納米二氧化鈦在物體表面的抗菌作用
納米TiO2問世於20世紀80年代後期，是一種有著廣泛用途的無機材料。因其獨特的紫外線屏蔽、光催化作用、顏色效應等性能，在高級塗料、化妝品、廢水處理、空氣淨化、殺菌和高效太陽能電池等方面有著廣闊的應用前景。納米二氧化鈦(TiO2)作為光催化半導體無機抗菌劑，具有廣譜抗菌功能，能抑制和殺滅微生物，並有除臭、防黴、消毒的作用，其本身化學性質穩定且對人體和環境無害，光催化作用持久，因而越來越得到世人青睞。
納米TiO2的結晶有兩種晶態：即金紅石型和銳鈦型。通常，金紅石型的二氧化鈦光催化能力差，而銳鈦型的二氧化鈦具有強光催化能力。銳鈦型納米TiO2在H2O、O2體系中發生光催化反應，產生的羥基自由基(HO·)，能和多種細菌和臭體反應，而有效地滅菌和消除臭味，因而可以製成納米TiO2抗菌劑。納米TiO2抗菌劑具有將細菌及其殘骸一起殺滅清除的能力，同時還能將細菌分泌的毒素也分解掉。並且納米TiO2作為殺菌劑還具有以下幾個特點：一是即效性好，如銀系列抗菌劑的效果約在24h左右發生，而納米TiO2僅需1h左右；二是TiO2是一種半永久維持抗菌效果的抗菌劑，不像其它抗菌劑會隨著抗菌劑的溶出而效果逐漸下降；三是有很好的安全性，與皮膚接觸無不良影響。
本實驗採用了四種新型的納米TiO2噴液(原液、複合液1#、複合液2斡、複合液3#)噴塗在瓷片和紙片上，並對其在瓷片和紙片應用中的殺菌效果進行了試驗觀察；同時我們對塗有納米TiO2噴液的部分瓷片經過高溫預處理之後對其滅菌效果進行了觀察實驗。
1 材料與方法
1.1 菌種來源
大腸桿菌華南理工大學食品科學與工程學院實驗室提供。
1.2 材料
1.2.1 培養基
營養肉湯培養基(g/100mL)：酪蛋白腖1.0，牛肉浸膏1.0，NaCl0.5。
MR-VP培養基(g/100mL)：(月示)腖0.7，葡萄糖0.5，K2HPO4 0.5，pH值6.9。
1.2.2 瓷片和紙片
瓷片：75px×75px的潔淨瓷片。
紙片：白度為85(%，ISO)的針葉木漿抄成定量為60g/m2的紙片，其中不加任何化學藥品。
納米TiO2：漪麗科技(深圳)有限公司提供的漪麗納米淨，黃色透明液體。
1.3 大腸桿菌菌液製備及測定方法
1.3.1 大腸桿菌製備
250mL三角瓶中裝50mL營養肉湯培養基，接種0.4mL大腸桿菌，28℃，THZ-C恆溫旋轉遙床振盪培養24h。將培養出的大腸桿菌稀釋10倍後備用(菌含量為14500個/mL)。
1.3.2 大腸桿菌檢測方法
本實驗採用MR-VP法顯色測定每毫升菌液中大腸桿菌MPN值。
1.4 抗菌實驗
在75px×75px的潔淨瓷片和紙片上塗布0.4mL的納米TiO2噴液，待其乾燥後放入滅菌鍋滅菌，冷卻後備用。其中一部分塗布的瓷片再經過600℃高溫處理，冷卻後備用。取0.6mL備用的大腸桿菌液塗布在瓷片和紙片上。經過2h的光照後洗菌進行菌落培養，在36℃下培養96h。對照組樣本為不加納米TiO2噴液的菌懸液。實驗組和對照組樣本稀釋後採用MR-VP法活菌培養計數並計算殺菌率：殺菌率(%)=(對照組活菌濃度－試驗組活菌濃度)/對照組活菌濃度×100%。
2 抗菌實驗結果
大腸桿菌菌液在四種不同的納米TiO2噴液樣品滅菌效果如表1、2、3、4所示。該納米TiO2噴液在可見光及常溫下均具有很強的抗菌抑菌能力。
表1 納米TiO2噴液的殺菌效果測定(瓷片)
噴液樣品
96h存活菌落數/(個·mL-1)
殺菌率/%
原液
0
100
複合1#
262
95.8±0.2
複合2#
125
98.0±0.4
複合3#
319
95.0±0.7
注：瓷片空白菌落數為6250個/mL。複合1#，複合2#，複合3#為銀系納米TiO2複合材料；瓷片上所塗布納米TiO2的濃度均為2%。
我們在對納米TiO2噴液塗布在瓷片的實驗中觀察發現，大部分納米TiO2噴液樣品都具有很強的抗菌消毒的效果，納米TiO2噴液對大腸桿菌殺滅率均在95%以上，其中原液的殺菌率達到了100%，是非常好的抗菌劑，而複合的納米噴液效果稍差，這可能是在納米TiO2噴液中添加了銀鹽的緣故，銀鹽的加入原希望提高納米TiO2的抗菌效果，特別是在自然光環境中的抗菌能力。然而銀鹽的加入，可能促進納米TiO2的團聚，使納米TiO2的在瓷片上分散均勻性降低，影響了納米TiO2在固體表面的吸附，降低了在H2O、O2體系中發生光催化反應，短時間的殺菌效果反而比納米TiO2噴液低。
