SnO2/MoO3-x的制備及其抗菌性能研究

張含新，王公管，徐孝文

（蘇州科技大學(xué)化學(xué)生物與材料工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

霉菌污染是人類生命健康安全的潛在威脅，抑制或消除有害霉菌污染是一個(gè)重要課題。使用季銨鹽、胍類等有機(jī)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行消毒對(duì)環(huán)境并不友好[1]，且長期使用可能會(huì)使霉菌產(chǎn)生耐受性[2]。因此，開發(fā)對(duì)自然環(huán)境較少負(fù)面影響的抗菌劑變得更加重要[3-4]。

目前，無機(jī)抗菌材料主要有基于重金屬離子（如Ag+）溶出機(jī)制的抗菌材料和半導(dǎo)體抗菌材料兩大類[5-7]。其中，半導(dǎo)體抗菌材料在光照下能產(chǎn)生具有抗菌效果的活性氧簇，這些具有極強(qiáng)氧化能力的活性氧簇不僅能夠與構(gòu)成細(xì)菌的有機(jī)物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)殺死細(xì)菌，而且能直接降解細(xì)菌死亡后的殘骸，因而在抗菌效果上遠(yuǎn)強(qiáng)于含Ag+的無機(jī)抗菌材料，所以更具有作為抗菌涂層的應(yīng)用潛力[8-9]。Arfaoui等人[10]通過熱蒸發(fā)技術(shù)：首先，將SnO2粉末熱沉積在玻璃襯底上；然后，用同樣的方法將WoO3粉末沉積在SnO2膜上；最終，獲得了雙層薄膜抗菌材料SnO2/WoO3。SnO2/WoO3顯示出4.3%的綠膿桿菌殘余存活率，Arfaoui認(rèn)為抗菌性應(yīng)歸功于抗菌材料較高的表面粗糙度。此外，Magesan[11]向MoO3納米顆粒懸浮液中加入20 mL乙醇和3 mL吐溫-80，并將3 mL鈦酸四異丙酯和10 mL異丙醇的混合物滴入懸浮液中，繼續(xù)攪拌2 h獲得凝膠，在120℃下干燥6 h，500℃下煅燒3 h，得到MoO3-TiO2復(fù)合材料。在不添加MoO3的情況下可采用類似的方法制備TiO2。在250、500、750、1 000μg的抗菌劑加入量下，采用井?dāng)U散法對(duì)大腸桿菌進(jìn)行了抗菌試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MoO3-TiO2在濃度為750和1 000μg時(shí)，開始出現(xiàn)大腸桿菌的繁殖抑制區(qū)，而TiO2在任意濃度下均不存在抑制區(qū)域，因而MoO3-TiO2相較TiO2具有更強(qiáng)的抗菌性能，并且甲基橙降解實(shí)驗(yàn)也證明MoO3-TiO2較TiO2具有更好的光催化性。

該文用溶膠-凝膠法，將SnO2與MoO3-x復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，得到了三明治特殊結(jié)構(gòu)的SnO2/MoO3-x，將氧空穴引入到SnO2/MoO3-x中，在近紅外區(qū)產(chǎn)生表面等離子體共振（SPR，surface plasmon resonance），生成相應(yīng)的活性氧自由基（ROS，reactive oxygen species），從而達(dá)到抗菌效果[12]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 SnO2/MoO3-x的制備

將SnCl2（1×10-2mol）溶解在20 mL的鹽酸溶液（1 M）中，并將2.86×10-3mol的（NH4）6Mo7O24溶液，滴加到SnCl2溶液中。通過滴加NaOH溶液（2 M）將溶液的pH值調(diào)節(jié)至3.0附近。將溶膠過濾后，用去離子水洗滌，去除NH4+、Na+和Cl-。凝膠前驅(qū)體在120℃下烘干2 h，并在450℃下煅燒2.5 h，最后冷卻至常溫，即可獲得SnO2/MoO3-x。

