【毕业学位论文】（Word原稿）铜离子掺杂纳米TiO2溶胶及其植物病原菌抗菌性能评价生物物理学硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 铜 离子 掺杂 纳米 物病原菌 抗菌性能评价 I 摘 要 本文在分析无机抗菌剂的研究现状、存在问题和发展趋势的基础上，通过溶胶 制备了纳米 胶 和掺杂铜离子的复合纳米 胶 两种无机抗菌剂，并通过降解甲基蓝实验验证了自制的无机抗菌剂具有良好的光催化活性。抗菌实验证明，自制的无机抗菌剂对植物病原微生物具有良好的杀灭作用。主要研究结果如下： 对制备的 两种 溶胶材料进行 征，结果发现， 纳米 胶 呈半透明、浅黄色， 在 右， 结晶型为锐钛型（ 其中衍射角 2为 分别属于锐钛矿相的 (101)， (004)， (200)晶面的衍射峰； 粒的粒径分布范围 平均有效粒径（ 胶分散度（ 中性、 半透明、浅 蓝 色， 平均有效粒径（ 胶分散度（ 入铜离子 径变小， 即 比表面积增大，提高了 光催化活性。 通过光催化降解甲基蓝实验证明， 光催化活性受 聚合反应时间、 量、光照时间和强度、 铜离子浓度 等多种因素的影响 ， 当 胶 聚合反应时间为 8h， 粒含量为 铜离子 浓度 为 溶胶具有较好的稳定性和 光催化活性 。 通过抗菌实验证明，在光照条件下， 且随着照射时间的延长， 两者 的抗菌率 均 达到 100%；无光照时， 乎没有任何 抗菌 活性。 通过对 几种不同 植物 致病菌进行抗菌实验，结果证明， 两种溶胶材料具有广谱、高效的抗菌效果， 且不同 种 属植物病原物之间效果差异不显著 。 另外，安全评价 检测结果证明，本试验研 究中制备的 纳米 人 畜 无害 。 本项目的研究工作 为进一步研究纳米 关键词 ：纳米二氧化钛，溶胶 薄膜，光催化，抗菌 on of by in It of on of i( we a 01、 004 00 he is is of h, of It in 00% in no of In to of be as a in 录 第一章 绪论 . 1 究背景 . 1 菌材料种类及特征 . 2 机 抗菌剂及其抗菌机理 . 3 催化半导体材料 . 3 属离子型抗菌材料 . 5 机与有机等复合型抗菌 材料 . 6 米 菌材料 . 7 米 制备方法 . 8 高纳米 催化活性的途径 . 9 面贵金属沉积 . 10 子掺杂 . 10 表面光敏化 . 10 合半导体 . 11 米 膜的制备 . 11 内外研究现状 . 12 究内容和拟解决的关键问题 . 13 究目的和意义 . 13 究内容 . 13 术路线 . 14 解决的关键问题 . 14 第二章 铜离子掺杂纳米 胶的制备与表征 . 16 要化学试剂与实验设备 . 16 要化学试剂 . 16 验设备 . 17 料的制备 . 17 米 胶制备方法 1 . 18 米 胶制备方法 2 . 18 米 胶制备方法 3 . 18 料的表征 . 19 射线衍射 . 19 描电子显微镜 . 19 射电子显微镜 . 20 果与讨论 . 20 米 胶物理性质 . 20 度分析 . 21 析 . 21 析 . 22 析 . 24 结 . 25 第三章 影响溶胶光催化活性的因素 . 26 验材料与仪器 . 26 化学试剂 . 26 要仪器 . 26 验方法 . 26 米 膜的制备 . 26 基蓝吸光度的测定 . 27 照射 时间和强度对 催化性能的影响 . 27 析方法 . 27 基蓝吸收标准曲线的绘制 . 27 基蓝降解率的计算 . 28 果与讨论 . 28 合反应时间对 催化性能影响 . 28 量对其光催化性能的影响 . 29 面活性剂对 催化性能的影响 . 30 照射时间和强度对 催化性能的影响 . 31 膜厚度对 催化性能的影响 . 32 同原料对 催化性能的影响 . 33 铜离子对 催化性 能的影响 . 34 结 . 35 第四章 铜离子掺杂纳米 植物病原菌的抗菌性能研究 . 36 验材料 . 36 养基 . 36 种 . 36 验方法 . 36 菌薄膜的制备 . 36 厚度对 菌性能的影响 . 37 照条件下 菌性能与效果评价 . 37 暗条件下 菌性能与效果评价 . 37 照时间对 菌性能的影响 . 37 植物病原物的抑制效应 . 38 同铜离子浓度对 菌性能影响 . 38 果与讨论 . 38 厚度对 菌性能的影响 . 38 照条件下 菌性能与效果评价 . 39 光条件下 菌效果评价 . 41 照时间对 菌性影响 . 42 的植物病原物抑制效应 . 43 同铜离子浓度对 菌性能影响 . 44 结 . 