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纳米材料/工业陶瓷 |
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纳米二氧化钛在物体表面的抗菌作用 |
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newmaker |
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纳米TiO2问世于20世纪80年代后期，是一种有着广泛用途的无机材料。因其独特的紫外线屏蔽、光催化作用、颜色效应等性能，在高级涂料、化妆品、废水处理、空气净化、杀菌和高效太阳能电池等方面有着广阔的应用前景。纳米二氧化钛(TiO2)作为光催化半导体无机抗菌剂，具有广谱抗菌功能，能抑制和杀灭微生物，并有除臭、防霉、消毒的作用，其本身化学性质稳定且对人体和环境无害，光催化作用持久，因而越来越得到世人青睐。
纳米TiO2的结晶有两种晶态：即金红石型和锐钛型。通常，金红石型的二氧化钛光催化能力差，而锐钛型的二氧化钛具有强光催化能力。锐钛型纳米TiO2在H2O、O2体系中发生光催化反应，产生的羟基自由基(HO·)，能和多种细菌和臭体反应，而有效地灭菌和消除臭味，因而可以制成纳米TiO2抗菌剂。纳米TiO2抗菌剂具有将细菌及其残骸一起杀灭清除的能力，同时还能将细菌分泌的毒素也分解掉。并且纳米TiO2作为杀菌剂还具有以下几个特点：一是即效性好，如银系列抗菌剂的效果约在24h左右发生，而纳米TiO2仅需1h左右；二是TiO2是一种半永久维持抗菌效果的抗菌剂，不像其它抗菌剂会随着抗菌剂的溶出而效果逐渐下降；三是有很好的安全性，与皮肤接触无不良影响。
本实验采用了四种新型的纳米TiO2喷液(原液、复合液1#、复合液2斡、复合液3#)喷涂在瓷片和纸片上，并对其在瓷片和纸片应用中的杀菌效果进行了试验观察；同时我们对涂有纳米TiO2喷液的部分瓷片经过高温预处理之后对其灭菌效果进行了观察实验。
1 材料与方法
1.1 菌种来源
大肠杆菌华南理工大学食品科学与工程学院实验室提供。
1.2 材料
1.2.1 培养基
营养肉汤培养基(g/100mL)：酪蛋白胨1.0，牛肉浸膏1.0，NaCl0.5。
MR-VP培养基(g/100mL)：(月示)胨0.7，葡萄糖0.5，K2HPO4 0.5，pH值6.9。
1.2.2 瓷片和纸片
瓷片：3cm×3cm的洁净瓷片。
纸片：白度为85(%，ISO)的针叶木浆抄成定量为60g/m2的纸片，其中不加任何化学药品。
纳米TiO2：漪丽科技(深圳)有限公司提供的漪丽纳米净，黄色透明液体。
1.3 大肠杆菌菌液制备及测定方法
1.3.1 大肠杆菌制备
250mL三角瓶中装50mL营养肉汤培养基，接种0.4mL大肠杆菌，28℃，THZ-C恒温旋转遥床振荡培养24h。将培养出的大肠杆菌稀释10倍后备用(菌含量为14500个/mL)。
1.3.2 大肠杆菌检测方法
本实验采用MR-VP法显色测定每毫升菌液中大肠杆菌MPN值。
1.4 抗菌实验
在3cm×3cm的洁净瓷片和纸片上涂布0.4mL的纳米TiO2喷液，待其干燥后放入灭菌锅灭菌，冷却后备用。其中一部分涂布的瓷片再经过600℃高温处理，冷却后备用。取0.6mL备用的大肠杆菌液涂布在瓷片和纸片上。经过2h的光照后洗菌进行菌落培养，在36℃下培养96h。对照组样本为不加纳米TiO2喷液的菌悬液。实验组和对照组样本稀释后采用MR-VP法活菌培养计数并计算杀菌率：杀菌率(%)=(对照组活菌浓度－试验组活菌浓度)/对照组活菌浓度×100%。
2 抗菌实验结果
大肠杆菌菌液在四种不同的纳米TiO2喷液样品灭菌效果如表1、2、3、4所示。该纳米TiO2喷液在可见光及常温下均具有很强的抗菌抑菌能力。表1 纳米TiO2喷液的杀菌效果测定(瓷片)
 注：瓷片空白菌落数为6250个/mL。复合1#，复合2#，复合3#为银系纳米TiO2复合材料；瓷片上所涂布纳米TiO2的浓度均为2%。
