（微生物学专业论文）纳米材料活性研究与抑菌机理探讨.pdf

刖川1 人学修卜学位论文 纳米材料活性研究与抑菌机理探讨 微生物学专业 研究生：彭文壕指导教师：葛绍荣 为研究纳米二氧化钛( 邯0 2 ) 的抗菌活性，制备了不同煅烧温度和反应时 甘】下得到的一系列纳米t i 0 2 材料，并对其进行了表征。结果表明：煅烧温度从 4 0 0 到8 5 0 增加时，纳米t i 0 2 全部为锐钛矿型，对甲基橙的降解率也逐渐 上升，到8 5 0 时达到最高。煅烧温度从8 5 0 到1 1 0 0 增加时，开始出现金 红石型，随着温度的增加，金红石型比例逐渐增大，到1 1 0 0 全部转变为金红 石型，而甲基橙的降解率也随着舍红石型比例的增大而不断降低。 采用纸片法、管碟法和直接堆砌法对所得到的各种纳米t i 0 2 材料进行生物 活性的初步筛选，寻找最佳的初筛方法，同时选取多种性质不同的特征微生物 进行纳米材料的抗菌谱测定。选用初筛得到的生物活性最好的纳米材料( 8 5 0 煅烧1 5 h ) ，在多种光源直射下，将其与供试菌共同孵育以考察光源对纳米材料 的影响。通过最低抑菌浓度( m i c ) 和最大作用浓度的测定，确定纳米t i 0 2 浓 度与其生物活性的关系。实验结果表明：直接堆砌法所获得的抑菌圈大而清晰， 最适合用于类似材料的活性筛选。纳米t i 0 2 的抗菌谱范围宽广，包含细菌、放 线菌、真菌、酵母等各种微生物，其抑菌作用并没有明显的特异性。在不同光 源的照射下，光波范围在3 6 5 n m 附近的光源均能催化纳米r i 0 2 表现出良好的 抑菌活性，从综合因素考虑，荧光灯成为首选光源。纳米瓢0 2 的抑菌作用浓度 范围一般为0 i m g m 1 1 0 m g m l ，根据作用菌株的不同略有不同。当浓度大于 1 0 m g m l 时，抑菌作用不再增强。 在近荧光灯( 1 0 c m ) 照射下，纳米t i 0 2 具有很强的光催化杀菌作用。通过对 t i 0 2 光催化杀灭革兰氏阴、阳性细菌的致死曲线进行对比、常规培养验证和透 四j 1 ：大学愤 学位论文 射电镜观察得出结论：t i 0 2 九催化灭菌首先是从纽菌细胞壁开始，其产生的自 由毽能破坏细胞瞳纡构，使细胞墅断裂、破损，赝模解体，然后进入胞体内部 破坏内膜和细胞组分，使细肚质凝聚，导致细胞内容物溢出，町出现菌体空化 现象。从而证实了纳米t i 0 2 的抑菌机理是在光催化作用下，t i 0 2 禁带上的电子 由价带跃迁到导带，在表面形成高活性的电子空穴对，并进一步形成o h ，通 过一系列物理化学作用破坏细菌细胞，从而杀灭细菌。 关键词：纳米材料、光催化、抑菌活性、抑菌机理 2 印l l 大学颇j 茸位论文 t h er e s e a r c ho fa c t i v i t i e so fn a n o s i z e dm a t e r i a la n di t s b a c t e r i o s t a s i sm e c h a n i s m m a j o r ：m i c r o b i o l o g y g r a g u a t e r ：p e n gw e n j i n g i n s t r u c t o r ：g es h a o r o n g s e v e r a ln a n o s i z e dt i t a n i u md i o x i d e s c r i 0 2 ) o fd i 舵r e n t c a l c i n a t i o n t e m p e r a t u r e sa n dr e a c t i o nt i m e sh a db e e nm a d ea n de x o s y n d r o m e dt od ot h ef u l - t h e r r e s e a r c h e so fa c t i v i t i e so fn a n o t i 0 ，t h er e s u hi n d i c a t e d ：w h e nt h ec a l c i n a t i o n t e m p e r a t u r er a i s e df r o m4 0 0 t o8 5 0 ，n a n ot i 0 2w e r ea l la n a t a s ea n dt h e d e g r a d a t i o nl a t et om e t h y lo r a n g e a l s or a i s e dw h i c hh a dah i g h e s tl e v e la t8 5 0 w h e nt h ee a l e i n a t i o nt e m p e r a t u r er a i s e df r o m8 5 0 t o1 1 0 0 r u t i l eb e g a nt 0 a p p e a ra n di t sr a t er a i s e dg r a d u a l l yw h i c ha r r i v e da t1 0 0 a