45 第五章 铜离子掺杂纳米 胶安全性评价 . 46 料与方法 . 46 品 . 46 物 . 46 法 . 46 果 . 46 论 . 47 结 . 47 V 第六章 结论与讨论 . 48 论 . 48 论 . 49 参考文献 . 50 致谢 . 55 作者简历 . 56 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究背景 随着中国的和平崛起，作为承载中国经济发展个体的中国人民 ， 也在经历了数年的沉积后从各个层次全面爆发 ， 人们已经不再满足于当前的生活状态，开始向更高层次的目标迈进。首当其冲的就是食品安全问题，民以食为天，现在的中国普通市民 不再满足于简单的温饱，而是关心起自己口中的食物是否符合食品安全，是否能够吃出绿色来，吃出健康来。这就直接给目前的中国种植业提出一个严峻的命题，如何面对当前的食品安全，如何解决当前的食品安全问题。 所谓的食品安全是指：食品在按照其原定用途进行制作或者食用时不会使消费者受害的一种担保。由于关系到了人民直接的生命问题，不论是政府还是社会各界都给予高度的关注 ， 中国已经进入了 国的市场在吸纳大量的国外商品的同时，也将西方的食品安全标准引入到了中国，给中国的普通市民带来了全新的安全理念。作为一个几千年以农立本的 古老国家，农产品的优势因为安全隐患，加之国外越来越苛刻的安全检测标准，使得中国的传统优势丧失殆尽，严重的挫伤了中国的主体人群 业作为中国吸纳劳动力能力最大的生产部门，一旦因为受制于食品安全这一瓶颈，不但会使大量的农业劳动力脱离农业岗位，造成大面积的失业，同时也会因为大量劳动力的闲置增加了社会的不稳定因素。因此，严峻的现实要求我们要立即改变当前的现状。 目前，中国的普通民众对食品安全最多的关心就是农药的残留问题，而且农药残留也确实是一个比较严重的问题。 农药的生产和使用日益广泛，它是植物生 长与保护必不可少的重要手段。植物病害的防治多采用化学杀菌剂。因此，蔬菜等农产品中的农药残留污染正在成为严重的社会公害问题。与此同时 ， 农药残留物引起的水系污染和大量杀灭天敌生物也严重地破坏着生态系统的稳定与平衡。近年来，随着社会的发展和人们健康意识的增强，农药残留物导致的食物与环境污染问题日益引起了社会各界的强烈关注。因此，探讨和解决这些问题的有效途径正在成为全世界范围内科技界广泛关注的热点。 虽然中国的化学杀虫剂起步较晚，但是短短几十年间得到了迅猛的普及，究其原因是因为化学农药见效快，成本低，但是它的弊端也 是巨大的，不论是初始的有机磷，还是有机氯类农药，还是现在的农药都存在对人的毒害，区别仅仅是高低之分。再者，农药的试用打破了原有的生态平衡体系：一方面，它的毒性不但要消灭害虫，还会将益虫杀死，同时，农药的施用加大了选择压力，出现了超级害虫。常年大量使用化学农药虽然在短期内有一定防治效果，却带来了严重的负作用，如病菌抗药性的产生速度越来越快，环境污染和农产品的农药残留问题越来越严重，食品安全的隐患存在已不容忽视，因此，寻找一种有效无害的病害防治手段，发展无公害瓜果蔬菜生产已成为当务之急，而且是今后农作物病害防治 研究和发展的方向。虽然选用抗病品种是一个方便和节省的方法，而且可以减少因使用农药带来的环境污染，但在保护地中，目前高抗霜霉病的品种还比较少，而且有的抗病品种在前期产量及品质上不能满足市场的需要，因此，利用抗病品种目前还并不是行之有效的手段，探索新的植物病害防治方法对于农业生产、维护人类健康及中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 2 环境保护都有十分重要的意义。 随着人们对污染、无公害绿色食品呼声的日益提高，农业的可持续发展也越来越来受到关注和重视。近 20 年逐渐发展起来的光催化剂技术为这个问题的解决提供了良好的途径。其中以二氧化钛（ 代表的光催化材料得到了广泛的研究 （ 陈国平， 2001； 葛飞 ，2001； 葛飞， 2001；张素香， 2002；刘锦平， 2004） 。业已证明，利用自然光资源，通过纳米 材料内部由吸收光激发电子，产生光生电子空穴对，迅速迁移到材料表面，激活材料表面吸附的氧和水分，产生活性氢氧自由基（ 超氧阴离子自由基（ 从而转化为一种具有安全化学能的活性物质，起到抑菌杀菌和矿化降解环境污染物的作用 （ 邓慧华， 1996） 。这种杀菌防治技术具有广谱性、持久性等优点，可 以解决化学防治存在的病原菌抗药性、环境污染和对人畜的副作用等问题，实现食品无害化生产。 