黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層的腐蝕行為研究

戈 帆，郭 騫，肖建軍，劉 劍，楊玉萍，王沖文，劉艷芳，羅 瑞，趙遠(yuǎn)榮，楊品杰，劉云紅

〈材料與器件〉

黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層的腐蝕行為研究

戈 帆1,2,3，郭 騫1,2,3，肖建軍1,2,3，劉 劍1,2,3，楊玉萍1,2,3，王沖文1,2,3，劉艷芳1,2,3，羅 瑞1,2,3，趙遠(yuǎn)榮1,2,3，楊品杰1,2,3，劉云紅1,2,3

（1. 云南北方光電儀器有限公司，云南 昆明 650114；2. 云南西雙版納大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，云南 昆明 650114；3. 西雙版納大氣環(huán)境材料腐蝕云南省野外科學(xué)觀測研究站，云南 昆明 650114）

為開發(fā)新型保護(hù)膜系和光學(xué)系統(tǒng)的防霉設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，了解Ge鍍增透膜層在黑曲霉環(huán)境下的腐蝕行為，有助于提高紅外窗口材料的環(huán)境適應(yīng)性。通過霉菌加速試驗(yàn)，采用熒光顯微鏡、掃描電鏡、X射線光電子能譜等，研究黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層樣品的腐蝕行為及影響規(guī)律。黑曲霉菌為產(chǎn)酸型微生物，在穩(wěn)定期時(shí)，它的生物量最高，細(xì)胞代謝產(chǎn)物的積累達(dá)到高峰，在對數(shù)生長階段，由其引起的生長環(huán)境pH值變化顯著，增加了環(huán)境的酸度；黑曲霉菌初始以Ge鍍增透膜層樣品表層吸附的碳元素為營養(yǎng)粘附于樣品表面，并在樣品表面大量繁殖，消耗樣品表層的碳含量，隨著黑曲霉菌的大量繁殖，樣品表面的pH值也隨之降低，樣品表面的金屬元素被氧化，開始逐步溶解，Ge鍍增透膜層樣品表層的鍺元素、鋅元素相繼被剝離，參與反應(yīng)后，樣品的表層形貌被破壞嚴(yán)重，形成了大量的腐蝕坑。黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層的腐蝕行為以點(diǎn)蝕方式為主，它的生長代謝作用促進(jìn)Ge鍍增透膜層的腐蝕。

黑曲霉菌；Ge鍍增透膜層；腐蝕行為

0 引言

近年來，紅外技術(shù)因有著其它技術(shù)不可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢而在軍事應(yīng)用中被廣泛使用，并逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中越來越重要的戰(zhàn)術(shù)部署和戰(zhàn)略手段。其中，紅外窗口材料作為紅外技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵部件，既能通過確保光電傳感器的光學(xué)性能來保證紅外成像品質(zhì)；又能保護(hù)包括光電裝置在內(nèi)的紅外傳感器免受外界環(huán)境的損傷[1]。據(jù)相關(guān)研究得知，Ge是應(yīng)用最廣泛的紅外窗口材料之一，紅外光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡、棱鏡、窗口、濾光片等首選材料，但其透過率較低，需鍍高效增透膜提高紅外系統(tǒng)透過率，以保證其成像質(zhì)量[2-3]。常見的Ge增透膜層材料是ZnS、YbF3和Ge[2-3]，它在服役過程中可能經(jīng)歷的環(huán)境有濕熱雨林、熱帶海洋等，增大了與霉菌接觸的可能性，已有相關(guān)研究表明在Ge鍍增透膜層有霉菌生長[2]，但具體的腐蝕機(jī)理與作用規(guī)律很少涉及。

作為廣譜真菌，黑曲霉無處不在，它很容易從自然環(huán)境中分離得到，近年來黑曲霉菌對材料的腐蝕研究越來越多，例如：Juzeliunas[4-5]等發(fā)現(xiàn)黑曲霉菌加速了鋅的腐蝕，但對鋁的腐蝕卻是抑制作用；王蕾[6]等人發(fā)現(xiàn)黑曲霉菌加速了AZ31B鎂合金的腐蝕，主要以點(diǎn)蝕為主，腐蝕速率先增大，后有減緩的趨勢，推測腐蝕產(chǎn)物主要是氫氧化鎂、磷酸鎂、堿式氯化鎂和堿式碳酸鎂；陳丹明[7]等人研究發(fā)現(xiàn)了黑曲霉菌是侵蝕A04-60白色氨基烘干半光磁漆的主要霉菌，它會加速涂層的變質(zhì)、老化進(jìn)程，嚴(yán)重影響了有機(jī)涂層的防護(hù)效果；熊福平[8]在濕熱海洋環(huán)境中研究了黑曲霉菌對鋁合金7075-T6的腐蝕機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鋁合金的腐蝕產(chǎn)物主要是Al2O3和Al(OH)3，加速了鋁合金的局部腐蝕；鄒士文[9]等發(fā)現(xiàn)黑曲霉菌在浸銀處理印制電路板表面附著并生長旺盛，發(fā)生局部（微孔）腐蝕；Dai等[10]發(fā)現(xiàn)黑曲霉菌促進(jìn)了2024鋁合金的點(diǎn)蝕。從這些研究可以看出，黑曲霉菌對許多材料具有腐蝕行為，而有關(guān)Ge鍍增透膜層材料的腐蝕行為研究較少。

