纳米光催化剂TiO2的结构表征及光催化杀菌性能

, ,,

(阳江职业技术学院,广东阳江 529566)

致病性微生物引起的食源性疾病,已成为当今主要的食品安全问题及世界上最广泛的卫生问题。其中,最主要的是由细菌引发的,常见的致病菌包括沙门氏菌、致病性大肠埃希菌、葡萄球菌、致病性链球菌、肉毒梭状芽孢杆菌、副溶血性弧菌、空肠弯曲菌、志贺菌及其他菌属等[1]。另外,空调系统及其他密闭空间的病原菌(如各类芽孢杆菌、霉菌、军团菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、流感病毒等)也直接危害人类身体健康[2-3]。因此,具有广谱杀菌效应且性能优异的抗菌技术及材料备受关注。

目前,常见的抗菌剂主要包括无机和有机两大类。其中,无机类抗菌剂主要以银为主,但其在杀灭细菌同时释放出内毒素,且难以实现银离子的可控缓释操作[4];有机类抗菌剂主要以醛类、醇类、酚类、双胍类、碘伏类及表面活性剂为主,但其本身多具有毒性,不利于食品安全,且易产生微生物抗药性[5]。鉴于此,近年有学者致力于抗菌新技术及材料的研究,如等离子体灭菌、高压静电水处理法及光催化技术等[6]。而自Tadashi等[7]首次发现光催化剂TiO2受紫外光激发具有杀菌效果后,因纳米TiO2光催化抗菌剂具有广谱杀菌性、无毒无害、不产生二次污染及微生物耐药性等优势,其光催化杀菌性能备受国内外学者青睐[8-9]。Huang等[10]用TiO2结合紫外作用于大肠杆菌,使其细胞壁、细胞质膜及细胞内成分相继发生变化最终导致细胞死亡;Sunada等[11]、曾炽涛等[12]先后成功地应用TiO2光催化氧化法去除饮用水中的大肠杆菌;田莉瑛等[13]发现TiO2对金黄色葡萄球菌及荀酵母菌均具有较好的杀菌性能;李君建等[14]采用负载型TiO2对枯草芽孢杆菌及大肠杆菌进行杀菌实验,抑菌圈直径可达25.8 mm;黄利强等[15]把纳米TiO2应用于嗜水气单胞菌及鳗弧菌的处理,杀菌率可达98%以上;另外,TiO2光催化杀灭的微生物还包括多种噬菌体、真菌及藻类等[16]。而纳米TiO2的光催化性能与其晶体结构、比表面积等因子密切相关,但国内对其结构及催化杀菌性能二者的关系鲜有报道。

因此,本文利用制备方法简单且均匀性较高的溶胶凝胶法[17]合成纳米级TiO2光催化剂,并分别选用革兰氏阴性菌大肠杆菌及革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌为靶向污染物,探讨TiO2的晶体结构及光催化灭菌性能,为其在食品卫生领域的推广应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

煌绿乳糖胆盐肉汤、乳糖胆盐发酵培养基、平板计数琼脂 广东环凯微生物科技有限公司;大肠杆菌(菌号GIM 1.355)、金黄色葡萄球菌(菌号GIM 1.221) 广东省微生物菌种保藏中心;钠盐 广东省盐业集团有限公司;无水乙醇、硝酸、冰乙酸等试剂 均为分析纯;钛酸丁酯 化学纯;实验用水 为新鲜超纯水。

DK-S24型电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司;JB-3型恒温定时磁力搅拌器 上海雷磁创益仪器仪表有限公司;Lx-B75L型立式自动电热压力蒸汽灭菌器 合肥华泰医疗设备有限公司;SX2-4-10Q型马弗炉 武汉江宇电炉制造有限公司;THZ-82A型恒温振荡器 金坛市宏华仪器厂;SWCJ-2型超净工作台 上海锦屏仪器仪表有限公司通州分公司;LRH-250型生化培养箱 上海齐欣科学仪器有限公司;TriStarⅡ3020型全自动比表面积及孔隙分析仪 美国麦克公司;D/max-ⅢA型X射线衍射仪 日本理学公司;VG Multilab 2000型X-射线光电子能谱仪 美国热电公司。