SnO2可通過相同的方法制備；MoO3可于450℃下直接煅燒鉬酸銨制備。

1.2 SnO2/MoO3-x的表征

采用Bruker生產(chǎn)的X-射線粉末衍射儀（XRD）在5-80°的范圍內(nèi)，對(duì)制備產(chǎn)物的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。采用透射電子顯微鏡（TEM）研究了樣品形貌，電子束加速電壓為200 kV（JEOL JEM-3930EX）。采用Thermo Fisher Scientific生產(chǎn)的X射線光電子能譜（ESCALAB 250Ⅺ）分析了樣品表面的元素種類、價(jià)態(tài)和相對(duì)含量。以BaSO4為參比，采用Hitachi生產(chǎn)的紫外-可見-近紅外光譜儀（U-3010），獲得了樣品的漫反射光譜（DRS）。

1.3 抗菌性能測(cè)試

稱取0.001 g的硫酸亞鐵、0.05 g的氯化鉀、0.05 g的硫酸鈉、0.05 g的磷酸氫二鈉、0.1 g的硝酸鉀，并溶解在100 mL的去離子水中。將2 g的可溶性淀粉加入到前述的溶液中，形成乳白色的懸濁液。加熱煮沸上述懸濁液，并加入2 g的瓊脂粉，最后加入0.2 g的抗菌材料SnO2/MoO3-x，攪拌均勻后冷卻備用，即可制得摻有抗菌活性組分的培養(yǎng)基。

同樣的方法，可通過不添加SnO2/MoO3-x從而制備空白的培養(yǎng)基用以充當(dāng)抗菌實(shí)驗(yàn)的空白對(duì)照組。將空白的以及摻有抗菌劑的培養(yǎng)基編好序號(hào)后先暴露在空氣中，接收空氣中霉菌孢子作為菌種，然后放入密閉的恒溫、恒壓容器內(nèi)。在培養(yǎng)基上方20 cm處放置25 W的鎢絲燈以模擬可見光照射；此外，可通過暗室實(shí)現(xiàn)抗菌試驗(yàn)所需的無光照條件。每隔固定時(shí)間（1 d）檢查培養(yǎng)基表面的霉菌繁殖情況，并用照相機(jī)拍照。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 XRD譜圖

SnO2、MoO3和復(fù)合抗菌材料SnO2/MoO3-x的XRD譜圖如圖1所示。在SnO2/MoO3-x的衍射譜圖中，2θ為12.68°、23.32°、27.30°以及33.76°所對(duì)應(yīng)的峰位可分別歸屬于MoO3晶系的（0 2 0）、（1 1 0）、（0 2 1）和（1 1 1）晶面。另外，復(fù)合材料SnO2/MoO3-x中明顯存在著三個(gè)寬泛的峰，可分別對(duì)應(yīng)于SnO2四方晶系的（1 1 0）、（1 0 1）和（2 1 1）晶面。這些拓寬的峰也表明了納米級(jí)的SnO2顆粒被成功合成了。根據(jù)謝樂公式得出SnO2顆粒的粒徑約為15 nm。這極有可能是在前驅(qū)物合成過程中，大量的MoO42-由于異種電荷的庫倫吸引作用而團(tuán)聚在Sn2+的周圍，從而抑制了SnO2的長大。

圖1 SnO2、MoO3、SnO2/MoO3-x的XRD譜圖

2.2 TEM圖

圖2為透射電鏡圖。其中圖2（a）、圖2（b）為SnO2/MoO3-x的低分辨透射電鏡圖，圖2(c）、圖2(d）為MoO3-x和SnO2的高分辨透射電鏡圖。圖2（a）是一個(gè)典型的具有三明治形貌的SnO2/MoO3-x的透射電子顯微鏡照片。從透射電鏡中可以清楚的看到，在大塊的層狀結(jié)構(gòu)中存在著一些暗點(diǎn)，這些暗點(diǎn)是嵌入在MoO3-x納米片層之間的SnO2納米顆粒。用超聲波將三明治形貌的SnO2/MoO3-x在水相中充分分散30 min，可以看到MoO3-x片層完全的剝落下來，小的黑點(diǎn)則是SnO2微粒（如圖2（b）所示）。將圖2（a）進(jìn)一步放大，在圖2（c）中可清楚看到完整的MoO3-x納米片，并且大片的MoO3-x層排列平坦且規(guī)整，晶格條紋清晰，晶體結(jié)構(gòu)保存完好；圖2（d）的高分辨率TEM圖像則顯示出SnO2納米粒子的晶格條紋之間的間距為0.335 nm，對(duì)應(yīng)著SnO2的（1 1 0）晶面，這與XRD的表征結(jié)果相吻合。通常正交晶系MoO3由許多高度扭曲的MoO6八面體組成，MoO6八面體通過在（0 0 1）與（1 0 0）方向上的角共享邊緣而連接，從而形成MoO6八面體層，MoO6八面體層交錯(cuò)排列堆疊，每個(gè)氧化鉬層之間只通過沿（0 1 0）方向的弱范德華吸引力結(jié)合在一起，從而形成了層狀的三氧化鉬[13]。此外，從能量的觀點(diǎn)來看，在（0 0 1）方向上釋放的結(jié)合能遠(yuǎn)高于在（1 0 0）方向上釋放的結(jié)合能，沿（0 0 1）晶體軸的平面生長速率大于（1 0 0）方向，因此，沿著（0 0 1）方向的晶體生長更加有利，這也是MoO3-x最終呈現(xiàn)出片狀形貌的重要原因[13]。