因此，本文依據(jù)前期熱帶雨林自然環(huán)境試驗(yàn)和霉菌試驗(yàn)的結(jié)果，對Ge鍍增透膜層進(jìn)行黑曲霉菌腐蝕加速試驗(yàn)，Ge鍍增透膜層材料為ZnS、YbF3和Ge，采用熒光顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、傅里葉紅外光譜、紫外-可見光譜、X射線光電子能譜等方法和手段，初步探索黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層的腐蝕情況，為了解Ge鍍增透膜層在黑曲霉菌環(huán)境下的腐蝕規(guī)律、開發(fā)新型保護(hù)膜系和光學(xué)系統(tǒng)的防霉設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)一步為探討各類微生物的腐蝕機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品預(yù)處理

Ge鍍增透膜層樣品先用去離子水進(jìn)行沖洗，再用2.5% (V/V)的戊二醛溶液及75% (V/V)的乙醇溶液殺菌各1h，之后在紫外燈照射下進(jìn)行滅菌處理，備用。

1.2 黑曲霉菌的生長曲線測定

本實(shí)驗(yàn)釆用干重法測定黑曲霉菌的生長曲線。向活化后的霉菌斜面中加入5mL的0.9%氯化鈉溶液，用接種環(huán)刮下菌苔制成霉菌懸液。再將懸液稀釋10倍后分裝到250mL PDA（Potato Dextrose Agar）培養(yǎng)基中，其中每瓶培養(yǎng)基中加入的懸液為1mL。之后，將這些培養(yǎng)基放入氣浴式恒溫?fù)u床中，調(diào)節(jié)溫度為28℃，轉(zhuǎn)速為140rpm。每4h取出3瓶培養(yǎng)基，用定性濾紙過濾后，將濾紙上的菌體，在100℃烘至恒重，稱量菌體干重。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，干重為縱坐標(biāo)，繪制生長曲線。

1.3 pH測定

向活化后的霉菌斜面中加入5mL的0.9%氯化鈉溶液，用接種環(huán)刮下菌苔制成霉菌懸液。再將其懸液稀釋10倍后分裝到250mL PDA培養(yǎng)基中，其中每瓶培養(yǎng)基中加入的懸液為1mL。之后，將這些培養(yǎng)基放入氣浴式恒溫?fù)u床中，調(diào)節(jié)溫度為28℃，轉(zhuǎn)速為140rpm。每4h取出3瓶培養(yǎng)基，測pH值。

1.4 熒光顯微鏡測試

將已滅菌的Ge鍍增透膜層樣品放置在含有黑曲霉菌的固體培養(yǎng)基中，做實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕實(shí)驗(yàn)，2天后將樣品取出，使用PBS（Phosphate Buffer Saline）溶液沖洗3次，再將樣品分別放入2.5%的戊二醛溶液中定影15min，1%的DAPI染料染色15min，洗去多余染料后進(jìn)行測試。

1.5 掃描電子顯微鏡測試

將已滅菌的Ge鍍增透膜層樣品放置在含有黑曲霉菌的固體培養(yǎng)基中，做實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕實(shí)驗(yàn)，分別在2天、20天將樣品取出，將20天取出的樣品去除其表面生物膜，將所取出的實(shí)驗(yàn)樣品在PBS溶液中漂洗3次，再將樣品放入2.5%的戊二醛溶液中定影15min，經(jīng)不同體積濃度（50%、75%、100%）的乙醇溶液脫水后，進(jìn)行測試。

1.6 原子力顯微鏡測試

將已滅菌的Ge鍍增透膜層樣品放置在含有黑曲霉菌的固體培養(yǎng)基中，做實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕實(shí)驗(yàn)，20天后取出樣品，去除其表面生物膜，將所取出的實(shí)驗(yàn)樣品在PBS溶液中漂洗3次，再將樣品放入2.5%的戊二醛溶液中定影15min，經(jīng)不同體積濃度（50%、75%、100%）的乙醇溶液脫水后，進(jìn)行測試。

