, 薛向欣1, 王梅1 1. 东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳 110819;
2. 沈阳职业技术学院 机械工程学院，辽宁 沈阳 110004
收稿日期：2019-05-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474056)。
作者简介：时代(1986-)，女，甘肃兰州人，东北大学博士研究生;
杨合(1970-)，男，内蒙古突泉人，东北大学教授;
薛向欣(1954-)，男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：通过溶胶-凝胶法(Sol-gel)进行金属Li离子掺杂TiO2抗菌剂的制备，采用大肠杆菌(ATCC 25922)为实验菌种，对掺杂锂源、掺杂量、表面活性剂、焙烧温度等因素对材料抗菌性能的影响进行探究，并讨论了该抗菌材料的抗菌机理.应用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和紫外可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)等测试手段对样品的基本形貌、物相结构及光吸收特性进行表征，通过调整制备过程中各影响因素，得到Li掺杂TiO2抗菌材料的最优反应条件.实验得出，Li掺杂TiO2纳米抗菌材料对大肠杆菌的抗菌率达到99.5%以上，其抑菌环直径达到2.6 cm.该抗菌材料通过抑制抗菌剂的晶粒长大和拓展光响应范围等方法增进抗菌剂的光催化性能.
关键词：抗菌性能二氧化钛Li掺杂锂源掺杂量表面活性剂焙烧温度
Characterization and Antibacterial Properties of Li-Doped Nano-TiO2 Antibacterial Material
SHI Dai1,2, YANG He1
, XUE Xiang-xin1, WANG Mei1 1. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. The Faculty of Mechanical Engineering, Shenyang Polytechnic College, Shenyang 110004, China
Corresponding author: YANG He, E-mail: yangh@smm.neu.edu.cn.
Abstract: Lithium doped titania (Li-TiO2) nano-materials were synthesized by a Sol-gel method. Using E.coli(ATCC 25922) as the target strain, the influences of factors such as doping lithium source, doping amount, surfactant, calcination temperature and other factors on the antibacterial properties of the materials were investigated, and the antibacterial mechanism of the antibacterial materials was discussed. Li-TiO2 nano-materials were characterized by X-ray diffraction(XRD), scanning electronic microscope(SEM)and UV-Vis diffuse reflectance spectra(DRS). The experimental results show that the optimal reaction conditions of Li-doped TiO2 nano-antibacterial materials can be achieved by adjusting the conditions of Li source, doping amount, surfactant type and calcination temperature. It is also found that the optimal antibacterial rate of Li doped TiO2 antibacterial material against E.coli is more than 99.5% and the diameter of its antibacterial ring reaches 2.6 cm. The photocatalytic properties of the antibacterial agent are improved by inhibiting the grain growth of the antibacterial agent and expanding the light response range.
Key words: antibacterial propertytitanium dioxideLi-dopedlithium sourcedoping amountsurfactantcalcination temperature
TiO2纳米粒子是一种非常有潜力的抗菌材料，不但具有好的光催化活性，同时具有较强的光触媒氧化分解能力[1].光触媒材料吸收光后能达到高能状态，并利用该能量与物质产生化学反应[2]，其代表性的材料为纳米TiO2.TiO2本身也存在局限性：第一个不足之处是由于其禁带宽度大，电子需要从价带跃迁到达导带需要的能量大，只有在小于或等于387.5 nm的波长照射下，价带的电子才会被激发，电子到达导带形成空穴-电子对，才可表现出明显的杀菌活性[3].第二个不足之处是，光激发生成的光生电子和空穴非常容易复合，这会导致材料的光催化活性降低[1].由于TiO2的禁带宽度变小，在可见光下TiO2的光催化效果得到改善，光生电子与空穴的复合率降低.所以本实验对TiO2进行了金属离子掺杂改性[2].TiO2的改性有金属掺杂、非金属掺杂以及共掺杂三种方式.掺杂金属在TiO2光催化中主要有两个作用：一是对本征激发产生的光生载流子起到俘获陷阱的作用；二是能够产生一个杂质能级到TiO2的导带与价带之间，并参与光激活过程[4].金属离子主要有Cu2+，Fe3+等离子掺杂及Th4+，Ce3+，Er3+，Pr3+，Gd3+，Nd3+，Sm3+等稀土离子掺杂[5].非金属离子掺杂主要有C，N，S等.本文选取金属Li+离子作为掺杂离子对TiO2进行掺杂改性.