1.2 实验方法

1.2.1 TiO2纳米光催化剂的制备 以钛酸丁酯(C16H36O4Ti)为前驱物,利用溶胶凝胶法[17]制备纳米级光催化剂TiO2,具体制备过程如下:将10 mL C16H36O4Ti和30 mL无水乙醇搅拌混合。另量取50 mL乙醇、3 mL水和1.5 mL硝酸混合,在搅拌状态下缓慢滴加到前面所述溶液中,得到淡黄色溶胶,并充分搅拌12 h,静置,凝胶陈化。待室温陈化24 h后,80 ℃水浴加热,使溶剂挥发,干燥后球磨2 h成粉末。将上述所得粉末于程序升温马弗炉中(N2气氛保护)450 ℃下焙烧2 h,焙烧后再次研磨,得到纳米TiO2光催化剂,备用。

1.2.2 TiO2纳米光催化剂的表征

1.2.2.1 BET测试 BET(比表面积)测试是以氮气为分析气体并测定饱和压力,在液氮恒温(温度77K)下测定不同吸附压力下的吸附体积(测定前样品先在573 K温度下脱气3 h),通过BET(Barrett-Emmett-Tellter)方程式计算样品比表面积。

1.2.2.2 XRD测试 XRD(X射线衍射)分析的测试条件为:室温,Cu Kα源,Cu靶激发的Kα辐射为射线源,管电压为30 kV,管电流为30 mA,扫描角度范围为10～60°(2θ),扫描速度为4 °/min。根据Scherrer公式:d=0.89λ/(βcosθ)计算出粉末样品中晶粒的平均粒径,其中β是该物相中最强衍射峰的半峰高宽,λ是X射线的波长,θ为衍射角。

1.2.2.3 XPS测试 XPS(X光电子能谱)分析检测催化剂表面的元素成分及价态。主要分析参数:能量分辨率:0.48 eV,成像空间分辨率:3 μm,最小分析区域:15 μm,测试条件Mg Ka(hv=1253.6 eV)射线,全谱(0～1000 eV),C 1s校准结合能284.6 eV。

1.2.3 TiO2纳米光催化剂的杀菌性能评价

1.2.3.1 细菌悬液的制备 根据无菌操作要求,于超净工作台中分别将大肠杆菌及金黄色葡萄球菌菌种转接到灭菌后的培养基上,并置于生化培养箱中37 ℃培养24 h,使其活化。再将活化后的菌种接种到LB肉汤培养基内,并进行恒温振荡培养以使细菌达到指数生长期。对初步制成的细菌悬液,用生理盐水进行梯度稀释至1.0×105～1.0×106cfu/mL(以预计生长的菌落数每平板30～300 cfu为宜),备用。

1.2.3.2 紫外结合TiO2光催化剂对杀菌率的影响 称取0.01 g纳米TiO2样品,加入上述备用的细菌悬液100 mL中。利用涂布法[12]再将菌液加入一系列LB平板培养基,在波长为254 nm,功率为16 W的紫外灯照射条件下,进行光催化反应,反应30 min后,将平板置于生化培养箱中37 ℃培养并计算菌落数,采用平板菌落计数法[18]考察紫外结合TiO2光催化剂对革兰氏阴性代表菌大肠杆菌(G-)及阳性代表菌金黄色葡萄球菌(G+)作用30 min后的杀菌性能。实验设置空白组(不加纳米TiO2,同时无紫外光照射)及对照组(只加TiO2或只加紫外光照射),且为保证数据可靠性,每次均做2次独立的平行实验,并重复3次取平均值。TiO2纳米光催化剂的杀菌率计算公式为:

杀菌率(%)=(空白组的菌落数-实验组的菌落数)/空白组的菌落数×100

1.2.3.3 作用时间对杀菌率的影响 在波长为254 nm,功率为16 W的紫外光照射条件下,按照1.2.3.2中所述光催化反应过程,分别考察在作用时间为10、20、30、40、50及60 min时,TiO2纳米光催化剂(浓度为0.1 g/L)对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的杀菌性能。实验设置空白组(不加纳米TiO2,同时无紫外光照射),按照TiO2纳米光催化剂的杀菌率计算公式计算杀菌率。