表2 納米TiO2噴液的殺菌效果測定(紙片)
噴液樣品
96h存活菌落數/(個·mL-1)
殺菌率/%
原液
0
100
複合1#
417
93.3±0.6
複合2#
256
98.2±0.3
複合3#
0
100
注：瓷片空白菌落數為6250個/mL。複合1#，2#，3#為銀系納米TiO2複合材料；紙片上所塗布納米TiO2的濃度均為2%。
我們在紙片上對納米TiO2噴液進行抗菌實驗，結果表明這四種該納米TiO2噴液在可見光及常溫下均具有很強的抗菌抑菌能力，納米TiO2噴液對大腸桿菌殺滅率均在93%以上，其中原液、複合3#的殺菌率均達到了100%，複合3#殺菌效果較比塗布在瓷片上好，結果有待進一步研究。因此此納米TiO2是非常好的殺菌、抗菌劑，可以用於紙品表面的抗菌，特別適用於高檔紙質包裝材料。
為了模仿陶瓷潔具製作，所用的瓷片塗納米TiO2後進行高溫處理。從表3可知，塗布納米TiO2之後，再經高溫處理的瓷片也有非常好的殺菌效果。塗布原液、複合1#、複合2#、複合3#樣品的瓷片滅菌率均達到100%，這可能是高溫處理後，銀系納米TiO2更好地覆蓋在瓷片上，提高了抗菌效果。由表4可知，塗稀釋原液(1#，2#，3#)的瓷片滅菌率較低，可能是塗布的納米TiO2的量過少導致的，然而納米TiO2的噴塗量增加，固體表面抗菌能力增加，同時高溫處理可能在一定程度上改變瓷片表面納米TiO2的結晶態，影響光催化作用。
表3 納米TiO2噴液的殺菌效果測定(瓷片)
噴液樣品
96h存活菌落數/(個·mL-1)
殺菌率/%
原液
0
100
複合1#
0
100
複合2#
0
100
複合3#
0
100
注：樣品為塗布過納米TiO2後經過600℃高溫處理的瓷片，瓷片空白菌落數為6250個/mL。瓷片上所塗布原液、複合1#、2#、3#納米TiO2的濃度均為2%。
表4 納米TiO2噴液的殺菌效果測定(瓷片)
噴液樣品
96h存活菌落數/(個·mL-1)
殺菌率/%
稀釋原液1#
2460
60.6±1.1
稀釋原液2#
1925
69.2±0.9
稀釋原液3#
715
88.7±0.6
原液
0
100
注：樣品為塗布過納米TiO2後經過600℃高溫處理的瓷片，瓷片空白菌落數為6250個/mL。瓷片上所塗布原液的納米TiO2的濃度為2%；稀釋原液1#、稀釋原液2#、稀釋原液3#是塗布在瓷片上的原液的納米TiO2的濃度分別被稀釋為0.1%、0.5%、1%。
3 討 論
納米TiO2是基於光催化反應使有機物分解而具有抗菌、抗病毒及淨化效果的超細微TiO2。在水和空氣體系中，在陽光尤其是紫外線的照射下，被激活產生帶負電的電子(e-)和帶正電的空穴(h+)發生系列反應，形成空穴-電子對。這些空穴-電子對與其表面吸附的H2O或OH-和O2作用生成羥基自由基OH·和超氧化物陰離子自由基O2-。新生成的自由基具有很強的化學活性，特別是原子氧能與多數有機物反應(氧化)，因而能有效地分解破壞空氣中多種有毒氣體，當遇到細菌時可直接攻擊細菌的細胞壁、細胞膜或細胞內的組成成分。另外，這些活性氧類還導致DNA鏈中的鹼基之間的磷酸二酯鍵的斷裂，破壞DNA雙螺旋結構，從而破壞微生物細胞的DNA複製而紊亂細胞的代謝。
本試驗納米TiO2噴液以及銀鹽與納米TiO2複合噴液塗在固體表面，在可見光及室溫下對大腸桿菌的殺滅率非常高，其中原液樣的殺菌率達到了100%。納米TiO2噴液在瓷片上表現出的良好滅菌效果表明可以把納米TiO2噴液噴塗到室內的牆壁上，達到消滅和抑制細菌、淨化空氣的效果；納米TiO2複合噴液在瓷片上，經高溫處理後具有殺菌效果，因此這種納米材料將可以在衛生潔具的抗菌發揮重要作用；同時我們也做過耐洗試驗，對塗布過納米TiO2噴液的瓷片洗滌過1000次，之後發現瓷片仍有較好的殺菌效果。塗有納米TiO2噴液的紙片也具有滅菌效果，由於TiO2本身化學性質穩定且對人體和環境無害，因此可以將其應用於商品包裝上，尤其是化妝品、食品包裝上，能有效地抑制和殺滅微生物，並有除臭、防黴、消毒的作用，防止商品由於染菌而被腐蝕。