t1 l o o w h i l et h er a t e o f m t i l er a i s e d , t h ed e g r a d a t i o nr a t et om e t h y lo r a n g er e d u c e d p a p e rd i s km e t h o 山c u p p l a t em e t h o da n dd k e c f l yp i l e d - u pm e t h o dw e r eu s e d t od oap r e l i m i n a r ys c r e e n i n gt ob i o a c t i v i t i e so ft h ed i f f e r e n tn a r l om a t e r i a l si no r d e r t of u n dt h eb e s tm e t h o do fp r e l i m i n a r ys c r e e n i n g m e a n w h i l e ，s e v e r a lt y p i c a l m i c r o b e st h a th a dd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sw e r ec h o s e nt od e t e r m i n et h ea n t i b i o t e r i a l s p e c t r t l mo fn a n ot i 0 2 t h em a t e d a lw h i c hh a dt h eb e s tb i o a e t i v i t y i nt h e p r e l i m i n a r ys c r e e n i n g ( a c m n a t i o nt e m p e r a t u r e ：8 5 0 t i m e ：1 5 h ) w a sc h o s e l lt od o t h ef u l l e rr e s e a r c h t h et e s t e dm i c r o b e sw e r ei n c u b a t e dt o g e t h e rw i t ht h et i 0 2 u n d e rd i f f e r e n tl i g h t st oi n v e s t i g a t et h e i re f f e c t st ot i 0 2 t h em i n i m a li n h i b i t o r y c o n c e n t r a t i o n 仆压i c ) a n dt h em a x i m a li n h i b i t o r yc o n c e n t r a t i o nw e r ed e t e r m i n e dt o f i n dt h er e l a t i o n s h i po ft h ec o n c e n t r a t i o no ft i 0 2a n di t sb i o a c t i v i t y t h er e s a l t s i n d i c a t e dt h ed i r e c t l yp i l e d u dm e t h o dw h i c hg a i n e dab i ga n dc l e a ri n h i b i t i o nz o n e w a st h eb e s tw a yt od ot h eb i o a c t i v i t ys c r e e n i n go ft h es a m em a t e f i a la st i 0 2 n a n o t i 0 2h a daw i d ea n t i b a c t e r i a ls p e c t r u mi n c l u d i n gb a c t e r i u m , a c t i n o m y c e t e s ，f u n g u s ， y e a s ta n ds oo n t h e r ew a sn ov i s i b l es p e c i f i c i t yo f i t sb a c t e r i o s t a s i s e x p o s e di nt h e d i 虢r e n tl i g h t s 。