太陽光激發(fā)UVC紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料Y2SiO5∶Pr3+的滅菌效果研究

劉東陽， 于增朝， 胡 番， 陳 璐， 楊艷民， 蔡淑珍

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 河北 保定 071002)

太陽光激發(fā)UVC紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料Y2SiO5∶Pr3+的滅菌效果研究

劉東陽， 于增朝， 胡 番， 陳 璐， 楊艷民*， 蔡淑珍*

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 河北 保定 071002)

制備了Y2SiO5∶Pr3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，首次實(shí)現(xiàn)了太陽光激發(fā)下的UVC(220～280 nm)紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)射。為檢測紫外(UVC)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的滅菌效果,從土壤中篩選出銅綠假單胞菌并進(jìn)行培養(yǎng)。為了便于觀察，使用Syto9/PI染色劑對細(xì)菌著色。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：經(jīng)過太陽光照射后，附著上轉(zhuǎn)換材料的細(xì)菌的死亡率比沒有上轉(zhuǎn)換材料的細(xì)菌有明顯的上升。這說明在太陽光的照射下，上轉(zhuǎn)換材料能夠?qū)⑻柟廪D(zhuǎn)化為紫外線并有效滅菌。

Y2SiO5； 上轉(zhuǎn)換； 銅綠假單胞菌； Syto9/PI

1 引 言

上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程是反斯托克斯過程，它能把兩個或多個低能光子轉(zhuǎn)換為一個高能光子[1-3]。目前研究較多的上轉(zhuǎn)換過程是近紅外光到可見光上轉(zhuǎn)換[4-6]。Yb3+-Er3+可以實(shí)現(xiàn)從980nm到可見光(綠光和紅光)上轉(zhuǎn)換發(fā)射，目前已被廣泛應(yīng)用于生物標(biāo)識、臨床診斷及治療[7-9]。然而，到目前為止，關(guān)于紫外上轉(zhuǎn)換，特別是UVC紫外上轉(zhuǎn)換的研究還比較少。最近，吉林大學(xué)秦偉平實(shí)驗(yàn)組對近紅外到紫外的上轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究。然而，從近紅外光到UVC轉(zhuǎn)換斯托克斯位移較大，需要較多的光子和較高的激發(fā)密度[4，10-11]。與近紅外光到紫外發(fā)射相比，可見光到紫外發(fā)射的斯托克斯位移較小，可以實(shí)現(xiàn)較低激發(fā)密度下的上轉(zhuǎn)換發(fā)射。目前, 上轉(zhuǎn)換發(fā)射激發(fā)源普遍采用激光，這使其在實(shí)際應(yīng)用上受到了很大限制[12]。采用普通光源，如汞燈、LED燈，其激發(fā)面積大，更有實(shí)用價值。本實(shí)驗(yàn)組在2014年首次實(shí)現(xiàn)在300mW藍(lán)光LED激發(fā)下的紫外上轉(zhuǎn)換[13]?？紤]到太陽光是用之不盡、取之不竭的免費(fèi)能源，在太陽光激發(fā)下的紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)射更有價值。UVC能被微生物遺傳物質(zhì)DNA有效吸收[14-15]，可在1s之內(nèi)通過破壞DNA結(jié)構(gòu)殺滅病毒和細(xì)菌，常被用于滅菌[16-17]。由于這個波長穿透深度較淺，很難使較深處的細(xì)菌失活，從而導(dǎo)致二次污染。可見光的穿透深度比UVC深,并能穿透玻璃器皿，因此采用可見光激發(fā)的UVC上轉(zhuǎn)換材料可以對深處污染及器皿內(nèi)部的細(xì)菌進(jìn)行有效處理。Kim 等在2011年實(shí)現(xiàn)了在冷光燈(前加400nm的截止片)激發(fā)下的UVC上轉(zhuǎn)換并成功用于滅菌[10]。與燈相比，太陽光可以用于大范圍的污水處理。本文制備了Y2SiO5∶Pr3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，成功地把太陽光轉(zhuǎn)化為UVC發(fā)射。

為了研究可見光激發(fā)UVC上轉(zhuǎn)換用于滅菌的可行性。我們從土壤中篩選出銅綠假單胞菌并進(jìn)行培養(yǎng)[18-19]，用Syto9/PI染色劑對銅綠假單胞菌著色[20-21]， 研究了太陽光激發(fā)下UVC紫外上轉(zhuǎn)換材料Y2SiO5∶Pr3+,Li+對銅綠假單胞菌的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1材料合成

