基于光催化材料的微生物檢測方法

張華，耶曼，王嵐

（西安西北有色地質研究院有限公司，陜西 西安 710054）

微生物作為生態環境中十分重要組成元素，對維持生態系統的循環十分關鍵。然而有害微生物會對人們生命、健康帶來潛在威脅。假設可以實現對有害微生物快速精準檢測，便可以實現從源頭上對其進行控制[1]。目前檢測方法不能完成在線檢測同步消除細菌，一是殘留的細菌會富集，干擾儀器測試精度；二是殘留的細菌得到快速生長，產生二次環境污染。由于光催殺菌技術具備高效、環保的特點，且光電轉換性能的方式在多領域得到普遍推廣。研制基于光催化材料的微生物檢測方法對消除微生物對人類帶來潛在威脅具備戰略價值[2-3]。ZnO與BiOX作為常用的兩種光催化材料，可以實現有效的微生物檢測功能，ZnO通常呈六方纖鋅礦結構，具有良好的傳輸能力，可用于太陽能電池、氣體傳感器制作；BiOX呈四方晶系結構，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，生成具有強氧化性的h+（光生空穴），抑制細菌呼吸從而消滅微生物[4]。

以前普遍使用的有機錫防污涂料即使能夠起到優秀的防治生物污損效果，但存在影響海洋生態系統的問題。光催化殺菌技術具備環境污染少、能耗低等優點[5-7]，慢慢得到大家的注意。即使目前開展了許多半導體光催化殺菌實驗，然而光催化殺菌機理卻沒有實現徹底解釋。

1 基于Cds量子點敏化ZnO檢測法

1.1 原理

該方法針對SPB檢測，初始的SPB檢測是基于硫酸鹽還原菌新陳代謝產物進行測量，具有時間長、無法試試檢測的缺點，而ZnO光催化材料的應用有效地解決了上述問題[8-10]。

1.2 檢測性能評價

為了評價ZnO光電化學檢測性能，同步開展Cd2+、FTO兩種對比實驗。結果表明，Cd2+測得光電值1.8 μA·cm-2，FTO測得光電值2.3 μA·cm-2，ZnO測得光電值2.6 μA·cm-2。由此可見ZnO測得光電值最高，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種細菌的光電流測試。其中E.coil光電流0.48 μA·cm-2，Pesudoaltermons.sp測得光電值 0.50 μA·cm-2，Bacilus.sp測得光電值0.52 μA·cm-2，S.aureus測得光電值0.58 μA·cm-2，SRB測得光電值2.6 μA·cm-2?？梢钥闯?，SRB與其他類型細菌相比，光電流值較大，說明SRB細菌對ZnO敏感。

2 基于功能化Bi2S3/BiOCl檢測法

2.1 原理

因為SRB具有強腐蝕性，會直接腐蝕金屬，從而對關鍵元件產生損害，因此有必要開展針對SRB的光電檢測。本次優選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SRB檢測精度。

2.2 實驗流程

首先開展SRB培養實驗，分別在不同時間下，檢測其光電流的變化。結果表明，10 h光電流測得值為0.08 μA，20 h測得光電流為0.12 μA，30 h測得光電流為0.16 μA，40 h測得光電流為0.20 μA，50 h測得光電流為0.25 μA，60 h測得光電流為0.27 μA，70 h測得光電流為0.29 μA，80 h測得光電流為0.30 μA?？梢钥闯觯?0 h之前，SRB生長速度較快，50 h以后，SRB生長速度變緩，因此優選50 h為SRB最佳培養時間。

開展不同菌類光電流測試，結果SRB光電流實驗值遠高于其他類型細菌。

3 基于功能化AgNPs/ZnO檢測法

3.1 原理

ZnO納米棒陣列因為具備陣列的3D結構，具備較大的比表面積，普遍應用于光催化領域與分析領域。萬古霉素能夠被用作細菌的特異性識別。ZnO第一利用原電池法生長在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式細菌的功能，可以將細菌吸附到表面。

3.2 材料表征

制備的單根ZnO納米棒表現出六棱柱結構，任意垂直分布在FTO表面，形成納米棒陣列，陣列結構表面純凈。修飾AuNPs后單根棒狀結構仍然具有六棱柱結構，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不會影響ZnO的六棱柱結構。

3.3 檢測性能評價

對萬古霉素的開展優化。ΔRct值與萬古霉素濃度呈正相關。但是，當萬古霉素濃度大于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量達到飽和。從成本角度考慮，優選濃度1.5 mmol·L-1的萬古霉素。

ΔRct值與反應時間呈正相關，這表明電極外層的細菌俘虜的數量會隨著反應時間的延長而增加。但是，當時間大于50 min后，ΔRct值增加速度減緩，甚至出現靜止不變情況，該實驗結果說明當反應時間為50 min時，捕捉細菌總數趨近飽和，所以優選50 min作為最佳反應時間。

3.4 細菌清除和細菌殺滅性能評價

當S.aureus Ntotal的平均值為1 000 cfu·mL-1時，Nrest平均值接近480 cfu·mL-1；當S.aureus Ntotal的平均值為2 000 cfu·mL-1時，Nrest平均值接近1 010 cfu·mL-1。通過相關計算可以求取效率分別為52%、49%。其數值（圖1中的紅色柱體）幾乎是對照試驗組的5倍（圖1中的綠色和藍色柱體），實驗結果說明所研制的多功能微生物檢測方法對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檢測法

4.1 原理

BiOI能夠用來消除細菌，降解污染物，并制造光電化學傳感平臺。納米金（AuNPs）具有物理化學性質穩定的特性，可以與巰基基團結合形成Au—S共價鍵，其穩定的性能有助于納米金在微生物檢測領域推廣。此外光電與光催化行業，由于納米金可以增強光電傳感的信號強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構BiOI具有強匹配性，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，該實驗表明所產生的BiOI薄膜質地純凈。

4.3 細菌檢測

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，不含有捕獲單平臺的熒光顯微鏡圖像中幾乎沒有細菌。這表明如果無捕獲要素，細菌很難被吸附到電極上；但含有捕獲要素的平臺，顯微現象與不含有捕獲平臺的正好相反，可以清晰觀察到平臺外層附近大量細菌。兩組實驗結果對比說明巰基苯硼酸具有高效的細菌吸附能力，也說明了該平臺的可使用性。

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平臺具備光催化抗菌活性，抗菌效率高達99.99%，在其相應的培養皿中觀察不到菌落，進一步說明功能化的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可增強光吸收和促進光生電子空穴對的分離。

5 結 論

以萬古霉素作為捕獲要素和協同抗菌要素、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菌的多功能電化學微生物檢測方法。該方法可有效地對 Saureus 的靈敏檢測，檢測限為330 cfu·mL-1。利用萬古霉素與細菌較強的結合作用以及其與AgNPs的抗菌作用，該方法可實現對低濃度細菌的高效清除（52.1%和49.7%）以及高濃度細菌的高效殺滅（99.99%）。以巰基苯硼酸作為捕獲要素、AuNPs 作為鏈接要素、BiOI半導體薄膜作為光電轉換要素和光催化殺菌要素構建了具備殺菌功能的光電化學微生物檢測方法。