n a n ot i 0 2c o u l db ec a t a l y z e db yt h el i g h t sw i t ht h ev i c i n a l3 6 5 n m l i g h t w a v e st os h o wt h eg o o db a c t e r i o s t a s i s c o n s i d e r i n gt h es y n t h e t i cf a c t o r s ，t h e f l u o r e s c e n tl a m pw a st h eb e s ti l l u m i n a n t t h ei n a c t i v i t yc o n c e n t r a t i o nr a n g ei n w h i c ht i 0 2r e p r e s e n t e dt h eb a c t e r i o s t a s i sw a s0 1 m g m l 1 o m g m 1 t h ee f r e c to f b a c t e r i o s t a s i sw o u l dn o tg oo nr a i s i n gw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft i 0 2w a sm o r e 3 四川t 夫学1 m 1 0 付诒空 t h a n1 o m g m 1 n a n ot i t a n i u md i o x i d e ( t i 0 2 ) p h o t o c a t a l ? s i sw i t hf l u o r e s c e n tl i g h th a sp r o v e nt o b eah i g h l ye f f e c t i v ep r o c e s sf o rc o m p l e t ei n a c t i v a t i o no fb a c t e r i u m a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fb a c t e r i o s t a s i st ot h et y p i c a lm i c r o o r g a n i s m sb yn a n o t i 0 2 ，n o r m a l l y c u l t t v i n ga n do b s e r v i n gb yt h et r a n s m i s s i o ne l e c t r t mm i c r o s c o p e ( t e m ) ，c o n c l u s i o n h a sb e e nm a d e t h r o u g ho u tc o m p a r i n g t h e p r o c e s so ft i 0 2p h o t o c a t a l y s i s i n a c t i v a t i o no fg r a m n e g a t i v eb a c t e r i aw i t ht h a to fg r a m - p o s i t i v eb a c t e r i a ：t h e p r o c e s so ft i 0 2p h o t o c a t a l y s i si n a c t i v a t i o no f b a c t e r i u mb e g i n sw i t hd e s t r o y i n gt h e s t r u c t u r eo fe e l lw a l lb yt h ef r e er a d i c a lt i o ，p r o d u c e d t h e s ef r e er a d i e a lm a k et h e e e l lw a l ld i s m p t i v ea n dd i s r e p a i r a b l e t h ep l a s m a l e m m ad i s a s s e m b l e , a n dt h e nj t e h i s e li nt h ec e l l d e s t r o yt h er e t i c u l u ma n dt h ei n n e rs t r u c t u r ew h i c hm a k et h e c y t o p l a s mc o a c e r v a t ea n dc a u t h ee x t r a v a s a t i o no fe n t o c y t et of o r mc a v i t a t ec e l l s n 忙r e s u l t sp r o v e dt h eb a c t e r i o s t a s i sm e c h a n i s mo f z i 0 2 ；u n d e rt h ec a t a l y s i so f l i g h t o f 3 6 5 n m ，t h ee l e c t r o no f ft h ef o r b i d d e nb a n do ft i 0 2i u m p e df r o m l ev a l e n c eb a n d t ot h ec o n d u c t i o nb a n dw h i c hf o r m e dt h eh i g i l l ya c t i v ee - h 十，a n dt h e nf o r m e d t h e o h a f t e ras e r i e so fp h y s i c a lc h e m i c a la c t i o n ，t h ee e l lw a sd e s l r o i e da n dt h e g e r mw a sk i l i e d k e yw o r d s ：l l a n o s i z e dm a t e r i a l ，p h o t o c a t a l y s i s ，b a e t e r i o s t a s i sa c t i v i t y , b a c t e r i o s t a s i sm e c h a n i s m 4 四川人，硕! ，位! 