谢 远 ，徐晓玲，陈丹，马砚骄，周祚万*
（西南交通大学材料科学与工程学院，四川，成都 邮编621002）
摘要：本论文采用含银前驱体加热分解法将不同添加量的含银前驱体与纳米TiO2混合，不同温度下共热反应1h，探索出了较好的载银纳米TiO2抗菌剂的生产工艺。对产物微观形貌及和晶体结构的表征结果表明，本工艺对纳米TiO2的粒径影响很小，在TiO2表面沉积的产物可能是Ag2O。 晶体结构并且较低添加量的银对产物外观的影响很小。最后用抑菌环法对样品进行了抗菌性能评价，结果表明在无光条件下，载银纳米TiO2具有良好的抗菌性。
关键词：载银纳米TiO2；抗菌剂；制备工艺
Study on preparation and antibacterial activity of
silver-embedded TiO2 nano particles
XIE Yuan, XU Xiaoling, CHEN Dan, MA Yanjiao, ZHOU Zuowan*
（School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Sichuan, Chengdu, 621002)
Abstract: Silver embedded TiO2 nanoparticles (Ag/TiO2) were prepared by heat treatment method using different content of precursor (Ag2CO3) mixing with TiO2 nanoparticles. A better preparation process of Ag/TiO2 was explored by adjusting the temperature. The product was characterized by scanning electron microscope(SEM) and X-ray diffraction(XRD). SEM images illuminated that the TiO2 nanoparticles was about 50 nm and well dispersed. This preparation process made tiny effect to the grainsize of the nanoparticles. XRD analysis reverse that Ag2O may embedded on the surface of TiO2 nanoparticles. The color of product almost no change and the antibacterial activity of Ag/TiO2 was studied, and the results suggest that this kind of antibacterial agent has good antibacterial property in dark.
Key words: Ag-embedded nano-TiO2; antibacterial agent; preparation technology
银作为一种传统强效抗菌剂，应用于生活及工业中由来已久，而近年来研究表明，纳米银由于具有更小的粒径、更大的表面积，因而抑菌性能更加优异。常见的含银抗菌剂有载银沸石、载银磷酸钙和载银磷酸锆、可溶性载银玻璃、载银硅胶和载银活性炭等，这类主要以离子交换、物理吸附等方式与基体结合，随使用时间的推移，Ag+溶出量减少，导致抑菌性能逐渐降低[1]。20世纪70年代首次发现了光催化作用，即TiO2在经波长低于415nm光波照射条件下可以产生具有高氧化-还原能力的电子-空穴对，可以将水分解产生O2[2]，常见的光催化物质有ZnO、TiO2，α-2Fe2O3、ZnS、CdS、WO3、SnO2、SrTiO3，其中TiO2因价格低廉、毒害作用小、化学性质稳定、耐光腐蚀性强、可以在水中形成羟基自由基、超氧阴离子和过氧化氢等活性氧杀灭细菌，而被广泛用做长效抗菌剂，但其带隙能较高（3.2eV），只能被波长在387.5nm以上的紫外光激发，因此其抗菌活性应用受到局限。在TiO2表面进行金属离子掺杂，可以将激发光波长范围扩大至可见光，大大提高TiO2纳米粉的光催化活性[3]，增加其抗菌性能。纳米TiO2具有很高的比表面积，因而单位质量的TiO2与溶液环境的接触面更大，在光照条件下可以产生更多活性氧成分，同时更易与细菌胞壁接触或进入胞内发挥作用，从而具有更好的抗菌活性。
