基于光催化材料的微生物檢測(cè)方法

張華，耶曼，王嵐

（西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司，陜西 西安 710054）

微生物作為生態(tài)環(huán)境中十分重要組成元素，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)十分關(guān)鍵。然而有害微生物會(huì)對(duì)人們生命、健康帶來潛在威脅。假設(shè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有害微生物快速精準(zhǔn)檢測(cè)，便可以實(shí)現(xiàn)從源頭上對(duì)其進(jìn)行控制[1]。目前檢測(cè)方法不能完成在線檢測(cè)同步消除細(xì)菌，一是殘留的細(xì)菌會(huì)富集，干擾儀器測(cè)試精度；二是殘留的細(xì)菌得到快速生長(zhǎng)，產(chǎn)生二次環(huán)境污染。由于光催殺菌技術(shù)具備高效、環(huán)保的特點(diǎn)，且光電轉(zhuǎn)換性能的方式在多領(lǐng)域得到普遍推廣。研制基于光催化材料的微生物檢測(cè)方法對(duì)消除微生物對(duì)人類帶來潛在威脅具備戰(zhàn)略價(jià)值[2-3]。ZnO與BiOX作為常用的兩種光催化材料，可以實(shí)現(xiàn)有效的微生物檢測(cè)功能，ZnO通常呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有良好的傳輸能力，可用于太陽(yáng)能電池、氣體傳感器制作；BiOX呈四方晶系結(jié)構(gòu)，具有良好的可見光吸附能力，與ZnO用途類似。光催化材料受到光照刺激后，生成具有強(qiáng)氧化性的h+（光生空穴），抑制細(xì)菌呼吸從而消滅微生物[4]。

以前普遍使用的有機(jī)錫防污涂料即使能夠起到優(yōu)秀的防治生物污損效果，但存在影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的問題。光催化殺菌技術(shù)具備環(huán)境污染少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[5-7]，慢慢得到大家的注意。即使目前開展了許多半導(dǎo)體光催化殺菌實(shí)驗(yàn)，然而光催化殺菌機(jī)理卻沒有實(shí)現(xiàn)徹底解釋。

1 基于Cds量子點(diǎn)敏化ZnO檢測(cè)法

1.1 原理

該方法針對(duì)SPB檢測(cè)，初始的SPB檢測(cè)是基于硫酸鹽還原菌新陳代謝產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)量，具有時(shí)間長(zhǎng)、無法試試檢測(cè)的缺點(diǎn)，而ZnO光催化材料的應(yīng)用有效地解決了上述問題[8-10]。

1.2 檢測(cè)性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)ZnO光電化學(xué)檢測(cè)性能，同步開展Cd2+、FTO兩種對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，Cd2+測(cè)得光電值1.8 μA·cm-2，F(xiàn)TO測(cè)得光電值2.3 μA·cm-2，ZnO測(cè)得光電值2.6 μA·cm-2。由此可見ZnO測(cè)得光電值最高，表明該材料具有更好的光催化能力[11]。此外還開展E.coil（大腸桿菌）、pesudoaltermonassp（假交替單胞菌）、Bacillus.sp（芽孢桿菌）、S.aureus（金黃色葡萄球菌）以及SRB（硫酸鹽還原菌）5種細(xì)菌的光電流測(cè)試。其中E.coil光電流0.48 μA·cm-2，Pesudoaltermons.sp測(cè)得光電值 0.50 μA·cm-2，Bacilus.sp測(cè)得光電值0.52 μA·cm-2，S.aureus測(cè)得光電值0.58 μA·cm-2，SRB測(cè)得光電值2.6 μA·cm-2?？梢钥闯觯琒RB與其他類型細(xì)菌相比，光電流值較大，說明SRB細(xì)菌對(duì)ZnO敏感。

2 基于功能化Bi2S3/BiOCl檢測(cè)法

2.1 原理

因?yàn)镾RB具有強(qiáng)腐蝕性，會(huì)直接腐蝕金屬，從而對(duì)關(guān)鍵元件產(chǎn)生損害，因此有必要開展針對(duì)SRB的光電檢測(cè)。本次優(yōu)選BiOCl材料，其具有四方晶系，但是其只能吸收紫外線，從而大大限制了該材料的應(yīng)用，而Bi2S3材料可以有效地拓寬可見光吸收范圍，從而有效地解決BiOCl的弊端，兩者的有效組合可以改進(jìn)SRB檢測(cè)精度。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

首先開展SRB培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，分別在不同時(shí)間下，檢測(cè)其光電流的變化。結(jié)果表明，10 h光電流測(cè)得值為0.08 μA，20 h測(cè)得光電流為0.12 μA，30 h測(cè)得光電流為0.16 μA，40 h測(cè)得光電流為0.20 μA，50 h測(cè)得光電流為0.25 μA，60 h測(cè)得光電流為0.27 μA，70 h測(cè)得光電流為0.29 μA，80 h測(cè)得光電流為0.30 μA?？梢钥闯?，50 h之前，SRB生長(zhǎng)速度較快，50 h以后，SRB生長(zhǎng)速度變緩，因此優(yōu)選50 h為SRB最佳培養(yǎng)時(shí)間。

開展不同菌類光電流測(cè)試，結(jié)果SRB光電流實(shí)驗(yàn)值遠(yuǎn)高于其他類型細(xì)菌。

3 基于功能化AgNPs/ZnO檢測(cè)法

3.1 原理

ZnO納米棒陣列因?yàn)榫邆潢嚵械?D結(jié)構(gòu)，具備較大的比表面積，普遍應(yīng)用于光催化領(lǐng)域與分析領(lǐng)域。萬古霉素能夠被用作細(xì)菌的特異性識(shí)別。ZnO第一利用原電池法生長(zhǎng)在FTO外層，在抗壞血酸的作用下富集到ZnO表面，由于萬古霉素具有鑒定革蘭陽(yáng)式細(xì)菌的功能，可以將細(xì)菌吸附到表面。