我们在对纳米TiO2喷液涂布在瓷片的实验中观察发现，大部分纳米TiO2喷液样品都具有很强的抗菌消毒的效果，纳米TiO2喷液对大肠杆菌杀灭率均在95%以上，其中原液的杀菌率达到了100%，是非常好的抗菌剂，而复合的纳米喷液效果稍差，这可能是在纳米TiO2喷液中添加了银盐的缘故，银盐的加入原希望提高纳米TiO2的抗菌效果，特别是在自然光环境中的抗菌能力。然而银盐的加入，可能促进纳米TiO2的团聚，使纳米TiO2的在瓷片上分散均匀性降低，影响了纳米TiO2在固体表面的吸附，降低了在H2O、O2体系中发生光催化反应，短时间的杀菌效果反而比纳米TiO2喷液低。表2 纳米TiO2喷液的杀菌效果测定(纸片)
 注：瓷片空白菌落数为6250个/mL。复合1#，2#，3#为银系纳米TiO2复合材料；纸片上所涂布纳米TiO2的浓度均为2%。
我们在纸片上对纳米TiO2喷液进行抗菌实验，结果表明这四种该纳米TiO2喷液在可见光及常温下均具有很强的抗菌抑菌能力，纳米TiO2喷液对大肠杆菌杀灭率均在93%以上，其中原液、复合3#的杀菌率均达到了100%，复合3#杀菌效果较比涂布在瓷片上好，结果有待进一步研究。因此此纳米TiO2是非常好的杀菌、抗菌剂，可以用于纸品表面的抗菌，特别适用于高档纸质包装材料。
为了模仿陶瓷洁具制作，所用的瓷片涂纳米TiO2后进行高温处理。从表3可知，涂布纳米TiO2之后，再经高温处理的瓷片也有非常好的杀菌效果。涂布原液、复合1#、复合2#、复合3#样品的瓷片灭菌率均达到100%，这可能是高温处理后，银系纳米TiO2更好地覆盖在瓷片上，提高了抗菌效果。由表4可知，涂稀释原液(1#，2#，3#)的瓷片灭菌率较低，可能是涂布的纳米TiO2的量过少导致的，然而纳米TiO2的喷涂量增加，固体表面抗菌能力增加，同时高温处理可能在一定程度上改变瓷片表面纳米TiO2的结晶态，影响光催化作用。表3 纳米TiO2喷液的杀菌效果测定(瓷片)
 注：样品为涂布过纳米TiO2后经过600℃高温处理的瓷片，瓷片空白菌落数为6250个/mL。瓷片上所涂布原液、复合1#、2#、3#纳米TiO2的浓度均为2%。表4 纳米TiO2喷液的杀菌效果测定(瓷片)
 注：样品为涂布过纳米TiO2后经过600℃高温处理的瓷片，瓷片空白菌落数为6250个/mL。瓷片上所涂布原液的纳米TiO2的浓度为2%；稀释原液1#、稀释原液2#、稀释原液3#是涂布在瓷片上的原液的纳米TiO2的浓度分别被稀释为0.1%、0.5%、1%。
3 讨 论
纳米TiO2是基于光催化反应使有机物分解而具有抗菌、抗病毒及净化效果的超细微TiO2。在水和空气体系中，在阳光尤其是紫外线的照射下，被激活产生带负电的电子(e-)和带正电的空穴(h+)发生系列反应，形成空穴-电子对。这些空穴-电子对与其表面吸附的H2O或OH-和O2作用生成羟基自由基OH·和超氧化物阴离子自由基O2-。新生成的自由基具有很强的化学活性，特别是原子氧能与多数有机物反应(氧化)，因而能有效地分解破坏空气中多种有毒气体，当遇到细菌时可直接攻击细菌的细胞壁、细胞膜或细胞内的组成成分。另外，这些活性氧类还导致DNA链中的碱基之间的磷酸二酯键的断裂，破坏DNA双螺旋结构，从而破坏微生物细胞的DNA复制而紊乱细胞的代谢。
本试验纳米TiO2喷液以及银盐与纳米TiO2复合喷液涂在固体表面，在可见光及室温下对大肠杆菌的杀灭率非常高，其中原液样的杀菌率达到了100%。纳米TiO2喷液在瓷片上表现出的良好灭菌效果表明可以把纳米TiO2喷液喷涂到室内的墙壁上，达到消灭和抑制细菌、净化空气的效果；纳米TiO2复合喷液在瓷片上，经高温处理后具有杀菌效果，因此这种纳米材料将可以在卫生洁具的抗菌发挥重要作用；同时我们也做过耐洗试验，对涂布过纳米TiO2喷液的瓷片洗涤过1000次，之后发现瓷片仍有较好的杀菌效果。涂有纳米TiO2喷液的纸片也具有灭菌效果，由于TiO2本身化学性质稳定且对人体和环境无害，因此可以将其应用于商品包装上，尤其是化妆品、食品包装上，能有效地抑制和杀灭微生物，并有除臭、防霉、消毒的作用，防止商品由于染菌而被腐蚀。
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(12/1/2012) |
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