国内 植物上的应用研究还刚刚起步，纳米 催化防治植物病原菌效果研究还属空白，本研究本着持续、环保的理念对纳米 催化材料进行改性，通过添加金属铜离子提高其活性，并进行了活性鉴定，通过 抗 菌 实验 验证了其对植物病原菌具有良好的杀灭作用，并为进一步将其应用到田间试验提供了理论基础。 菌材料种类及特征 抗菌剂是指能够在一定时间内，使某些微生物 (细菌、真菌、酵母菌、藻类及病毒等 )的生长或繁殖保持在必要水 平以下的化学物质。抗菌的方法可分为物理和化学两种 （王 芬， 2001） 。物理的方法是通过改变温度、压力以及使用电磁波、电子射线等物理手段杀菌。化学方法则是通过调节 、进行气体交换、失水、隔离营养源等手段灭菌。抗菌剂的种类大体上可分为无机、有机和天然生物抗菌剂 3 种类型 （ 张文 毓 ， 2004） 。由于不同的抗菌剂对同种病原菌的抗菌作用机理和有效性的不同，以及同种抗菌剂对于不同的病原菌的抗菌作用机制和抑制范围也不同，因此，要研究出既长效又广谱既高效又安全的抗菌剂，对抗菌机理的研究十分重要。 天然抗菌剂主要为天然植物提取 物，品种不多，目前尚未规模化且资源有限；有机抗菌剂发展历史较长，可分为醇类、醛类、酚类、羧酸类、苯丙米唑类及有机金属类，其杀菌力强，来源丰富，但存在毒性，安全性较差，会产生微生物耐药性、耐热性差、易水解、易迁移、使用寿命短等问题限制了其应用，并逐渐被无机类的抗菌材料所替代。无机抗菌剂具有长效、不产生耐药性等特点，特别是其突出的耐热性（ 6001000 ）使其近几年在塑料化纤陶瓷等材料领域中的应用备受重视 （ 李毕忠 ， 2002） 。无机抗菌材料与有机抗菌材料的性能比较见表 1 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 3 表 1 机抗菌剂与有机抗菌剂的比较 of 用 无机抗菌剂 有机抗菌剂 抗菌机理 接触型、被动型 溶出型、主动型 抗菌抗霉性 光谱抗菌、持久、耐水、耐酸碱、耐洗涤等 单向抗菌、速效性、在水中易流失、 洗涤降效等 耐热耐光性 耐热大于 800 ，光照不老化 不耐热，小于 300 ，光照老化 细菌抗药性 不易产生 可能产生 变色性 易变色 不易变色 安全性 对健康无害、无二次污染 分解产物有一定毒副作用甚至某些单体致癌 向载体添加的可操作性 须制成超细粉均匀布于制品表面，对载体又选择性 易分散、混合、填充 机抗菌剂及其抗菌机理 无机抗菌材料是 20 世纪 80 年代中期发展起来的一类抗菌材料，具有耐热性、持久性、连续性和安全性等优点。通常的把无机抗菌材料分为三类 （ 张伟， 2003） ：（ 1）光催化半导体材料；（ 2）金属离子型抗菌材料；（ 3）无机和有机等复合型材料。目前对无机抗菌材料的应用研究主要涉及金属元素抗菌剂、光催化材料抗菌剂和纳米材料抗菌剂，主要应用于纺织、塑料、涂料及陶瓷等方 面。 与有机抗菌剂相比，无机抗菌剂的优点突出表现在以下几个方面： 1）高安全性。 2）缓释性好 ， 故有较佳的耐久性。 3）有广谱抗菌性 ， 金属离子的种类不同 ， 对各种菌种的抗菌和杀菌效果也不同。 测试结果 （ 张龙力， 2001） 表明 ， 各种离子的抗细菌及抗霉菌 (真菌 )作用的强弱分别为 (元素符号代表金属离子 )： olu=naa 及 un= ng对细菌或霉菌有抗菌作用的金属离子中 ， 下列的 7 种金属离子对大肠 杆菌的杀菌作用都很强 ， 其强弱为 unn 4）不易产生抗药性。 5）耐热性好。 6 )加工方便。 催化半导体材料 半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带 (空的高能导带(成。价带和导带之间存在着禁带，禁带是一个不连续区域。当用能量大于或等于禁带宽度 (也称带隙， 光波照射此半导体光催化剂时，价带上的电子就会被激发到中国农业科学院硕士学位论文 第一章 绪论 4 导带上，生成高活性电子 (而价带上生成带正电荷的空穴（ h+)。 纳米 有很强的光催化作用，当紫外光 (长小于 390紫外光，半导体 禁带宽度为 3.2 射到半导体 粒上，形成光生电子 ( -) 空穴 ( +)对。在电场的作用下，电子与空穴有效的分离并迁移到 粒表面的不同位置 （ 2005） 。光生空穴有很强的得电子能力，可夺取吸附于半导体颗粒表面的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收人射光的物质活化而被氧化。而电子受体则可以通过接受 溶液中的光催化氧化还原反应就在 进行。吸附于 粒表面的水分子被光生空穴氧化后，生成氧化能力和反应活性极强的氢氧自由基（ 另外，光生电子还原水中的溶解氧，生成过氧