文 日h 舀 由于以往对环境保护的忽视，人类的生存环境越来越恶劣，环境污染已经 成为普遍关注而急需解决的问题。近年来，力图用各种方法来改善环境，其中 纳米t i 0 2 因其作为光催化刺所具有的高活性、安全、廉价、无污染等优点，是 有开发前途的绿色环保催化剂之一，成为材料学及催化科学竞相研究的热点i l l 。 t i 0 2 经波长3 6 5 n m 左右的光激发后，其价带上的电子就会被激发到导带， 形成具有高氧化活性的空穴和光激发电子，并与周围的h 2 0 和0 2 反应生成o h 和0 2 1 1 1 。在t i 0 2 表面生成的o h 和，0 2 基团有极强的氧化能力，能使大部分的有 机污染物和细菌氧化分解为c 0 2 和h 2 0 等无害物质。因此，n 0 2 在水污染综合 治理【2 1 、饮用水的净化p 一、消毒杀菌【4 5 1 方面有着，“阔的应用前景，引起了广大 研究者的兴趣。 自从首次发现t i 0 2 在紫外光照射下有良好的杀菌效果以来，t i 0 2 的光催化 ，作用和杀菌机理一直受到关注【“7 1 。一部分学者认为t i 0 2 对细菌的影响首先作 用于细胞壁，而后才是进入细胞作用于胞内物质1 8 l 。而另一部分学者认为纳米 t i 0 2 由于粒径很小，能直接进入细胞壁，攻击细胞中的有机组分，从而杀灭细 菌 9 1 0 1 。但是现阶段大部分的实验都处于探索阶段，对于其光催化灭菌的具体 过程，特别是超微结构的变化，一直缺乏有力的证据来说明i l ，而国内对于这 方面的研究报道尚少。 本实验采用多种条件下制备的纳米t i 0 2 ，建立了快速筛选其生物活性的实 验方法，并对其抑菌活性和抑菌特征进行了一系列研究，并通过透射电镜观察 对比了模式细菌在t i 0 2 光催化作用下的一系列结构变化，为t i 0 2 抑菌机理提 供了直观的证据，有利于进一步的研究。 网川人学舻f 学位论文 第一部分：纳米t i o ：样品的制备与表征 1 样品制备 1 1 原料及化学试剂 重庆新华化工厂的工业用偏钛酸( 含钛量为5 6 ) ；分析纯浓硫酸( 含量 9 8 ) 和氨水，去离子蒸馏水、表面活性剂、活性炭以及蓖麻油( 油浴加热用) 等 1 2 纳米t i0 2 粉末的制备 本研究采用液相法，以价廉易得的偏钛酸为前驱物席4 各锐钛矿型、金红石 型和混合晶型三种不同晶型的纳米t i 0 2 粉末。具体步骤为：用稀盐酸及氨水溶 液洗涤去除偏钛酸中杂质，所得沉淀与浓硫酸在搅拌条件下恒温油浴加热，在 加热状态下反应使偏钛酸全部溶解，得到t j o s 0 4 溶液。冷却后稀释一倍，加 入适量活性炭，充分搅拌，过滤除去滤渣得到清亮的t i o s 0 4 滤液，再加入适 量的以十二烷基苯磺酸、乙烯醚为主要成分的新型表面活性剂，搅匀后加氨水 水解，得到纳米偏钛酸，经洗涤后于常压下干燥，最后经4 0 0 1 1 0 0 煅烧1 5 h 得到纳米币0 2 粉末成品。 1 3 光催化活性实验 ， 采用夹套反应器做光催化降解实验，具体步骤为：先用去离子蒸馏水配制 所需浓度为0 0 5 9 m l ( 初始吸光度为1 4 6 ) 的甲基橙溶液。取2 0 0 m l 所配甲基橙 溶液于夹套反应器中，加入1 噜实验样品，放入搅拌子，以1 2 5 w 高压汞灯照 射溶液，每隔一定时间取1 0 m l 左右样品进行高速离心分离，取上层清液测试吸 光度a ，所选甲基橙吸收单色光波长为5 4 0 n m ，夹套中通循环水冷却，使整个实 验过程中反应温度控制在2 2 土l 。 6 四川大学硕t 学位论史 2 纳米t i 0 。粉末的表征 2 1t i 0 ：粉末的晶相分析( x r d ) x r d 分析采用丹东方圆仪器有限公司d x 1 0 0 0 衍射仪x 射线衍射仪。 102 03 04 05 0 e 圈1 在不同温度下煅烧1 5 h 的纳米t i 0 2 粉末的x r d 图谱 f g 1x r dp a t t e r n sf o rt i 0 2p o w d e r sa td i f f e r e n tc a l c i n a t i o n t e m p e 憎t 哪tf o r1 5h 10 0 0 c 0o c 从图l 中可以看出，当t i 0 2 粉末的煅烧温度在3 0 0 8 5 0 c 时，所得样品为 锐钛型。