粘附，二是使用抑制剂或者灭菌剂消灭微生物［7-9］。近几年来，利用超疏水表面进行生物防污的研究已取得了很大的进展，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］使用原位技术制备聚二甲基硅氧烷/ZnO NR 复合材料，通过调节纳米填料的掺入浓度，获得对各种细菌和真菌具有高抗性的粗糙表面。HE X Y 等人［13］在铝基板上原位生长纳米结构的氧化铝，通过表面改性后获得超疏水的微/纳米二元结构，实现了对水、蛋白和蛋黄的超级排斥作用［13］。ZHOU X 等人［14］以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS) 作为引发剂，通过单电子转移活性自由基聚合(Single-Electron-Transfer Living Radical Polymerization，SET-LRP) 法与原子转移自由基聚合(Atom-Transfer Radical Polymerization，ATRP) 法来发生聚合，获得的ABC(PDMS58-PtBA122-PiBuPOSSMA97) 三嵌段共聚物可发生自组装形成分级结构，该结构经二氯甲烷/二甲基甲酰胺混合物浇筑后呈现超疏水性，显示出优异的防污性能，能有效抑制铜绿假单胞菌ATCC 15692的附着。

上述超疏水表面实现对生物污染物的排斥与低粘附作用都是基于污染物在超疏水表面呈现Cassie-Baxter状态来实现的，即液滴与固体表面间存在气穴，降低了两者间的接触面积，这意味着表面的疏水程度及持久性将影响其防污效果。从文献［15-16］可知，固体表面的疏水效果可以通过改变其表面张力和粗糙度来进行调控，粗糙度越大、表面能越低则疏水效果越好。因此，可以通过改变表面的粗糙度来调控其防污效果。

本文通过经典光刻法、液相沉积法和气相沉积法获得不同疏水程度的表面，通过测量两表面在莱茵衣藻溶液中的受污染程度，探究表面的超疏水性对生物防污效果的影响。

1 实验材料及方法

1.1 实验试剂和原料

浓硫酸、双氧水、丙酮、乙醇、异丙醇和氨水，均为AR 级，产自国药化学集团; 丙二醇甲醚乙酸酯(AR，苏州研材微纳科技有限公司) ，四乙氧基硅烷(AR，Sigma-Aldrich) ，全氟辛基三氯硅烷(AR，Sigma-Aldrich) ，去离子水(自制) ，SU-8 2025 负性光刻胶(苏州研材微纳科技有限公司) ，商用纳米二氧化硅微球溶液(Soft99，上海速特99 化工有限公司) ，莱茵衣藻(FACHB479，中科院淡水藻种库) ，SE 培养基(中科院淡水藻种库) 。

1.2 实验仪器

超纯水仪(Synergy UV，上海巴玖实业有限公司) ，超声清洗仪(CPX3800H-C，上海巴玖实业有限公司) ，旋涂仪(WS-650MZ-23NPPB，迈可诺技术有限公司) ，恒温热台(HP10，大龙兴创实践仪器有限公司) ，光刻机(URE-2000/17，中国电子科技集团公司第四十五研究所) ，等离子清洗机(PDC-002，默克化工技术有限公司) ，接触角测量仪(OCA-50AF，DataPhysics，Germany) ，扫描电子显微镜(JEOL，JSM-7500F，日本日立公司) ，正置金相显微镜(102C，尼康公司) 。

1.3 样品制备

1.3.1 超疏水微型柱子结构表面的制备

超疏水微型柱子结构是采用经典的光刻方法和表面改性方法获得，具体的实验步骤如下:

(1) 清洗基底: 依次用丙酮、乙醇和去离子水，利用超声来清洁载玻片(厚度为170 μm) ，并用氮气吹干。

(2) 旋胶:将负性光刻胶(SU-8 2025) 以3000 转/秒的转速旋涂在洗过的载玻片上，时间为30 s。

(3) 前烘:将旋涂好的样品放在温度为65 ℃的热台上烘烤5 min，然后将温度升至95 ℃，继续烘烤10 min，取出样品，避光静置，缓慢冷却至室温并过夜。

(4) 曝光:用光刻机和掩膜版进行紫外曝光，光强为5.5 mW/cm2，时间为40 s) 。

(5) 后烘:方法同前烘。

(6) 显影:将后烘后的样品在显影剂(丙二醇、甲醚、乙酸酯混合物) 中浸泡3 min 后，用异丙醇将非交联区冲洗掉，并用氮气吹干。

(7) 坚膜:将显影后的样品在温度为150 ℃的恒温热台上烘烤30 min。

(8) 表面改性: 在真空室温条件下，将4 mL 氨和4 mL四乙氧基硅烷混合反应24 h，然后用氧气等离子体活化其表面，采用化学气相沉积法将氟化试剂键合在微型柱子表面，获得超疏水的微型柱子结构。

1.3.2 超疏水微型分级柱子结构表面的制备

将微型柱子结构浸泡在商用疏水纳米二氧化硅微球溶液中3 min，取出，自然干燥后，将样品放在150 ℃的恒温热台上烘烤15 min。重复上述过程三次，得到微型分级柱子结构。为进一步降低结构的表面能，通过氧气等离子体活化其表面后，再用气相化学沉积法将氟化试剂键合在结构表面。

1.4 测试方法

1.4.1 样品结构表征

利用扫描电子显微镜表征样品表面形貌特征，所有样品的SEM 图都是在倾斜样品台35°角的条件下扫描获得的。

1.4.2 接触角和滚动角的测量［15-17］

测量接触角时，将4 μL 超纯水液滴轻轻滴在待测样品表面进行测量。测量滚动角时，将10 μL 超纯水液滴轻轻滴在样品表面，平缓地倾斜样品台直到液滴从表面上滚落，获得其在样品表面的滚动角。每个样品选取3 ～5 个不同位置进行测量，取其平均值作为结果。

1.4.3 表面生物防污实验［18-19］

首先在无菌条件下，将莱茵衣藻(FACHB479) 转移至SE 培养液中生长，直至原种培养物达到B1107 细胞的密度。将该原种培养物用新鲜培养液稀释(两者比例1∶5) 。将稀释的培养物加入到80 mL 方形培养皿中，加入待测样品超疏水微型柱子表面或超疏水微型分级柱子表面，使藻类沉积在测试表面上。然后，将培养皿置于荧光灯具(Sun Blaze T5HO) 下，每天16 h 光照、8 h黑暗的条件下循环生长7 d。然后取出样品，观察其表面污染情况，分析表面受污染后的浸润性能。

2 实验结果与分析

2.1 样品的结构特点

样品扫描电子显微镜图如图1 所示。其中，图1(a)为微型柱子结构表面，柱子直径为10 μm，高度为40 μm，中心间距为60 μm;图1(b) 和图1(c) 分别为微型分级柱子结构和其侧壁细节，柱子直径为12 μm，高度为42 μm，中心间距为60 μm，侧壁的纳米微球平均直径约为80 nm，柱子外表的纳米微球厚度约为2 μm。

图1 样品扫描电子显微镜图

从图1 中可知，相比于微型柱子结构表面，微型分级柱子结构的粗糙度大大增加了，这是由纳米二氧化硅微球的引入引起的。

2.2 样品的浸润性能

通过测量水滴在表面上的表观接触角和滚动角来表征样品的浸润性能。水滴在微型柱子结构和微型分级柱子表面上的状态如图2 所示，水滴在两表面上的接触角和滚动角见表1。

表1 水滴在两表面上的接触角和滚动角

图2 水滴在微型柱子和微型分级柱子结构表面的状态

从图2 和表1 可知，水滴在微型柱子结构和微型分级柱子结构表面均为圆球状，呈现明显的Cassie-Baxter态;水滴在微型柱子结构表面的接触角为151°左右，滚动角约为5°，呈现出超疏水的性能［20-22］; 水滴在微型分级柱子结构表面的表观接触角高达158°(比微型柱子结构增大了7°) ，且滚动角仅有1°(比微型柱子结构降低了4°) 。上述结果说明氟化后的微型柱子表面和微型分级柱子表面均具有优良的超疏水性能，但微型分级柱子结构表面的疏水效果更好，分级结构的引入提高了表面的疏水性能。

