TiO2光催化杀菌机理及应用研究进展

５０５０科学技术与工程９卷

光生电子（ｅ一）和光生空穴（ｈ＋），光生空穴与催化剂表面吸附的Ｈ：Ｏ或ＯＨ一反应生成强氧化性的羟基自由基?ＯＨ，光生电子与氧分子反应生成超氧离子自由基ｏｉ，进一步生成羟基自由基?ＯＨ和Ｈ：Ｏ：等活性氧类［２１－２３１。这些活性氧通过氧化细菌体内的辅酶Ａ，破坏细菌的细胞壁（膜）的渗透性和ＤＮＡ的结构，使电子传输中断等来发挥光催化抗菌作用ⅢＪ，如图１所示。ＴｉＯ：光催化杀菌是?ＯＨ和其它活性氧类物质（?Ｏｆ，?ＯＯＨ，Ｈ：０：）共同作用的结果ⅢＪ。综合国内外相关研究结果，ＴｉＯ。的光催化杀菌机理主要以辅酶Ａ氧化机理、细胞壁（膜）破坏机理和遗传物质破坏机理为主。

在ＴｉＯ：粉末悬浮液杀灭大肠杆菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）实验中汹］，细胞内的辅酶Ａ被氧化成二聚体辅酶Ａ，使细胞呼吸作用衰退引起菌体死亡。如图２所示，随光照时间增长，大肠杆菌中辅酶Ａ的含量下降，二聚体辅酶Ａ的含量上升。光生空穴通过从辅酶Ａ接受一个电子直接参与了辅酶Ａ的氧化反应，使辅酶Ａ通过双硫键键合为二聚体辅酶Ａ，由于辅酶Ａ参与细胞呼吸过程的许多酶反应，细胞内辅酶Ａ的氧化抑制了生物细胞的呼吸作用并造成了微生物的杀灭。

图】纳米材料抗菌活性机制

图２辅酶Ａ和二聚体辅酶Ａ的浓度随时间的变化曲线１．１辅酶Ａ氧化

微生物细胞是由Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ等基本元素通过化学键组合形成的有机体。活性基团氧化有机物质（如脂蛋白或核酸）的能力取决于它的标准氧化势能。而ＴｉＯ：经光照产生的?ＯＨ的最高氧化势能为２．７０Ｖ，如表１所示。比０３（Ｅｏ＝２．０７Ｖ）还高３０％，能够将细菌完全矿化。

表１微生物细胞及其部分细胞组成

成分的氧化还原势（坩．ＳＣＥｐＨ７）

微生物细胞浓度．氧鸶还原驾胞组浓度／．，氧化还／ｃｅｌｌ?Ｌ－１电势／Ｖ成成分ｍｏｌ?Ｌ－１原电势／Ｖ

注：细胞经超声处理，其中含３．６ｘ１０６ｍＬ，Ｌ的辅酶Ａ。‘表示超声处理的细胞。１．２细胞壁（膜）破坏

微生物的细胞壁和细胞膜的一个重要特性就是其半透性，这一特性确保微生物有选择性地允许物质出入细胞，以保证细胞正常代谢的进行。Ｓａｉｔｏ等旧１认为，纳米ＴｉＯ：光催化杀菌是由钾离子的“快速泄漏”导致细胞渗透性紊乱，细胞壁降解，进而杀灭细菌细胞。对大肠杆菌细胞及其原生质体进行光催化灭活，发现ｕＶ照射１ｄ后细胞外膜破坏，６ｄ后由于ＴｉＯ：的强氧化作用细菌细胞被完全降解汹】，如图３所示。整个杀菌过程分两步进行，首先是光催化产生的活性氧类攻击Ｅｃｏｌｉ的细胞壁，该过程速度较慢，迸一步攻击细胞质膜，致使各自的半渗透性丧失，且细胞质膜的破坏导致了细胞内大分子颗粒的泄漏，最终使细胞失活。曾炽涛等旧Ｊ研究了负载型ＴｉＯ：／玻璃弹簧对大肠杆菌的杀菌效

