黑曲霉菌对Ge镀增透膜层的腐蚀行为研究

戈 帆，郭 骞，肖建军，刘 剑，杨玉萍，王冲文，刘艳芳，罗 瑞，赵远荣，杨品杰，刘云红

〈材料与器件〉

黑曲霉菌对Ge镀增透膜层的腐蚀行为研究

戈 帆1,2,3，郭 骞1,2,3，肖建军1,2,3，刘 剑1,2,3，杨玉萍1,2,3，王冲文1,2,3，刘艳芳1,2,3，罗 瑞1,2,3，赵远荣1,2,3，杨品杰1,2,3，刘云红1,2,3

（1. 云南北方光电仪器有限公司，云南 昆明 650114；2. 云南西双版纳大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，云南 昆明 650114；3. 西双版纳大气环境材料腐蚀云南省野外科学观测研究站，云南 昆明 650114）

为开发新型保护膜系和光学系统的防霉设计提供数据支撑，了解Ge镀增透膜层在黑曲霉环境下的腐蚀行为，有助于提高红外窗口材料的环境适应性。通过霉菌加速试验，采用荧光显微镜、扫描电镜、X射线光电子能谱等，研究黑曲霉菌对Ge镀增透膜层样品的腐蚀行为及影响规律。黑曲霉菌为产酸型微生物，在稳定期时，它的生物量最高，细胞代谢产物的积累达到高峰，在对数生长阶段，由其引起的生长环境pH值变化显著，增加了环境的酸度；黑曲霉菌初始以Ge镀增透膜层样品表层吸附的碳元素为营养粘附于样品表面，并在样品表面大量繁殖，消耗样品表层的碳含量，随着黑曲霉菌的大量繁殖，样品表面的pH值也随之降低，样品表面的金属元素被氧化，开始逐步溶解，Ge镀增透膜层样品表层的锗元素、锌元素相继被剥离，参与反应后，样品的表层形貌被破坏严重，形成了大量的腐蚀坑。黑曲霉菌对Ge镀增透膜层的腐蚀行为以点蚀方式为主，它的生长代谢作用促进Ge镀增透膜层的腐蚀。

黑曲霉菌；Ge镀增透膜层；腐蚀行为

0 引言

近年来，红外技术因有着其它技术不可比拟的独特优势而在军事应用中被广泛使用，并逐渐成为现代战争中越来越重要的战术部署和战略手段。其中，红外窗口材料作为红外技术领域的关键部件，既能通过确保光电传感器的光学性能来保证红外成像品质；又能保护包括光电装置在内的红外传感器免受外界环境的损伤[1]。据相关研究得知，Ge是应用最广泛的红外窗口材料之一，红外光学系统中的透镜、棱镜、窗口、滤光片等首选材料，但其透过率较低，需镀高效增透膜提高红外系统透过率，以保证其成像质量[2-3]。常见的Ge增透膜层材料是ZnS、YbF3和Ge[2-3]，它在服役过程中可能经历的环境有湿热雨林、热带海洋等，增大了与霉菌接触的可能性，已有相关研究表明在Ge镀增透膜层有霉菌生长[2]，但具体的腐蚀机理与作用规律很少涉及。

作为广谱真菌，黑曲霉无处不在，它很容易从自然环境中分离得到，近年来黑曲霉菌对材料的腐蚀研究越来越多，例如：Juzeliunas[4-5]等发现黑曲霉菌加速了锌的腐蚀，但对铝的腐蚀却是抑制作用；王蕾[6]等人发现黑曲霉菌加速了AZ31B镁合金的腐蚀，主要以点蚀为主，腐蚀速率先增大，后有减缓的趋势，推测腐蚀产物主要是氢氧化镁、磷酸镁、碱式氯化镁和碱式碳酸镁；陈丹明[7]等人研究发现了黑曲霉菌是侵蚀A04-60白色氨基烘干半光磁漆的主要霉菌，它会加速涂层的变质、老化进程，严重影响了有机涂层的防护效果；熊福平[8]在湿热海洋环境中研究了黑曲霉菌对铝合金7075-T6的腐蚀机理，发现铝合金的腐蚀产物主要是Al2O3和Al(OH)3，加速了铝合金的局部腐蚀；邹士文[9]等发现黑曲霉菌在浸银处理印制电路板表面附着并生长旺盛，发生局部（微孔）腐蚀；Dai等[10]发现黑曲霉菌促进了2024铝合金的点蚀。从这些研究可以看出，黑曲霉菌对许多材料具有腐蚀行为，而有关Ge镀增透膜层材料的腐蚀行为研究较少。

