Z12075302硫镧掺杂纳米二氧化钛抗菌性研究白宛茹

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）硫镧掺杂纳米二氧化钛的抗菌性能研究摘 要纳米TiO2作为一种新型的无机材料，具有很强的光催化活性，因此有很好的抗菌能力，能将大部分有机污染物和细菌、霉菌分解为CO2和H2O等无害物质。由于TiO2材料存在较大的禁带宽的特性，许多工作主要着重于降低激发边缘值能量值，以利于在光化学能量的转化过程中利用可见光的部分。TiO2的禁带宽接近3.1eV，未掺杂的材料其吸收光谱从紫外区到太阳光谱的400nm，这种活性区域只占太阳光总能量的10%。通过杂质掺杂，可以降低光活的边缘能量，提高太阳光的活性效率。本文通过溶胶凝胶法制取硫镧共掺纳米TiO2，并通过平板菌落计数法，研究了硫镧

2、掺杂纳米TiO2对金黄色葡萄球菌的抑菌性能，并确定了其最低的抑菌浓度以及紫外光对其抗菌性能的影响。关键词：硫镧掺杂纳米TiO2，抗菌性，溶胶凝胶法，平板菌落计数法 The study of the antibacterial performance for sulfur lanthanum doped nano titanium dioxide ABSTRACTNanometer TiO2 as a new kind of inorganic material, have very strong photocatalytic activity, therefore has good antib

3、acterial ability, can put most of organic pollutants and bacteria, mould is decomposed into harmless material such as CO2 and H2O. Due to the nature of TiO2 materials is forbidden bandwidth, many job mainly focuses on reducing excitation energy edge value, for the use of visible light in the photoch

4、emical energy conversion process. The forbidden bandwidth of TiO2 is close to 3.1 eV, not doping material its absorption spectrum from ultraviolet to 400 nm in the solar spectrum, the active area 10% of the total energy of the sun. Light can be lowered by impurity doping, living on the edge of the e

5、nergy, improve the efficiency of the activity of the sun.This article by sol-gel method in sulfur lanthanum doped nanometer TiO2, and through the tablet colony counting method, the research on sulfur lanthanum doped nano TiO2 antibacterial properties for staphylococcus aureus, and the minimum bacter

6、iostasis concentration were determined.KEY WORDS: Sulfur lanthanum doped nanometer TiO2, Bacteriostasis, Sol gel method, Tablet colony counting method目录前言1第1章 纳米二氧化钛概述21.1 纳米二氧化钛的抗菌原理21.2掺杂类型41.2.1 稀土掺杂51.2.2 非金属掺杂51.2.3非金属与稀土元素掺杂61.3 掺杂型纳米二氧化钛的制备方法61.4 本实验研究的目的、内容和意义9第2章 硫镧掺杂纳米TiO2抑菌剂的制备102.1 试剂及主要

7、仪器102.1.1原料102.1.2 仪器设备102.2 硫镧共掺纳米TiO2粉体的制备102.2.1 实验步骤102.2.2 材料的形貌分析11第3章 硫镧掺杂纳米TiO2的抗菌性能133.1 药品和仪器133.1.1 原料133.1.2 仪器设备133.2 实验步骤133.3 结果分析15结论17谢 辞18参考文献19外文资料翻译240前言TiO2 的杀菌能力源自于其光催化活性，在紫外光照射下纳米TiO2 表面能提供很多的原子参加光催化反应，具有很强的杀菌能力，能够把大部分有机污染物和细菌、霉菌降解为CO2和H2O等对环境无害的物质，对金黄色葡萄球菌(Staphylococcus)1 、大

8、肠杆菌(Escherichia coll)、枯草芽孢杆菌(Bacillus Subtills)2 等细菌有较强的抑制作用，在抗菌塑料、抗菌涂料等消毒杀菌方面有着广阔的应用前景3。研究表明TiO2具有超亲水性和光催化性等特点,用其制成的纳米TiO2光催化剂具有性能稳定、无二次污染、无生物毒性和使用范围广等显著优点。而且,其主要接收激起波长小于387nm(紫外波长),而这类波长的光在太阳光中占3%-5%，如若可以或许对TiO2进行部分改性，从而操纵太阳光为光源，则可以下降体系的运行成本，在一些贫乏电力的地域或军事野营方面将有很是庞大的意义。镧掺杂到二氧化钛中能进一步提高光催化活性, 而活性提高的首

9、要原因是掺镧制止了晶型的改变和晶粒的长大, 使TiO2中比表面积急剧增大, 反应物在催化剂的表面吸附加强而至。S元素的掺杂分别在430nm 处和531nm 处显示了两个光吸收峰，可见S元素掺杂是一种有效的使光催化剂在可见光光谱范围有光催化响应的方法。近年来对于单离子掺杂改性TiO2的研究很多，几乎所有离子掺杂也都有人研究过，但硫镧元素掺杂改性TiO2的研究报道还比较少，特别是针对双元素掺杂改性TiO2提高抗菌性能的研究很少。本文对硫镧掺杂型TiO2的制备方法和抗菌性能进行了研究。通过硫和镧作为掺杂剂,采用溶胶凝胶法制备掺硫镧的TiO2纳米粉体。洛阳理工学院毕业设计论文 第1章 纳米二氧化钛概述