从8 5 0 c 开始样品中出现金红石型，当温度继续升高时，金红石型的 含量也随之增高，到i 1 0 0 c 时，样品为金红石型而不再有锐钛型出现。说明本 实验制得的纳米t i 0 2 由锐钛型向金红石型转化的起始温度为8 5 0 。c ，终止温度 为1 1 0 0 。 由q a n t i t a t i v e 公式1 “1 ：锐钛型t i 0 2 含量= l ( 1 + 1 2 6 5 i r i a ) 计算得不同 阴川人学砀! 学位论史 煅烧温度下伟：得的t i 0 2 粉术中锐铁矿晶型的含帚比例如表1 所刀。其中：i a 为锐钛型的最强衍射 量的积分强度，出现在2 0 = 2 5 3 0 左右；i r 为会红石型的最 强衍射线的积分强度，出现在2 0 = 2 7 5 0 左右。 表l 不同煅烧温度下纳米t i o ：粉末中锐钛晶型含量比例 t a b l e 1 t h e a n a t a s e c o n t e n tp r o p o r t i o nu n d e r d i f f e r e n te a l e a i n a t i o nt e m p e r a t u r e s 煅烧温度( ) 4 0 0 5 0 06 0 0 7 0 08 5 0 里5 11 1 1 111 1 1 锐钛型含量( ) 1 0 0 1 0 01 0 01 0 09 7 75 23 30 5 4 0 2 。2t 1 0 ：的t e m 分析 t e m 分析采用j e m i o o c x 型t e m 透射电镜。按照标准制片程序制片后 经透射电镜观察样品颗粒如图2 所示 图2 纳米t i 0 2 粉末的透射电镜照片( 8 5 0 c 下煅烧l 5 h ) f i g2 t e m p h o t oo f n a n ot i 0 2p o w d e r 2 3 t i o ：的比表面积 比表面积测定采用麦克公司a s a p 2 0 1 型比表面空穴分析仪。测得不同温 度下煅烧1 5h 所制得的纳米t i 0 2 粉末比表面积变化曲线如图3 所示。 明川大学坳卜孚位诒殳 2 ( 1 0 一 署15 0 3 聒 嚣1 0 0 丑 蕈5 0 o 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 煅烧温度( ) 图3 纳米t i m 在不同温度煅烧下的比表面积 f i g3s p e c i t 胁s u r f a c ei r b so f n a n o s i z e dt i 0 2p o w d e r sa td i f f e r e n tc a l c i n a t i o n t e r n p e r a t u r e 3 纳米t i 0 ：光催化实验结果与分析 纳米t i 0 2 粉末对甲基橙的降解率d = 【( a 。- a ) a 。】x l o o ，其中a 。为光 催化前的吸光度，a 为光照时间t ( 1 1 ) 后溶液的吸光度。 3 1不同煅烧温度下纳米t i 0 ：粉末的光催化氧化活性 以不同煅烧温度下制得的纳米t i 0 2 粉末为光催化剂，做光催化降解实验， 用二次蒸馏水配制o 0 5 m l 的甲基橙溶液。取所配制的溶液2 0 0 m l 于夹套反应 器中。加入1 o g 纳米t i 0 2 样品，开始搅拌并通入冷水，同时用汞灯照射溶液， 6 h 后取1 0 m l 溶液，离心去除n 0 2 粉末后进行吸光度测试( 波长为5 4 0 h m ) 。 对甲基橙的光催化降解曲线如图4 所示。 9 川i 人学硬t 学 论文 c a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r et ， 图4 不同煅烧温度下所得样品对甲基橙的降解率曲线 f i g4 e f f e c to f c a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r eo np h o t o c a t a l y t i cd e g r a d a t i o na b i l i t yo f n a n ot i 0 2p o w d e r 从图4 可以看出：在8 5 0 c 下煅烧1 5 h 所得的纳米面0 2 粉末的光降解效果 最佳：光降解6 h 可使浓度为o 0 5 9 m l 的甲基橙光降解率达到9 5 8 3 。根掘图 l 的x r d 图谱可知，此时的纳米t i 0 2 粉末中锐钛型含量的质量比为9 7 7 ； 金红石型含量为2 3 。 测量得8 5 0 c 时样品的表面积为1 6 5 4 8 m 2 儋，其比表面积并不比煅烧温度 低于8 0 0 * c $ 1 1 得的纯锐钛型纳米t i 0 2 粉末的比表面积大，但光降解率却比之好， 这说明含有少量的金红石型的纳米t i 0 2 粉末的光降解性能更好。 3 28 5 0 。c 下煅烧的ti0 ：粉末光催化活性实验 取8 0 0 。c ( y - 1 ) 、8 5 0 c ( y - 2 ) 、9 0 0 c ( y - 3 ) - f 煅烧1 5 h 纳米t i 0 2 粉末各1 0 9 ， 另取8 0 0 c 和1 1 6 0 下制得的t i 0 2 粉末，按8 5 0 。