1.7 腐蝕產(chǎn)物及微生物代謝產(chǎn)物分析

將已滅菌的Ge鍍增透膜層樣品放置在含有黑曲霉菌的固體培養(yǎng)基中，做實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕實(shí)驗(yàn)，2天后，將樣品表面的腐蝕產(chǎn)物及微生物代謝產(chǎn)物進(jìn)行紫外-可見光譜測試、傅里葉紅外光譜測試和X射線光電子能譜分析測試。

2 結(jié)果及分析

2.1 黑曲霉菌的生長曲線結(jié)果分析

由圖1可知，黑曲霉菌的生長曲線分為4個(gè)階段：滯后期、對數(shù)期、平穩(wěn)期和衰退期。在滯后期（0～20h），黑曲霉菌干重值增長緩慢，這是由于在菌株接種到培養(yǎng)基的初期，黑曲霉菌的胞內(nèi)代謝體系還不適應(yīng)新的培養(yǎng)環(huán)境，需要一定的適應(yīng)時(shí)間才能確保細(xì)胞生長逐漸加快，加之其生長過程中需要合成諸如代謝酶、輔酶等中間產(chǎn)物，所以滯后期相對緩慢。在對數(shù)期（20～48h），黑曲霉菌代謝旺盛，微生物生長速度最快。在穩(wěn)定期（48～76h），黑曲霉菌生物量最高，細(xì)胞代謝產(chǎn)物的積累達(dá)到高峰，并開始形成孢子。之后進(jìn)入衰退期，隨著營養(yǎng)的消耗，黑曲霉菌的死亡率較大，生物量呈負(fù)增長。因此，對于短期腐蝕實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)選擇在48h下進(jìn)行。

2.2 pH值結(jié)果分析

由圖2可知黑曲霉菌為產(chǎn)酸型微生物，黑曲霉菌初始生長環(huán)境的pH值為6.20，12 h后pH值開始顯著降低，直到56 h后pH值趨于穩(wěn)定，值為3.70。在黑曲霉菌的對數(shù)生長階段，由其引起的生長環(huán)境pH值變化顯著，使環(huán)境pH值由6.20逐步變?yōu)?.70，增加了環(huán)境的酸度。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道[11-14]，酸性介質(zhì)環(huán)境不利于大部分基底材料的保存，可加速材料的腐蝕，縮短這些材料的使用壽命。

圖1 黑曲霉菌生長曲線

圖2 黑曲霉菌生長期間介質(zhì)pH的變化

2.3 熒光顯微鏡結(jié)果分析

由圖3知，經(jīng)過2天的加速腐蝕試驗(yàn)，黑曲霉菌已均勻大量的粘附于Ge鍍增透膜層樣品表面，形成了一層生物膜，這層生物膜對Ge鍍增透膜層樣品是否具有腐蝕影響需進(jìn)一步探究。

圖3 黑曲霉菌在Ge鍍增透膜層樣品表面熒光顯微鏡測試

2.4 掃描電子顯微鏡結(jié)果分析

由圖4(a)可知，Ge鍍增透膜層空白試樣表面光滑，基本無破損無刮痕；由圖4(b)可知，當(dāng)除去Ge鍍增透膜層試樣表面的微生物及代謝物后，可以清楚地看到膜層表面點(diǎn)蝕的存在，甚至基底材料表面的Ge鍍增透膜層部分脫落，導(dǎo)致試樣的Ge鍍增透膜層不同程度地受損；由圖4(c)可知，2天時(shí)，黑曲霉菌細(xì)胞已附著生長在Ge鍍增透膜層試樣表面，這與其它報(bào)道相符[15-16]，微生物易于粘附于材料表面，在材料表面形成生物膜，影響材料的使用舒適性及壽命。其中，選取圖4(a)與圖4(d)中的紅色放框區(qū)域做能譜分析，測試結(jié)果如表1所示。

圖4 黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層腐蝕形貌測試

表1 能譜元素分析結(jié)果

與空白試樣相比，黑曲霉菌存在組的能譜結(jié)果表明，C、O元素的含量增加，以上元素組成了微生物胞外聚合物物質(zhì)的主要部分，其中胞為聚合物，主要由核酸、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和多糖等組成[17]。這表明，在Ge鍍增透膜層樣品表面已形成了黑曲霉菌生物膜。綜上可知，典型真菌黑曲霉菌易于在Ge鍍增透膜層表面生長、粘附、繁殖，形成大量的生物聚集體，進(jìn)一步形成生物膜，這促使試樣表面Ge鍍增透膜層的腐蝕發(fā)生，這種腐蝕主要以點(diǎn)蝕的方式進(jìn)行。