如果将抗菌剂制成纳米材料会极大增加比表面积，从而更好地吸附微生物，抗菌效果也会更好.纳米二氧化钛既具有其独特的光催化抗菌性能，同时也具有纳米粉体的体积效应、久保效应、小尺寸效应和表面效应[6].
本文采用溶胶-凝胶法进行Li掺杂TiO2抗菌剂的制备.溶胶-凝胶法[7]合成纳米TiO2材料采用的原料一般为低级钛醇盐试剂[8](例如钛酸四丁酯等).溶胶-凝胶法和其他方法比较具有以下优点：(1)由于实验中所用原料纯度均为分析纯及以上，所以制得样品的纯度较高，溶剂在处理过程中也非常容易去除；(2)制得样品的均匀度可以达到分子或原子级别；(3)制样反应中的各反应条件相比其他反应的反应条件更易于控制，减少不必要的副反应[6].
1 实验1.1 粉体制备Li单掺杂TiO2抗菌纳米材料的合成采用溶胶-凝胶法.实验步骤如下：将钛酸四丁酯通过梨型分液漏斗滴加到无水乙醇中，对溶液充分搅拌使其澄清透明，不可有白色物质出现，记为溶液A；另将锂源化合物、表面活性剂溶解在无水乙醇中，并加入一定量的去离子水和冰乙酸并混合均匀，记为溶液B[9].对配制好的B溶液充分搅拌使其充分溶解，而后将A溶液逐滴加入到B溶液中搅拌均匀，形成澄清透明的溶胶，将溶胶置于室温下静置陈化，形成凝胶后置于80 ℃烘箱中烘干得到干凝胶.将干凝胶研磨形成粉末，放入快速马弗炉中以5 ℃/min的升温速度升温至600 ℃并保温2 h，得到Li掺杂TiO2纳米材料[9].制备过程中各种物质的总体积比为V(钛酸四丁酯):V(水):V(无水乙醇):V(冰醋酸)=5:5:35:2.
1.2 粉体表征X射线粉末衍射仪(XRD，Shimadzu，Kα线，Cu靶)测定抗菌材料的物相结构; 扫描电子显微镜(SEM，JSM-5600LV，日本)对抗菌材料的基本形貌进行分析；采用SEM上附带的能量色散谱仪(EDS)对样品元素组成进行分析[10]；采用日本岛津公司的UV-2550型UV-Vis分光光度计对吸光度进行测定[10].
1.3 实验设备及药品实验中所需设施及试剂如表 1，表 2所示.
表 1(Table 1)
 表 1 实验设施Table 1 Experimental equipments
| 表 1 实验设施 Table 1 Experimental equipments |
表 2(Table 2)
表 2 实验药品Table 2 Experimental reagents
| 表 2 实验药品 Table 2 Experimental reagents |
1.4 Li+，NO3-离子的释放将制备的0.2 g抗菌材料加入25 mL去离子水恒温搅拌2 h，过滤，取滤液用于光谱分析[11].滤液中Li+的释放量采用日立公司的Z-2700火焰原子吸收光谱仪测定；滤液中NO3-的释放量通过重量法进行测定.