10、1.1 纳米二氧化钛的抗菌原理1985年，Matsunaga4等初次报道了二氧化钛光催化灭菌用在三种不同的细菌种类之后，就有了修多关于二氧化钛用在微生物灭活方面的报告，TiO2抗菌性钻研方面，主要是在影响人类身体健康和我们生活环境产生的细菌和霉菌，和一些能引起各种工业材料、食物、化妆品、医药品等的降解、变质、恶化、腐烂，带来比较大的经济损失的微生物。包括细菌，大肠杆菌5，嗜酸乳杆菌6，粘质沙雷菌7，绿脓杆菌8，假单胞菌9，短小芽孢杆菌10等；病毒，如噬菌体 MS2 的11，脆弱拟杆菌噬菌体12和脊髓灰质炎病毒13；藻类如小球藻14和真菌如酿酒酵母酵母15。很好的证明了二氧化钛的抗菌性的大范围应

11、用。首要因素在于二氧化钛灭菌主要根据的活性氧基团，它不具有专一性。研究表明: TiO2除了广谱抗菌性以外，其抗菌性能主要体现在安全性，杀菌彻底和长效抗菌上 Morikawa等16实验表明，在可见光不断照射100天以后，TiO2仍具备光催化活性。TiO2光催化灭菌机理是通过近年来大量的研究初步认定的。许多研究结果都有一个相同点：光照射TiO2先破坏它的细胞壁和细胞膜组织，之后跟细胞内的组成成分发生反应，导致它的功能失去活性致使细胞死亡。Klaus等17对不一样种类的菌种进行的试验发现，它的钝化速率与细胞壁的结构也有关系。一般我们可以认定TiO2在光照激活反应中，生成的OH·和O2-可用

12、来攻击有机物的不饱和键，使细菌中含有的蛋白质发生变异并且让多肽链与糖类解聚，因此就可以杀死细菌。最近的科研发现的二氧化钛光催化行动促进过氧化的磷脂成分脂质膜，诱导细胞膜紊乱，其次由作为呼吸活动和细胞基本功能丧失死亡。Maness等18提出的油脂过氧化机理，认定细胞死亡过程细胞壁先被破坏，之后是细胞质膜被破坏，从而造成细胞膜功能发生紊乱，细胞内物质流出，导致细胞死亡。研究表明，在一样的条件下，二氧化钛杀菌过程中，羟基自由基的量和大肠杆菌的失活性有很好的线性关系，证明羟基自由基是导致细胞丢失活性的最主要的氧化基团。Blake等19发现有低浓度亚铁离子的时候，抗菌活性变强差不多200倍，因为亚铁离子

13、促进了羟基自由基的生成。将在光照条件下，TiO2颗粒处理过的细菌溶液中加入 H2O2去除剂过氧化氢酶，发现细菌的生存率大为提高，说明在灭菌过程中 H2O2起杀菌作用。而 Ireland等20报道了在羟基自由基存在时，抗菌材料并没表现出明显的杀菌效果。Kühn等 21 则认为，羟基不能穿透细胞膜，H2O2基团起到主要灭菌作用；但是H2O2存在的量少，它与其它氧化基团共同作用才能更好的杀菌。认为激活二氧化钛后产生的羟基自由基攻击细胞壁导致细胞壁破损Kikuchi等人22建议，羟基自由基是不是负责杀菌作用唯一的物种，过氧化氢对超氧自由基协同作用是非常重要的。 光激发二氧化钛杀菌原理图如下：

14、事实上，由于细菌不是属于单体有机物大分子,光催化杀菌效应是细菌和TiO2间广泛的相互作用的结果，而不只是像一般有机物那样的简单表面反应。但是由于二氧化钛产生的羟基自由基的寿命很短，且不能通过细胞膜，由其直接攻击细胞并破坏细胞结构会比较困难，所以TiO2光催化杀菌效应被公认为是活性羟基(·OH)与其它活性氧类物质(O2，H2O2等)协同作用的结果。细胞膜产生分裂之后，也许就会导致细胞灭亡。二氧化钛还可与细胞内的各种功能单位发生生化反应，再将细胞内各种物质催化降解，达到彻底杀灭细菌。Maness等23报道了大肠杆菌失去活性是因为细胞壁的油脂膜中的不饱和磷脂的过氧化，这样就可采用丙醛形成作

15、为参数来表述磷脂过氧化而产生的膜破坏；Saito等24用链球菌做实验对象，用钾离子溶出作为标准来判断细胞膜是否破裂，第一次提出细胞死亡与细胞壁破裂、细胞膜渗透性增强有关的观点。Houghton等25 报道，在二氧化钛光催化下，观察到钾离子的迅速泄漏，以及蛋白质和RNA的从细胞内向外缓慢释放，最终导致细胞壁分解和完整的细胞死亡。Nadtochenko等26发现大肠杆菌被杀灭的同时，伴随着内毒素的降解，这意味着二氧化钛光催化破坏了细菌细胞外膜。Huang等25人研究发现，光催化20min 后，大分子能渗漏进入细菌，由此推测，大肠杆菌的细胞壁和细胞膜受到破坏。以及TiO2直接进入细胞内部，与细胞内的