2.5 樣品腐蝕前后形貌結(jié)果分析

圖5(a)為Ge鍍增透膜層空白試樣表面形貌，圖5(b)為Ge鍍增透膜層表面經(jīng)黑曲霉菌腐蝕20天后的形貌。圖5可知，實(shí)驗(yàn)前，Ge鍍增透膜層樣品表面光亮、平滑，經(jīng)黑曲霉菌腐蝕后，樣品表面暗淡、無光澤，有點(diǎn)蝕存在，明顯可以看出經(jīng)腐蝕后的樣品表面受損嚴(yán)重，已影響到樣品的實(shí)用性能。

2.6 原子力顯微鏡結(jié)果分析

由圖6可知，空白樣品表面光滑，無明顯坑蝕，而經(jīng)黑曲霉菌腐蝕后的樣品表面粗糙度增大，坑蝕明顯，這表明Ge鍍增透膜層樣品表面已被黑曲霉菌腐蝕。圖7顯示，空白樣品與經(jīng)黑曲霉菌腐蝕后的樣品的平均粗糙度Ra分別為1.23nm、104.70nm；截面最大高低差為8.42nm、792.50nm。這表明黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層樣品的腐蝕過程主要以點(diǎn)蝕方式進(jìn)行，這使樣品粗糙度、坑深明顯增大。

圖5 黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層腐蝕前(a)后(b)對比圖

圖6 黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層腐蝕前(a)后(b)原子力顯微鏡測試

(a)The surface morphology data of blank sample with Ge plating antireflection coating measured by atomic force microscope

(b)The surface morphology data of the surface of Ge plating antireflection coating was measured by atomic force microscope after 20 days ofcorrosion

圖7 材料表面原子力顯微鏡測試數(shù)據(jù)

Fig.7 Test data of material surface by atomic force microscope

2.7 傅里葉紅外光譜結(jié)果分析

由傅里葉紅外光譜圖8可知，峰位置為3363.77cm?1可歸屬為O-H、N-H鍵伸縮振動吸收峰，1632.35cm?1為C=O鍵伸縮振動吸收峰，1398.96cm?1處為C-N鍵伸縮振動吸收峰，1043.31cm?1為C-O鍵伸縮振動吸收峰[18-23]。其中，O-H、C=O、C-O鍵為黑曲霉菌代謝產(chǎn)物中多糖的主要官能團(tuán)，C-N、N-H鍵為黑曲霉菌代謝產(chǎn)物中蛋白質(zhì)的主要官能團(tuán)，這意味著黑曲霉菌已粘附于Ge鍍增透膜層樣品表面。

圖8 黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層腐蝕紅外光譜分析

2.8 紫外-可見光譜結(jié)果分析

由紫外-可見光譜圖9知200～400nm范圍內(nèi)僅出現(xiàn)一個(gè)吸收峰（285nm），此峰可被歸屬為黑曲霉菌代謝產(chǎn)物中含C=O物質(zhì)的π→π*躍遷所致[24]。這類代謝產(chǎn)物中包括一些可以加速基底材料腐蝕的物質(zhì)，例如，醋酸、乳酸類等。

圖9 黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層腐蝕紫外分析

2.9 X射線光電子能譜分析結(jié)果分析

從圖10的腐蝕產(chǎn)物中可以看出，有機(jī)羰基化合物、金屬氧化物（GeO2、ZnO、YbO）等的存在，可以推測Ge鍍增透膜層表面Ge、Zn、Yb原子被氧化，微生物的酸性代謝產(chǎn)物可與這些氧化物反應(yīng)，加速Ge鍍增透膜層的腐蝕。

圖10 黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層腐蝕產(chǎn)物分析

2.10 腐蝕機(jī)理分析

綜合以上數(shù)據(jù)可知，黑曲霉菌在培養(yǎng)2天后已粘附生長于Ge鍍增透膜層樣品表面，這是由于樣品膜層暴露于空氣中，空氣中的水蒸汽在樣品表面形成液膜，這使得空氣中的CO2、有機(jī)碳氧化物等溶解于液膜中，為黑曲霉菌代謝提供所需碳源，使樣品表面形成了一層生物膜，該生物膜主要成分為蛋白質(zhì)、多糖類等，經(jīng)培養(yǎng)20天后，移除樣品表面的黑曲霉菌及其代謝產(chǎn)物，可以清楚看到樣品表面腐蝕較為嚴(yán)重，甚至部分Ge鍍增透膜層脫落。由pH數(shù)據(jù)可知，黑曲霉菌在本實(shí)驗(yàn)條件下以產(chǎn)酸的方式代謝，使Ge鍍增透膜層樣品表面pH值降低。

