应用化学 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (4): 629-646.DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.210483
王佳赫1, 刘大勇1, 刘伟1, 王林2(
), 董彪1()
收稿日期:2021-09-28
接受日期:2022-02-21
出版日期:2022-04-01
发布日期:2022-04-19
通讯作者:
王林,董彪
作者简介:E⁃mail： wanglin1982@jlu.edu.cn基金资助:
Jia-He WANG1, Da-Yong LIU1, Wei LIU1, Lin WANG2(), Biao DONG1()
Received:2021-09-28
Accepted:2022-02-21
Published:2022-04-01
Online:2022-04-19
Contact:
Lin WANG,Biao DONG
Supported by:摘要：
光催化纳米TiO2以其出色的光催化、化学稳定性以及广谱抗菌性受到科研人员的青睐。然而，其存在的一些问题，如宽带隙、高过电位和光生载流子快速复合等限制了其光催化性能。本文综述了近年来TiO2光催化在抗菌方面的研究进展。对纳米TiO2光催化抗菌作用机理进行了探讨，并讨论了提高TiO2光催化抗菌活性的几种策略，包括进行纳米TiO2结构设计、光的调控、掺杂金属离子、掺杂非金属离子、贵金属修饰和偶联其他材料。 改性TiO2光催化剂显著抑制了细菌细胞的生长，在生物医学工程领域具有独特的应用前景。
中图分类号:
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图1 （a） TiO2杀菌示意图； （b） TiO2光催化过程［2］
Fig.1 （a） Schematic diagram of TiO2 sterilization； （b） Photocatalytic processof TiO2［2］
图2 TiO2纳米结构的分类［27］
Fig.2 Classification of TiO2 nanostructures［27］
图3 （A）TiO2一维纳米管抗菌实验结果图像（a－c）扫描电镜图像： （a）第1代TiO2纳米管层（短和侧壁波纹）； （b）最新一代TiO2纳米管层（高宽比，高度有序，光滑的壁）显示侧视图（c）顶部和底部视图（面板b和c）［6］；（d－f）图d［7］为不同长度和直径为 100 nm 的钛纳米管的抗菌率，图e、f为不同材料抗菌率：Ag-T，银沉积平钛板：Ag-TN，银沉积的钛纳米管，直径100 nm，长度800 nm； （B） TiO?2的横截面和顶部视图（插图）SEM 图像??纳米管：（g）无定形和在温度下退火， （h） 350 ℃， （i） 450 ℃， （j） 550 ℃， （k） 650 ℃， （l） 750 ℃［8］； （C）（m）?TiO?2的抗菌活性??纳米管：铜绿假单胞菌??和??金黄色??葡萄球菌的生长抑制指数［8］； （n－o）N1s生长和银装饰TiO?2纳米管XPS结果［9］
Fig.3 （A） Image of TiO2 one-dimensional nanotube antibacterial experiment results （a－c） SEM images of （a） first-generation titanium dioxide nanotube layer （short and side wall ripple） and （b）the latest generation of titanium dioxide nanotube layers （height to width ratio， highly ordered， smooth walls） show side view （c）top and bottom views （Panels b and c）［6］； （d－f） Figure d［7］ shows the antibacterial rate of titanium nanotubes with different lengths and diameters of 100 nm， while Figure e and f show the antibacterial rate of different materials： Ag-T， Silver deposited flat titanium plate； Ag-TN， silver deposited titanium nanotubes， diameter 100 nm， length 800 nm； （B） （g－l） TiO2 cross section and top view （inset） SEM image of the astrologer nanotube： （g）Amorphous and degenerates at temperature： （h）350 ℃： （i）450 ℃： （j）550 ℃： （k）650 ℃： （l）750 ℃［8］； （C） （m）The growth inhibition indices of Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus［8］； （n－o） XPS surface analysis results of N1s growth in the spectrum and silver decorated TiO2 nanotubes［9］
图4 （a） NPs、NRs、B-NRs概要描述示意图； （b，e）纳米粒子（NPs）SEM图像； （c，f）纳米棒（NRs）SEM图像； （d，g）单晶支链纳米棒（B-NRs）SEM图像［19］
Fig.4 （a） NPs， NRs， B-NRS schematic description. （b， e） SEM image of nano-particles （NPs）. （c， f） SEM image of nanorods （NRs）. （d， g） SEM image of single crystal branched nanorods （B-NRS） ［19］
图5 TiO2的核壳结构（a－p）各种TiO2基核壳纳米光催化剂的TEM图像。（a）核壳结构、（b）空心结构、（c，d）蛋黄壳结构、（e，f）双壳结构。各种形状的核也被使用，（g，h）纳米粒子，（i－l）纳米棒、（m）纳米立方体、（n）更复杂的核壳结构、（o，p）没有内腔的多壳结构［27］；（q－s）不同光照条件下样品的抗菌活性： （q） c-Fe2O3@SiO2@TiO2-Ag， （r） TiO2和（s）对照（无催化剂）［28］； （t－u）在原始TiO2和TiO2/聚［2-（叔丁基氨基）甲基丙烯酸乙酯-共聚乙二醇二甲基丙烯酸酯］核/壳纳米粒子表面对（t）大肠杆菌和（u）金黄色葡萄球菌的存活率与紫外线照射时间（min）的关系图［29］