圖2 透射電鏡圖

2.3 XPS光譜圖

圖3為SnO2/MoO3-x的XPS光譜。其中圖3（a）為全譜，圖3（b）為Sn3d軌道，圖3（c）為Mo3d軌道，圖3（d）為O1s軌道。

圖3 SnO2/MoO3-x的XPS光譜

從圖3（a）的全譜掃描上可見，制備的復(fù)合金屬氧化物僅含有Sn、Mo、O元素，產(chǎn)品純度很高（元素C的存在是由碳材料基底引起的）。Sn的高分辨譜圖（圖3（b））顯示，元素Sn主要的化學(xué)存在價(jià)態(tài)為Sn（Ⅳ），幾乎不存在Sn（Ⅱ）。Sn4+的3d5/2和3d3/2結(jié)合能分別為486.8 eV和495.2 eV，與標(biāo)準(zhǔn)值Sn4+的3d5/2和3d3/2結(jié)合能487 eV、495.4 eV相接近[14]。在圖3（c）中，Mo的高分辨譜圖顯示，Mo主要為Mo（Ⅴ）和Mo（Ⅵ），且相對(duì)的元素含量分別為90.66%和9.34%。233.0、236.2、234.9、231.4 eV可分別對(duì)應(yīng)Mo（Ⅵ）3d5/2、Mo（Ⅵ）3d3/2、Mo（Ⅴ）3d3/2、Mo（Ⅴ）3d5/2的結(jié)合能[15]。在O的高分辨譜圖（圖3（d））中，530.8、535.0 eV可分別對(duì)應(yīng)O1s和吸附氧的結(jié)合能[16-17]。此外，99.87%的O是以晶格氧的形式存在，只有0.13%的O以吸附氧的形式存在。

2.4 UV-vis DRS

圖4為SnO2、MoO3、SnO2/MoO3-x的紫外-可見漫反射譜圖。

圖4顯示了SnO2、MoO3、SnO2/MoO3-x樣品的UV-vis吸收光譜。在圖4中，SnO2和MoO3在400-800 nm范圍內(nèi)沒有明顯的可見光吸收，但是SnO2/MoO3-x卻在可見光區(qū)表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的吸收效應(yīng)。此外，從樣品的照片來看，抗菌材料SnO2/MoO3-x（藍(lán)黑色）比SnO2（黃色）和MoO3（灰白色）具有更暗的顏色，這種顏色的差異也直接表明了SnO2/MoO3-x強(qiáng)烈的可見光吸收能力。

