2020, Vol. 41
2. 沈阳职业技术学院 机械工程学院，辽宁 沈阳 110004
2. The Faculty of Mechanical Engineering, Shenyang Polytechnic College, Shenyang 110004, China
TiO2纳米粒子是一种非常有潜力的抗菌材料，不但具有好的光催化活性，同时具有较强的光触媒氧化分解能力[1].光触媒材料吸收光后能达到高能状态，并利用该能量与物质产生化学反应[2]，其代表性的材料为纳米TiO2.TiO2本身也存在局限性：第一个不足之处是由于其禁带宽度大，电子需要从价带跃迁到达导带需要的能量大，只有在小于或等于387.5 nm的波长照射下，价带的电子才会被激发，电子到达导带形成空穴-电子对，才可表现出明显的杀菌活性[3].第二个不足之处是，光激发生成的光生电子和空穴非常容易复合，这会导致材料的光催化活性降低[1].由于TiO2的禁带宽度变小，在可见光下TiO2的光催化效果得到改善，光生电子与空穴的复合率降低.所以本实验对TiO2进行了金属离子掺杂改性[2].TiO2的改性有金属掺杂、非金属掺杂以及共掺杂三种方式.掺杂金属在TiO2光催化中主要有两个作用：一是对本征激发产生的光生载流子起到俘获陷阱的作用；二是能够产生一个杂质能级到TiO2的导带与价带之间，并参与光激活过程[4].金属离子主要有Cu2+，Fe3+等离子掺杂及Th4+，Ce3+，Er3+，Pr3+，Gd3+，Nd3+，Sm3+等稀土离子掺杂[5].非金属离子掺杂主要有C，N，S等.本文选取金属Li+离子作为掺杂离子对TiO2进行掺杂改性.
如果将抗菌剂制成纳米材料会极大增加比表面积，从而更好地吸附微生物，抗菌效果也会更好.纳米二氧化钛既具有其独特的光催化抗菌性能，同时也具有纳米粉体的体积效应、久保效应、小尺寸效应和表面效应[6].
本文采用溶胶-凝胶法进行Li掺杂TiO2抗菌剂的制备.溶胶-凝胶法[7]合成纳米TiO2材料采用的原料一般为低级钛醇盐试剂[8](例如钛酸四丁酯等).溶胶-凝胶法和其他方法比较具有以下优点：(1)由于实验中所用原料纯度均为分析纯及以上，所以制得样品的纯度较高，溶剂在处理过程中也非常容易去除；(2)制得样品的均匀度可以达到分子或原子级别；(3)制样反应中的各反应条件相比其他反应的反应条件更易于控制，减少不必要的副反应[6].
1 实验 1.1 粉体制备Li单掺杂TiO2抗菌纳米材料的合成采用溶胶-凝胶法.实验步骤如下：将钛酸四丁酯通过梨型分液漏斗滴加到无水乙醇中，对溶液充分搅拌使其澄清透明，不可有白色物质出现，记为溶液A；另将锂源化合物、表面活性剂溶解在无水乙醇中，并加入一定量的去离子水和冰乙酸并混合均匀，记为溶液B[9].对配制好的B溶液充分搅拌使其充分溶解，而后将A溶液逐滴加入到B溶液中搅拌均匀，形成澄清透明的溶胶，将溶胶置于室温下静置陈化，形成凝胶后置于80 ℃烘箱中烘干得到干凝胶.将干凝胶研磨形成粉末，放入快速马弗炉中以5 ℃/min的升温速度升温至600 ℃并保温2 h，得到Li掺杂TiO2纳米材料[9].制备过程中各种物质的总体积比为V(钛酸四丁酯):V(水):V(无水乙醇):V(冰醋酸)=5:5:35:2.
1.2 粉体表征X射线粉末衍射仪(XRD，Shimadzu，Kα线，Cu靶)测定抗菌材料的物相结构; 扫描电子显微镜(SEM，JSM-5600LV，日本)对抗菌材料的基本形貌进行分析；采用SEM上附带的能量色散谱仪(EDS)对样品元素组成进行分析[10]；采用日本岛津公司的UV-2550型UV-Vis分光光度计对吸光度进行测定[10].