c 和9 0 0 下制得的粉末中锐 钛型与金红石的比例配比配出样品p - 1 和p - 2 各1 0 9 做甲基橙的光催化降解实 验，结果如图5 所示。 1 0 器o墨c墨鲁d 5旨口翌功占。暑一口b。o芍c山 四川入学碗t + 学位论文 02 t h 4 图5 纳米t i0 2 粉末对甲基橙的光降解曲线 f i g5p h o t o c a t a l y t i cd e g r a d a t i o na b i l i t yo f n a n ot i o z 从图5 中可以看出，从光催化效果来看p 1 与y - 2 虽然锐钛型与金红石的 含量相同，y - 2 的光催化效果明显好于p 1 ，这同样反映在p - 2 与y - 1 上，p 1 的光催化效果甚至不如纯锐钛型的y - l 。 。 4 讨论 4 1煅烧温度对t i 0 ：晶型结构的影响 t i 0 2 共有三种变体：金红石、锐钛矿、舨钛矿，这三种变体o 。都形成 歪曲了的密堆积，金红石中0 2 属于六方最密堆积，锐钛矿中0 2 。属于立方最密 堆积，而板钛矿中0 2 属于四层堆积。在这三种结构中，币4 + 都填充在0 2 密堆 积的半数八面体空隙中。在金红石中，八面体公用两个棱( 图6 ) t 根据鲍利第 三规则：在一配位结构中，配位多面体问倾向于不公用棱，特别是不公用面， 可知它较稳定，而配位八面体公用了三个棱的板钛矿和公用了四个棱的锐钛矿 加 加 0 。o曲母一cooj山co#西可ej矽蛩 p ，川大颂t 学位论文 则在自然界中存在较少，在加热至高温都不町逆的成为金红石1 1 4 】。 金红石板铁矿锐钛矿 说明：金红石璎共用2 条棱，扳钛矿型兵用3 条棱，锐钛矿型共用4 条棱。 图6 不同t i o z 晶体结构示意图 f i g6c r y s t a ls t r u c t u r e so ff u t i l ea n da n a t a s et i 0 2p o w d e r 从量子力学的角度看：煅烧温度是锐钛型向金红石转变的条件。在常温下， 金红石及锐钛型0 2 的原子平衡位蔑周围都有一个势函数约束原子在附近傲 热运动，它们在z 轴方向上运动的势函数如图7 所示，在高温下由于热运动， 能量超过u z 时，处于锐钛型的原子a 有一定的几率越过势垒u z 而跳到b 处， 成为舍红石原子。按玻兹曼统计，在温度t 时，原子具有能量为u z 的几率与 e x p ( u z k t ) 成正比，在单位时间内锐钛型原子由a 越过势垒u z 而跳到b 的几 率q 1 也应与e x p ( 一u z k t ) 成j 下比，即： 阴人学矸卜学付论文 q l = v o e x p ( - u z & t ) ( 1 ) v 0 为锐钛型原子在处的振动频率。由此可知在一个振动固期t 内，锐钛型 原子由a 越过势龟u z 而跳到bp j 几率t 1 z 为： q z = c q i 2e x p ( - u z k a 3( 2 ) 相邻两原子a 与c 同时一个振动眉期t 内跳到b 及d 而转变成金红势的几率t 1 为： 州硼萨( t 1 z ) 2 = e x p ( 2 u z k t ) ( 3 ) 即在单位时间内，一个锐钛型原子转变成金红石原子的几率为： q 2 = v o e x p ( - 2 u z k t ) ( 4 ) 设锐钛型 r i 0 2 的初始原子数为n o ，已转变为金红石的原子数位n ，在d t 时间 内转变为金红石的原子数为：矾= ( n o 却q 2 d t 因此锐钛型原子转变成金红石原子的转变率为： n o n = i - e x p ( 吨t ) 假定原子的振动频率都相同，根据爱因斯坦模型， c , , = 3 n k ( h v o k t ) e x p ( h v o k t ) ( e x p ( h v o 村) - 1 ) 可求出v 0 图7 锐钛型及金红石型t i0 2 得势函数示意图 f i g 7s k e t c hm a po f p o t e n t i a lf u n c t i o no f a n a t a s ea n d f u t i l et i 0 2 4 2t i 0 ：晶型结构对其光催化效果的影响 从图4 可以看出，纳米t i 0 2 粉末对甲基橙的降解率在a b 段，随着煅烧 温度的珏高逐渐增大。由表l 可知，此时纳米t i o z 粉未的晶型均为锐钛矿型， 1 3 四川大学硕尹位论文 这是由于随着煅烧温度的增高，锐钛矿晶体因受到越幕越充分的煅烧而使可能 成为电子空穴复合中心的缺陷减少，光催化活性也越束越高，表现出来的甲基 橙降解率逐渐增大。而在b c 段，纳米t i 0 2 粉末对甲基橙的降解率随着煅烧温 度的升高又逐渐降低，在c d 段，纳米t i 0 2 粉末对甲基橙的降解率极低。由表 l 可知：此时纳米t i 0 2 粉末均为混晶，且在b 点锐钛晶型约f 与9 7 7 ( 质量比) ， 而金红晶型约占2 3 ，但在c d 段纳米瓢0 2 粉末中锐钛行的含最己极少，还不 足1 。