1.2.3.4 TiO2浓度对杀菌率的影响 在波长为254 nm,功率为16 W的紫外光照射条件下,分别考察不同浓度0.01、0.1及1.0 g/L的TiO2纳米光催化剂对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌作用30 min后的杀菌性能。实验设置空白组(不加纳米TiO2,同时无紫外光照射),按照TiO2纳米光催化剂的杀菌率计算公式计算杀菌率。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0分析杀菌率与纳米光催化剂TiO2之间的相互关系及杀菌率之间的差异性。

2 结果与分析

2.1 TiO2纳米光催化剂的表征分析

2.1.1 BET分析 通过BET比表面积测试,得到上述溶胶凝胶法制备的纳米光催化剂TiO2比表面积为76.5 m2/g,与气相法制备的P25型商业级TiO2(比表面积为(50±15) m2/g)[19]相比具有较大的比表面积,而适当增大催化剂的比表面积有利于提高其催化活性[17]。

2.1.2 XRD分析 图1为TiO2经450 ℃焙烧2 h后的XRD谱图。图中2θ=25.32 °(101)、38.12 °(004)、48.06 °(200)和54.28 °(105)处出现的均是TiO2的锐钛矿晶型特征峰[20],2θ=25.32 °处出现最强衍射峰。而在2θ=27.48 °(110)、36.12 °(101)和41.26 °(111)处出现了较为明显的金红石晶型特征峰[20],说明样品中存在少量的金红石相。由图1可知,TiO2为以锐钛矿相为主的锐钛矿与金红石混晶结构。根据相关研究[21-23],一般认为锐钛矿型TiO2的光催化活性比金红石型的好,而具有锐钛矿与金红石混晶结构的TiO2的催化效果则优于任何一种单一晶型的催化效果。另外,利用Scherrer公式D=0.89λ/(βcosθ),计算得到该样品中TiO2的平均粒径为16.9 nm。

图1 样品TiO2的XRD衍射图Fig.1 XRD pattern of sample TiO2

2.1.3 XPS分析 通过对TiO2纳米粒子进行X射线光电子能谱(XPS)分析,其表面元素含量结果见图2。从TiO2的XPS全谱分析图可以看出，在TiO2中主要成分为Ti、O两种元素,二者的原子浓度分别为18.75%、48.56%,接近1∶2.6,之所以没有达到理论值1∶2,主要是由于除了TiO2晶体含有氧元素,TiO2纳米粒子表面还可能吸附其它含氧物质,如氧气和水等。另外,还含有一定量的C元素,含量为32.69%,可能是在测试过程中或仪器本身的有机污染引入的。另外,通过分析纯TiO2中O 1s的高倍XPS数据,在结合能为530.6、532.2及534.2 eV处分别出现了TiOx、-OH及COO-特征峰[24]。

图2 TiO2样品XPS全谱图Fig.2 XPS spectrum of sample TiO2

图3是纯TiO2纳米粒子Ti 2p高分辨XPS谱图。由图3可知,因电子的自旋-轨道耦合,Ti 2p能级分裂为两个能级Ti 2p1/2和Ti 2p3/2,谱线亦基本呈Gaussian对称曲线分布。Ti 2p3/2的电子结合能为459.5 eV,而Ti 2p1/2的电子结合能约为465.2 eV,带间的能量差约为5.7 eV,与文献报道比较吻合[24],说明Ti处于Ti4+的结合态,由此可见制备的TiO2纯度较高。在单质Ti中,Ti 2p3/2的电子结合能为453.8 eV,Ti 2p1/2的电子结合能为459.9 eV,带间能量差为6.1 eV,与单质相比,Ti 2p3/2有5.7 eV的化学位移,是由于Ti所处的周围化学环境不同而造成的。