16、组成成分发生生化反应，导致功能单元失活而使细胞死亡。1988年Matsunaga等4认为细胞死亡过程可能是：辅酶A作为电子供体直接将电子转移到二氧化钛价带上与空穴复合，形成的二聚酶阻止了细胞赖以生存的呼吸作用。 Adams27等研究发现纳米二氧化钛在没有光照时仍能发挥一定抗菌性。国内王潇婕28等在树脂基托材料中加入纳米二氧化钛，发现在非光照下树脂基托仍有抗白色念珠菌的性能，但抗菌性比光照下抗菌性弱。然而在非光照下 TiO2的抗菌机理尚不明确，仍需进一步研究。 1.2掺杂类型纳米二氧化钛在抗菌和光催化处置难降解有机污染物方面已得到了普遍的利用。可是因为TiO2本身结构，以至于TiO2对太阳能的吸

17、收还有不足，一是二氧化的钛禁带较宽(Eg=3.2ev),只能响应387.5lim以下的紫外光(约占太阳能8%),而太阳光谱中占绝大多数的可见光(能量约占45%)则未能被有效利用29;二是纳米TiO2的光生电子和空穴能很好的结合，致使光量子效力低。二氧化钛的晶体是近似的空间点阵结构,在结构上存在一定得缺陷,当有微量的杂质元素掺入晶格结构时,可能形成杂质填隙或者杂质置换缺陷,这些缺陷的存在对光催化剂的活性提高起重要的作用。目前研究表明,通过半导体材料沉积贵金属、引入其它氧化物、表面光敏化、非金属掺杂等方法引入杂质或缺陷,都能改善二氧化钛的光吸收性能,提高稳态光降解量子效率及光催化性能。1.2.1

18、稀土掺杂choi30等系统地研究了21种过渡金属离子掺杂的TiO2的光催化性能与光生电子-空穴复合之间的联系。Iwasaki等31用Co2+掺杂形成的催化剂,在可见光下和紫外线激发下的催化活性均得到了增强。Xu等32认为用稀土金属离子(La3+、Ce3+、Er3+、Pr3+、Gd3+、Nd3+、Sm3+)对TiO2掺杂后,在极大提高吸附性能的同时,有效抑制了电子一空穴的复合并使吸收波长移。在这些离子中由于Gd3+的掺杂加快了电子的迁移速率而获得最佳的催化性能。在掺杂过程中,稀土金属离子并未取代晶格中的Ti4+,而是吸附在TiO2表面。这是因为稀土金属离子的粒径均大于Ti4+(0.068nm)，

19、相反是Ti4+取代了稀土金属离子成为Ti3+,使电荷不平衡形成了晶格缺陷。1.2.2 非金属掺杂对于非金属掺杂TiO2的可见光响应机理,目前普遍认为是非金属(N、S、C、B)掺杂后,由于O的2p轨道和非金属中能级与其能量接近的p轨道杂化后,价带宽化上移,禁带宽度相应减小,从而吸收可见光,产生光生载而发生氧化还原反应。非金属掺杂TiO2的一些主要特征:多数为黄色的粒子或膜;禁带宽度普遍减小,并且波长在400-500nm时有较强的光吸收;烧结温度主要集中在400-600;其光催化作用机理还存有争议33。2002年以来,有关非金属硫在TiO2中掺杂的研究也引起人们极大的关注。Ohno等34认为,硫虽

20、然不可能像Asahi35所预言的产生置换氧的可能性,但可能产生置换晶格金属离子Ti4+而形成阳离子(催化剂的xPs表征表明S2P3的键合能为170eV,表明是S6+掺杂)。Dunnill等36采用常压化学气相沉积法制备了S-TiO2薄膜，并研究了其光催化及抗菌性能，结果表明S-TiO2薄膜的吸收带边向可见光区移动，对大肠杆菌有较强的杀菌作用。采用溶胶凝胶法合成S-TiO2，结果表明样品的吸收光谱发生了红移，对萘酚的降解率明显优于纯TiO2。1.2.3非金属与稀土元素掺杂Luo等37采用水热合成的方法,以TiCl4作为钛源,在氢溴酸和乙醇混合溶液中合成了Br和Cl共同掺杂的TiO2。通过增加HB

21、在溶液中的含量,可以得到不同晶型的纯的或混合相TiO2。从紫外-可见吸收光谱看，B和Cl的共同掺杂能够使带隙变窄,吸收边向低能量方向移动,从而提高Na2CO3水溶液中将水分解为H2和O2的光催化能力。He等人报道了La和I共掺杂的TiO2用于可见光催化降解草酸，使草酸完全矿化，效果很好。Zhang等人研究了镧系掺杂对二氧化钛的微结构和光催化活性的影响，发现镧系掺杂阻碍了相变(anatase-rutile)，且相变随原子半径增大阻碍越明显，这提高了热稳定性和光催化活性，光催化活性的提高与镧系元素特殊的4f电子结构有一定的关系38。1.3 掺杂型纳米二氧化钛的制备方法二氧化钛超细粉末易团聚、难分离

