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纳米氧化锌(ZnO)是尺寸小于100 nm的氧化锌,相对于体材料而言,纳米氧化锌具有更强的发光特性,压电特性,催化特性等,目前已经被广泛的用作发光器件,光电探测,压电装置,光催化以及细胞标记等领域。除以上领域之外,由于氧化锌本身具有优秀的抗菌性能,特别当尺寸减小至纳米级别时抗菌性能显著提升,因此可以作为一种无机抗菌剂,在生物环境领域有着非常大的应用前景。微生物与人类生活息息相关,有益菌能够促进人们的生产生活,帮助人们发酵食物,调节肠道平衡,提高机体免疫力等作用;有害致病菌则会造成食物腐败,水体污染,伤口感染化脓,严重的威胁人们生命安全。特别当致病性细菌存在于水体中造成饮用水污染,可直接对人的身体和健康造成严重的威胁,因此对水体的消毒净化是一种必要的手段。当前最简单有效的消毒方式是液氯消毒法。氯气与水反应会生成次氯酸和盐酸,其中具有强氧化性的次氯酸可以破坏水中致病细菌的酶和蛋白质,进而导致水中的细菌死亡,实现消毒。但是氯气消毒的同时还会与水中的有机污染物反应,产生一些副产物(DBP),这些已经被世界卫生组织认定具有致突变性或致癌性。因此迫切需要研究和使用新型的消毒手段来替代传统的氯化法,用以提供安全,清洁的水源,并且不会产生消毒副产物。纳米抗菌材料是应对抗生素滥用导致细菌产生严重耐药性问题应运而生的一类新型抗菌材料,经过十几年的发展,现在已经用于了生活中的各个领域,包括医疗卫生,水机净化,食品保鲜等领域。这些纳米抗菌材料,如银纳米颗粒,二氧化钛和纳米氧化锌等都具有优良的抑菌灭菌能力,并已在水净化消毒领域展现出优势。基于这些纳米抗菌材料及其相关复合物的净水装置能够有效的去除水体中致病性细菌和微生物。在这些抗菌纳米颗粒中,纳米氧化锌由于其价格低廉,容易制备,抗菌性能好且稳定备受研究者的青睐。当前虽然已有一些纳米氧化锌用于水体消毒的研究,但是这些研究还远远不能满足实际消毒净水的需要。因为大多数研究中所使用的纳米氧化锌粒径较大且不亲水,在水溶液中易团聚和沉积导致消毒过程耗时且效率低下,还远远不能用于真实水体的消毒。因此,制备一种具有亲水性和较高抗菌活性的纳米氧化锌,对拓展氧化锌在水体消毒中的应用和推动新型,便捷净水设备的发展具有重要的意义。除此之外,为了确保用水的安全性,还要严格限定这些纳米材料消毒净水后在水中的残留量,避免造成额外的污染。为了解决上述问题,采用了如下解决方案:通过合适表面修饰剂,改善纳米氧化锌的表面状态,提高其亲水性,进而提高在水溶液中的抗菌性能。随后,选用合适载体,包裹纳米氧化锌,既能发挥出纳米氧化锌的抗菌能力,又能限制纳米颗粒在水中的残留。海藻酸钙是一种天然的多糖,生物相容性好,广泛的应用于食品加工,药物递送等领域,而且由于其内部交联的网状结构,非常适合充当纳米材料的载体。综上所述,首先选用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰醇溶性氧化锌纳米颗粒,提高了其在水中的分散性。随后,首次将亲水性氧化锌纳米颗粒与海藻酸钙进行复合,制备了亲水性氧化锌纳米颗粒@海藻酸钙复合材料,该复合材料能有效的去除水体中的致病微生物,对常见的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制率能达到99%,同时还能限制氧化锌纳米颗粒在水中的残留,避免二次污染。本文所取得的研究成果如下:(1)使用溶胶凝胶法制备了粒径小,形貌均一的氧化锌,随后使用硅烷偶联剂对氧化锌纳米颗粒进行修饰,在其表面修饰了氨基,硅氧等基团,赋予了其良好的亲水性,得到了亲水性氧化锌纳米颗粒。所制备的氧化锌纳米颗粒具有良好的亲水性,在溶液中与细菌接触面积,接触几率增加,活性物质产出增高,抗菌性能优于商业的纳米氧化锌。(2)为了限制氧化锌纳米颗粒在水中的残留,用海藻酸钙包裹氧化锌纳米颗粒,制备了亲水性氧化锌纳米颗粒@海藻酸钙(Hydrophilic ZnO Nanoparticles@Calcium Alginate)复合材料,该复合材料能够有效的去除水中的致病性细菌(金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等),并且限制氧化锌纳米颗粒在水中残留,避免了二次污染。在实验室的消毒测试中,复合材料对上述两种细菌均可达到99%的杀灭效率。随后,将制备的复合材料用于真实地表水的消毒,消毒后的水质在微生物含量(从2240 cfu/ml降至9 cfu/ml)方面满足世界卫生组织关于饮用水质量的标准要求。(3)最后分析了该复合材料的消毒机理,复合材料具有高达99%的病菌体去除效率,是由其内部的氧化锌纳米颗粒贡献的。这些亲水性氧化锌纳米颗粒,可以诱导细菌病原体过度的氧化应激反应,产生内源性活性氧(ROS)导致细菌死亡,这是复合材料消毒的主导机制。