因此，本文依据前期热带雨林自然环境试验和霉菌试验的结果，对Ge镀增透膜层进行黑曲霉菌腐蚀加速试验，Ge镀增透膜层材料为ZnS、YbF3和Ge，采用荧光显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、傅里叶红外光谱、紫外-可见光谱、X射线光电子能谱等方法和手段，初步探索黑曲霉菌对Ge镀增透膜层的腐蚀情况，为了解Ge镀增透膜层在黑曲霉菌环境下的腐蚀规律、开发新型保护膜系和光学系统的防霉设计提供数据支撑，进一步为探讨各类微生物的腐蚀机理奠定基础。

1 实验方法

1.1 样品预处理

Ge镀增透膜层样品先用去离子水进行冲洗，再用2.5% (V/V)的戊二醛溶液及75% (V/V)的乙醇溶液杀菌各1h，之后在紫外灯照射下进行灭菌处理，备用。

1.2 黑曲霉菌的生长曲线测定

本实验釆用干重法测定黑曲霉菌的生长曲线。向活化后的霉菌斜面中加入5mL的0.9%氯化钠溶液，用接种环刮下菌苔制成霉菌悬液。再将悬液稀释10倍后分装到250mL PDA（Potato Dextrose Agar）培养基中，其中每瓶培养基中加入的悬液为1mL。之后，将这些培养基放入气浴式恒温摇床中，调节温度为28℃，转速为140rpm。每4h取出3瓶培养基，用定性滤纸过滤后，将滤纸上的菌体，在100℃烘至恒重，称量菌体干重。以时间为横坐标，干重为纵坐标，绘制生长曲线。

1.3 pH测定

向活化后的霉菌斜面中加入5mL的0.9%氯化钠溶液，用接种环刮下菌苔制成霉菌悬液。再将其悬液稀释10倍后分装到250mL PDA培养基中，其中每瓶培养基中加入的悬液为1mL。之后，将这些培养基放入气浴式恒温摇床中，调节温度为28℃，转速为140rpm。每4h取出3瓶培养基，测pH值。

1.4 荧光显微镜测试

将已灭菌的Ge镀增透膜层样品放置在含有黑曲霉菌的固体培养基中，做实验室加速腐蚀实验，2天后将样品取出，使用PBS（Phosphate Buffer Saline）溶液冲洗3次，再将样品分别放入2.5%的戊二醛溶液中定影15min，1%的DAPI染料染色15min，洗去多余染料后进行测试。

1.5 扫描电子显微镜测试

将已灭菌的Ge镀增透膜层样品放置在含有黑曲霉菌的固体培养基中，做实验室加速腐蚀实验，分别在2天、20天将样品取出，将20天取出的样品去除其表面生物膜，将所取出的实验样品在PBS溶液中漂洗3次，再将样品放入2.5%的戊二醛溶液中定影15min，经不同体积浓度（50%、75%、100%）的乙醇溶液脱水后，进行测试。

1.6 原子力显微镜测试

将已灭菌的Ge镀增透膜层样品放置在含有黑曲霉菌的固体培养基中，做实验室加速腐蚀实验，20天后取出样品，去除其表面生物膜，将所取出的实验样品在PBS溶液中漂洗3次，再将样品放入2.5%的戊二醛溶液中定影15min，经不同体积浓度（50%、75%、100%）的乙醇溶液脱水后，进行测试。

