纳米TiO2的合成及其抗菌性能的研究

王祖华，刘 萍，杨瑞先，代东风，王丽颖，李小建

(1.洛阳理工学院 环境工程与化学学院，河南 洛阳 471023;2.洛阳市吉利区污水处理厂，河南 洛阳 471012)

纳米TiO2的合成及其抗菌性能的研究

王祖华1，刘 萍1，杨瑞先1，代东风2，王丽颖2，李小建2

(1.洛阳理工学院 环境工程与化学学院，河南 洛阳 471023;2.洛阳市吉利区污水处理厂，河南 洛阳 471012)

本文采用水热法合成纳米TiO2，并通过X射线衍射仪和正交实验分析了其表征和各因素对抑菌性能的影响。研究结果表明，在pH值为8、反应时间20 h、煅烧温度为350℃条件下制得的纳米TiO2为锐钛矿型纳米晶，且其抑菌效果最好，在日光灯和紫外灯条件下抗菌性的最小抑菌浓度MIC值分别为300 mg/mL和200 mg/mL，其浓度与抗菌性能成正相关。

纳米TiO2；水热法；抑菌性能；平板菌落计数法

纳米TiO2因具有很强的氧化还原性以及无毒无污染、廉价等特点，在涂料行业、空气净化、光学器件等领域的应用受到人们的广泛关注[1-2]。纳米TiO2的杀菌机理是通过光子的激发后，发生催化作用产生强氧化性的物质，这些物质与有机物反应从而将有机物降解，而不依赖于抗菌剂的渗出[3]。TiO2产生的强氧化物与细胞成分中的不饱和键反应，从而破坏了细胞结构导致细胞的死亡，达到杀菌的目的。传统的含银、铜的杀菌剂在杀菌后会导致细菌释放内毒素等有害物质，引起二次污染，而纳米TiO2由于其灭菌机理的特点，在灭菌后产生内毒素，同时还可以使细菌内毒素的变性，从而更加安全[4]。目前已经证明TiO2对很多革兰氏阴性菌和阳性菌菌株均具有较强的杀菌能力，具有广谱性[5]。研究表明，TiO2粉末在溶液中的分散程度对其光催化杀菌性能起着关键作用[6]。在食品应用方面TiO2和TiO2/AcF薄膜分别对嗜酸乳酸杆菌和青霉菌具有抗菌作用[7-8]。本文采用水热法制备了纳米TiO2，并分析了其结构表征以及不同条件下抗菌性能。

1 材料制备与方法

1.1 药品及设备

四氯化钛、盐酸、硝酸银、氨水等一般分析纯化学试剂。纯水为去离子水、氯化钠、牛肉浸膏、蛋白胨、琼脂粉等为一般的生化试剂。金黄色葡萄球菌，大肠杆菌为本实验室保存的菌种。在带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行水热合成，合成样品采用BD86型X衍射仪(XRD)，测试电压40 kV，电流60 mA，Cu靶Kα2射线(λ=0.154 18 nm)。

1.2 纳米TiO2的水热合成

合成TiO2所需药品和量如表1所示。

表1 合成TiO2所需药品和所需的量

续表

溶液种类药品所需的量溶液B无水乙醇40mL蒸馏水10mL冰乙酸20mL

将表1中的药品与含量均匀混合制得溶液 A和B，将配制好的溶液A放在恒温水浴中磁力搅拌10 min；将B液缓慢滴加入搅拌下的A液中，滴定完成时间为30 min，得到透明胶体；将上述胶体陈化后放入干燥箱中干燥后；放入马弗炉中在不同温度和pH值之下煅烧不同时间制得TiO2。

1.3 纳米TiO2的抗菌性实验

纳米TiO2的抗菌性实验采用的菌种为金黄色葡萄球菌，通过平板计数法得出细菌数目。实验方法如下：将各种条件下制备出的样品经过室内照明的日光灯照射3 h后，将一定质量抗菌剂加入到培养基中配成含纳米TiO2为150 mg/L质量浓度的培养基；灭菌后冷却至40℃左右时，倒入已经加有50 μL菌悬液的培养皿中摇匀、冷却，在37℃条件下过夜培养，平板上菌落数为实验组菌数。同上操作得到的菌落数为对照组菌数，三次重复。通过公式抑菌率=(对照组菌数-实验组菌数)/对照组菌数×100%，计算出抑菌率。

1.4 不同条件对纳米TiO2抗菌性能的影响

将最佳样品分别用室内照明的日光灯照射3 h和紫外灯照射1 h，将不同质量浓度的抗菌剂加入到培养基中，采用的菌种为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，可得抑菌率。

2 结果与讨论

2.1 水热合成条件的影响

为制备抑菌性能较好的纳米TiO2，选择3个因素进行试验，即反应物质的pH值A、反应时间B、煅烧温度C，每个因素3个水平。将A、B、C 3个因素选用正交表L9(34),只需要作9次试验,进行正交实验获得9个样品，当TiO2的浓度为150 mg/L时，通过抗菌实验得出其抑菌率，在温度350℃的条件下得到的样品抑菌率最强。极差分析知，最佳因素组合是A2、B2、C2，即pH=8，反应20 h，煅烧温度350℃，因素重要性主次顺序为C>A>B，如表2所示。