1.5 抗菌实验按照卫生部2006年颁布的消毒技术规范[10]，使用振荡烧瓶法将纳米材料加入适当浓度菌液体，通过振荡使微生物在菌液中与抗菌材料充分接触，一定时间后将菌液定量加入到含有抗菌样品的营养肉汤中，将营养肉汤置于人工气候箱中的磁力搅拌器上，于恒温37 ℃下使抗菌样品、菌液、营养肉汤充分接触，120 min后取其样液进行活菌培养计数，计算抗菌样品的抑菌率[12].其抑菌率按照式(1)计算：
 | (1) |
2 结果与讨论2.1 锂源对掺杂TiO2纳米材料抗菌性能的影响以及其性能表征分别以0.01 mol硝酸锂、乙酸锂、氯化锂、硫酸锂、氧化锂作为锂源掺杂制备TiO2纳米材料，将每种抗菌材料的1/2进行抽滤水洗至溶液pH=7后烘干样品，将水洗过的样品与原样品分别做抗菌实验，比较其抗菌效果.
图 1为选取大肠杆菌(ATCC 25922)为实验菌种，分别对硝酸锂、乙酸锂、氯化锂、硫酸锂、氧化锂掺杂TiO2纳米材料水洗和未水洗的样品进行抗菌实验的结果.由图 1可以看出，未水洗样品中以LiNO3与Li2SO4作为锂源掺杂的抗菌材料的抗菌效果较好，对大肠杆菌的抑菌率分别达到97.5%和98.8%.取LiNO3与Li2SO4作为锂源掺杂抗菌材料的水洗样品和未水洗样品分别按照1.4节操作并测其溶液的pH值，其中未水洗样品的pH值分别为6.2和2.3.而水洗后的Li2SO4掺杂样品杀菌效果大幅度下降，由此可分析出Li2SO4中SO42-所带来的酸性较强，对样品杀菌性能影响较大；而LiNO3掺杂样品虽水洗后抗菌效果也有差异，但水洗前后pH值与抗菌效果均相差不大，推测可能因为样品中有效抑菌成分水溶析出[11].因此后续实验采用LiNO3作为锂源进行掺杂实验，探究各影响因素.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 不同锂源掺杂TiO2抗菌材料对大肠杆菌抗菌性能的影响Fig.1 Effects of different Li-doped TiO2 antibacterial materials on the antibacterial properties of E.coli |
2.2 锂的掺杂量对掺杂TiO2纳米材料抗菌性能的影响以及其性能表征分别加入0.001，0.005，0.01，0.02，0.04，0.06，0.08，0.1mol(样品1#~8#)硝酸锂掺杂制备Li-TiO2纳米材料.图 2为选取大肠杆菌(ATCC 25922)为实验菌种，考察不同掺杂量的LiNO3对TiO2材料的抗菌性能影响.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 LiNO3的掺杂量对大肠杆菌抗菌性能影响Fig.2 Effects of the doped amount of LiNO3 on the antimicrobial properties of E.coli |
由图 2可知，当硝酸锂的掺杂量为0.001 mol时，Li-TiO2的抗菌效果非常不明显，随着掺杂量的逐渐增多，材料的抗菌性逐渐增强.当LiNO3的掺杂量达到0.01 mol时，Li-TiO2抗菌材料对大肠杆菌抗菌性能达到最优.而后掺杂量的增加不再对抗菌性能有明显改善.故而选择掺杂量0.01 mol为最优掺杂量.