1.7 腐蚀产物及微生物代谢产物分析

将已灭菌的Ge镀增透膜层样品放置在含有黑曲霉菌的固体培养基中，做实验室加速腐蚀实验，2天后，将样品表面的腐蚀产物及微生物代谢产物进行紫外-可见光谱测试、傅里叶红外光谱测试和X射线光电子能谱分析测试。

2 结果及分析

2.1 黑曲霉菌的生长曲线结果分析

由图1可知，黑曲霉菌的生长曲线分为4个阶段：滞后期、对数期、平稳期和衰退期。在滞后期（0～20h），黑曲霉菌干重值增长缓慢，这是由于在菌株接种到培养基的初期，黑曲霉菌的胞内代谢体系还不适应新的培养环境，需要一定的适应时间才能确保细胞生长逐渐加快，加之其生长过程中需要合成诸如代谢酶、辅酶等中间产物，所以滞后期相对缓慢。在对数期（20～48h），黑曲霉菌代谢旺盛，微生物生长速度最快。在稳定期（48～76h），黑曲霉菌生物量最高，细胞代谢产物的积累达到高峰，并开始形成孢子。之后进入衰退期，随着营养的消耗，黑曲霉菌的死亡率较大，生物量呈负增长。因此，对于短期腐蚀实验，本实验选择在48h下进行。

2.2 pH值结果分析

由图2可知黑曲霉菌为产酸型微生物，黑曲霉菌初始生长环境的pH值为6.20，12 h后pH值开始显著降低，直到56 h后pH值趋于稳定，值为3.70。在黑曲霉菌的对数生长阶段，由其引起的生长环境pH值变化显著，使环境pH值由6.20逐步变为3.70，增加了环境的酸度。据相关研究报道[11-14]，酸性介质环境不利于大部分基底材料的保存，可加速材料的腐蚀，缩短这些材料的使用寿命。

图1 黑曲霉菌生长曲线

图2 黑曲霉菌生长期间介质pH的变化

2.3 荧光显微镜结果分析

由图3知，经过2天的加速腐蚀试验，黑曲霉菌已均匀大量的粘附于Ge镀增透膜层样品表面，形成了一层生物膜，这层生物膜对Ge镀增透膜层样品是否具有腐蚀影响需进一步探究。

图3 黑曲霉菌在Ge镀增透膜层样品表面荧光显微镜测试

2.4 扫描电子显微镜结果分析

由图4(a)可知，Ge镀增透膜层空白试样表面光滑，基本无破损无刮痕；由图4(b)可知，当除去Ge镀增透膜层试样表面的微生物及代谢物后，可以清楚地看到膜层表面点蚀的存在，甚至基底材料表面的Ge镀增透膜层部分脱落，导致试样的Ge镀增透膜层不同程度地受损；由图4(c)可知，2天时，黑曲霉菌细胞已附着生长在Ge镀增透膜层试样表面，这与其它报道相符[15-16]，微生物易于粘附于材料表面，在材料表面形成生物膜，影响材料的使用舒适性及寿命。其中，选取图4(a)与图4(d)中的红色放框区域做能谱分析，测试结果如表1所示。

图4 黑曲霉菌对Ge镀增透膜层腐蚀形貌测试

表1 能谱元素分析结果

与空白试样相比，黑曲霉菌存在组的能谱结果表明，C、O元素的含量增加，以上元素组成了微生物胞外聚合物物质的主要部分，其中胞为聚合物，主要由核酸、脂质、蛋白质和多糖等组成[17]。这表明，在Ge镀增透膜层样品表面已形成了黑曲霉菌生物膜。综上可知，典型真菌黑曲霉菌易于在Ge镀增透膜层表面生长、粘附、繁殖，形成大量的生物聚集体，进一步形成生物膜，这促使试样表面Ge镀增透膜层的腐蚀发生，这种腐蚀主要以点蚀的方式进行。