表2 不同条件下样品的抑菌效果

2.2 表征与分析

将抑菌效果最佳的样品通过X射线衍射进行XRD分析如图1所示。从图1中可以看出，其d值与JCPDS(84-1285)一致，属于4方晶系，空间群为141/amd。在2θ为25.277°、37.818°、48.063°处的衍射峰对应于TiO2的特征峰，所对应晶面分别为(101)、(004)、(200)(105)、(211)。由此推断TiO2为锐钛矿型结构，其晶粒尺寸分布在12.3 nm～16.0 nm之间。

图1 纯TiO2的XRD图谱

2.3 不同条件下纳米TiO2的抑菌分析

通过对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌实验来分析TiO2在室内照明用日光灯和紫外灯两种光源照射下的抑菌效果。实验中将经过两种光源照射过的纳米TiO2配置成不同质量浓度，分别与一定浓度梯度的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌进行共培养，其抑菌结果如表3所示。从表3中可以看出，日光灯条件下纳米TiO2的抗菌性能与其含量成正相关。当TiO2的浓度为≥300 mg/L时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均为92%以上，由此可以得出在日光灯条件下其MIC为300 mg/L。而紫外灯照射过的材料，其抗菌性能与其含量成正相关。当浓度为≥200 mg/L时其抑菌率均为95%以上，由此可以得出在紫外灯条件下其MIC为200 mg/L。通过结果也可以看出在这两种条件下都可以使TiO2产生具有氧化性的活性物质而抑制菌体活性，且紫外灯条件下其抑菌活性高于日光灯的条件，这说明紫外光与TiO2的协同作用提高了TiO2的杀菌作用。从广谱抗菌性来讲，对阴性菌和阳性菌均无显著差异。

目前，TiO2纳米材料的应用比较广泛，在涂料、义齿、食品保鲜膜等方面应用也比较多[7]。本研究研制的TiO2纳米材料，其主要用途是作为抗菌涂料的添加剂。居民住房楼间距小，居民所用涂料中的TiO2纳米材料在墙体上主要是受到家用日光灯的照射。因此，虽然在紫外灯光照条件下，本研究制备的TiO2抑菌活性仅在低浓度(250 mg/L)时高于在日光灯照射下的TiO2，但在300 mg/L的高浓度下，其抑菌效果都达到了92%以上。因此，对于日常的环境条件，本研究制作的TiO2纳米材料的广谱抗菌性效果良好，可以作为一种无机抗菌剂进行开发与利用[9]。

表3 不同条件下抗菌材料的抑菌效果

3 结 语

本文利用水热法在pH=8，反应20 h，煅烧温度为350℃的条件下制备的纳米TiO2的抗菌性能最佳，并对影响纳米TiO2性能的3个因素进行对比，发现温度的影响最大，并通过X射线衍射对该纳米材料的微观结构进行了表征分析，结果表明所制备纳米TiO2晶粒尺寸分布在12.3 nm～16.0 nm之间，为锐钛矿型结构的纳米TiO2晶粒。通过对比不同光照条件下自制的TiO2抑菌实验表明，紫外灯照射条件下TiO2的抗菌效果要优于日光灯条件下的抗菌效果。但无论是在哪种条件下，TiO2的加入含量与抑菌效果是成正相关的，且对两种菌体的抑菌效果没有差别，结合抑菌率与表征分析，自制的TiO2材料抗菌性能效果良好，具有广谱性，是一种具有良好应用前景的纳米TiO2材料。

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Preparation of Nano-TiO2and Research on Antibacterial Property

WANG Zuhua1,LIU Ping1,YANG Ruixian1,DAI Dongfeng2,WANG Liying2,LI Xiaojian2

(1.Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023 China;2.The wastewater treatment plant in district,Luoyang 471023,China)

In the paper,the nano-TiO2nanoparticles were synthesized by hydrothermal method. The nano-TiO2was characterized by XRD,and the antibacterial property was also detected for effect of various factors. The results show that the crystal form of the nano-TiO2is single anatase under such conditions as pH is eight,and reaction time is 20 h,and calcination temperature is 350 ℃,and its antibacterial property was good. The minimal inhibitory concentrations(MIC) of the antibacterial property is 300 mg/mL and 200 mg/mL by the fluorescent lamp and UV irradiation,and there are a positively correlation and significant difference between the bacteriostasis and the content of the nano-TiO2.

Nano-TiO2;hydrothermal method;antibacterial Property;plate colony-counting methods

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.001

O614

A

1674-5403(2017)03-0001-04

2017-07-10

王祖华(1976-)，女，河南通许人，硕士，讲师，主要从事微生物学方面的研究.

国家自然科学基金项目(31500008).