银包覆TiO2纳米薄膜的光催化杀菌性能

唐晓山 李 达

1(湛江师范学院实验教学管理部，湛江 524048)

2(湛江师范学院物理科学与技术学院，湛江 524048)

引言

目前，抗菌剂的研究被广为关注，半导体光催化剂已成为抗菌技术研究领域的热点。研究的光催化剂主要包括 TiO2、ZnO、WO3、CdS、和 Fe2O3等，TiO2催化剂由于化学稳定性高，催化性强，制备成本低，对人体安全无害等特点，广泛应用于杀菌、净化空气和降解有机物等方面[1-3]。但 TiO2催化剂的电子-空穴对容易发生复合，导致其光催化效率较低;同时其较宽的带隙(约3.2 eV)只能在紫外光区显示光化学活性，对太阳能的利用率低。为了提高其催化效率及光谱响应范围，人们采用了多种方法和手段来加以改善，其中TiO2的纳米化及金属离子掺杂已被证实为行之有效的方法。纳米化使得单位质量的粒子数增多，比表面积增大;同时产生量子化效应，成为量子化粒子，使空穴 -电子对具有更强的氧化-还原能力，也使半导体获得更大的电荷迁移速率，空穴与电子复合的几率明显减小，这些都利于提高光催化效率[4-5]。金属离子掺杂可以在TiO2的能带中引入杂质能级，使能量较小的光子能激发掺杂能级上捕获的电子和空穴，使TiO2的吸收带边红移，拓展了光谱响应范围，可以更有效地利用太阳能[6-8]。金属银作为一种常用掺杂物其本身也具有较强的杀菌性能，银离子能通过吸附微生物，使微生物细胞中起呼吸作用的酶失去功效，从而达到杀菌作用。

考虑到双重杀菌的特点，本研究采用射频反应溅射法在普通玻璃上制备了负载牢固的锐钛矿型纳米TiO2抗菌薄膜，然后利用离子溅射法在 TiO2纳米薄膜表面制得银包覆TiO2复合覆膜，并在真空中进行退火处理。通过XRD和SEM对其晶体结构及微观形貌进行研究，并对其光催化杀菌性能进行了测试。

1 材料和方法

1.1 银包覆TiO2纳米薄膜的制备及表征方法

采用超高真空多靶磁控溅射系统制备的TiO2薄膜。靶材是纯度99.999%(直径为60 mm)的高纯金属钛，衬底与靶之间的距离为60 mm。衬底为普通玻璃片，实验前分别利用丙酮，无水乙醇，去离子水超声清洗，热空气吹干。根据前期的实验结果，衬底温度设定为200℃，射频源频率为13.56 MHz，输出功率为250 W。工作气体为氧气(99.999%)和氩气(99.999%)。反应室本底真空为1×10-4Pa，反应溅射前，先旋转挡板遮住基片，利用氩等离子体清洗靶材上的污染物，氩气的流量为20 sccm，气压为1.2 Pa。30 min后，通入氧气20 sccm，反应室真空度控制为2 Pa，进行反应溅射，反应溅射时间为25 min。以纯度为99.999%银作为靶材料，利用日立E-1010离子溅射仪对制备的TiO2纳米薄膜进行离子溅射，真空度为5 Pa，溅射电流控制在16 mA，反应溅射时间为30 s。为了增强银与TiO2的相互结合，将制备的样品在真空中500℃退火2 h。采用同样的方法在普通玻璃片上制得金属银薄膜。

利用X射线衍射仪(Rigaku D/Max-IIIC)和扫描电子显微镜(Philips XL-30)表征银包覆 TiO2薄膜的结构特征和表面形貌。

1.2 光催化杀菌性能测试

1.2.1 培养基的制备

称取牛肉膏 2 g、琼脂 8 g、蛋白胨 4 g、NaCl 2 g、蒸馏水 400 mL置于烧杯中，加热溶解后，用0.1 mol/L NaOH溶液调节p H值为7.0～7.2，分装后置压力蒸汽灭菌器内，121℃灭菌 30 min，倒平板后备用。

