基于光催化材料的微生物检测方法

张华，耶曼，王岚

（西安西北有色地质研究院有限公司，陕西 西安 710054）

微生物作为生态环境中十分重要组成元素，对维持生态系统的循环十分关键。然而有害微生物会对人们生命、健康带来潜在威胁。假设可以实现对有害微生物快速精准检测，便可以实现从源头上对其进行控制[1]。目前检测方法不能完成在线检测同步消除细菌，一是残留的细菌会富集，干扰仪器测试精度；二是残留的细菌得到快速生长，产生二次环境污染。由于光催杀菌技术具备高效、环保的特点，且光电转换性能的方式在多领域得到普遍推广。研制基于光催化材料的微生物检测方法对消除微生物对人类带来潜在威胁具备战略价值[2-3]。ZnO与BiOX作为常用的两种光催化材料，可以实现有效的微生物检测功能，ZnO通常呈六方纤锌矿结构，具有良好的传输能力，可用于太阳能电池、气体传感器制作；BiOX呈四方晶系结构，具有良好的可见光吸附能力，与ZnO用途类似。光催化材料受到光照刺激后，生成具有强氧化性的h+（光生空穴），抑制细菌呼吸从而消灭微生物[4]。

以前普遍使用的有机锡防污涂料即使能够起到优秀的防治生物污损效果，但存在影响海洋生态系统的问题。光催化杀菌技术具备环境污染少、能耗低等优点[5-7]，慢慢得到大家的注意。即使目前开展了许多半导体光催化杀菌实验，然而光催化杀菌机理却没有实现彻底解释。

1 基于Cds量子点敏化ZnO检测法

1.1 原理

该方法针对SPB检测，初始的SPB检测是基于硫酸盐还原菌新陈代谢产物进行测量，具有时间长、无法试试检测的缺点，而ZnO光催化材料的应用有效地解决了上述问题[8-10]。

1.2 检测性能评价

为了评价ZnO光电化学检测性能，同步开展Cd2+、FTO两种对比实验。结果表明，Cd2+测得光电值1.8 μA·cm-2，FTO测得光电值2.3 μA·cm-2，ZnO测得光电值2.6 μA·cm-2。由此可见ZnO测得光电值最高，表明该材料具有更好的光催化能力[11]。此外还开展E.coil（大肠杆菌）、pesudoaltermonassp（假交替单胞菌）、Bacillus.sp（芽孢杆菌）、S.aureus（金黄色葡萄球菌）以及SRB（硫酸盐还原菌）5种细菌的光电流测试。其中E.coil光电流0.48 μA·cm-2，Pesudoaltermons.sp测得光电值 0.50 μA·cm-2，Bacilus.sp测得光电值0.52 μA·cm-2，S.aureus测得光电值0.58 μA·cm-2，SRB测得光电值2.6 μA·cm-2。可以看出，SRB与其他类型细菌相比，光电流值较大，说明SRB细菌对ZnO敏感。

2 基于功能化Bi2S3/BiOCl检测法

2.1 原理

因为SRB具有强腐蚀性，会直接腐蚀金属，从而对关键元件产生损害，因此有必要开展针对SRB的光电检测。本次优选BiOCl材料，其具有四方晶系，但是其只能吸收紫外线，从而大大限制了该材料的应用，而Bi2S3材料可以有效地拓宽可见光吸收范围，从而有效地解决BiOCl的弊端，两者的有效组合可以改进SRB检测精度。

2.2 实验流程

首先开展SRB培养实验，分别在不同时间下，检测其光电流的变化。结果表明，10 h光电流测得值为0.08 μA，20 h测得光电流为0.12 μA，30 h测得光电流为0.16 μA，40 h测得光电流为0.20 μA，50 h测得光电流为0.25 μA，60 h测得光电流为0.27 μA，70 h测得光电流为0.29 μA，80 h测得光电流为0.30 μA。可以看出，50 h之前，SRB生长速度较快，50 h以后，SRB生长速度变缓，因此优选50 h为SRB最佳培养时间。

开展不同菌类光电流测试，结果SRB光电流实验值远高于其他类型细菌。

3 基于功能化AgNPs/ZnO检测法

3.1 原理

ZnO纳米棒阵列因为具备阵列的3D结构，具备较大的比表面积，普遍应用于光催化领域与分析领域。万古霉素能够被用作细菌的特异性识别。ZnO第一利用原电池法生长在FTO外层，在抗坏血酸的作用下富集到ZnO表面，由于万古霉素具有鉴定革兰阳式细菌的功能，可以将细菌吸附到表面。

