超声喷涂二氧化钛薄膜：面向可持续抗真菌灭活的光学与结构工程

《Optical Materials》：Ultrasonic Spray-Coated TiO 2 Thin Films: Optical and Structural Engineering for Sustainable Antifungal Inactivation

　　

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  通过超声波喷雾热解沉积了具有可调形态的TiO₂薄膜。
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  前驱体浓度控制从纳米多孔到致密表面结构的转变。
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  使用Tauc分析与普朗克方程相结合的方法来确定光学带隙。
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  增强的表面粗糙度促进光散射和光子吸收。
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  多孔薄膜在紫外光下表现出对白色念珠菌的完全光动力灭活。

引言

由念珠菌属引起的真菌感染仍然是全球医疗的重大挑战，每年影响数百万人[1]，[2]。在这些物种中，白色念珠菌约占所有记录的念珠菌病的50–70%[3]。虽然通常是人类皮肤和黏膜上正常微生物群的一部分，但在免疫功能低下的宿主中，白色念珠菌可能具有致病性。抗菌耐药的日益普遍突出了对抗传统抗真菌疗法之外的创新策略的紧迫需求[4]。抗菌光动力疗法(APDT)已成为一种有前途的非抗生素方法，用于根除耐药病原体[5]。APDT通过光诱导的光敏剂激活起作用，产生活性氧(ROS)，如单线态氧和自由基。这些氧化剂会对蛋白质、脂质和核酸造成损伤，最终导致微生物细胞死亡[6]。

二氧化钛(TiO₂)是一种广泛研究的光敏剂，因其优异的催化活性、化学稳定性和生物相容性而备受推崇[7]，[8]。然而，它的主要限制是宽的带隙，将光活性主要限制在紫外(UV)光谱范围内[9]。尽管存在潜在的致突变风险，但受控的紫外照射仍然是表面消毒和局部治疗的实用有效策略[10]。锐钛矿多晶型由于其优越的催化性能而备受推崇，优于金红石或板钛矿[11]，[12]，[13]。大多数研究集中在TiO₂粉末或胶体上[14]，但薄膜涂层提供了独特的优势：稳定的、可重复使用的、固定的抗菌表面，避免了与颗粒释放或回收相关的问题，使其适用于医疗设备和医院环境[15]。

在本研究中，锐钛矿TiO₂薄膜通过超声波喷雾热解沉积在玻璃基底上，选择这种方法是因为它能够产生均匀的、粘附牢固的、形态可控的涂层[16]。重点是低浓度前驱体溶液，这不仅减少了材料消耗和成本，而且允许精确控制表面粗糙度，并在不使用模板掩模的情况下制造纳米多孔薄膜。实现如此高孔隙率的表面是本研究的关键挑战，从根本上依赖于对薄膜生长机制的彻底理解。与形态研究并行的是，通过UV–Vis光谱系统地检查了沉积薄膜的光学性质，重点使用Tauc图结合普朗克方程确定带隙能量，以及对透射光谱的分析。特别关注于理解表面形态变化——具体是从粗糙的纳米多孔表面到更致密的平滑薄膜的转变——如何影响光传输和吸收。预计增加的表面粗糙度和孔隙率会增强光散射并促进多次内反射，从而改善薄膜内的光子吸收。这些光学改进，加上带隙可能的窄化，预计将有利于电子-空穴对的产生以及随后的ROS生成。主要目标是合成和表征这些薄膜，并评估它们作为在紫外照射下对抗C. albicans的APDT光敏平台的效果。我们假设超声沉积的锐钛矿薄膜可以在紫外光下有效产生ROS，从而产生显著的抗真菌效果[18]。本研究旨在推进基于表面的抗菌技术，用于潜在的医疗和卫生应用。

章节摘要

超声喷雾合成TiO₂薄膜

使用超声喷雾技术沉积了纯TiO₂薄膜[19]。前驱体溶液通过将钛酸四异丙酯(TTIP, Sigma-Aldrich, 97%纯度)与乙酰丙酮(C₅H₈O₂, Merck, 99%纯度)溶解在绝对乙醇(C₂H₆O, Sigma-Aldrich, 99.8%纯度)中制备，TTIP和乙酰丙酮之间保持固定的1:2摩尔比。混合物在50°C下磁搅拌40分钟。为了研究钛浓度的影响，制备了三种不同浓度的前驱体

结构分析

X射线衍射(XRD)是一种基本的结构表征技术，提供材料晶体状态及其优先生长取向的全面见解。该方法可以定量确定关键结构参数，包括晶粒尺寸、晶面间距(d间距)、微应变、结晶度指数、晶胞体积、比表面积和位错密度。在本研究中，XRD分析确认了

结论

锐钛矿TiO₂薄膜通过超声波喷雾热解成功在玻璃基底上制造，研究了前驱体浓度对其结构、形态、光学和抗真菌性质的影响。XRD分析确认所有样品均形成相纯锐钛矿，具有优先(101)取向，伴随晶粒尺寸随浓度升高略有增加。AFM观察发现，在较低前驱体浓度下沉积的薄膜

CRediT作者贡献声明

M.L Bouhdjer: 方法论。N. Selmi: 方法论。A. Bensaddek: 形式分析。Kh. BACHA: 可视化，验证。D. Sahnoun: 形式分析。A. Bouhdjer: 监督，调查，概念化

未引用参考文献

[17]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

D. Sahnoune|A. Bouhdjer|A. Bensaddek|M.L. Bouhdjer|N. Selmi|Kh. BACHA