1.2.2 TiO2纳米薄膜杀菌实验步骤

配置初始菌液浓度为(5.0～10.0)×107cfu/mL的金黄色葡萄球菌(ATCC6538)和大肠杆菌(ATCC25922)菌悬液各150 mL，分别取40 mL金黄色葡萄球菌菌悬液装于4个烧杯中。将载有空白玻璃片、纯TiO2纳米薄膜、金属银薄膜和银包覆 TiO2纳米薄膜的菌悬液分别记录为 S1、S2、S3和 S4，所有样品尺寸均为30 mm×30 mm。将4个烧杯置于功率为40 W、主波长为404.7 nm的近紫外灯下照射，每隔5 min对烧杯中的菌悬液进行搅拌;分别提取经紫外光照射10 min时的菌悬液平板涂布后放入(37±1)℃恒温培养箱中培养24 h，观察菌落生长情况。

将培养后的菌液稀释100倍，采用显微镜直接计数法对S1、S2、S3和 S4的菌液进行计数，为确保检测结果的准确性，实验重复3次，取其平均值，并通过下式计算出杀菌率。

式中，P为S1活菌数，Q为S2、S3和S4的活菌数。

大肠杆菌的杀菌实验步骤同上，将载有空白玻璃片、纯TiO2纳米薄膜、金属银薄膜和银包覆 TiO2纳米薄膜的菌悬液分别记录为S5、S6、S7和S8。

2 结果

2.1 XRD分析

图1是银包覆前后样品的XRD图谱。从图谱中可以看到，未包覆的 TiO2薄膜在 2θ=27.44°、39.28°和54.32°处出现较强的衍射峰，它们分别对应于锐钛矿TiO2的 (110)、(200)和(211)衍射峰。说明在该制备条件下，由于射频功率较大，等离子体中含有充分的活性氧，可以生成锐钛矿型TiO2多晶薄膜[9]。在银包覆后的TiO2薄膜的XRD图谱中出现了明显的金属银的衍射峰，说明在样品的表面有金属银成分。而锐钛矿的衍射峰依然很强，这说明金属银没有全部包覆TiO2颗粒，这是由于样品表面是由TiO2颗粒组成，短时间的离子溅射不会全部包覆TiO2颗粒，这是选用离子溅射的优点。

为了提高薄膜质量，改善杀菌能力，对样品进行真空退火处理。图2是银包覆样品在退火前后的XRD图谱。从图中可以发现，退火后的金属银的衍射峰强度明显降低，这说明金属银与TiO2颗粒发生结合，向样品的内部扩散。

图1 银包覆前后的TiO2薄膜的XRD图谱Fig.1 XRD spectra of as-grown rf sputtering film and after Ag ions sputtering

图2 银包覆TiO2薄膜退火前后的XRD图谱Fig.2 XRD spectra of the Ag ions sputtering samples before and after annealing

2.2 薄膜表面形貌表征

图3和图4给出了银包覆TiO2纳米薄膜退火前后SEM图像。从图中可以看出，薄膜的表面颗粒均匀，直径在30～80 nm之间，属于纳米级。颗粒间距较大，薄膜的致密性比较差。如果把这样的薄膜作为光电材料来使用，质量是很差的，但是作为光催化杀菌材料，表面稀疏可以增大和细菌的接触面积，提高杀菌性能。颗粒大小不一，由于量子尺寸效应，可以扩大光学带隙范围，提高光谱响应能力。退火后，薄膜表面的变化不是很明显，在表面的下层，致密度有所提高，这样可以提高薄膜与衬底的粘附性。

2.3 薄膜光催化杀菌性能测试

图3 银包覆TiO2纳米薄膜退火前的SEM图像Fig.3 SEM image of TiO2 thin films before annealing

图4 银包覆TiO2纳米薄膜退火后的SEM图像Fig.4 SEM image of TiO2 thin films after annealing

图5为金黄色葡萄球菌菌悬液S1、S2、S3和 S4平板涂布后菌落生长情况。每个浓度的菌悬液做3次平行实验，同一浓度的4个培养皿上的细菌均保持较好的重复性。从图5(a)可以看出，空白玻璃所在的菌悬液经近紫外光照射的菌落布满整个培养皿，呈圆形向四周扩展，菌落间隙小，部分已相互融合，并与近紫外光照射前的菌落对比无明显改变，说明本实验所用近紫外光自身杀菌能力不强，不会影响实验结果的准确性。图5(b)可以看到，样品S2菌悬液经过10 min照射后菌落明显变少，散布在培养皿上，菌落间隙较大，由于相互间无营养竞争，菌落体积较大，其数量较样品 S1减少明显，说明纯TiO2薄膜具有一定的杀菌作用;图5(c)反映出同图5-b相似的结果，说明在本实验中银金属薄膜对金黄色葡萄球菌的杀菌性能和纯TiO2薄膜差不多;从图5(d)可以看出，银包覆的 TiO2复合薄膜的菌落数量明显减少，菌落体积进一步增大，这说明该薄膜具有优良的杀菌能力。