圖4 SnO2、MoO3、SnO2/MoO3-x的紫外-可見漫反射譜圖

2.5 抗菌性能分析

圖5為抗菌實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)基照片。

圖5 抗菌實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)基照片

在為期近1個(gè)月的抗菌實(shí)驗(yàn)中，選取了培養(yǎng)基表面有顯著變化的四組照片來闡述SnO2/MoO3-x的抗菌效果（分別取自第1、10、14和22天）。從圖5可以看出，在第10天時(shí)，無光照下的空白培養(yǎng)基開始出現(xiàn)少量的菌斑點(diǎn)，與此對(duì)應(yīng)的第10天、有光照下的空白培養(yǎng)基則未出現(xiàn)菌斑，這可能與有光照環(huán)境下存在少量的有滅菌能力的紫外線有關(guān)；并且在第10天摻有抗菌劑的培養(yǎng)基無論是處于有光照還是無光照的條件下，都沒有明顯的霉菌繁衍效果。當(dāng)抗菌實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第14天時(shí)，在空白對(duì)照組上出現(xiàn)了明顯的菌斑，而加了抗菌材料SnO2/MoO3-x的培養(yǎng)基依舊沒有菌斑的出現(xiàn)。筆者認(rèn)為，這應(yīng)該是抗菌材料SnO2/MoO3-x的光催化抗菌效果已經(jīng)顯現(xiàn)出來了。在此后的實(shí)驗(yàn)中（第22天），進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，空白對(duì)照組的菌斑的生長區(qū)域范圍再次擴(kuò)大了，甚至長滿了整個(gè)培養(yǎng)基表面；但是在摻有抗菌材料SnO2/MoO3-x的培養(yǎng)器皿內(nèi)，依舊沒看到明顯的菌斑。SnO2/MoO3-x在有光條件下有著較強(qiáng)的抗菌能力，并且這種能力與光催化作用和活性氧簇的生成密切相關(guān)。

與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在無光環(huán)境下，加有抗菌劑SnO2/MoO3-x的培養(yǎng)基也沒有觀察到任何菌斑。筆者嘗試用另外一種殺菌機(jī)制，即重金屬離子的溶出機(jī)制也無法解釋。Kotsedi等人報(bào)道含有氧空穴的MoO3在800-1 000 nm的近紅外（NIR，near infrared）波長范圍內(nèi)存在顯著的光吸收強(qiáng)度增加的現(xiàn)象，并且Kotsedi認(rèn)為這種增強(qiáng)現(xiàn)象是由于等離子體共振作用引起的[18]。此報(bào)道也與筆者制備的SnO2/MoO3-x的光吸收性能時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致：SnO2/MoO3-x存在近紅外光區(qū)的吸收增強(qiáng)現(xiàn)象（如圖4所示）。此外Wang等人發(fā)現(xiàn)，MoO3-x的典型SPR-NIR吸收是由于Mo（Ⅴ）和Mo（Ⅵ）之間的電荷轉(zhuǎn)移所致，并且維生素C存在下的俘獲實(shí)驗(yàn)證明了MoO3-x在NIR光區(qū)的ROS誘導(dǎo)光動(dòng)力學(xué)效應(yīng)是細(xì)胞死亡增加的重要原因[12]。

因此，筆者認(rèn)為，這種無光照下的抗菌性能既不基于光催化作用，也不基于重金屬離子的溶出殺菌，而是可能基于三氧化鉬的獨(dú)特性質(zhì)-表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）引起的抗菌結(jié)果。當(dāng)處于近紅外光區(qū)的外界光電子流打在MoO3-x表面上時(shí)，與MoO3-x表面的等離子波會(huì)發(fā)生共振作用而引起能量從光電子轉(zhuǎn)移到MoO3-x的表面等離子。在此過程中，入射光電子流的大部分能量會(huì)被表面等離子吸收，吸收的能量會(huì)以晶胞內(nèi)部晶格振動(dòng)的形式將能量傳遞開來，這一部分能量將從光電子流共振傳遞至MoO3-x表面的自由電子。獲得能量的自由電子則會(huì)迅速將能量注入到MoO3-x的表面吸附氧中，并生成相應(yīng)的活性氧自由基[12，18]，從而實(shí)現(xiàn)抗菌作用。

3 結(jié)語

以二氯化錫和鉬酸銨為原料，通過溶膠-凝膠法于450℃下焙燒獲得了具有三明治結(jié)構(gòu)的新型抗菌材料SnO2/MoO3-x，并系統(tǒng)研究了SnO2/MoO3-x在無光照和有光照環(huán)境下的抗菌行為，發(fā)現(xiàn)在近1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)SnO2/MoO3-x依舊保持強(qiáng)烈的抗菌效果。此外，筆者結(jié)合三氧化鉬的表面等離子體共振性質(zhì)較好的解釋了SnO2/MoO3-x在無光環(huán)境下的抗菌性能。