基于以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知黑曲霉菌初始以Ge鍍增透膜層樣品表層吸附的碳元素為營養(yǎng)粘附于樣品表面，并在樣品表面大量繁殖，消耗樣品表層的碳含量，隨著黑曲霉菌的大量繁殖，樣品表面的pH值也隨之降低，樣品表面的金屬元素被氧化，開始逐步溶解[25]：

Ge＋H2O2＝GeO＋H2O (1)

GeO＋H2O2＝GeO2＋H2O (2)

GeO＋2CH3COOH＝Ge(OOCCH3)2＋H2O (3)

ZnO＋2CH3COOH＝Zn(OOCCH3)2＋H2O (5)

Ge鍍增透膜層樣品表層的鍺元素、鋅元素相繼被剝離，參與反應(yīng)后，樣品的表層形貌被破壞嚴(yán)重，形成了大量的腐蝕坑。

3 結(jié)論

本文通過掃描電鏡、能譜分析等方法分析了黑曲霉菌對Ge鍍增透膜層的腐蝕行為，得出以下結(jié)論。

1）在穩(wěn)定期時(shí)，黑曲霉菌生物量最高，細(xì)胞代謝產(chǎn)物的積累達(dá)到高峰，它為產(chǎn)酸型微生物，在對數(shù)生長階段，引起生長環(huán)境pH值變化顯著，增加了環(huán)境的酸度，黑曲霉菌的生長代謝作用促進(jìn)Ge鍍增透膜層的腐蝕。

2）黑曲霉菌易于在Ge鍍增透膜層表面生長、粘附、繁殖，形成一層生物膜，腐蝕行為以點(diǎn)蝕方式為主。

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WANG Zhen.[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2000.

Study on Corrosion Behavior ofon Ge Antireflection Coating

GE Fan1,2,3，GUO Qian1,2,3，XIAO Jianjun1,2,3，LIU Jian1,2,3，YANG Yuping1,2,3，WANG Chongwen1,2,3，LIU Yanfang1,2,3，LUO Rui1,2,3，ZHAO Yuanrong1,2,3，YANG Pinjie1,2,3，LIU Yunhong1,2,3

(1. Yunnan North Optical & Electronic Instrument CO., LTD, Kunming 650114, China; 2. Xishuangbanna in Yunnan ProvinceMaterials Corrosion in Atmospheric Environment National Observation and Research Station, Kunming 650114, China;3. Xishuangbanna Materials Corrosion in Atmospheric Environment Observation and Research Station on Yunnan Province, Kunming 650114, China)

The objective was to understand the corrosion behavior of the Ge antireflection coating in, provide data support for the development of novel protective film systems and the anti-mold design of optical systems, and improve the environmental adaptability of infrared materials. The method was to study the corrosion behavior and influence law ofon the Ge antireflection coating samples via fungus-accelerated tests using fluorescence microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. The results demonstrated thatis an acid-producing microorganism; in the stable phase, its biomass was the highest, and the accumulation of cell metabolites peaked. In the logarithmic growth phase, it caused significant changes in the pH value of the growth environment, which increased environmental acidity. Carbon was adsorbed on the surface layer of the Ge antireflection coating, then theused it as nutrition to adhere to the surface of the sample, and multiply on its surface, thereby consuming the carbon content of the surface. With the proliferation of, the pH of the sample surface also decreased, and the metal elements on the sample surface were oxidized and gradually dissolved. The Ge and Zn on the surface of the Ge antireflection coating sample were successively peeled off. After participating in the reaction, the surface morphology of the sample was severely damaged and a large number of corrosion pits were formed. It was inferred that the corrosion behavior ofon the Ge antireflection coating samples was mainly pitting corrosion, and that growth metabolism promoted the corrosion of antireflective coatings.

, Ge antireflection coating, corrosion behavior

TN213

A

1001-8891(2022)11-1228-08

2022-04-13；

2022-05-11.

戈帆（1990-），男，云南保山人，工程師，碩士研究生，主要研究方向環(huán)境試驗(yàn)。E-mail: 690649833@qq.com。

國防技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（JSHS2019610B001-2）；夜視院集團(tuán)光電系統(tǒng)高效防霉劑篩選與應(yīng)用項(xiàng)目。