將5.2g十六烷基三甲基溴化銨、24mL 氨水、100mL 乙醇、240mL 水通過磁力攪拌混合，最終得到均勻的溶液。把7.8mL 的正硅酸乙酯逐滴加入上述溶液中，攪拌至溶液透明。過濾、洗滌、離心后，保持550℃焙燒5h，然后冷卻至室溫，形成介孔二氧化硅。

通過100W的超聲機(jī)將0.0359mol硝酸釔、0.00048mol硝酸鐠、0.0018mol碳酸鋰和0.02mol介孔二氧化硅混合物溶解在去離子水中，將0.12mol氫氧化鈉加入以上溶液中(n(OH-)∶n(Y3++Pr3++Li+)=3∶1)，充分?jǐn)嚢韬?，溶液被移送?00mL 的高壓反應(yīng)釜中，110℃下保持20h后慢慢冷卻至室溫。將溶液離心、洗滌、干燥后加熱到1100℃，保持4h，最后獲得白色的Y2SiO5∶Pr3+,Li+。

2.2細(xì)菌制備

將3.0g牛肉膏、10.0g蛋白胨、5.0g NaCl放入1L水中，在電爐上加熱使其溶解。用精密pH試紙測量培養(yǎng)基的pH值，用1mol/L的 NaOH將pH調(diào)至7.4～7.6，并用多層紗布過濾得到溶液即培養(yǎng)基。將培養(yǎng)基分裝于三角燒瓶中，體積不超過燒瓶容積的1/3為宜[22-23]。將已滅菌的培養(yǎng)皿等放置到干燥箱中烘烤，使其快速變干。打開超凈工作臺的紫外燈，照射30min。通風(fēng)將培養(yǎng)基冷卻至50℃左右。將培養(yǎng)皿邊緣和三角燒瓶口在酒精燈上灼燒，然后將培養(yǎng)皿打開，倒入培養(yǎng)基。

將所需的實(shí)驗(yàn)用品(均已滅菌)放入超凈工作臺中，并用75%酒精擦拭，打開酒精燈，灼燒接菌環(huán)。取一環(huán)銅綠假單胞菌于無菌去離子水中，并攪拌均勻。用滴管把菌液滴于培養(yǎng)基中央，用刮棒涂均勻。將接種菌的培養(yǎng)皿用封口膜封口，做好標(biāo)記后放入35℃培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)。

2.3菌液提取及染色

提取菌液：在超凈臺上，將實(shí)驗(yàn)后培養(yǎng)基上的石英片取下來，用一次性膠頭滴管吸取4mL 的去離子水滴在菌落中央，再用三角形玻璃棒將菌液刮到相應(yīng)的試管中，每個培養(yǎng)基里的細(xì)菌照此方法提取。

染色過程：裝有菌液的試管在溫度為4℃、轉(zhuǎn)速為7000r/min的離心機(jī)中離心15min。然后,將每個試管中的去離子水倒掉，在每個試管中加入1mL 的0.9% NaCl溶液，震蕩均勻。取適量的Syto9/PI的A、B溶液按1∶1混合。將混合液放在小試管中，用移液槍向每個試管中加入3mL 的染色劑混合液，所有的試管在黑暗條件下放置15min。最后，用移液槍在每個試管中取5μL的混合液用共聚焦顯微鏡觀察[10，24-26]。

2.4實(shí)驗(yàn)儀器

采用德國布魯克公司D8ADVANCE X 射線衍射儀測定樣品的晶體結(jié)構(gòu)，輻射源為Cu 靶 Kα射線，波長為0.15406nm；管電壓為40kV, 管電流為40mA，掃描范圍為20～80°。滅菌效果由激光共聚焦顯微鏡(FV-1000)測得。紫外照片采用南非生產(chǎn)的紫外成像儀(CoroCAM504)拍攝。

3 結(jié)果與討論

3.1材料結(jié)構(gòu)及光譜測試

圖1為Y2SiO5∶1.2%Pr3+,9%Li+的X射線衍射圖。所有衍射峰的位置和β相Y2SiO5標(biāo)準(zhǔn)卡的位置一致，說明合成了純相的Y2SiO5。