22、，将其负载于固体材料表面可得到分散性较好的薄膜。薄膜的膜层厚度、均匀度、与基片结合的牢固程度、表面的微观形貌、晶体结构等对其物理化学性质有很大的影响，而这些与膜的制备方法和技术密切相关。TiO2纳米粉体的制备主要分为物理法和化学法两大类39-40，物理法包括球磨法，气体冷凝法等；化学法包括化学气相沉积法(CVD)、液相沉淀法、微乳液法、水热合成法和溶胶凝胶(Sol-Gel)法等。 物理法 （1）球磨法是在传统的机械粉碎加工方法的基础上发展出来的，采用物料和介质间长时间反复的相互冲击和研磨的方法，使物料粒子粉碎达到要求或极限尺寸。球磨法最早是运用于制备氧化物分散增强的超合金，目前，此技术已扩展到

23、生产各种非平衡结构材料，包括非晶、纳米晶和各种准晶材料。现已发展出了应用于不同目的的各种球磨法，包括振动磨、胶体磨、搅拌磨、纳米气流粉碎气流磨等各种产品。球磨法制备纳米单质或复合材料具有工艺简便、产量大等优点，但是要制备均匀分布的纳米级材料是相当困难的，并且容易混入杂质。（2）气体冷凝法是在氮、氩等惰性气体中将金属、陶瓷或合金蒸发、汽化、然后使之与惰性气体相撞、冷却、凝结形成纳米微粒。用气体冷凝法可通过调节惰性气体压力，蒸发温度和蒸发速率及蒸发物质的分压等措施来控制纳米微粒的粒度。气体冷凝法制备的纳米颗粒粒径分布窄，表面清洁，粒度易于控制。此法主要用于金属气化温度比较低的金属，钛的气化温度很高

24、，所以不适用。 化学法 （1） 化学气相沉积法（CVD）原理是气态物质在固体表面发生化学反应，生成固态沉积物，化学气相沉积法是近30年来发展起来的制备无机材料的一种技术。气相法制备TiO2的原理是将钛的无机盐，如TiO(SO4)、TiCl4或钛的有机醇盐，在气相与水蒸气发生水解反应或与O2发生氧化反应，或钛的有机醇盐发生热裂解得到 TiO2粒子。化学气相沉积法得到的 TiO2粒子为球形，未经热处理前为锐钛矿型，950热处理后变为金红石型。TiO2粒径随反应温度的升高而迅速减小，温度由550升至900，粒径由200nm减小到75nm。原因是升高温度，反应速率增大，提高了TiO2的气相过饱和度使成

25、核数目增加，从而使粒径减小。近些年来，在CVD法的基础上又发展起激光诱导化学气相沉积的新方法，该方法具有清洁表面，粒子大小可精确控制，粒度分布均匀,无粘结等优点，并易制出几纳米至几十纳米的非晶态纳米微粒。（2）液相沉淀法具有设备简单、工艺过程容易控制、易于实现工业化、成本低的优势,是十分经济的制备方法。但是,因为该方法必须通过固液分离才能得到沉淀物,又由于SO42一或Cl一等无机离子的大量引入,需要经过反复洗才能除去,所以存在工艺流程长、废液多、产物损失较大的缺点,而且因为完全洗净无机离子比较困难,因而制得的粉体纯度不高。该方法适用于对纳米粉体纯度不高的应用领域。用液相法制备纳米粒子可能引起的

26、一个问题是容易形成严重的团聚结构,从而破坏了粉料的超细、均匀特性,在整个制备过程中,包括沉淀反应、晶粒生长到湿粉体的洗涤、干燥、锻烧等每一个环节,都有可能导致颗长大或团聚体的形成41。（3）微乳液法制备纳米级超细 TiO2是近年来较流行的方法之一。微乳液是由水、油和表面活性剂组成的热力学稳定体系, 其中水被表面活性剂单层包裹形成微水池,分散于油相中, 通过控制微水池的尺寸来控制超微颗粒的大小,因为在微水池生成的纳米颗粒的粒径可被微水池的大小有效限制。微乳技术的关键是制备微观尺寸均匀、可控、稳定的微乳液。微乳法有望制备单分散的纳米TiO2微粉,但降低成本和减轻团聚仍是微乳法需要解决的两大难题,估

27、计利用微乳法在工业上生产纳米级超细 TiO2还要经历相当的时间。施利毅等人利用该方法, 将含有反应物 TiCl4和氨水的两个微乳液混合, 通过胶团粒的碰撞, 制得TiO2纳米粒子 42。（4） 水热合成法该法是利用化合物在高温高压水溶液中的溶解度增大、离子活度增强、化合物晶体结构转型等特殊性质, 在特制的密闭反应容器里,以水溶液作反应介质, 通过对容器加热,创造一个高温、高压的反应环境,使通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶,从而制得相应的纳米粉体43。赵文宽等采用该法以钛酸丁酯为原料,制得高热稳定的锐钛型纳米 TiO2粉体 44。该法的优点是: 制得的超细产品纯度高,分散性好,晶型好且颗粒大小可