Fig.5 Core-shell structure of TiO2 （a－p） TEM images of various TiO2-based core-shell nanocatalysts. （a） Core-shell structure； （b） Hollow structure； （c，d） Yolk shell structure； （e，f） Double hull structure. Nuclei of various shapes were also used， （g，h） nanoparticles； （i－l） nanorods； （m） nanocube； （n） More complex core-shell structures； （o，p） A multishell structure without an inner cavity［27］； （q－s） Antibacterial activity of samples under different light conditions： （q） c-Fe2O3@SiO2 @TiO2-Ag （r）TiO2 is contrasted （s） （Without catalyst）［28］； （t－u） The survival rate of （t） Escherichia coli and （u） Staphylococcus aureus on the surface of raw TiO2 and TiO2/poly［2-（tert-butylamino） ethyl methacrylate-copolymer ethylene glycol dimethacrylate］ core/shell nanoparticles in relation to UV irradiation time （min）［29］
图6 （a）上转换能量转移机制［44］； （b－g）不同类型的核壳结构； （b）具有“惰性”（即没有任何吸收/发射镧系掺杂）壳层的核壳UCNPs； 核心区的彩色球描绘了镧系掺杂剂； 界面上的红色圆圈代表表面淬火部位；黑色箭头表示随机的能量传递路径； （c）具有活性壳层的核壳层UCNPs； （d）具有多个壳层的核壳UCNPs； （e） UCNPs@SiO2核壳纳米粒子； （f） 核心-壳-UCNPs@SiO2［48］； （h）NaYF4∶Yb3+，Tm3+@TiO2的合成及aPDT近红外辐射机理［47］； （i）使用非外延UCNPs二氧化硅核-壳结构-调谐上转换发光的示意图； （j－l） UCNPs@TiO2近红外辐射下对牙龈卟啉单胞菌和核纤层杆菌的时间杀伤试验结果［47］
Fig.6 （a） Upconversion energy transfer mechanism［44］； （b－g） Different types of core-shell structures. （b） Core-shell UCNPs with “inert” （i.e.， without any absorbing/emitting lanthanide doping） shells； The color spheres in the core region depict lanthanide dopants； The red circle on the interface represents the surface hardening part； Black arrows represent random energy transfer paths； （c） Core-shell UCNPs with active shells； （d） Core-shell UCNPs with multiple shells； （e） UCNPs@SiO2 core-shell nanoparticles； （f） Core-shell UCNPs@SiO2［48］； （h）Synthesis of NaYF4∶ Yb3+，Tm3+@TiO2 and the mechanism of aPDT NEAR infrared Radiation Under the near infrared radiation［47］. （i） schematic of upconversion luminescence tuned using a non-epitaxy UCNPs silica core-shell structure； （j－l） Time killing test of porphyromonasgingivalis and Layer fibriumnucleobacillus under UCNPs@TiO2 near infrared radiation［47］
图7 （a）RhB在不同浓度Fe3+中的光催化降解比曲线?TiO2光催产物［57］； （b）不同浓度Fe 掺杂下TiO2对大肠杆菌抗菌率（■）裸露 TiO2的抗菌率，（●）0.1%、（▲）0.5%、（▼） 1.0%、（?） 2.0%、和（?） 3.45% 的 Fe 掺杂 TiO2对大肠杆菌??抗菌率［58］； （c）在700 ℃的水热条件下，在 9 h内合成了CeO2掺杂TiO2纳米复合材料的光催化研究［51］
Fig.7 （a） Curves of photocatalytic degradation ratio of RhB in Different concentrations of Fe3+［57］； （b） Antibacterial effect of TiO2 doped with Fe on Escherichia coli （■） Antifungal rate of bare TiO2， （●） 0.1%， （▲） 0.5%， （▼） 1.0%， （?） 2.0% and （?） 3.45% Fe doped TiO2 antifungal rate of Escherichia coli［58］. （c） The photocatalysis of CeO2 doped TiO2 nanocomposites was studied under hydrothermal condition of 700 ℃ in 9 h［51］
图8 （a）Ag NPs抗菌作用机制研究； （b）紫外-可见光下Au NPs对TiO2光催化活性的促进作用示意图； （c）大肠杆菌??的CFU在介质中不同时期培养a-TiO2、 Ag/a-TiO2和Ag-TiO2/Ag/a-TiO2?空白（控制）样相比，光催化??薄膜??在暗光（■）和可见光（▲）和太阳光（●）的照射下［59］； （d）海藻酸盐溶液与Au-TiO2纳米复合材料的降解曲线［63］
Fig.8 （a） Study on antibacterial mechanism of Ag NPs； （b） Schematic diagram of Au NPs promoting TiO2 photocatalytic activity in UV-visible light； （c） E.coli's CFU grows， at different times， in media， with the presence of low-light （■） and visible light （▲） and sunlight （●）， as compared with a-TiO2， Ag/a-TiO2， Ag-TiO2/Ag/a-TiO2 and a-TiO2 blank （controlled） samples［59］； （d） Degradation curves of alginate solution and Au-TiO2 nanocomposites［63］
图9 （a）Ag2S/TiO2对??大肠杆菌??的杀菌效率； （b）Ag2S/TiO2 NFs消毒机制的示意图［90］
Fig.9 （a） The germicidal efficiency of Ag2S/TiO2 for the lost-Escherichiacoli； （b） Schematic diagram of Ag2S/TiO2 NFs disinfection mechanism［90］
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