张含新，王公管，徐孝文

（苏州科技大学化学生物与材料工程学院，江苏苏州215009）

霉菌污染是人类生命健康安全的潜在威胁，抑制或消除有害霉菌污染是一个重要课题。使用季铵盐、胍类等有机化学物质进行消毒对环境并不友好[1]，且长期使用可能会使霉菌产生耐受性[2]。因此，开发对自然环境较少负面影响的抗菌剂变得更加重要[3-4]。

目前，无机抗菌材料主要有基于重金属离子（如Ag+）溶出机制的抗菌材料和半导体抗菌材料两大类[5-7]。其中，半导体抗菌材料在光照下能产生具有抗菌效果的活性氧簇，这些具有极强氧化能力的活性氧簇不仅能够与构成细菌的有机物质发生氧化还原反应杀死细菌，而且能直接降解细菌死亡后的残骸，因而在抗菌效果上远强于含Ag+的无机抗菌材料，所以更具有作为抗菌涂层的应用潜力[8-9]。Arfaoui等人[10]通过热蒸发技术：首先，将SnO2粉末热沉积在玻璃衬底上；然后，用同样的方法将WoO3粉末沉积在SnO2膜上；最终，获得了双层薄膜抗菌材料SnO2/WoO3。SnO2/WoO3显示出4.3%的绿脓杆菌残余存活率，Arfaoui认为抗菌性应归功于抗菌材料较高的表面粗糙度。此外，Magesan[11]向MoO3纳米颗粒悬浮液中加入20 mL乙醇和3 mL吐温-80，并将3 mL钛酸四异丙酯和10 mL异丙醇的混合物滴入悬浮液中，继续搅拌2 h获得凝胶，在120℃下干燥6 h，500℃下煅烧3 h，得到MoO3-TiO2复合材料。在不添加MoO3的情况下可采用类似的方法制备TiO2。在250、500、750、1 000μg的抗菌剂加入量下，采用井扩散法对大肠杆菌进行了抗菌试验，发现MoO3-TiO2在浓度为750和1 000μg时，开始出现大肠杆菌的繁殖抑制区，而TiO2在任意浓度下均不存在抑制区域，因而MoO3-TiO2相较TiO2具有更强的抗菌性能，并且甲基橙降解实验也证明MoO3-TiO2较TiO2具有更好的光催化性。

该文用溶胶-凝胶法，将SnO2与MoO3-x复合形成异质结结构，得到了三明治特殊结构的SnO2/MoO3-x，将氧空穴引入到SnO2/MoO3-x中，在近红外区产生表面等离子体共振（SPR，surface plasmon resonance），生成相应的活性氧自由基（ROS，reactive oxygen species），从而达到抗菌效果[12]。

1 实验部分

1.1 SnO2/MoO3-x的制备

将SnCl2（1×10-2mol）溶解在20 mL的盐酸溶液（1 M）中，并将2.86×10-3mol的（NH4）6Mo7O24溶液，滴加到SnCl2溶液中。通过滴加NaOH溶液（2 M）将溶液的pH值调节至3.0附近。将溶胶过滤后，用去离子水洗涤，去除NH4+、Na+和Cl-。凝胶前驱体在120℃下烘干2 h，并在450℃下煅烧2.5 h，最后冷却至常温，即可获得SnO2/MoO3-x。

SnO2可通过相同的方法制备；MoO3可于450℃下直接煅烧钼酸铵制备。

1.2 SnO2/MoO3-x的表征

采用Bruker生产的X-射线粉末衍射仪（XRD）在5-80°的范围内，对制备产物的相结构进行了表征。采用透射电子显微镜（TEM）研究了样品形貌，电子束加速电压为200 kV（JEOL JEM-3930EX）。采用Thermo Fisher Scientific生产的X射线光电子能谱（ESCALAB 250Ⅺ）分析了样品表面的元素种类、价态和相对含量。以BaSO4为参比，采用Hitachi生产的紫外-可见-近红外光谱仪（U-3010），获得了样品的漫反射光谱（DRS）。

1.3 抗菌性能测试

称取0.001 g的硫酸亚铁、0.05 g的氯化钾、0.05 g的硫酸钠、0.05 g的磷酸氢二钠、0.1 g的硝酸钾，并溶解在100 mL的去离子水中。将2 g的可溶性淀粉加入到前述的溶液中，形成乳白色的悬浊液。加热煮沸上述悬浊液，并加入2 g的琼脂粉，最后加入0.2 g的抗菌材料SnO2/MoO3-x，搅拌均匀后冷却备用，即可制得掺有抗菌活性组分的培养基。