28、控。但该法要经历高温高压过程,对设备的材质和安全要求较严, 而且产品成本较高。（5） 溶胶-凝胶法45是20世纪60年代发展起来的制备陶瓷，玻璃等无机材料的新工艺，该法近年来被广用于制备TiO2纳米微粒，其基本原理是将钛盐（多为钛的有机醇盐）经解凝形成溶胶或经水解直接形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，得到TiO2纳米粉，将TiO2纳米粉在一定温度下进行热处理，得到金红石或锐钛矿 TiO2晶体。由于发生了团聚，所以需要使用研钵将其分散为颗粒物。也有用无机盐为前躯体来制备纳米粉体，即溶胶-凝胶法的优点是化学均匀性好。由于溶胶-凝胶过程中，溶胶由溶液制得，故胶粒间和胶粒

29、内化学成分完全一致，制得的TiO2纳米粉颗粒细、纯度高。而且该法可容纳不沉淀组分或不溶性组分，不溶性颗粒可均匀地分散于溶液中，经胶凝化，不溶性组分可自然固定在凝胶体系中。不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好。此方法的缺点是材料烧结性差，烘干后的凝胶颗粒自身烧结温度低，凝胶干燥时收缩大。1.4 本实验研究的目的、内容和意义 近几年的研究表明，非金属离子掺杂可以将二氧化钛光催化剂的光谱响应有效地扩展到可见光范围，目前常用的TiO2的非金属元素掺杂改性已经尝试研究并具有良好的可见光催化效果的是N、S、C、F等非金属元素与二氧化钛的掺杂，其中，S元素的掺杂显示出了更优的效果。共掺杂的粉体分别在430

30、nm处和531nm处显示了两个光吸收峰，可见S元素掺杂是一种有效的使光催化剂在可见光光谱范围有光催化响应的方法。肖东昌46用共沉淀-浸渍两步法合成了一系列新型La3+/S/TiO2，当La3+掺杂量为2.5%，在 300下焙烧 2 h 时，制得的 La3+/S/TiO2光催化剂在模拟可见光光照下具有最高的光催化活性，60 min 时酸性蓝溶液脱色率达到 95.88%。非金属S 掺杂TiO2可使TiO2能带变窄，可见光响应范围增大，并提高可见光的利用效率。而且稀土元素La掺杂TiO2中能提高光催化活性, 而活性提高的主要原因是掺镧抑制了晶型的转变和晶粒的长大, 使TiO2中比表面积急剧增大, 反

31、应物在催化剂表面吸附增强所致。 近年来对于单离子掺杂改性TiO2的研究很多，几乎所有离子掺杂也都有人研究过，但硫镧元素掺杂改性TiO2的研究报道还比较少，特别是针对双元素掺杂改性TiO2提高抗菌性能的研究很少。本工作将主要系统地研究 S-La双元素掺杂对纳米TiO2粉体的抗菌性能的影响。具体内容为以下几个方面： (1) 对掺杂型TiO2的制备方法和抗菌性能进行了研究。通过硫和镧作为掺杂剂,采用溶胶凝胶法制备掺硫镧的TiO2纳米粉体。(2) 采用平板菌落计数法研究了硫镧掺杂二氧化钛的抗菌性能，并测试了样品的最低抑菌浓度和紫外光对其抗菌性能的影响。第2章 硫镧掺杂纳米TiO2抑菌剂的制备2.1 试

32、剂及主要仪器2.1.1原料钛酸四丁酯、无水乙醇、聚乙二醇、三乙醇胺、硝酸镧水溶液、去离子水、硫脲、四氯化钛、盐酸、氨水。2.1.2 仪器设备20ml量筒、50ml量筒、100ml烧杯（4个）、250ml三口烧瓶、玻璃棒、研钵、分液漏斗、恒温水浴锅、JJ型电子磁力加热搅拌器、101-2型干燥箱、马弗炉、SHB-T循环水式真空泵。2.2 硫镧共掺纳米TiO2粉体的制备本实验根据学校自身实验条件选择了溶胶凝胶法来制备硫镧掺杂TiO2纳米粉。溶胶凝胶法制备纳米粉对原料要求纯度较高，整个制备过程不会引入多的杂质粒子，因此可以通过严格控制工艺条件，制得纯度高、粒径小、粒度分布窄的纳米粉体，且产品质量稳定。

33、2.2.1 实验步骤A、用量筒分别量取钛酸丁酯20ml，无水乙醇30ml，分散剂聚乙二醇5ml，抑制剂三乙醇胺2.5ml，均匀混合制得溶液A。B、用量筒分别量取无水乙醇30ml，蒸馏水10ml（含作为掺杂剂的硝酸镧水溶液，钛与硫与镧摩尔比为1:1:1%，即含硫4.32g，镧0.25g)，搅拌下均匀混合制得溶液B。C、将配好的溶液A放在恒温水浴（50摄氏度）中搅拌10min；D、将B溶液缓慢滴加入搅拌下的A溶液中，滴定完成时间为30min，得到透明胶体。E、反应一段时间后放入烘箱内（70摄氏度）干燥12小时。F、放入马福炉中在350摄氏度下煅烧2小时G、把煅烧后的样品放入粉碎机里粉碎或研磨，得到