近年来对TiO2的抗菌性的研究工作主要集中于使用纳米粉体或多孔微结构作为基体，通过增大材料表面的活化位点来增强光催化活性。此外，对TiO2表面包覆纳米Ag的研究中，如何将单位面积上的纳米银颗粒数量最大化、提高Ag+的溶出率成为其研究热点[4]。本文采用含银前驱体加热分解法制备载银纳米TiO2，得到了粒度均匀、分散性好的载Ag纳米TiO2粉末，对产物进行了微观形貌和晶体结构表征，并用抑菌环法对产物进行抗菌性能评价。
1 实验部分
1.1 实验仪器和药品
1.1.1实验仪器
采用TST卧式电阻炉制备含Ag纳米TiO2抗菌剂。
1.1.2实验药品
纳米TiO2：P25，德国德固赛公司；Ag2CO3：分析纯，成都科龙化工试剂厂；磷酸氢二钠及磷酸二氢钾：化学纯，成都科龙化工试剂厂；营养琼脂培养基：北京奥博星生物技术有限责任公司。
1.2载Ag纳米TiO2抗菌剂的制备
配制Ag2CO3质量分数分别为0 wt%、1 wt%、2 wt%和3 wt%的Ag2CO3/TiO2混合物，充分混合后，置于恒温管式炉于空气气氛下，分别在240°C、260°C、280°C、300°C下恒温1h，随炉冷却得到载Ag纳米TiO2粉末。
1.3 样品表征
采用Quanta200型扫描电子显微镜对产物形貌进行测定；用X'pert Pro型X-射线衍射仪对产物晶体结构进行表征。
1.4 抗菌性能测定
1.4.1 抗菌材料样品的制备
用电子天平称取抗菌材料粉末 0.100 g，放入内径10 mm的模具内，并在千斤顶上以10 Mpa压力保压1 min，即制得抗菌材料样片。
1.4.2 表面含菌液培养基的制备
采用无菌操作对大肠杆菌进行传代，挑取适量传代两次后的菌种，置于装有30 mL灭菌磷酸盐缓冲液及少许玻璃珠的锥形瓶中，充分摇匀使菌体充分分散，制得浓度约为107 CFU/mL的菌悬液，随后吸取0.1 mL菌悬液滴于凝固的营养琼脂培养基上，涂布均匀后即得到含有受试菌液的培养基。
1.4.3 抑菌性能测试
用镊子夹取各受试样片，置于培养基表面，各组培养皿于37℃无光条件下培养18~24 h，每种抗菌材料的样品在对应条件下准备2个平行。最终测量各抗菌样品的抑菌圈直径。材料的抑菌性能可通过抑菌环宽度来评价，宽度越大，抑菌性能越好。采用公式（1）计算抑菌环大小[5] ：
（1）
式中：W—抑菌环宽度（cm）；T—抗菌材料和抑菌环的总直径（cm）；D—抗菌材料的直径（cm）。
2 结果与讨论
2.1载银前后外观变化
对TiO2原料组、TiO2在300℃热处理1h的对照组及混有Ag2CO3的TiO2样品（Ag2CO3/TiO2分别为1 wt%、2 wt%和3 wt%）分别在240°C、260°C、280°C、300°C下恒温1h的产物进行外观观察，发现240°C、260°C、280°C三组中产物都呈现灰色，并且混有黑色颗粒团聚体；2 wt%和3 wt%配比的样品在300°C下处理的样品也偏灰，且夹杂有黑色粉末；由于添加量为1 wt%、300°C下的产物为白色，同原料组和对照组无明显差异，在外观上满足生产应用的需要，因此将该组定为生产组。而各温度下2 wt%组和3 wt%组中可能含有过多含银前驱体，造成产物中银化合物团聚，不但影响到产物的外观，还造成了原料的浪费。部分产物的外观见图1所示。
图1 各样品外观：a) 原料组, b)对照组, c) 生产组, d) Ag2CO3/TiO2 2 wt%在300°C下处理组, e) Ag2CO3/TiO2 3 wt%在300°C下处理组
2.2 微观形貌及晶体结构表征
选取原料组、对照组和生产组及Ag2CO3/TiO2 3 wt%在300°C处理组进行SEM表征，发现产物形貌均与原料TiO2（见图2）的差异不大。由SEM结果可知，TiO2的粒径均匀，都在50 nm左右，但由于粒径较小，难以看出TiO2表面是否沉积了纳米银。
图2 各样品SEM照片：a) 原料组, b)对照组, c) 生产组, d) Ag2CO3/TiO2 3 wt%在300°C下处理组