圖1 Y2SiO5∶Pr3+,Li+微米晶的XRD 圖譜

圖2為紫外成像儀成像原理圖。儀器采用雙通道成像技術(shù)：一個是可見光成像通道，另一個是紫外光成像通道。一個光信號進(jìn)入成像系統(tǒng)后，光信號被分成兩部分，一部分直接進(jìn)入可見光成像通道，通過透鏡后用CCD把可見光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。另一部分光信號進(jìn)入紫外成像通道。這個通道包括紫外凸透鏡、日盲濾光片、光電陰極、MCP、光纖、CCD等。紫外透鏡用來匯聚入射紫外光，日盲濾光片只允許240～280nm的紫外光通過。該波段紫外光進(jìn)入系統(tǒng)時，就會被轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過MCP放大，最后通過CCD顯示出來。

圖2 日盲紫外成像儀成像原理

圖3 不同太陽能量密度(a)和Li+濃度(b)下的Y2SiO5∶Pr3+,Li+紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)射

為了確定太陽光能量密度和UVC發(fā)射強(qiáng)度之間的關(guān)系，采用光學(xué)透鏡對太陽光進(jìn)行匯聚，如圖3(a)所示 (上面的數(shù)字為太陽光能量密度,單位為mW/cm2，下面的數(shù)字表示UVC光子數(shù))。數(shù)據(jù)表明，隨著太陽光能量密度的增加，發(fā)射的UVC光子數(shù)也相應(yīng)地增加。右邊的插圖為太陽光能量密度與光子數(shù)的對數(shù)曲線關(guān)系，擬合曲線斜率在低激發(fā)密度下為1.12，高激發(fā)密度下為0.24，屬于雙光子上轉(zhuǎn)換過程。圖3(b)給出了Li+濃度與UVC光子數(shù)的關(guān)系。 數(shù)據(jù)表明，9%為最佳的Li+摻雜濃度。

3.2細(xì)菌失活研究

3.2.1照射時間對細(xì)菌失活的影響

銅綠假單胞桿菌在35℃培養(yǎng)箱中生長3d后，在超凈臺中揭下培養(yǎng)皿上的封口膜，將適當(dāng)尺寸的石英片用封口膜固定在培養(yǎng)皿口上。為避免偶然性對實(shí)驗(yàn)造成影響，每種情況設(shè)置3個平行對照組。在實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)皿上的石英片上涂Y2SiO5∶1.2% Pr3+,9%Li+，在另外對照組培養(yǎng)皿上涂同面積的Y2SiO5，分別進(jìn)行標(biāo)號。培養(yǎng)皿放在等高度的相同的凸透鏡下面，調(diào)節(jié)凸透鏡使照在粉末上光斑的大小相同。分別在0.5，1，2h照射后取走相應(yīng)培養(yǎng)皿。將實(shí)驗(yàn)后的培養(yǎng)皿在超凈臺中提取菌液，分別放入相應(yīng)標(biāo)號的試管中進(jìn)行染色。用共聚焦顯微鏡觀察，數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4未摻雜(左)和Pr3+摻雜(右)的Y2SiO5在相同太陽光能量密度、不同照射時間下的細(xì)菌失活情況。(a)0.5h；(b)1h；(c)2h(紅色代表死菌,綠色代表活菌)。

Fig.4Confocal scanning laser micrographs of pseudomonas aeruginosa biofilms with un-doped (left) and doped (right) Pr3+phosphors under different irradiation time. (a)0.5h. (b)1h. (c)2h (red represented dead bacteria, green represented living bacteria).

從圖4可以看到，未摻雜Pr3+離子的樣品和摻雜Pr3+離子的樣品都能導(dǎo)致細(xì)菌的失活，且隨著照射時間的增加，死亡的細(xì)菌也增加；但摻雜Pr3+的樣品在相同照射時間下的細(xì)菌失活率明顯高于未摻雜樣品。