34、硫镧共掺纳米二氧化钛粉末 热处理溶胶Sol硫镧掺杂纳米二氧化钛粉体凝胶Gel无水乙醇去离子水硝酸镧图2-1 溶胶凝胶法制备硫镧掺杂二氧化钛流程2.2.2 材料的形貌分析 图2-2 S-La掺杂纳米TiO2的HRTEM图Fig2-2 TEM images of pure TiO2 (a) and S-La-TiO2 (b)图2-2分别是未掺杂纳米TiO2和硫镧掺杂TiO2样品的透射电镜图。由上图可以看出，所制备的二氧化钛属纳米级颗粒（1-100nm），是具有一定几何外型的晶体，纳米颗粒的分散性较好，粒子的粒径大小均匀。其中纯纳米TiO2的平均粒径大小约为11nm，S-La掺杂纳米TiO2的平均粒

35、径大小约为8nm。创新之处： 研究和优化溶胶凝胶法制备纳米粉体的新工艺； 通过溶胶凝胶法将TiO2制备成掺杂型纳米粉体，用来提高其抗菌性能；通过在纳米TiO2中掺杂稀土镧和硫，以扩展纳米TiO2对光的吸收范围，达到提高TiO2抗菌性的目的。第3章 硫镧掺杂纳米TiO2的抗菌性能3.1 药品和仪器3.1.1 原料牛肉浸膏、蛋白胨、氯化钠、琼脂粉、无菌水、盐酸溶液、氢氧化钠溶液、金黄色葡萄球菌。3.1.2 仪器设备培养皿、锥形瓶、冰箱、封口膜、恒温培养箱、HS-G-1A超净工作台、微量移液器（200-1000ul）、81-1型加热磁力搅拌器、LDZX-75KBS立式压力蒸汽灭菌器、ZHWY-110

36、2恒温培养摇床、BT25S电子分析天平、HPG-280B光照培养箱。3.2 实验步骤A、配置培养基LB固体培养基：准确称量3.0克牛肉浸膏、10.0克蛋白胨、5.0克氯化钠、18.0克琼脂粉，溶解在1000ml无菌水中(蛋白陈极易吸水，称量时动作要快)，不断搅拌溶解，调节pH为7.07.2，如不符合要求，用NaOH进行调节，直到调节到要求的pH值为止。然后分装到锥形瓶里（不超过其容量的2/3），在高压灭菌锅里灭菌20min，压力(0.1-0.15)MPa，温度121-124冷却后置4冰箱内冷藏备用；LB液体培养基除不加琼脂外，其配置方法与固体培养基配置方法完全相同。B、菌种的活化开启超净工作台

37、，打开紫外灯照射灭菌30min，关闭紫外灯，用酒精棉擦拭一遍(方法：按照从里往外、从上往下的原则)。. 手持金属接种环，用酒精灯将接种环烧至火红，并不断来回烧烤金属固定杆之前约1cm，等待约10秒钟，将接种环前端轻触培养基边缘凝胶（无菌体部份），待接种环完全冷却后，以环沾黏菌滴，由培养基边缘向中央轻轻横划紧接的并行线，直到涵盖 1/3 培养基为止（I 区）。. 灼烧接种环，待数秒冷却后，旋转培养基自 I 区涂布的边缘再横划数条线到未接种的区域（II 区）。. 重复2的动作完成 III 区与 IV 区。. 灼烧接种环，将接种环归位。图示如下图3-2 平板划线法C、配制菌悬液用手持拿住金属接种环，

38、在酒精灯上将接种环烧至火红，并不断来回烧烤金属固定杆之前约1cm，等待10秒钟左右，将接种环前端轻触培养基边缘凝胶（无菌体部份），待接种环彻底冷却后，用环沾取B培养皿中单个菌落，然后放入已灭过菌的100ml LB液体培养基里搅匀，放在37振荡箱里振荡一夜。D、平板菌落计数法47-49：在超净工作台上，用移液枪（枪头灭菌）从菌悬液中取1ml菌液移入已经灭好菌的含9ml无菌水的稀释管进行稀释，第一次稀释是十倍，标记1号，然后从1号稀释管中取1ml移入第二个稀释管中，标记2号，同理稀释10次。依此类推，标号1-10。从10-510-9菌液中取200ul放入已经灭过菌的培养皿中，然后倒入灭好菌冷却至4

39、045的LB固体培养基，反复摇晃使菌液分散均匀。放置五分钟，待培养基凝固后放入37培养箱中培养24h后，查菌数。：从中选取一个合适的稀释度，再次稀释至该稀释度，取含5的样品（硫镧掺杂纳米二氧化钛）的菌悬液200ul放入培养皿中，倒入冷却至4050的培养基混匀，倒三个平板，另外取不含样品的菌悬液200ul倒三个平板作为对照，待凝固后放入37培养箱中培养24h后查菌数。E、样品的最低抑菌浓度（MIC）观察上述实验中的抑菌结果，称量该样品0.1g放入20mlLB固体培养基中从而配成浓度为0.5溶液；同理，往20ml培养基中分别加入0.2g、0.3g、0.4g样品配成浓度为1、1.5、2的样品溶液，在