1.3 实验设备及药品
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表 1 实验设施 Table 1 Experimental equipments |
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表 2 实验药品 Table 2 Experimental reagents |
将制备的0.2 g抗菌材料加入25 mL去离子水恒温搅拌2 h，过滤，取滤液用于光谱分析[11].滤液中Li+的释放量采用日立公司的Z-2700火焰原子吸收光谱仪测定；滤液中NO3-的释放量通过重量法进行测定.
1.5 抗菌实验按照卫生部2006年颁布的消毒技术规范[10]，使用振荡烧瓶法将纳米材料加入适当浓度菌液体，通过振荡使微生物在菌液中与抗菌材料充分接触，一定时间后将菌液定量加入到含有抗菌样品的营养肉汤中，将营养肉汤置于人工气候箱中的磁力搅拌器上，于恒温37 ℃下使抗菌样品、菌液、营养肉汤充分接触，120 min后取其样液进行活菌培养计数，计算抗菌样品的抑菌率[12].其抑菌率按照式(1)计算：
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(1) |
式中：Co为空白样品菌落数；C是含有抗菌剂样品的菌落数；R为抑菌率.并采用抑菌环法通过测量抗菌样品的抑菌环直径，考量样品对周围菌落的抑制作用[13].
2 结果与讨论 2.1 锂源对掺杂TiO2纳米材料抗菌性能的影响以及其性能表征分别以0.01 mol硝酸锂、乙酸锂、氯化锂、硫酸锂、氧化锂作为锂源掺杂制备TiO2纳米材料，将每种抗菌材料的1/2进行抽滤水洗至溶液pH=7后烘干样品，将水洗过的样品与原样品分别做抗菌实验，比较其抗菌效果.
图 1为选取大肠杆菌(ATCC 25922)为实验菌种，分别对硝酸锂、乙酸锂、氯化锂、硫酸锂、氧化锂掺杂TiO2纳米材料水洗和未水洗的样品进行抗菌实验的结果.由图 1可以看出，未水洗样品中以LiNO3与Li2SO4作为锂源掺杂的抗菌材料的抗菌效果较好，对大肠杆菌的抑菌率分别达到97.5%和98.8%.取LiNO3与Li2SO4作为锂源掺杂抗菌材料的水洗样品和未水洗样品分别按照1.4节操作并测其溶液的pH值，其中未水洗样品的pH值分别为6.2和2.3.而水洗后的Li2SO4掺杂样品杀菌效果大幅度下降，由此可分析出Li2SO4中SO42-所带来的酸性较强，对样品杀菌性能影响较大；而LiNO3掺杂样品虽水洗后抗菌效果也有差异，但水洗前后pH值与抗菌效果均相差不大，推测可能因为样品中有效抑菌成分水溶析出[11].因此后续实验采用LiNO3作为锂源进行掺杂实验，探究各影响因素.
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图 1 不同锂源掺杂TiO2抗菌材料对大肠杆菌抗菌性能的影响 Fig.1 Effects of different Li-doped TiO2 antibacterial materials on the antibacterial properties of E.coli |
分别加入0.001，0.005，0.01，0.02，0.04，0.06，0.08，0.1mol(样品1#~8#)硝酸锂掺杂制备Li-TiO2纳米材料.图 2为选取大肠杆菌(ATCC 25922)为实验菌种，考察不同掺杂量的LiNO3对TiO2材料的抗菌性能影响.
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图 2 LiNO3的掺杂量对大肠杆菌抗菌性能影响 Fig.2 Effects of the doped amount of LiNO3 on the antimicrobial properties of E.coli |
由图 2可知，当硝酸锂的掺杂量为0.001 mol时，Li-TiO2的抗菌效果非常不明显，随着掺杂量的逐渐增多，材料的抗菌性逐渐增强.当LiNO3的掺杂量达到0.01 mol时，Li-TiO2抗菌材料对大肠杆菌抗菌性能达到最优.而后掺杂量的增加不再对抗菌性能有明显改善.故而选择掺杂量0.01 mol为最优掺杂量.