图 3为不同掺杂量的LiNO3掺杂TiO2纳米材料的XRD图.由谱图显示，1#~5#的抗菌材料均出现锐钛矿型TiO2及金红石型TiO2的特征衍射峰；随着掺杂量的增加，6#~8#的Li-TiO2抗菌材料的锐钛矿型TiO2及金红石型TiO2的特征衍射峰强度降低至消失[10].在1#样品中，Li2TiO3，LiTiO2的特征峰几乎没有，可能是因为这两个样品中锂元素含量较少，且晶化程度较低.随着锂元素含量的增加，2#~8#样品Li2TiO3，LiTiO2的特征衍射峰强度逐渐增强，在2θ=27.6°处的锐钛矿型TiO2特征峰强度呈现先逐渐减小至消失的趋势，说明锂元素的掺杂可以抑制样品中晶粒的长大从而细化晶粒.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同掺杂量的LiNO3掺杂TiO2纳米材料的XRD图Fig.3 XRD patterns of Li-TiO2 nanomaterials with different doped amount LiNO3 |
表 3为不同锂源掺杂量的Li-TiO2纳米材料在抗菌实验中的释放溶液离子量，其制备测定方法见1.4节.由表中数据可知，Li-TiO2-1#~8#的Li离子、硝酸根离子的释放量随着掺杂量的增加而增加.
表 3(Table 3)
表 3 溶液的各离子释放量Table 3 The released ion concentration in the solution
| 表 3 溶液的各离子释放量 Table 3 The released ion concentration in the solution | |||||||||||||||||||||||||||||
图 4为不同掺杂量的LiNO3掺杂Li-TiO2纳米材料的UV-Vis-DRS谱图.由图可知，Li-TiO2-1#~8#纳米材料的吸收随着掺杂量的增加明显向长波方向移动，且材料吸收边的位置基本相同，但是样品4#的吸光强度明显大大高于样品5#~8#，却弱于样品1#~3#，而1#~3#的吸光强度差别不大，根据后续实验中抗菌效果的实验结果，故选择0.01 mol作为最优添加量.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同LiNO3掺杂量掺杂TiO2纳米材料的UV-Vis-DRS图Fig.4 UV-Vis-DRS patterns of Li-TiO2 nano-materials with different doped amount LiNO3 |
2.3 表面活性剂种类对Li-TiO2纳米材料抗菌性能的影响以及其性能表征分别选取0.5 g阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、非离子型表面活性剂聚乙二醇2000(PEG2000).图 5为不同种类表面活性剂Li-TiO2纳米材料对大肠杆菌抗菌性能影响.由图可知，加入阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十二烷基硫酸钠(SDS)制备的抗菌材料抗菌率最优.图 6为不同表面活性剂的Li-TiO2纳米材料UV-Vis-DRS图，由图可知表面活性剂为CTAB的抗菌材料吸光强度最强，而活性剂为SDBS的抗菌材料吸光度次之.参考抗菌结果，选取SDBS作为表面活性剂制备Li掺杂TiO2抗菌材料.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 不同表面活性剂掺杂Li-TiO2纳米材料对大肠杆菌抗菌性能的影响Fig.5 Effects of different surfactants doped with Li-TiO2 antibacterial nano-materials on the antibacterial properties of E.coli |
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 不同表面活性剂掺杂Li-TiO2纳米材料的UV-Vis-DRS图Fig.6 UV-Vis-DRS patterns of Li-TiO2 nano-materials with different surfactant |
2.4 焙烧温度对掺杂TiO2纳米材料抗菌性能的影响以及其性能表征图 7为焙烧温度500，600，700，800 ℃时Li-TiO2纳米材料的XRD图，由图可知，焙烧温度为500 ℃时制备的纳米材料物相组成主要存在形式是锐钛矿型TiO2、金红石型TiO2，Li2TiO3和LiTiO2；焙烧温度为600，700 ℃时的物相主要以锐钛矿型TiO2，Li2TiO3和LiTiO2的形式存在；焙烧温度为800 ℃时以锐钛矿型TiO2，Li2TiO3的形式存在.随着焙烧温度升高，金红石型TiO2减少，而锐钛矿型TiO2和Li2TiO3含量逐渐增多.金红石型TiO2的禁带宽度为3.0 eV，而锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2 eV，锐钛矿型TiO2的禁带宽度较高[12].由图 8可看出，不同焙烧温度的二氧化钛纳米材料吸收边均明显向长波方向移动.焙烧温度为700 ℃时的吸收边位置和吸光强度明显高于500，600，800 ℃的吸收边位置和吸光强度，但后续抗菌实验的结果印证600 ℃纳米材料的抗菌率达到最佳，而温度过高需要加热的时间过长，温度越高越难达到，并且容易造成资源浪费，所以最终选择600 ℃为后续反应条件[14].