3.2.2太陽光能量密度對細(xì)菌失活的影響

在超凈臺中將12個培養(yǎng)好細(xì)菌的培養(yǎng)皿上的封口膜揭下，適當(dāng)尺寸的石英片被固定在培養(yǎng)皿上。在其中6個培養(yǎng)皿石英片上涂Y2SiO5∶1.2% Pr3+,9% Li+，在另外6個培養(yǎng)皿石英片上涂Y2SiO5，使每個石英片上粉末的量和面積都相等。將粉末中加Pr3+的6個培養(yǎng)皿標(biāo)上1～6號，將另外6個培養(yǎng)皿標(biāo)上7～12號。1～3號和7～9號6個培養(yǎng)皿放在凸透鏡(直徑9cm，焦距40cm)下面，調(diào)節(jié)凸透鏡使照在粉末上光斑的面積相同；另外6個培養(yǎng)皿放在太陽光下直射，2h后完成滅菌實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)后的培養(yǎng)皿在超凈臺中提取菌液，分別放入相應(yīng)標(biāo)號的試管中，離心染色后，用共聚焦顯微鏡觀察分析滅菌效果[27-33]。

圖5不同能量密度太陽光照射下的共聚焦顯微鏡下的細(xì)菌照片。(a)未聚光，經(jīng)Y2SiO5處理；(b)未聚光，經(jīng)Y2SiO5∶1.2% Pr3+,9% Li+處理；(c)聚光，經(jīng)Y2SiO5處理；(d)聚光，經(jīng)Y2SiO5∶1.2%Pr3+,9%Li+處理。

Fig.5Confocal scanning laser micrographs of pseudomonas aeruginosa biofilms coated with different phosphor under different energy density. (a) Y2SiO5under sunlight. (b) Y2SiO5∶Pr3+under sunlight. (c) Y2SiO5under converged sunlight. (d) Y2SiO5∶Pr3+under converged sunlight.

圖5給出了太陽光能量密度對滅菌效果的影響。從圖中可以看出太陽光經(jīng)過透鏡匯聚后，Pr3+摻雜Y2SiO5樣品的細(xì)菌失活率明顯增加。

4 結(jié) 論

低激發(fā)密度下的紫外上轉(zhuǎn)換，特別是在太陽光激發(fā)下的紫外上轉(zhuǎn)換在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、防腐治污等方面都有廣泛的應(yīng)用。本文首次報道了在太陽光激發(fā)下的Pr3+、Li+共摻雜Y2SiO5熒光體的紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)射，分析了Li+濃度及太陽光能量密度對上轉(zhuǎn)換發(fā)射強(qiáng)度的影響，并探討了不同太陽光能量密度和照射時間下UVC紫外上轉(zhuǎn)換滅菌效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過太陽光照射后，附著上轉(zhuǎn)換材料的細(xì)菌的死亡率比沒有上轉(zhuǎn)換材料的細(xì)菌有明顯的上升。這說明在太陽光的照射下，上轉(zhuǎn)換材料能夠?qū)⑻柟廪D(zhuǎn)化為紫外線并有效滅菌。

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SterilizingEffectofUVCwithPr3+DopedY2SiO5UnderTheSunlight

LIUDong-yang,YUZeng-chao,HUFan,CHENLu,YANGYan-min*,CAIShu-zhen*

(CollegeofScienceandTechnology,HebeiUniversity,Baoding071002,China)

*CorrespondingAuthors,E-mail:mihuyym@163.com；cai-shuzhen@126.com

UVC (220-280nm) up-conversion(UC) emission was achieved for the first time under the sunlight. To test UC UVC germicidal efficacy of Pr3+doped Y2SiO5phosphors, the verdigris pseudomonad were extracted from soil and used for the experiments. The bacteria were stained by Syto9/PI. Experiment results show that the mortality rate of bacteria adheres to UC phosphor increases markedly under sunlight radiation. It indicates that UC UVC materials can effectively kill bacterium under the sunlight.

Y2SiO5; up-conversion; verdigris pseudomonad; Syto9/PI

2017-08-15；

2017-10-12

國家自然科學(xué)基金(50902042); 河北省自然科學(xué)基金(E2010000283)資助項(xiàng)目

Supported by National Natural Science Foundation of China(50902042);Natural Science Foundation of Hebei Province(E2010000283)

1000-7032(2017)12-1591-06

O482.31

A

10.3788/fgxb20173812.1591

劉東陽(1991-)，男，河北衡水人，碩士研究生，2015年于保定學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事無機(jī)發(fā)光材料的研究。E-mail: liu-dongyang@foxmail.com

蔡淑珍(1966-),女,河北順平人,教授,1987年于河北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事固體發(fā)光方面的研究。

楊艷民(1972-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士,教授，2008年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事無機(jī)發(fā)光材料的研究。E-mail: mihuyym@163.com