3.2 材料表征

制备的单根ZnO纳米棒表现出六棱柱结构，任意垂直分布在FTO表面，形成纳米棒阵列，阵列结构表面纯净。修饰AuNPs后单根棒状结构仍然具有六棱柱结构，可以清楚地看到大量的小纳米颗粒任意分布在ZnO纳米棒外层，这证明AgNPs成功地被还原到ZnO纳米棒阵列外层且沉积AgNPs不会影响ZnO的六棱柱结构。

3.3 检测性能评价

对万古霉素的开展优化。ΔRct值与万古霉素浓度呈正相关。但是，当万古霉素浓度大于1.5 mmol·L-1，ΔRct 值增加速度减缓，这表明电极外层固定的万古霉素的数量达到饱和。从成本角度考虑，优选浓度1.5 mmol·L-1的万古霉素。

ΔRct值与反应时间呈正相关，这表明电极外层的细菌俘虏的数量会随着反应时间的延长而增加。但是，当时间大于50 min后，ΔRct值增加速度减缓，甚至出现静止不变情况，该实验结果说明当反应时间为50 min时，捕捉细菌总数趋近饱和，所以优选50 min作为最佳反应时间。

3.4 细菌清除和细菌杀灭性能评价

当S.aureus Ntotal的平均值为1 000 cfu·mL-1时，Nrest平均值接近480 cfu·mL-1；当S.aureus Ntotal的平均值为2 000 cfu·mL-1时，Nrest平均值接近1 010 cfu·mL-1。通过相关计算可以求取效率分别为52%、49%。其数值（图1中的红色柱体）几乎是对照试验组的5倍（图1中的绿色和蓝色柱体），实验结果说明所研制的多功能微生物检测方法对Saureus具备明显的捕获清除效果。

图1 清楚效率

4 基于功能化的AuNPs/BiOI检测法

4.1 原理

BiOI能够用来消除细菌，降解污染物，并制造光电化学传感平台。纳米金（AuNPs）具有物理化学性质稳定的特性，可以与巯基基团结合形成Au—S共价键，其稳定的性能有助于纳米金在微生物检测领域推广。此外光电与光催化行业，由于纳米金可以增强光电传感的信号强度或者有助于提高光催化活性，同样得到重视。

4.2 薄膜表征

除基底峰外，其他衍射峰与四方晶体结构BiOI具有强匹配性，表明所制备的样品为四方相BiOI。此外BiOI薄膜中除基底峰与BiOI峰外，无其他杂峰出现，该实验表明所产生的BiOI薄膜质地纯净。

4.3 细菌检测

通过荧光显微镜表征该方法的俘获性能，通过观察可以得出，不含有捕获单平台的荧光显微镜图像中几乎没有细菌。这表明如果无捕获要素，细菌很难被吸附到电极上；但含有捕获要素的平台，显微现象与不含有捕获平台的正好相反，可以清晰观察到平台外层附近大量细菌。两组实验结果对比说明巯基苯硼酸具有高效的细菌吸附能力，也说明了该平台的可使用性。

光催化抗菌活性在可见光照射条件下，单体BiOI光催化材料的抗菌率得到极大提升，从而证明BiOI薄膜具备卓越的光催化杀菌活性，PEC平台具备光催化抗菌活性，抗菌效率高达99.99%，在其相应的培养皿中观察不到菌落，进一步说明功能化的AuNPs/BiOI光催化材料具备高效的光催化杀菌能力。分析表明，功能化BiO薄膜具备高效杀菌效率归因于AuNPs可增强光吸收和促进光生电子空穴对的分离。

5 结 论

以万古霉素作为捕获要素和协同抗菌要素、AgNPs 链接要素和抗菌要素、ZnO 纳米棒阵列作为基底电极组建具有杀菌和清除细菌的多功能电化学微生物检测方法。该方法可有效地对 Saureus 的灵敏检测，检测限为330 cfu·mL-1。利用万古霉素与细菌较强的结合作用以及其与AgNPs的抗菌作用，该方法可实现对低浓度细菌的高效清除（52.1%和49.7%）以及高浓度细菌的高效杀灭（99.99%）。以巯基苯硼酸作为捕获要素、AuNPs 作为链接要素、BiOI半导体薄膜作为光电转换要素和光催化杀菌要素构建了具备杀菌功能的光电化学微生物检测方法。