40、高压蒸汽灭菌锅中灭菌后取出，待冷却至40-50时，倒入已经加有100ul菌悬液的培养皿中，摇匀；之后，做一个不加样品的培养基倒入含100ul菌悬液的培养皿中作为对照。放置五分钟，待培养基冷却凝固后，放到37培养箱中无光培养一夜，隔天取出查菌。算样品的灭菌率：灭菌率=（对照组菌数实验组菌数）/对照组菌数×100。F、紫外光照对硫镧掺杂纳米二氧化钛抗菌性能的影响将菌悬液稀释至最佳稀释度，取此稀释度菌液200ul放入培养皿中，然后倒入冷却至40-50不加样品的培养基，摇匀，如此倒两个平板；另倒两个加样品的培养基（含样品）。待冷却凝固后，把一个不加样品和一个加样品的平板放入无光培养箱中作为对

41、照；把另两个平板放在超净工作台上用紫外光照射20分钟后，放到培养箱中培养24h。查菌数，计算灭菌率。3.3 结果分析(1) 平板菌落计数法：表4-1 稀释度检测稀释倍数105106107108109菌数>300823000由以上述结果我们可以得出稀释的倍数越多，菌数越少；稀释倍数为107是最佳稀释浓度。表4-2 样品灭菌率含5样品不含样品菌数灭菌率菌数灭菌率1885.2542689.75831478.866由以上结果可以看出含样品的最佳灭菌率为89.7，通过查阅资料发现与他人做纯的纳米TiO2实验相比硫镧掺杂的纳米TiO2抑菌效果要好。(2) 最低抑菌浓度表4-3 抑菌浓度实验107(对

42、照)0.5的样品1的样品1.5的样品2的样品菌数5812742灭菌率79.387.993.196.5由上述结果可以看出，硫镧掺杂纳米二氧化钛的最低抑菌浓度(MIC)为2(灭菌率96.5)。（3）紫外光照对硫镧掺杂纳米二氧化钛抗菌性能的影响表4-4 光照抗菌实验对比无光（不加样）光（不加样）无光（样品）光（样品）菌数301231灭菌率()60.090.096.6由以上结果可以看出，只加样品的一组灭菌率达到90.0；样品与紫外光的协同作用下，其灭菌率达到96.6；虽然紫外光也有一定的杀菌作用，但它比与样品协同作用下的要低得多，其灭菌率只有60.0。通过实验结果对比发现紫外光作用下硫镧掺杂纳米二氧化

43、钛灭菌效果会更好。 结论(1) 通过在纳米TiO2中掺杂稀土镧和硫，以扩展纳米 TiO2对光的吸收范围，达到提高TiO2抗菌性的目的。硫镧掺杂纳米二氧化钛粉体由凝胶溶胶法制备而得。(2) 在稀释度为107且含样品5的情况下，硫镧掺杂纳米二氧化钛的最佳灭菌率为89.7。以0.5%纯纳米TiO2为光催化剂进行抗菌实验, 结果显示，对金黄色葡萄球菌的杀菌率达到 85.8%50，La 掺杂 TiO2纳米粉体中，掺杂量为0.5%时的降解率最高为55.28%51，S掺杂TiO2纳米粉体中，掺杂量为0.5%时的降解率最高为55.1%，相比之下掺杂的纳米二氧化钛抗菌性更好。(3)在稀释度为107的条件下，对硫

44、镧掺杂纳米二氧化钛进行最低抑菌浓度实验，结果最低抑菌浓度是2(灭菌率为91.6)。(4) 在稀释度107的条件下，对硫镧掺杂纳米二氧化钛进行紫外光照抗菌性能影响的实验，结果得到既加样品又有紫外光照射的一组灭菌效果最佳，可以看出紫外光共同作用下硫镧掺杂纳米二氧化钛灭菌效果更有优势。建议(1)本研究只是将硫和镧掺杂两种元素相结合，可以对这种掺杂技术在其他方面的功能进行更深一步的开发应用。(2)开发硫镧掺杂之外的更加有效的改性手段,进一步提高二氧化钛的抗菌性能，并进一步挖掘除抗菌以外别的方面的性能。(3)目前在各元素掺杂纳米TiO2研究中,针对在实验室研制原材料的研究比较多,很少有在工业应用方面的研

45、究,我们可以从降低二氧化钛的生产应用成本方面,来促进纳米TiO2在军事、医学、家庭生活等各方面的应用。(4)利用纳米TiO2与其他元素的掺杂功能,寻找合适的元素和制备技术,制备新型抗菌材料。从而实现，在我们日常生活中用到的各种材料都能实现除臭,抗菌,防污等净化功能,解决这一难题已成为TiO2抗菌技术今后发展的重要方向。如果能够解决以上问题,这将为二氧化钛抗菌材料在工业中的应用奠定一个基础,而且能够推动相关科研领域的进一步发展。谢 辞非常感谢张拦老师耐心地指导我论文的进行，同时感谢王祖华老师，各位学长学姐对我生物实验的指导，指出其中操作的不当之处，最终得到一个合理的结果。并感谢张拦老师在我撰写论