2.3 样品的防污效果

微型柱子结构和微型分级柱子结构表面的生物防污效果如图3 所示，图3(a) 、图3(b) 分别为微型柱子结构表面和微型分级柱子结构表面的生物防污效果。

图3 微型柱子结构和微型分级柱子结构表面的生物防污效果

从图3(a) 、图3(b) 可知，微型柱子表面泡入海藻溶液中1 d 后，表面沉积的海藻数目明显增多，取出后在显微镜下观察，发现海藻溶液已经完全浸润微型柱子结构，将其表面干燥后，水滴在该表面呈半球状态，较之浸泡前的状态(图2) ，发现其表面疏水性能大大降低; 而微型分级柱子结构在放入海藻溶液7 d 后，其表面上沉积的海藻较少，取出后在显微镜下观察，发现表面几乎无海藻粘附，并且液滴在其干燥后的表面呈现出与浸泡前(图2) 无差别的接触状态。由此可知，疏水效果越好的表面(微型分级柱子结构表面) ，受海藻污染程度更小，防止海藻污染的时间也更长。

2.4 表面的超疏水性影响生物防污效果的机理

多数情况下，表面发生生物污损的过程很相似:首先是有机分子在表面上自发产生非特异性吸附，然后是微生物的繁殖和生长［23-24］。要降低表面生物污染，主要有两种方法:一是要降低污染源在表面的粘附，二是使用抑制剂进行灭菌，一般是采用前者。超疏水表面与液滴间的低粘附效果是基于液体在表面形成Cassie-Baxter 态来实现的，但是这种状态极不稳定，在外在震动或冷凝条件下极易转变为Wenzel 态，这会加大液体与表面的粘附。因此，超疏水表面的疏水稳定性和持久性是影响防污效果的关键。

超疏水表面实现生物防污效果的原理如图4 所示。

图4 超疏水表面实现生物防污的原理示意图

从图4 可知，将微型柱子结构放入海藻溶液中浸泡1 d 左右后，由于海藻粘附和摇晃等原因导致液层塌陷，使液层从Cassie-Baxter 态转变成Wenzel 态，导致防污失效，进一步说明微型柱子结构表面疏水效果差; 微型分级柱子在海藻溶液浸泡7 d 后，液层依旧维持Cassie-Baxter 态，说明微型分级柱子可以实现长久的防污效果，这是因为其中引入了疏水纳米微球，这大大提高了其表面疏水效果，即使将表面浸入海藻溶液中一周后。

3 结 论

(1) 以SU-8 负性光刻胶为原料，采用传统光刻法制备微型柱子结构，在此基础上利用商用疏水二氧化硅微球，通过液相沉积法来制备微型柱子分级结构。为了增加上述结构的超疏水性，以全氟辛基三氯硅烷为氟化剂，采用化学气相沉积法对其表面进行了改性。用电子扫描电镜表征了微型柱子和微型柱子分级结构表面的形貌，发现后者的粗糙度较前者增加了。

(2) 通过测量水滴在表面的接触角和滚动角，比较了不同结构表面的疏水性能，发现微型分级柱子结构相比于单一的微型柱子结构，其疏水性能明显提高，表观接触角增大了7°，滚动角降低了4°。

(3) 测试了不同结构表面在莱茵衣藻培养液中的防污，发现微型分级柱子结构表面相比于单一微型柱子结构表面受莱茵衣藻污染的面积更小，抗污时间更长，结果说明表面疏水程度越高则其防污效果越好、越持久。