１７期张慧书，等：ＴｉＯ：光催化杀菌机理及应用研究进展５０５１

果，发现在光照的前１５ｒａｉｎ存在一个杀菌诱导期，在此期间杀菌速度缓慢，１５ｒａｉｎ后杀菌速率明显变快。说明大肠杆菌的细胞壁对光杀菌过程起阻碍作用。在进一步光照后。细胞壁成分的改变表明细胞壁外层对杀菌起阻碍作用，而肽聚糖层却没有此作用。细胞壁外层的降解引发了光杀菌反应，接下来是细胞质膜的紊乱，最终菌体死亡。

图３Ｅ．ｃｏｌｉ在Ｔｉ０２薄膜上的ＡＦＭ图：

（ａ）无光照（ｂ）光照一天（ｃ）光照六天

１．３遗传物质破坏

Ｄｕｎｆｏｒｄ等ｍ１研究表明，光照Ｔｉ０２产生的?ＯＨ对ＤＮＡ双链有直接破坏作用。在细胞内溶物中加入１％的ＴｉＯ：，用主波长为３６５ｎｍ的Ｈｇ／ｘｅ灯（１０００Ｗ）照射６０ｒａｉｎ，ＤＮＡ双链由超卷曲结构逐渐转变为松散结构并最终完全变为直线型，加入二甲基氧化硫或甘露醇等自由基清除剂时，这种破坏作用则消失。加入超氧化物歧化酶（ＳＯＤ）时，ＴｉＯ：对人体癌细胞Ｔ２４的杀灭率显著提高。实验表明，?ＯＨ或Ｈ：Ｏ：导致ＤＮＡ链中的碱基之间的磷酸二酯键的断裂，引起ＤＮＡ分子断裂，进而破坏其双螺旋结构，细胞的ＤＮＡ复制及细胞膜的代谢也被破坏口１１。如式１所示：

ＤＮＡ＋?ＯＨ——斗ＨＯ．ＤＮＡ

?０２?Ｈ，Ｏ

——‘ＨＯ－ＤＮＡ—ＯＯ——————－ＨＯ—ＤＮＡ—ＯＯＨ（１）ＤＮＡ的双螺旋结构是由一个脱氧核糖、一个含氮碱基和一个磷酸三部分组成的两条主链，并通过含氮碱基互相连接而成‘３２１。Ｈｉｄａｋａ掣３３１直接把ＤＮＡ中的嘌呤和嘧啶碱基和ＴｉＯ：混和，用１００Ｗ汞灯照射，发现有ＮＯｒ和ＮＨ４＋离子基团生成，在上述条件下对ＤＮＡ直接作用，发现了磷酸盐和ＣＯ：的生成。ＮＯ；和ＮＨ；的生成说明双链的连接已被破坏，而磷酸盐和ＣＯ，的生成表明ＤＮＡ的主链骨架也被破坏。ＬｅｅＳ等Ⅲ】通过对噬菌体光催化作用的研究发现，光催化作用形成的?ＯＨ可以改变蛋白质衣壳，破坏病毒颗粒的ＲＮＡ。

１．４大肠杆菌的光催化杀菌过程

大肠杆菌为革兰氏阴性短杆菌，其细胞结构主要由脂多糖、磷脂和肽聚糖等构成。细胞壁能够维持细胞形状、防止渗透，细胞壁内侧的质膜是新陈代谢的重要中心，介于细胞壁和质膜中间的周质间隔含有一些酶和蛋白质，能缓冲和抵御外来物。ＴｉＯ：光催化灭活大肠杆菌的主要过程如下【３５瑚’：（１）光催化初期，大肠杆菌细胞壁首先断裂、破损，有少量溶液深入周质间隔，如图４（ｂ）。

（２）大肠杆菌质膜断裂、破损，周质间隔膨胀。ＴｉＯ：聚合物粒子嵌入菌体。聚合物的嵌入，说明大肠杆菌细胞壁和质膜已经丧失维持渗透、抵御异物入侵的能力，如图４（ｃ）。