图6为大肠杆菌菌悬液S5、S6、S7和S8平板涂布后菌落生长情况。其结果同金黄色葡萄球菌类似。

图5 不同杀菌处理后金黄色葡萄球菌菌落图。(a)没有样品;(b)TiO2样品;(c)银薄膜样品;(d)银包覆TiO2样品Fig.5 The photocatalytic sterilizing capability to staphylococcus aureus of the films.(a)no sample;(b)TiO2 nano thin film;(c)Ag thin film;(d)Ag-Coated TiO2 nano thin film

图6 不同杀菌处理后大肠杆菌菌落图。(a)没有样品;(b)TiO2样品;(c)银薄膜样品;(d)银包覆TiO2样品Fig.6 The photocatalytic sterilizing capability to escherichia coli of the films.(a)no sample;(b)TiO2 nano thin Film;(c)Ag thin Film;(d)Ag-Coated TiO2 nano thin Film.

表1为各样品的活菌数及计算得到的杀菌率。经紫外光催化10 min后，纯 TiO2纳米薄膜与空白玻璃片相比，对金黄色葡萄球菌的杀菌率达到71.43%，对大肠杆菌的杀菌率达到了73.08%;Ag薄膜对金黄色葡萄球菌的杀菌率达到69.64%，对大肠杆菌的杀菌率达到了75.64%;Ag包覆TiO2纳米薄膜对金黄色葡萄球菌的杀菌率达到91.25%，对大肠杆菌的杀菌率达到了93.21%。由此可以看出，Ag包覆TiO2纳米薄膜对日常生活中常见的金黄色葡萄球菌等细菌具有良好的杀菌作用。

表1 各样品的活菌数及杀菌率Tab.1 The viable count and sterilize rate of the samples

3 讨论和结论

TiO2的杀菌机理是利用光催化反应产生的光生电子-空穴对的强氧化-还原能力。TiO2的纳米化及金属离子掺杂均能提高其光催化杀菌能力。本实验采用的射频反应溅射法工艺简单，结晶质量好，颗粒大小均匀，与衬底粘附性强，能有效提高TiO2颗粒的比表面积以及产生量子化效应，从而提高其光催化能力。金属银(Ag)本身能通过吸附微生物，阻碍微生物细胞的呼吸功能达到杀菌作用;其次，从 Ag离子的能级、电子构型以及价态来分析，都适合作为一种有效的掺杂物。离子溅射镀Ag法能使Ag离子均匀分布于纳米TiO2薄膜上，颗粒大小均匀、不产生团聚，从而充分发挥其自身杀菌作用;其次，通过对离子溅射功率、时间的控制及真空退火处理，使得金属银与 TiO2颗粒充分、均匀地结合，并向样品的内部扩散，充分发挥其捕获导带上电子和价带上空穴的能力，降低电子-空穴对的复合几率，进一步提高光催化性能。目前，人们对TiO2的金属离子掺杂改性及光催化性能进行了大量的研究工作，但掺杂改性后TiO2的光量子效率仍然偏低，并且不能有效的利用太阳光作为光源，只能借助波长仅为300～400μm范围内的近紫外光。影响光催化杀菌的因素比较复杂，机理尚不完全清楚，对整个降解过程缺乏中间降解产物和活性物质的鉴定，因此，对于掺杂TiO2光催化的机理仍需作进一步的研究。

采用射频反应溅射法在玻璃衬底上制得TiO2纳米薄膜，通过Ag离子溅射法制得银包覆 TiO2纳米复合薄膜。射频功率为250 W时，银掺杂薄膜表面光滑平整、透明，呈淡蓝色;由锐钛矿型 TiO2纳米微粒构成，其微粒大小在30～80 nm左右。采用细菌涂布培养法对银掺杂TiO2纳米薄膜的光催化杀菌性能进行了研究，结果表明银掺杂TiO2纳米复合薄膜在光催化杀菌范围、速度及效率上明显高于纯TiO2纳米薄膜及银薄膜;对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在10 min内的杀菌率均达到90%以上，这为进一步提高TiO2纳米薄膜的光催化活性提供了新的途径。

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