2.5 样品腐蚀前后形貌结果分析

图5(a)为Ge镀增透膜层空白试样表面形貌，图5(b)为Ge镀增透膜层表面经黑曲霉菌腐蚀20天后的形貌。图5可知，实验前，Ge镀增透膜层样品表面光亮、平滑，经黑曲霉菌腐蚀后，样品表面暗淡、无光泽，有点蚀存在，明显可以看出经腐蚀后的样品表面受损严重，已影响到样品的实用性能。

2.6 原子力显微镜结果分析

由图6可知，空白样品表面光滑，无明显坑蚀，而经黑曲霉菌腐蚀后的样品表面粗糙度增大，坑蚀明显，这表明Ge镀增透膜层样品表面已被黑曲霉菌腐蚀。图7显示，空白样品与经黑曲霉菌腐蚀后的样品的平均粗糙度Ra分别为1.23nm、104.70nm；截面最大高低差为8.42nm、792.50nm。这表明黑曲霉菌对Ge镀增透膜层样品的腐蚀过程主要以点蚀方式进行，这使样品粗糙度、坑深明显增大。

图5 黑曲霉菌对Ge镀增透膜层腐蚀前(a)后(b)对比图

图6 黑曲霉菌对Ge镀增透膜层腐蚀前(a)后(b)原子力显微镜测试

(a)The surface morphology data of blank sample with Ge plating antireflection coating measured by atomic force microscope

(b)The surface morphology data of the surface of Ge plating antireflection coating was measured by atomic force microscope after 20 days ofcorrosion

图7 材料表面原子力显微镜测试数据

Fig.7 Test data of material surface by atomic force microscope

2.7 傅里叶红外光谱结果分析

由傅里叶红外光谱图8可知，峰位置为3363.77cm−1可归属为O-H、N-H键伸缩振动吸收峰，1632.35cm−1为C=O键伸缩振动吸收峰，1398.96cm−1处为C-N键伸缩振动吸收峰，1043.31cm−1为C-O键伸缩振动吸收峰[18-23]。其中，O-H、C=O、C-O键为黑曲霉菌代谢产物中多糖的主要官能团，C-N、N-H键为黑曲霉菌代谢产物中蛋白质的主要官能团，这意味着黑曲霉菌已粘附于Ge镀增透膜层样品表面。

图8 黑曲霉菌对Ge镀增透膜层腐蚀红外光谱分析

2.8 紫外-可见光谱结果分析

由紫外-可见光谱图9知200～400nm范围内仅出现一个吸收峰（285nm），此峰可被归属为黑曲霉菌代谢产物中含C=O物质的π→π*跃迁所致[24]。这类代谢产物中包括一些可以加速基底材料腐蚀的物质，例如，醋酸、乳酸类等。

图9 黑曲霉菌对Ge镀增透膜层腐蚀紫外分析

2.9 X射线光电子能谱分析结果分析

从图10的腐蚀产物中可以看出，有机羰基化合物、金属氧化物（GeO2、ZnO、YbO）等的存在，可以推测Ge镀增透膜层表面Ge、Zn、Yb原子被氧化，微生物的酸性代谢产物可与这些氧化物反应，加速Ge镀增透膜层的腐蚀。

图10 黑曲霉菌对Ge镀增透膜层腐蚀产物分析

2.10 腐蚀机理分析

综合以上数据可知，黑曲霉菌在培养2天后已粘附生长于Ge镀增透膜层样品表面，这是由于样品膜层暴露于空气中，空气中的水蒸汽在样品表面形成液膜，这使得空气中的CO2、有机碳氧化物等溶解于液膜中，为黑曲霉菌代谢提供所需碳源，使样品表面形成了一层生物膜，该生物膜主要成分为蛋白质、多糖类等，经培养20天后，移除样品表面的黑曲霉菌及其代谢产物，可以清楚看到样品表面腐蚀较为严重，甚至部分Ge镀增透膜层脱落。由pH数据可知，黑曲霉菌在本实验条件下以产酸的方式代谢，使Ge镀增透膜层样品表面pH值降低。