（３）细胞壁皱缩、断裂，质膜破损、溶解，周质间隔膨胀，细胞变形；类核区消失，细胞质和染色体凝聚。

（４）大肠杆菌外壁皱缩，严重破损，质膜溶解，细胞质凝聚，类核区解体，丝状染色质消失，菌体空化、死亡。

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Ｌ细胞质膜一

一（ａ）（ｂ）

（ｃ）

５０５２科学技术与工程９卷

２光催化杀菌应用

２．１抗菌涂料

将纳米ＴｉＯ：添加到涂料中利用其特殊的光催化作用，不仅提高了涂料的理化性能，还赋予了净化空气、杀菌抑菌等功能。

徐瑞芬等∞７１将自制的纳米ＴｉＯ：加入苯一丙乳液中制成抗菌涂料，发现该涂料对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢的杀菌率均在９９％以上。由于ＴｉＯ：比表面积大，表面能高，易于团聚，极大地影响了其光催化活性，降低在实际应用中的催化效果。许莹［３引将纳米ＴｉＯ：杀菌涂料涂于水泥片上制成涂层，考察对大肠杆菌的灭活情况，发现２４ｈ后ＴｉＯ：含量在２０．３％以上的杀菌涂层可完全杀灭大肠杆菌。将含ＴｉＯ：的氟树脂涂料涂覆于天棚材料陋Ｊ，纳米ＴｉＯ：的光催化作用能分解油分和尘埃等，在降雨时容易被冲刷掉。为改善ＴｉＯ：分散性能进行表面包覆保护膜ｍ’４１１。刘永屏等№１通过高搅水溶液沉积干燥法在ＴｉＯ：表面沉积Ａｌ：Ｏ，和Ｓｉ０２无机保护膜，经ＴＥＭ分析ＴｉＯ：在涂料中以纳米尺寸分散。改性后的抗菌涂料对室内污染气体的净化效率达９０％以上，对大肠杆菌的杀菌率达９９％以上。目前ＴｉＯ：在涂料制备过程中已得到实际应用，如日本的石原产业（株式会社）已成功开发出“ｓＴ—Ｋ系列”纳米ＴｉＯ：光催化涂料。

２．２抗菌陶瓷

以普通釉面陶瓷为载体，通过溶胶凝胶法在表面负载ＴｉＯ：膜旧Ｊ。负载膜的横断面及表面的ＳＥＭ照片如图５所示，催化剂膜的膜厚度均匀、表面平整，表面颗粒的粒径约在２０一１００ｎｍ之间。并进行了甲醛模拟废水和实际生活污水进行自洁和杀菌实验。在４Ｗ汞灯和太阳光下对甲醛的降解率分别在８０％和５０％以上。实际生活污水在ＴｉＯ，／陶瓷作用下，以４ｗ汞灯和太阳光为光源的杀菌率均在９９％以上。杨驰等㈣１将ＴｉＯ：光催化剂按一定配比加入陶瓷釉浆中，在９００℃下烧结制得抗菌陶瓷。其釉面不易脱落，抗菌、自清洁性能持久。当ｍ釉料：ｍ∞ｏ，＝１００：５．３４时，制得的抗菌陶瓷抗菌圈的直径最大，抗菌性能最好。适当的添加一定量的Ａｇ可有助于提高光催化速率及抗菌性能。将ＴｉＯ：和具有抗菌作用的银、铜类化合物通过适当配比，加入到瓷砖的原料和釉料中∽５＇硒１。ＴｉＯ：经光照产生的光生电子可以将银、铜离子还原，这样在暗环境下析出的银或铜金属即可发挥其抗菌作用，使细菌、霉菌、有机物等分解，变为无毒气体。由此可将ＴｉＯ，与银、铜等离子复合发挥相互补充的抗菌作用，这种瓷砖对大肠杆菌、绿脓菌、化脓菌和黄色葡萄球菌具有明显的杀菌功能。