图3 TiO2样品Ti 2p高分辨XPS谱图Fig.3 Ti 2p high-resolution XPS spectrum of sample TiO2

2.2 TiO2纳米光催化剂的杀菌性能评价

2.2.1 紫外结合TiO2光催化剂对杀菌率的影响 紫外结合TiO2光催化剂对革兰氏阴性代表菌大肠杆菌G-及阳性代表菌金黄色葡萄球菌G+作用30 min后的杀菌性能如图4所示。从图4中可知,TiO2纳米光催化剂在无紫外光照射条件下几乎不存在催化杀菌性能,对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌进行单独紫外照射,杀菌效率分别为91.3%及94.7%,而在存在TiO2纳米光催化剂且紫外光照射条件下的大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的杀菌率分别提高至97.8%及99.4%。表明TiO2与紫外光照可相互作用,其在紫外光照激发下产生电子-空穴(e--h+)对,而电子-空穴对具有氧化作用,可直接与细菌的细胞壁、细胞膜及其他成分反应,引起细菌功能失活及灭亡[13]。另外,根据XPS分析,实验制备的TiO2样品中亦存在-OH自由基,其反应能高达402.8 MJ/mol[25],可有效分解细菌有机组分从而达到灭菌效果。

图4 紫外光照条件对杀菌率的影响Fig.4 Effects of irradiation UV light on sterilizing rate

2.2.2 作用时间对杀菌率的影响 紫外光照射条件下,考察0.1 g/L的TiO2纳米光催化剂对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌作用不同时间的杀菌性能,结果如图5所示。由图5可知,TiO2对两种细菌的杀灭效果可分为三个阶段:当TiO2作用时间在20 min以内时,TiO2对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的光催化杀菌率快速上升至90%以上;当TiO2作用时间在20～40 min时,TiO2光催化杀菌率缓慢上升,作用40 min时对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的杀菌率分别为99.2%及100%;40 min后TiO2对两种细菌的光催化杀菌率均趋于稳定在100%。而单独紫外照射条件下,作用30 min后对两种细菌的杀菌率才升至90%以上,作用50 min后渐趋于100%。根据XRD分析,实验制备的TiO2纳米光催化剂粒径为16.9 nm,该超微细小颗粒可被菌体表面快速、完全吸附,当进行紫外光照射时,TiO2纳米粒子即产生光催化活性,产生的电子-空穴对及-OH自由基等穿透并氧化破坏细菌细胞壁等结构,从而在较短时间内达到较好的灭菌效果。

图5 作用时间对杀菌率的影响Fig.5 Effects of photocatalytic time on sterilizing rate

2.2.3 TiO2浓度对杀菌率的影响 不同浓度TiO2纳米光催化剂对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的杀菌性能结果如图6所示。TiO2纳米光催化剂对两种细菌的杀菌率均随TiO2浓度的增大而提高,当TiO2浓度为0.01 g/L时,其对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的杀菌率分别为56.3%及67.9%,表明TiO2浓度过低时,经紫外光照激发产生的电子-空穴对及-OH自由基等活性位点较少,且未能被有效利用,故杀菌率较低;而当TiO2浓度从0.01 g/L增大至0.1 g/L时,杀菌率与TiO2浓度成显著正相关关系(p<0.05);继续增大TiO2浓度至1.0 g/L时,其对两种代表菌的杀菌率则分别较浓度为0.1 g/L时提高0.8%及0.2%,可见TiO2浓度过高时易使溶液浑浊度增大,影响透光率,因此高浓度TiO2条件下,杀菌率与TiO2浓度之间无显著差异性(p>0.05)。

图6 TiO2浓度对杀菌率的影响Fig.6 Effects of TiO2 concentration on sterilizing rate

3 结论

采用溶胶-凝胶法制备的半导体光催化剂TiO2在450 ℃下煅烧,可获得以锐钛矿相为主的锐钛矿与金红石混晶结构的纳米粒径颗粒,其在紫外光激发下具有较好的光催化作用。在紫外光照条件下,添加浓度为0.1 g/L的TiO2作用30 min后,对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的杀菌率可分别高达97.8%及99.4%,并在作用40 min后均可稳定在100%。该纳米光催化剂无毒,不产生二次污染,对革兰氏阴性代表菌及革兰氏阳性代表菌均具有良好的杀菌效果,有利于该技术在食品卫生领域的推广应用。