由表1 可知，达到定煅烧温度后，随着煅烧温度的增加，t i 0 2 晶体 中锐钛矿型的含量逐渐减少，而金红石型的含量逐渐增加。也就是说随着温度 的升高，纳米砷d 2 粉末的晶型由锐钛型向金红石型转变，其转变温度在 8 0 0 1 0 0 0 0 c 之间，当煅烧温度升高时，粒子表面由于其较高的表面能，金红石 相在锐钛矿相的相界面上成核。一部分t i 0 2 粉末从锐钛矿相转变成金红石型 相，然后逐步扩散到锐钛矿相的内部【1 2 1 ，该转变过程相当缓慢，在短时间内不 易达到平衡，而是在锐钛型的表面形成金红石薄膜的包覆结构【乃】，金红石薄层 并不阻挡锐钛矿激发到价带电子的光线，因而并不影响锐钛矿t i 0 2 价带电子的 激发。由于两种晶型的t i 0 2 费米能级的不同，在两相界面问能产生s e h o t t k y t l l l 势垒，可促进电子及空穴的转移、分离和迁移到催化剂的表面( 即混晶效应) 。 电子与空穴的分离效率也因为两相的紧密接触而更高，从而使混晶的光降解效 果并不比纯的锐钛矿t i 0 2 差，这点在图5 中得到证实：当混晶中锐钛矿箭0 2 的含量在2 0 以上时光降解效果较好。但随着粒子表面金红石型比例的逐渐增 加，膜的厚度增大，电子空穴向粒子表面的迁移路程增长，其复合的几率增大， 并逐渐趋于纯金红石型纳米t i 0 2 粉末的性质，对甲基橙的光催化效果逐渐下 降。 1 4 四川大学硕卜学位论文 第二部分：纳米材料抑茵作用研究 1 材料与方法 1 1 供试菌的培养 供试菌为：大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、灰色链霉菌、青 霉、黄曲霉、隐球酵母。其中，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌由华西提供，其余 菌株均为本实验室保藏。 其中细菌3 株，用牛肉膏蛋白胨培养基2 8 培养( 牛肉膏1 、蛋白胨l 、 n a c io 5 ，p h = 7 2 7 4 ) ；放线菌1 株，用高氏一号培养基2 8 c 培养( k n 0 3o 1 、 可溶性淀粉2 、k 2 h p 0 4o 0 5 、m g s 0 4 7 h 2 00 o s 、n a c lo 0 5 、f e s 0 4 o 0 0 1 ，p h = 7 2 7 4 ) ；丝状真菌2 株，用沙氏培养基2 8 。c 培养( 蛋白胨l 、 葡萄糖4 ，p h 值自然) ；酵母菌一株，用y e p d 培养基3 7 培养( 酵母青1 、 蛋白胨2 、葡萄糖2 ，p h 值自然) 。 将以上各种供试菌的斜面保藏菌种在各自对应的培养基平板上活化2 次 后，用接种环挑取一环菌苔接种至液体培养基，细菌和酵母菌培养1 d ，链霉菌 和真菌培养3 - 4 d 。将培养好的菌液取出，放入4 c 冰箱备用。 1 2 纳米材料的准备 称取6 0 0 、6 5 0 c 、7 0 0 1 2 、7 5 0 c 、8 5 0 c 各煅烧o 5 h 、1 o h 、1 5 h 的不 同晶型和粒径的纳米t i 0 2 粉末各2 9 ，装入称量瓶中，1 2 1 灭菌2 0 m i n ，置于 干燥器内避光保存备用。 1 3 纳米t 1 0 ：粉末抗菌谱以及不同测定方法对纳米t i 0 ：活性初筛 的影响 1 3 1 药敏纸片法活性测定 15 四f i l 大警颂 学位论迂 1 3 1 1 滤纸片的制备 j 甲玎孔器将1 0 2 型新华滤纸制成直径为6 m m 的圆片，放入干燥洁净的试 管中，经1 6 0 ( 2 千热灭菌2 h ，备用。 ， 1 3 1 2 玻璃片的准备 准备一l o l o c m 的厚度大于2 m m 的玻璃板，在正中打一个直径为6 m m 的洞，灭菌备用。 1 3 1 3 抑菌活性的测定 将各种供试菌保存的菌悬液吸取o 2 m l 在相应的平板上，涂布均匀。 称取不同纳米西0 2 粉末各o 1 9 ，加入l m l o 8 5 无菌生理盐水振荡均匀后， 用移液器吸取o 2 m l 滴加在滤纸片上，将滤纸片在5 0 烘箱中烘干后贴在涂满 菌的平板正中，平扳上盖上已灭菌的厚玻璃板，使玻璃板中央圆孔正对滤纸片。 2 8 培养，并分别用2 5 4 n m 紫外灯、3 6 5 n m 紫外灯、3 8 7 n m 汞灯、荧光灯于平 板正上方l o c m 处照射。 1 3 2 管碟法活性测定 将各种供试菌保存的菌悬液吸取0 2 m l 在相应的平板上，涂布均匀。 称取不同纳米n 0 2 粉末各o 1 9 ，加入l m lo 8 5 无菌生理盐水振荡均匀后， 用移液器吸取o 2 m l 滴加入放置在平板正中的牛津杯中，平板上盖上已灭菌的 厚玻璃板，使玻璃板中央圆孔正对牛津杯。2 8 培养，并分别用2 5 4 n m 紫外灯、 3 6 5 n m 紫外灯、3 8 7 n m 汞灯、荧光灯于平扳正上方1 0 c r n 处照射。 1 3 3 直接堆砌法活性测定 将各种供试菌保存的菌悬液吸取o 2 m l 在相应的平板上，涂布均匀。 