图 3为不同掺杂量的LiNO3掺杂TiO2纳米材料的XRD图.由谱图显示，1#~5#的抗菌材料均出现锐钛矿型TiO2及金红石型TiO2的特征衍射峰；随着掺杂量的增加，6#~8#的Li-TiO2抗菌材料的锐钛矿型TiO2及金红石型TiO2的特征衍射峰强度降低至消失[10].在1#样品中，Li2TiO3，LiTiO2的特征峰几乎没有，可能是因为这两个样品中锂元素含量较少，且晶化程度较低.随着锂元素含量的增加，2#~8#样品Li2TiO3，LiTiO2的特征衍射峰强度逐渐增强，在2θ=27.6°处的锐钛矿型TiO2特征峰强度呈现先逐渐减小至消失的趋势，说明锂元素的掺杂可以抑制样品中晶粒的长大从而细化晶粒.
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图 3 不同掺杂量的LiNO3掺杂TiO2纳米材料的XRD图 Fig.3 XRD patterns of Li-TiO2 nanomaterials with different doped amount LiNO3 |
表 3为不同锂源掺杂量的Li-TiO2纳米材料在抗菌实验中的释放溶液离子量，其制备测定方法见1.4节.由表中数据可知，Li-TiO2-1#~8#的Li离子、硝酸根离子的释放量随着掺杂量的增加而增加.
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表 3 溶液的各离子释放量 Table 3 The released ion concentration in the solution |
图 4为不同掺杂量的LiNO3掺杂Li-TiO2纳米材料的UV-Vis-DRS谱图.由图可知，Li-TiO2-1#~8#纳米材料的吸收随着掺杂量的增加明显向长波方向移动，且材料吸收边的位置基本相同，但是样品4#的吸光强度明显大大高于样品5#~8#，却弱于样品1#~3#，而1#~3#的吸光强度差别不大，根据后续实验中抗菌效果的实验结果，故选择0.01 mol作为最优添加量.
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图 4 不同LiNO3掺杂量掺杂TiO2纳米材料的UV-Vis-DRS图 Fig.4 UV-Vis-DRS patterns of Li-TiO2 nano-materials with different doped amount LiNO3 |
分别选取0.5 g阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、非离子型表面活性剂聚乙二醇2000(PEG2000).图 5为不同种类表面活性剂Li-TiO2纳米材料对大肠杆菌抗菌性能影响.由图可知，加入阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十二烷基硫酸钠(SDS)制备的抗菌材料抗菌率最优.图 6为不同表面活性剂的Li-TiO2纳米材料UV-Vis-DRS图，由图可知表面活性剂为CTAB的抗菌材料吸光强度最强，而活性剂为SDBS的抗菌材料吸光度次之.参考抗菌结果，选取SDBS作为表面活性剂制备Li掺杂TiO2抗菌材料.
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图 5 不同表面活性剂掺杂Li-TiO2纳米材料对大肠杆菌抗菌性能的影响 Fig.5 Effects of different surfactants doped with Li-TiO2 antibacterial nano-materials on the antibacterial properties of E.coli |
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图 6 不同表面活性剂掺杂Li-TiO2纳米材料的UV-Vis-DRS图 Fig.6 UV-Vis-DRS patterns of Li-TiO2 nano-materials with different surfactant |
图 7为焙烧温度500，600，700，800 ℃时Li-TiO2纳米材料的XRD图，由图可知，焙烧温度为500 ℃时制备的纳米材料物相组成主要存在形式是锐钛矿型TiO2、金红石型TiO2，Li2TiO3和LiTiO2；焙烧温度为600，700 ℃时的物相主要以锐钛矿型TiO2，Li2TiO3和LiTiO2的形式存在；焙烧温度为800 ℃时以锐钛矿型TiO2，Li2TiO3的形式存在.随着焙烧温度升高，金红石型TiO2减少，而锐钛矿型TiO2和Li2TiO3含量逐渐增多.金红石型TiO2的禁带宽度为3.0 eV，而锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2 eV，锐钛矿型TiO2的禁带宽度较高[12].由图 8可看出，不同焙烧温度的二氧化钛纳米材料吸收边均明显向长波方向移动.焙烧温度为700 ℃时的吸收边位置和吸光强度明显高于500，600，800 ℃的吸收边位置和吸光强度，但后续抗菌实验的结果印证600 ℃纳米材料的抗菌率达到最佳，而温度过高需要加热的时间过长，温度越高越难达到，并且容易造成资源浪费，所以最终选择600 ℃为后续反应条件[14].