3.2 材料表征

制備的單根ZnO納米棒表現(xiàn)出六棱柱結(jié)構(gòu)，任意垂直分布在FTO表面，形成納米棒陣列，陣列結(jié)構(gòu)表面純凈。修飾AuNPs后單根棒狀結(jié)構(gòu)仍然具有六棱柱結(jié)構(gòu)，可以清楚地看到大量的小納米顆粒任意分布在ZnO納米棒外層，這證明AgNPs成功地被還原到ZnO納米棒陣列外層且沉積AgNPs不會(huì)影響ZnO的六棱柱結(jié)構(gòu)。

3.3 檢測(cè)性能評(píng)價(jià)

對(duì)萬古霉素的開展優(yōu)化。ΔRct值與萬古霉素濃度呈正相關(guān)。但是，當(dāng)萬古霉素濃度大于1.5 mmol·L-1，ΔRct 值增加速度減緩，這表明電極外層固定的萬古霉素的數(shù)量達(dá)到飽和。從成本角度考慮，優(yōu)選濃度1.5 mmol·L-1的萬古霉素。

ΔRct值與反應(yīng)時(shí)間呈正相關(guān)，這表明電極外層的細(xì)菌俘虜?shù)臄?shù)量會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。但是，當(dāng)時(shí)間大于50 min后，ΔRct值增加速度減緩，甚至出現(xiàn)靜止不變情況，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為50 min時(shí)，捕捉細(xì)菌總數(shù)趨近飽和，所以優(yōu)選50 min作為最佳反應(yīng)時(shí)間。

3.4 細(xì)菌清除和細(xì)菌殺滅性能評(píng)價(jià)

當(dāng)S.aureus Ntotal的平均值為1 000 cfu·mL-1時(shí)，Nrest平均值接近480 cfu·mL-1；當(dāng)S.aureus Ntotal的平均值為2 000 cfu·mL-1時(shí)，Nrest平均值接近1 010 cfu·mL-1。通過相關(guān)計(jì)算可以求取效率分別為52%、49%。其數(shù)值（圖1中的紅色柱體）幾乎是對(duì)照試驗(yàn)組的5倍（圖1中的綠色和藍(lán)色柱體），實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明所研制的多功能微生物檢測(cè)方法對(duì)Saureus具備明顯的捕獲清除效果。

圖1 清楚效率

4 基于功能化的AuNPs/BiOI檢測(cè)法

4.1 原理

BiOI能夠用來消除細(xì)菌，降解污染物，并制造光電化學(xué)傳感平臺(tái)。納米金（AuNPs）具有物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特性，可以與巰基基團(tuán)結(jié)合形成Au—S共價(jià)鍵，其穩(wěn)定的性能有助于納米金在微生物檢測(cè)領(lǐng)域推廣。此外光電與光催化行業(yè)，由于納米金可以增強(qiáng)光電傳感的信號(hào)強(qiáng)度或者有助于提高光催化活性，同樣得到重視。

4.2 薄膜表征

除基底峰外，其他衍射峰與四方晶體結(jié)構(gòu)BiOI具有強(qiáng)匹配性，表明所制備的樣品為四方相BiOI。此外BiOI薄膜中除基底峰與BiOI峰外，無其他雜峰出現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)表明所產(chǎn)生的BiOI薄膜質(zhì)地純凈。

4.3 細(xì)菌檢測(cè)

通過熒光顯微鏡表征該方法的俘獲性能，通過觀察可以得出，不含有捕獲單平臺(tái)的熒光顯微鏡圖像中幾乎沒有細(xì)菌。這表明如果無捕獲要素，細(xì)菌很難被吸附到電極上；但含有捕獲要素的平臺(tái)，顯微現(xiàn)象與不含有捕獲平臺(tái)的正好相反，可以清晰觀察到平臺(tái)外層附近大量細(xì)菌。兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比說明巰基苯硼酸具有高效的細(xì)菌吸附能力，也說明了該平臺(tái)的可使用性。

光催化抗菌活性在可見光照射條件下，單體BiOI光催化材料的抗菌率得到極大提升，從而證明BiOI薄膜具備卓越的光催化殺菌活性，PEC平臺(tái)具備光催化抗菌活性，抗菌效率高達(dá)99.99%，在其相應(yīng)的培養(yǎng)皿中觀察不到菌落，進(jìn)一步說明功能化的AuNPs/BiOI光催化材料具備高效的光催化殺菌能力。分析表明，功能化BiO薄膜具備高效殺菌效率歸因于AuNPs可增強(qiáng)光吸收和促進(jìn)光生電子空穴對(duì)的分離。

5 結(jié) 論

以萬古霉素作為捕獲要素和協(xié)同抗菌要素、AgNPs 鏈接要素和抗菌要素、ZnO 納米棒陣列作為基底電極組建具有殺菌和清除細(xì)菌的多功能電化學(xué)微生物檢測(cè)方法。該方法可有效地對(duì) Saureus 的靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限為330 cfu·mL-1。利用萬古霉素與細(xì)菌較強(qiáng)的結(jié)合作用以及其與AgNPs的抗菌作用，該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度細(xì)菌的高效清除（52.1%和49.7%）以及高濃度細(xì)菌的高效殺滅（99.99%）。以巰基苯硼酸作為捕獲要素、AuNPs 作為鏈接要素、BiOI半導(dǎo)體薄膜作為光電轉(zhuǎn)換要素和光催化殺菌要素構(gòu)建了具備殺菌功能的光電化學(xué)微生物檢測(cè)方法。