选取原料组、对照组、生产组分别进行XRD表征，结果如图3所示。单质Ag和Ag2O的的特征峰中，只有在2θ=38.4°处的Ag2O最强特征峰未与锐钛矿型TiO2（A-TiO2）或金红石型TiO2（R-TiO2）的特征峰相重叠，其它大部分特征峰与A-TiO2或R-TiO2的特征峰相重叠。然而，图3中样品对应的 Ag2O特征衍射峰也不明显。由于XRD样品中的各种晶相含量与其对应的峰强度是成比例的，在某一晶相的含量较低时是很难检测出来的。为了尽量避免由于含量低导致测不出这种问题，本论文中将同等实验条件下得到的沉积量较大的Ag2CO3/TiO2 3 wt%样品中混有少量白色粉末的黑色粉末挑选出来，单独进行XRD表征，结果也列在了图3中。这样取出来的粉末在2θ=38.4°处有明显的衍射峰，因此推测所制备载银TiO2表面有Ag2O形成。
图3 各样品的XRD图谱
2.3 抗菌性能
图4 各样品的抑菌环实验结果
a)为P25原料组；b)为300°C下TiO2处理空白对照组；c)为1 wt% Ag2CO3/ TiO2 300°C热处理1h的生产组；d)为将原料组、对照组和生产组置于同一培养皿中进行培养
各样品组在无光条件下的抑菌环实验结果见图4。抑菌环实验结果表明，原料组TiO2样片周围未出现抑菌环，同样对照组周围也未观察到抑菌环，而生产组样片周围有明显的抑菌环存在，其平均直径为1.57cm，表明在无光条件下TiO2不具有抑菌性，生产组样片具备抗菌性是由于载银所致。考虑到Ag的抗菌机理，当Ag+与负电的胞膜发生静电吸引，对膜蛋白的巯基发生作用，引起蛋白质变性，从而影响到胞膜的通透性，同时，Ag+也可能透膜影响胞内酶活性，影响细菌DNA的修复[6]，该工艺制备的载银纳米TiO2由于具有较大的比表面积，因此更容易实现Ag+的释放，因而具有良好的抗菌性能，通过载银处理可以增大TiO2抗菌剂的应用范围，可在无光照条件下作为抗菌剂应用于生产。
3 结论
本文通过对不同添加量1 wt%、2 wt%和3 wt%的含银前驱体与纳米TiO2混合，分别在240°C、260°C、280°C和300°C下共热反应1h，探索到较好的载银纳米TiO2抗菌剂的生产工艺：为Ag2CO3/TiO2配比为1 wt%，300°C下处理1h。该工艺条件下制备的载银纳米TiO2产物，外观与纳米TiO2差异小，且粒径均匀，粒径几乎不发生改变，样品中含有Ag2O。用此法制备的抗菌剂产物在无光条件下也具有良好的抗菌效果，可以大大扩展纳米TiO2的抗菌应用范围。
参考文献
[1] 袁鹏，何宏平。银系无机抗菌剂的研究进展[J]. 1M&P化工矿物与加工，2002,10:5-9.
[2] Fujishima A, Honda K. TiO2 photoelectrochemistry and photocatalysis [J]. Nature, 1972, 238(5358): 37-38.
[3] Zhu J F, Fu W, He B, et al. Fe3+, Cr3+-doped TiO2 Photocatalysts Prepared bytheSo-l Gel and Hydrothermal Method[J]. Photographic Science and Photochemistry, 2004, 22(4):241-243.
[4] Dongwei Wei, Wuyong Sun, Weiping Qian. The synthesis of chitosan-based silver nanoparticles and their antibacterial activity[J]. Carbohydrate Research, 2009, 344:2375-2382.
[5] 季君晖, 史维明.抗菌材料[M].北京:化学工业出版社, 2003.
[6] Roya Dastjerdi, Majid Montazer. A review on the application of inorganic nano-structured materials in the modification of textiles: Focus on anti-microbial properties[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2010, 79: 5–18.