46、文的过程中给与我的极大帮助。通过写此次的论文，我跨越本专业的知识限制，学到很多生物方面的基本常识，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，操作实验仪器，培养了自学能力和动手能力。并且在实验操作过程中认识到，作为一个实验室工作人员一定要严格要求自己，认真操作，不得粗心大意，实验失败也不要灰心，学会从失败中寻找原因，相信自己。通过写毕业论文，我学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。 在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不该轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中

47、要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去多多思考，是可以解决问题的。总之，此次论文的写作过程，给了我不小的收获，既是对我大学三年来所学知识的考核，也为将来的人生之路做好了一个很好的铺垫。 再次感谢我大学期间所有帮助过我，并给我鼓励的老师、同学和朋友们。参考文献1 H .J .Danfien Dorman, Peter Surai, Stanley G Deans . In Vitro Anfioxidant Activity of A Number of Hant Essential Oils and PhytoconstiuentsJ. Journal of Essential

48、 Oil research, 2000, 12(2): 241.2 Wang Y, Jiang ZT, Li R, et al. Composition Comparison of Essential Oils Extracted by Hydrodi stillation and Microwave-assisted Hvdrodl stlllatl on from Black Pepper(Piper nigrum L) Grown in ChinaJ. Journal of Essential Oil Bearing Plants, 2009, 12 (3): 374-380. 3 S.

49、M.Lam, J.Csin, A.R.Mohamed. Recent Patents on Photocatalysis over Nanosized Titanium DioxideJ. Recent Patents on Chemical Engineering, 2008, (1): 209-219.4 Matsunaga T R, Tomoda R, Nakajima T, et al. Photochemical sterilization of microbial cells by semiconductor powdersJ. FEMS Microbiol Lett, 1985,

50、 29: 211-214.5 Jorge A. Ibáñez, Marta I. Litter and Ramón A. Pizarro. Photocatalytic bactericidal effect of TiO2 on Enterobacter cloacae : Comparative study with other Gram bacteriaJ . Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2003 157 (1):81-85.6 S.S. Block, D.W. Goswa

51、mi, Characterization of the structure and catalytic activity of copper modified palygorskite/TiO2 (Cu2+-PG/TiO2) catalystsJ,Sol. Eng. 1995, 1:399-408.7 Armon R, Laot N, Narkis N, Neeman I Photocatalytic inactivation of different bacteria and bacteriophages J Adv Oxid Technol 1998, 3:145150. 8 B. Kim

52、, D. Kim, D. Cho, S. Cho, Bactericidal effect of TiO2 photocatalyst on selected food-borne pathogenic bacteriaJ, Chemosphere2003, 52:277-281 .9 H.N. Pham, T. McDowell and E. Wilkins,Photocatalytically-mediated disinfection of water using. TiO2 as a catalyst and spore-forming Bacillus pumilus as a mo

53、del. J. Environ. Sci. Health A1995, 30 (3): 627636 .10 Watts R J ; Kong S ; Orr M P. R.J. Watts, S. Kong, M.P. Orr, G.C. Miller and B.E. Henry, Enhanced photo-efficiency of immobilized TiO2 catalyst via intense anodic biasJ . Wat. Res. 1995, 29 (1):95100 .11 N. Laot, N. Narkis, I. Neeman, D. Vilanov

54、ic and R. Armon. Photocatalytic bactericidal effect of TiO2 thin film on plant pathogens .J. Adv. Oxid. Technol. 1999, 4:97-103 .12 A.T. Cooper, D.Y. Goswami, and S.S. Block, Solar disinfection of contaminated water: a comparison of three small-scale reactorsJ. Adv. Oxid. Technol. 1998, 3 :151-156 .

55、13 M. Biguzzi and G. Photocatalytic bactericidal effect of TiO2 thin film on plant pathogensJ.Lett. Appl. Microbiol. 1994, 19: 458 .14 Morikawa T,Irokawa Y,Ohwaki T.Enhanced photocatalytic activity of TiO2-xNx loaded with copper ions under visible light irradiation.Appl CatalJ, 2006,314 (1):123-127.

56、 15 Klaus P. Kuhn, Iris F. Chaberny, Karl Massholder, Manfred Stickle.Disinfection of surfaces by photocatalytic oxidation with titanium oxide and UV-A lightJ. Chemosphere, 2003, 53.1:71-77. 16 Biguzzi, M., and Shama, G. Effect of titanium (IV) application on some enzymatic activities in several developing stages of red pepper plantsJ .Lett. Appl. Microbiol. 1994.19: 458-464. 17 Maness, P.-C., Smolinski, S., Blake, D. M., Huang, Z., Wolfrum, E. J., Jacoby, W. A. (1999). Bactericidal Activity of Photocatalytic TiO2 Reaction: toward an Understanding of Its Killing Mechanis