同样的方法，可通过不添加SnO2/MoO3-x从而制备空白的培养基用以充当抗菌实验的空白对照组。将空白的以及掺有抗菌剂的培养基编好序号后先暴露在空气中，接收空气中霉菌孢子作为菌种，然后放入密闭的恒温、恒压容器内。在培养基上方20 cm处放置25 W的钨丝灯以模拟可见光照射；此外，可通过暗室实现抗菌试验所需的无光照条件。每隔固定时间（1 d）检查培养基表面的霉菌繁殖情况，并用照相机拍照。

2 结果讨论与分析

2.1 XRD谱图

SnO2、MoO3和复合抗菌材料SnO2/MoO3-x的XRD谱图如图1所示。在SnO2/MoO3-x的衍射谱图中，2θ为12.68°、23.32°、27.30°以及33.76°所对应的峰位可分别归属于MoO3晶系的（0 2 0）、（1 1 0）、（0 2 1）和（1 1 1）晶面。另外，复合材料SnO2/MoO3-x中明显存在着三个宽泛的峰，可分别对应于SnO2四方晶系的（1 1 0）、（1 0 1）和（2 1 1）晶面。这些拓宽的峰也表明了纳米级的SnO2颗粒被成功合成了。根据谢乐公式得出SnO2颗粒的粒径约为15 nm。这极有可能是在前驱物合成过程中，大量的MoO42-由于异种电荷的库伦吸引作用而团聚在Sn2+的周围，从而抑制了SnO2的长大。

图1 SnO2、MoO3、SnO2/MoO3-x的XRD谱图

2.2 TEM图

图2为透射电镜图。其中图2（a）、图2（b）为SnO2/MoO3-x的低分辨透射电镜图，图2(c）、图2(d）为MoO3-x和SnO2的高分辨透射电镜图。图2（a）是一个典型的具有三明治形貌的SnO2/MoO3-x的透射电子显微镜照片。从透射电镜中可以清楚的看到，在大块的层状结构中存在着一些暗点，这些暗点是嵌入在MoO3-x纳米片层之间的SnO2纳米颗粒。用超声波将三明治形貌的SnO2/MoO3-x在水相中充分分散30 min，可以看到MoO3-x片层完全的剥落下来，小的黑点则是SnO2微粒（如图2（b）所示）。将图2（a）进一步放大，在图2（c）中可清楚看到完整的MoO3-x纳米片，并且大片的MoO3-x层排列平坦且规整，晶格条纹清晰，晶体结构保存完好；图2（d）的高分辨率TEM图像则显示出SnO2纳米粒子的晶格条纹之间的间距为0.335 nm，对应着SnO2的（1 1 0）晶面，这与XRD的表征结果相吻合。通常正交晶系MoO3由许多高度扭曲的MoO6八面体组成，MoO6八面体通过在（0 0 1）与（1 0 0）方向上的角共享边缘而连接，从而形成MoO6八面体层，MoO6八面体层交错排列堆叠，每个氧化钼层之间只通过沿（0 1 0）方向的弱范德华吸引力结合在一起，从而形成了层状的三氧化钼[13]。此外，从能量的观点来看，在（0 0 1）方向上释放的结合能远高于在（1 0 0）方向上释放的结合能，沿（0 0 1）晶体轴的平面生长速率大于（1 0 0）方向，因此，沿着（0 0 1）方向的晶体生长更加有利，这也是MoO3-x最终呈现出片状形貌的重要原因[13]。

图2 透射电镜图

2.3 XPS光谱图

图3为SnO2/MoO3-x的XPS光谱。其中图3（a）为全谱，图3（b）为Sn3d轨道，图3（c）为Mo3d轨道，图3（d）为O1s轨道。

图3 SnO2/MoO3-x的XPS光谱

从图3（a）的全谱扫描上可见，制备的复合金属氧化物仅含有Sn、Mo、O元素，产品纯度很高（元素C的存在是由碳材料基底引起的）。Sn的高分辨谱图（图3（b））显示，元素Sn主要的化学存在价态为Sn（Ⅳ），几乎不存在Sn（Ⅱ）。Sn4+的3d5/2和3d3/2结合能分别为486.8 eV和495.2 eV，与标准值Sn4+的3d5/2和3d3/2结合能487 eV、495.4 eV相接近[14]。在图3（c）中，Mo的高分辨谱图显示，Mo主要为Mo（Ⅴ）和Mo（Ⅵ），且相对的元素含量分别为90.66%和9.34%。233.0、236.2、234.9、231.4 eV可分别对应Mo（Ⅵ）3d5/2、Mo（Ⅵ）3d3/2、Mo（Ⅴ）3d3/2、Mo（Ⅴ）3d5/2的结合能[15]。在O的高分辨谱图（图3（d））中，530.8、535.0 eV可分别对应O1s和吸附氧的结合能[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