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图 7 不同焙烧温度LiNO3掺杂TiO2纳米材料的XRD图 Fig.7 XRD patterns of Li-TiO2 nano-materials with different calcination temperatures |
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图 8 不同焙烧温度下LiNO3掺杂TiO2纳米材料的UV-Vis-DRS图 Fig.8 UV-Vis-DRS patterns of Li-TiO2 nano-materials with different calcination temperatures |
由图 9可知，焙烧温度为600 ℃的Li-TiO2纳米材料的抗菌率最优，对大肠杆菌的抗菌率达到99.5%.焙烧温度为700 ℃时，纳米材料的抗菌性和600 ℃基本持平，基于环保节能的考量，选取600 ℃为最优焙烧温度.图 10为不同焙烧温度纳米材料的抑菌环对比图，由图可知600 ℃的抑菌环直径达到2.6 cm，大于500，700，800 ℃的抑菌环，再次印证Li-TiO2-600 ℃的抑菌效果为最佳，也进一步印证了振荡烧瓶法的抗菌实验结果.图 11为Li-TiO2材料的SEM及EDS图.
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图 9 Li-TiO2抗菌材料不同焙烧温度对大肠杆菌抗菌性能的影响 Fig.9 Effects of different calcination temperatures of Li-TiO2 antibacterial nano-materials on the antibacterial properties of E.coli |
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图 10 不同焙烧温度下LiNO3掺杂TiO2纳米材料的抑菌环对比图 Fig.10 Comparison of antibacterial rings of LiNO3 doped TiO2 nano-materials at different calcination temperatures (a)—500 ℃; (b)—600 ℃; (c)—700 ℃; (d)—800 ℃. |
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图 11 焙烧温度为600 ℃时Li-TiO2材料的SEM形貌及EDS谱图 Fig.11 SEM and EDS of Li-TiO2 antibacterial material at 600 ℃ (a)—SEM形貌；(b)—EDS谱图. |
由图 11a可知，LiNO3掺杂TiO2抗菌材料在600 ℃时TiO2粒径细小且致密，比表面积较大[15]，光催化时与吸附物的接触面积增大，有利于提高光催化活性，使抗菌性能得到提升[16-18].由图 11b可知抗菌材料中含有Li，Ti，O三种元素，这表明Li元素掺杂到了TiO2粉体中，分散较好.
3 结论1) 硝酸锂作为锂源制备的抗菌材料受pH影响较小并且抗菌率最优，故选择硝酸锂作为锂源制备Li-TiO2纳米材料.
2) 随着硝酸锂掺杂量的增加，抗菌材料的物相组成中锐钛矿型TiO2、金红石型TiO2含量逐渐减少，Li2TiO3，LiTiO2含量逐渐增加，Li-TiO2抗菌材料光吸收边向可见光区移动.当掺杂量达到0.01 mol时，抗菌材料对大肠杆菌的抗菌率可达到99.5%，故最终选择硝酸锂掺杂量为0.01 mol作为最优掺杂量.
3) Li-TiO2抗菌材料在不同焙烧温度下的抗菌性能由强到弱，依次为600 ℃=700 ℃>500 ℃>800 ℃，600 ℃抗菌材料对大肠杆菌的抗菌率达到99.5%，抑菌环直径达到2.6 cm.检测分析可知Li-TiO2抗菌材料在600 ℃焙烧保温2 h后，样品晶粒细小且结构致密，比表面积大，吸光度增加.出于抗菌性能和节约资源双重考量，故最终选择600 ℃作为抗菌材料最优煅烧温度.
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