基于以上实验数据，可知黑曲霉菌初始以Ge镀增透膜层样品表层吸附的碳元素为营养粘附于样品表面，并在样品表面大量繁殖，消耗样品表层的碳含量，随着黑曲霉菌的大量繁殖，样品表面的pH值也随之降低，样品表面的金属元素被氧化，开始逐步溶解[25]：

Ge＋H2O2＝GeO＋H2O (1)

GeO＋H2O2＝GeO2＋H2O (2)

GeO＋2CH3COOH＝Ge(OOCCH3)2＋H2O (3)

ZnO＋2CH3COOH＝Zn(OOCCH3)2＋H2O (5)

Ge镀增透膜层样品表层的锗元素、锌元素相继被剥离，参与反应后，样品的表层形貌被破坏严重，形成了大量的腐蚀坑。

3 结论

本文通过扫描电镜、能谱分析等方法分析了黑曲霉菌对Ge镀增透膜层的腐蚀行为，得出以下结论。

1）在稳定期时，黑曲霉菌生物量最高，细胞代谢产物的积累达到高峰，它为产酸型微生物，在对数生长阶段，引起生长环境pH值变化显著，增加了环境的酸度，黑曲霉菌的生长代谢作用促进Ge镀增透膜层的腐蚀。

2）黑曲霉菌易于在Ge镀增透膜层表面生长、粘附、繁殖，形成一层生物膜，腐蚀行为以点蚀方式为主。

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Study on Corrosion Behavior ofon Ge Antireflection Coating

GE Fan1,2,3，GUO Qian1,2,3，XIAO Jianjun1,2,3，LIU Jian1,2,3，YANG Yuping1,2,3，WANG Chongwen1,2,3，LIU Yanfang1,2,3，LUO Rui1,2,3，ZHAO Yuanrong1,2,3，YANG Pinjie1,2,3，LIU Yunhong1,2,3

(1. Yunnan North Optical & Electronic Instrument CO., LTD, Kunming 650114, China; 2. Xishuangbanna in Yunnan ProvinceMaterials Corrosion in Atmospheric Environment National Observation and Research Station, Kunming 650114, China;3. Xishuangbanna Materials Corrosion in Atmospheric Environment Observation and Research Station on Yunnan Province, Kunming 650114, China)

The objective was to understand the corrosion behavior of the Ge antireflection coating in, provide data support for the development of novel protective film systems and the anti-mold design of optical systems, and improve the environmental adaptability of infrared materials. The method was to study the corrosion behavior and influence law ofon the Ge antireflection coating samples via fungus-accelerated tests using fluorescence microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. The results demonstrated thatis an acid-producing microorganism; in the stable phase, its biomass was the highest, and the accumulation of cell metabolites peaked. In the logarithmic growth phase, it caused significant changes in the pH value of the growth environment, which increased environmental acidity. Carbon was adsorbed on the surface layer of the Ge antireflection coating, then theused it as nutrition to adhere to the surface of the sample, and multiply on its surface, thereby consuming the carbon content of the surface. With the proliferation of, the pH of the sample surface also decreased, and the metal elements on the sample surface were oxidized and gradually dissolved. The Ge and Zn on the surface of the Ge antireflection coating sample were successively peeled off. After participating in the reaction, the surface morphology of the sample was severely damaged and a large number of corrosion pits were formed. It was inferred that the corrosion behavior ofon the Ge antireflection coating samples was mainly pitting corrosion, and that growth metabolism promoted the corrosion of antireflective coatings.

, Ge antireflection coating, corrosion behavior

TN213

A

1001-8891(2022)11-1228-08

2022-04-13；

2022-05-11.

戈帆（1990-），男，云南保山人，工程师，硕士研究生，主要研究方向环境试验。E-mail: 690649833@qq.com。

国防技术基础科研项目（JSHS2019610B001-2）；夜视院集团光电系统高效防霉剂筛选与应用项目。