图4为SnO2、MoO3、SnO2/MoO3-x的紫外-可见漫反射谱图。

图4显示了SnO2、MoO3、SnO2/MoO3-x样品的UV-vis吸收光谱。在图4中，SnO2和MoO3在400-800 nm范围内没有明显的可见光吸收，但是SnO2/MoO3-x却在可见光区表现出了强烈的吸收效应。此外，从样品的照片来看，抗菌材料SnO2/MoO3-x（蓝黑色）比SnO2（黄色）和MoO3（灰白色）具有更暗的颜色，这种颜色的差异也直接表明了SnO2/MoO3-x强烈的可见光吸收能力。

图4 SnO2、MoO3、SnO2/MoO3-x的紫外-可见漫反射谱图

2.5 抗菌性能分析

图5为抗菌实验的培养基照片。

图5 抗菌实验的培养基照片

在为期近1个月的抗菌实验中，选取了培养基表面有显著变化的四组照片来阐述SnO2/MoO3-x的抗菌效果（分别取自第1、10、14和22天）。从图5可以看出，在第10天时，无光照下的空白培养基开始出现少量的菌斑点，与此对应的第10天、有光照下的空白培养基则未出现菌斑，这可能与有光照环境下存在少量的有灭菌能力的紫外线有关；并且在第10天掺有抗菌剂的培养基无论是处于有光照还是无光照的条件下，都没有明显的霉菌繁衍效果。当抗菌实验进行到第14天时，在空白对照组上出现了明显的菌斑，而加了抗菌材料SnO2/MoO3-x的培养基依旧没有菌斑的出现。笔者认为，这应该是抗菌材料SnO2/MoO3-x的光催化抗菌效果已经显现出来了。在此后的实验中（第22天），进一步发现，空白对照组的菌斑的生长区域范围再次扩大了，甚至长满了整个培养基表面；但是在掺有抗菌材料SnO2/MoO3-x的培养器皿内，依旧没看到明显的菌斑。SnO2/MoO3-x在有光条件下有着较强的抗菌能力，并且这种能力与光催化作用和活性氧簇的生成密切相关。

与此同时，发现了另一个实验现象：在无光环境下，加有抗菌剂SnO2/MoO3-x的培养基也没有观察到任何菌斑。笔者尝试用另外一种杀菌机制，即重金属离子的溶出机制也无法解释。Kotsedi等人报道含有氧空穴的MoO3在800-1 000 nm的近红外（NIR，near infrared）波长范围内存在显著的光吸收强度增加的现象，并且Kotsedi认为这种增强现象是由于等离子体共振作用引起的[18]。此报道也与笔者制备的SnO2/MoO3-x的光吸收性能时的实验结果一致：SnO2/MoO3-x存在近红外光区的吸收增强现象（如图4所示）。此外Wang等人发现，MoO3-x的典型SPR-NIR吸收是由于Mo（Ⅴ）和Mo（Ⅵ）之间的电荷转移所致，并且维生素C存在下的俘获实验证明了MoO3-x在NIR光区的ROS诱导光动力学效应是细胞死亡增加的重要原因[12]。

因此，笔者认为，这种无光照下的抗菌性能既不基于光催化作用，也不基于重金属离子的溶出杀菌，而是可能基于三氧化钼的独特性质-表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）引起的抗菌结果。当处于近红外光区的外界光电子流打在MoO3-x表面上时，与MoO3-x表面的等离子波会发生共振作用而引起能量从光电子转移到MoO3-x的表面等离子。在此过程中，入射光电子流的大部分能量会被表面等离子吸收，吸收的能量会以晶胞内部晶格振动的形式将能量传递开来，这一部分能量将从光电子流共振传递至MoO3-x表面的自由电子。获得能量的自由电子则会迅速将能量注入到MoO3-x的表面吸附氧中，并生成相应的活性氧自由基[12，18]，从而实现抗菌作用。

3 结语

以二氯化锡和钼酸铵为原料，通过溶胶-凝胶法于450℃下焙烧获得了具有三明治结构的新型抗菌材料SnO2/MoO3-x，并系统研究了SnO2/MoO3-x在无光照和有光照环境下的抗菌行为，发现在近1个月的时间内SnO2/MoO3-x依旧保持强烈的抗菌效果。此外，笔者结合三氧化钼的表面等离子体共振性质较好的解释了SnO2/MoO3-x在无光环境下的抗菌性能。