称取各种不同的纳米n 0 2 粉末各o 0 5 9 ，规则的堆在平扳正中，平板上盖 上已灭菌的厚玻璃板，使玻璃板中央圆孔正对堆砌的纳米材料。2 8 培养，并 分别用2 5 4 n m 紫外灯、3 6 5 n m 紫外灯、3 8 7 n m 汞灯、荧光灯于平板正上方1 0 c m 处照射。 1 6 叫j i l a 学碗i 学位论文 1 4 不同光源对纳米t i 0 。抑菌活性的影响 纳米材料采用8 5 0 。c 煅烧1 5 h 的t i 0 2 粉末。准确称取 r i 0 2 粉未o o l o o g 加入1 0 m l 无菌生理盐水中，超声分散1 5 m i n ，配制成l m g m l 的溶胶，备用。 供试菌为大肠杆菌。将离心所得菌体用无菌生理盐水稀释至1 0 9 c f u m l ，吸 取l m l 加入6 孔细胞培养板中，同时加入l m l 纳米t i 0 2 溶胶和8 m l 无菌水， 使细菌液终浓度和t i 0 2 终浓度分别为1 0 s c f u m l 和o 1 m g m l 。 将细胞培养板分别置于近2 5 4 n m 紫外灯、3 6 5 t i m 紫外灯、3 8 7 n m 汞灯和荧 光灯下照射6 0 m i n 后取样，梯度稀释后涂帘乎板，计算存活率。同时做无光阴 性对照和不加啊0 2 溶胶的阴性对照。 存活率= 实验组菌数，无光阴性对照组菌数1 0 0 1 5 各种纳米材料c 的测定 1 5 1 纳米材料的准备 实验选用8 5 0 c 煅烧1 5 h 的纳米t i 0 2 粉末。将纳米t i 0 2 粉末称取0 0 0 2 5 9 、 0 0 0 5 9 、0 0 1 9 、0 0 2 9 、0 0 4 9 、0 0 8 9 、o 1 6 9 ，加入1 0 m l 灭菌的o 8 5 0 o 蝴 水，依次配成o 2 5m g r n l 、o 5m g m l 、1m g m l 、2m g r m 、4m g m l 、8m g m l 、 1 6 m g m l 的溶液。将纳米t i 0 2 溶液用细胞破碎仪超声1 5 r a i n ，得到均匀的纳米 币0 2 悬浊液。 1 5 2 供试菌的准备 将供试菌各自在液体培养基中振荡培养( 2 0 0 r p m ) 以达到对数生长期。其 中细菌和酵母菌培养2 4 h ，链霉菌和丝状真菌培养7 2 h 。将菌液5 0 0 0 r p m 离心 1 5 m i n 后，弃上清，用无菌水洗涤3 次后，血球计数板计数备用。 1 5 3m l c 的测定 将菌体用无菌水稀释到1 0 9c f u m l ，吸取l m ln , k6 孔细胞培养板中，另 加入l m l 纳米n 0 2 悬浊液和8 m l 无菌，理盐水，用移液器吹打均匀，使纳米 t i 0 2 悬浊液终浓度分别为o 0 2 5m g m l 、0 0 5m g m l 、0 1m g m l 、0 2m g m l 、0 4 m g m l 、0 8r a g m ! 、1 6m g m l 。于无菌操作台七用荧光灯于1 0 c m 处照射3 h 后， 7 阴川大学鲫 。学位论文 吸取0 2 m l 涂布平板，观察每个平板上菌落生长情况。 1 6 纳米材料最大抑菌浓度的测定 1 6 1 纳米材料的准备 将8 5 0 4 c 缎烧i 5 h 制备的纳米t i 0 2 粉末分别称取0 0 1 9 、0 0 5 9 、0 1 9 、0 1 5 9 、 o 2 0 9 ，加入1 0 r r d 灭菌的o 8 5 生理盐水，依次配成1r a g h a 、5m g r r a 、1 0r n g 湖、 1 5 m g m l 、2 0 m g m l 的溶液。将纳米t i 0 2 溶液用细胞破碎仪超声1 5 m i n ，得到 均匀的纳米面0 2 悬浊液。 8 2 供试菌的准备同1 4 2 1 6 3 最大抑菌浓度的测定 将菌体用无菌水稀释到1 0 9c f u m l ，吸取l m l 加入6 孔细胞培养板中，另 加入l m l 纳米n 0 2 悬浊液和8 m l 无菌生理盐水，用移液器吹打均匀，使纳米 t i 0 2 悬浊液终浓度分别为o 1m g m l 、0 5m g m l 、1 0m g m l 、1 5m g m l 、2 0 m g m l 。在无菌操作台上用3 6 5 n m 紫外灯于1 0 c m 处照射3 0 m i n 、6 0 m i n 、9 0 m i n 、 1 2 0 m i n 、1 8 0 m i n 后取样，吸取o 2 m l 涂布平板，以平板上没有菌落生长为完全 杀菌的指标，考察不同浓度下n 0 2 完全杀灭供试菌所用的时间。 2 结果与分析 2 1 纳米t i 0 ：抗菌谱以及不同测定方法对纳米t i 0 。催化活性初筛 实验结果 2 1 1 药敏纸片法测定结果 药敏纸片法测定结果如表2 所示，可以看出，所有煅烧o 5 h 、l h 的纳米 t i 0 2 粉末均不表现抑菌活性。6 5 0 c 、7 0 0 。c ，7 5 0 ( 2 和8 5 0 。c 煅烧1 5 h 的n 0 2 粉末有一定的抑菌效果，但是都不明显，其中以8 5 0 c 煅烧1 5 h 的i i 0 2 粉末抑 菌效