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 不同焙烧温度LiNO3掺杂TiO2纳米材料的XRD图Fig.7 XRD patterns of Li-TiO2 nano-materials with different calcination temperatures |
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 不同焙烧温度下LiNO3掺杂TiO2纳米材料的UV-Vis-DRS图Fig.8 UV-Vis-DRS patterns of Li-TiO2 nano-materials with different calcination temperatures |
由图 9可知，焙烧温度为600 ℃的Li-TiO2纳米材料的抗菌率最优，对大肠杆菌的抗菌率达到99.5%.焙烧温度为700 ℃时，纳米材料的抗菌性和600 ℃基本持平，基于环保节能的考量，选取600 ℃为最优焙烧温度.图 10为不同焙烧温度纳米材料的抑菌环对比图，由图可知600 ℃的抑菌环直径达到2.6 cm，大于500，700，800 ℃的抑菌环，再次印证Li-TiO2-600 ℃的抑菌效果为最佳，也进一步印证了振荡烧瓶法的抗菌实验结果.图 11为Li-TiO2材料的SEM及EDS图.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 Li-TiO2抗菌材料不同焙烧温度对大肠杆菌抗菌性能的影响Fig.9 Effects of different calcination temperatures of Li-TiO2 antibacterial nano-materials on the antibacterial properties of E.coli |
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 不同焙烧温度下LiNO3掺杂TiO2纳米材料的抑菌环对比图Fig.10 Comparison of antibacterial rings of LiNO3 doped TiO2 nano-materials at different calcination temperatures (a)—500 ℃; (b)—600 ℃; (c)—700 ℃; (d)—800 ℃. |
图 11(Fig. 11)
 | 图 11 焙烧温度为600 ℃时Li-TiO2材料的SEM形貌及EDS谱图Fig.11 SEM and EDS of Li-TiO2 antibacterial material at 600 ℃ (a)—SEM形貌；(b)—EDS谱图. |
由图 11a可知，LiNO3掺杂TiO2抗菌材料在600 ℃时TiO2粒径细小且致密，比表面积较大[15]，光催化时与吸附物的接触面积增大，有利于提高光催化活性，使抗菌性能得到提升[16-18].由图 11b可知抗菌材料中含有Li，Ti，O三种元素，这表明Li元素掺杂到了TiO2粉体中，分散较好.
3 结论1) 硝酸锂作为锂源制备的抗菌材料受pH影响较小并且抗菌率最优，故选择硝酸锂作为锂源制备Li-TiO2纳米材料.
2) 随着硝酸锂掺杂量的增加，抗菌材料的物相组成中锐钛矿型TiO2、金红石型TiO2含量逐渐减少，Li2TiO3，LiTiO2含量逐渐增加，Li-TiO2抗菌材料光吸收边向可见光区移动.当掺杂量达到0.01 mol时，抗菌材料对大肠杆菌的抗菌率可达到99.5%，故最终选择硝酸锂掺杂量为0.01 mol作为最优掺杂量.
3) Li-TiO2抗菌材料在不同焙烧温度下的抗菌性能由强到弱，依次为600 ℃=700 ℃>500 ℃>800 ℃，600 ℃抗菌材料对大肠杆菌的抗菌率达到99.5%，抑菌环直径达到2.6 cm.检测分析可知Li-TiO2抗菌材料在600 ℃焙烧保温2 h后，样品晶粒细小且结构致密，比表面积大，吸光度增加.出于抗菌性能和节约资源双重考量，故最终选择600 ℃作为抗菌材料最优煅烧温度.
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