（ａ）横断面（ｂ）表面

图５ＴｉＯ：膜表面和横断面的ＳＥＭ图

２．３抗菌塑料

纳米ＴｉＯ：粉末与树脂高分子材料掺混可以制备成抗菌塑料，在净化环境方面具有广泛的应用前景。

采用抗菌母粒法在聚乙烯（ＰＥ）中加入纳米Ｔｉ０２制备纳米ＴｉＯ：改性ＰＥ膜㈣制，并进行了抗菌性能测试。发现纳米ＴｉＯ：在ＰＥ膜中均匀分布，二者相容性较好［４９】。改性后的ＰＥ膜对枯草芽孢，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率均达９７％以上，还可以分解杀菌产生的内毒素‘５０。５３ｌ。ＴｉＯ：的改性增强了ＰＥ膜的抗老化、抗变色性，起到增韧的作用啤’５引，且杀菌不受光源限制。将上述ＰＥ膜用于食品、蔬菜、水果的保鲜，保鲜期延长３倍。高俊刚等懈３研究了纳米Ｔｉ０２与普通ＴｉＯ：改性聚丙烯（ＰＰ）的效果。发现加入ＴｉＯ：后复合材料的表观粘度增大，加工温度范围变宽。纳米ＴｉＯ：的增韧效果优于普通ＴｉＯ：。且具有较好的抗菌效果。

２．４抗菌织物

纺织品是微生物生长的良好介质，为此具有抗

科学技术与工程９卷Ｅ．ｃｏｌｉ

图７ｕＶ照射ＴｉＯ：／ＧＡＣ杀菌模式示意图

光照射的杀菌效果（光氧化过程），发现４ｈ后光催化过程的杀菌率为９８．３％，而光氧化过程的杀菌率仅为２３．４％［例。分析原因主要是由于活性炭的强吸附性能与ＴｉＯ：的光催化性能共同作用的结果。

图８不同过程的杀菌效果比较

通过测定负载型Ｔｉ０２／ＡＣ、Ｔｉ０２粉末和ＡＣ载体对Ｅｃｏｌｉ吸附性能的研究，发现ＴｉＯ：表面上的大肠杆菌数量明显少于活性炭。从图９可看出，在Ｔｉ０２／ＡＣ表面分布有一层纳米ＴｉＯ：颗粒，负载型催化剂的物理吸附和化学吸附性能均强于纯ＡＣ［舯】，导致其表面的细菌数比活性炭载体还要多，这种分布形态有利于提高ＴｉＯ，／ＡＣ的灭菌性能。

（ｃ）ＴｉＯＪＡＣ

图９吸附在髓０２、活性炭和Ｔｊ０２／ＡＣ

表面Ｅｃｏｌｉ的ＳＥＭ形态

三结束语

一，１＿．，－’ｒＨ

ＴｉＯ：光催化杀菌安全、无毒、并且杀菌具有彻底性。但是ＴｉＯ：悬浮体系存在易团聚、回收困难等问题，使ＴｉＯ：的固定化技术备受关注。吸附剂ＡＣ与ＴｉＯ：联用技术在处理环境污染物中发挥重要作

用。但由于ＴｉＯ：／ＡＣ负载型催化剂光响应范围较窄，对日光的利用率有限。而且ＴｉＯ：／ＡＣ光催化杀

菌效应缺乏选择性。因此如何拓展ＴｉＯ：／ＡＣ的光

响应范围并提高其对细菌的选择性杀灭，将是我们未来工作所必须加以考虑的。

参考文献

ｌ魏秋华．抗菌剂的研究进展．中国消毒学杂志，２００３；２０（１）：３ｌ叫

２李炜罡，吕维平，王海滨，等．抗菌材料进展．化工新型材料．

２００３；３１（３）：７一ｌＯ

３李梅，王庆瑞．抗菌材料的发展及其应用．化工新型材料，

１９９８；２６（５）：８一１１

４商成杰，邹承淑，张洪杰．国内外织物抗菌卫生整理的进展．印染助剂，２００３；２０（５）：１—

５谢瑜。张昌辉，徐旋．有机硅季按盐抗菌剂的研究进展，中