بررسی خاصیت آنتی‌باکتریال فوتوکاتالیست نور مرئی نانوذرات ZnO دوپ‌شده با F

در این مطالعه، نانوذرات ZnO خالص و نانوذرات ZnO دوپ‌شده با F، به روش سل-ژل تهیه شده و فعالیت آنتی‌باکتریال آن‌ها در نور مرئی مورد بررسی قرار گرفته است. باکتری‌های بیماری‌زا مانند اشریشیا کلی (گرم منفی) و استافیلوکوکوس اورئوس (گرم مثبت) برای ارزیابی خواص آنتی‌باکتریال مواد سنتزشده مورد استفاده قرار گرفتند.

ویژگی‌های ساختاری نانوذرات ZnO دوپ‌شده با F

شکل زیر نمودارهای XRD نانوذرات ZnO دوپ‌شده با F را نشان می‌دهد. همه نمونه‌های آزمایش‌شده کریستالی و دارای ساختار شش‌ضلعی وورزیتی هستند.

نتایج مشاهدات SEM نیز نشان داد که نانوپودرهای به‌دست‌آمده آگلومره شده‌اند. همچنین پودرهای ZnO تحت آنالیز سطحی BET قرار گرفتند و مساحت سطح ویژه و مقادیر اندازه تخلخل‌ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که هیچ تغییر قابل‌توجهی در سطح ویژه یا اندازه تخلخل‌ها برای نمونه‌های نانوذرات ZnO خالص و نانوذرات ZnO دوپ‌شده با F ایجاد نشده است.

عملکرد آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO دوپ‌شده با F

یکی دیگر از اهداف اصلی این مطالعه، انجام یکسری ارزیابی میکروبیولوژیکی و ارزیابی اثر کاهش اندازه ذرات و دوپینگ F بر عملکرد آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO است. برای ارزیابی کمی میکروبیولوژیکی از تست سوسپانسیون استفاده شد. محلول‌های 2 درصد وزنی نانوپودرهای تهیه‌شده در محیط کشت مولر هینتون براث، به دو گروه تقسیم شدند. یکی در معرض نور مرئی قرار گرفت و دیگری به مدت 6 ساعت بدون قرارگرفتن در معرض نور باقی ماند. نتایج نشان می‌دهد که اثر آنتی‌باکتریال پودرهای سنتزشده به سیستم میکروبی، شرایط نور و نوع مواد مورد استفاده بستگی دارد. مطابق شکل زیر، در این آزمایش تمام پودرهای سنتزشده خواص آنتی‌باکتریال از خود نشان دادند که با کاهش تعداد باکتری‌ها در مقایسه با نمونه شاهد برای هر دو باکتری اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس اورئوس همراه بود.

نتایج آزمایش انجام‌شده بر روی باکتری اشریشیا کلی در شکل زیر (الف) و (ب) ارائه شده است. رشد میکروارگانیسم‌ها در شرایط تاریک و روشن یکسان بوده است. در ساعت اول تغییر قابل‌توجهی در تعداد سلول‌ها مشاهده نشده است و پس از 3 و 6 ساعت انکوباسیون، تعداد سلول‌ها به‌طور پیوسته افزایش یافته است. تعداد باکتری‌هایی که در حضور نانوپودرهای ZnO فاقد دوپنت (ZnO-SG) رشد کردند با گذشت زمان طی 3 ساعت اول کاهش یافت و سپس در همان مقدار ثابت ماند که این امر برای هر دو باکتری مشابه بود. افزایش عملکرد آنتی‌باکتریال هنگام قرارگیری نمونه‌ها در نور مرئی، مشاهده شد. در میان نمونه‌ها، نانوذرات ZnO دوپ‌شده با F با نسبت  ZnO:TFA 1:1 در مقایسه با ZnO:TFA  1:2 پس از 6 ساعت آزمایش، موفق‌تر بود.

هنگامی که باکتری استافیلوکوکوس اورئوس آزمایش شد (شکل ج)، پودر ZnO:TFA  1:1، پس از قرارگرفتن در معرض نور، فعالیت فوتوکاتالیستی بهتری را پس از 1 ساعت نشان داد که باعث کاهش بیشتر تعداد سلول‌های زنده زیر حد تشخیص پس از 6 ساعت شد.

این نتایج نشان می‌دهد که دوپینگ F می‌تواند فعالیت فوتوکاتالیستی مواد را افزایش دهد. علاوه بر این، خواص آنتی‌باکتریال بهتر پودر ZnO:TFA  1:1 را می‌توان با ترکیب شیمیایی آن توضیح داد، زیرا در بین تمام پودرها، حاوی بالاترین مقدار اکسیژن (4/43 درصد) است که اعتقاد بر این است که تولید ROS را به هنگام تابش، افزایش می دهد.

در مطالعه حاضر، اثر آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO آشکار است و تعداد باکتری‌ها در تماس با نانوپودرها در مقایسه با نمونه شاهد (کشت‌های بدون تماس با ZnO) به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافته است. علاوه بر این، اشاره شد که در میان پودرهای مختلف ZnO، نانوذرات ZnO دوپ‌شده با F با نسبت ZnO:TFA 1:1، بیشترین تأثیر را در برابر اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس اورئوس هنگام تابش نور مرئی دارد. زمانی که نور در دسترس نباشد، اثر سمی اولیه ZnO روی میکروارگانیسم‌ها می‌تواند با آزادشدن یون‌های Zn مرتبط باشد که باعث اختلال در فعالیت غشای سلولی و تشکیل گونه‌های اکسیژن فعال بین سلولی، عمدتا H₂O₂ می‌شود. مطابق شکل زیر، فوتوکاتالیست‌هایی مانند TiO₂ یا ZnO که توسط UV یا نور مرئی فعال می‌شوند می‌توانند طیف وسیعی از گونه‌های اکسیژن بسیار واکنش‌پذیر (ROS) مانند ^•OH،  ¹O₂، ^•O₂^–، ^•O₂H و H₂O₂ را تولید کنند. درنتیجه واکنش فوتوکاتالیستی می‌تواند به دیواره سلولی آسیب برساند و مواد سلولی را تجزیه کند. مشخص است که سوراخ‌های ایجادشده در طول تابش نور مرئی، پتانسیل کاهش کافی برای تولید رادیکال هیدروکسیل توسط اکسیدکردن مولکول های آب را ندارند. با این حال، اعتقاد بر این است که گونه‌های اکسیداتیو کمتری مانند آنیون‌های سوپراکسید و اکسیژن منفرد ¹O₂، مسئول عملکرد آنتی‌باکتریال در طول فوتوکاتالیز ناشی از نور مرئی هستند.

پادماواتی و ویجایاراغوان بیان کردند که رادیکال‌های هیدروکسیل و رادیکال آنیون سوپراکسید بر قسمت بیرونی غشای سلولی تأثیر می‌گذارند، در حالی که H₂O₂ می‌تواند به داخل سلول‌های باکتری نفوذ کند. F همچنین نقش مهمی ایفا می‌کند زیرا می‌تواند باندگپ فوتوکاتالیست را کاهش دهد و عملکرد فوتوکاتالیستی آن را در ناحیه نور مرئی افزایش دهد. همچنین عیوب اکسیژنی نقش مهمی در به‌دست‌آوردن خواص بهینه دارد. بنابراین خاصیت آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO دوپ‌شده با F ترکیبی از اثرات سمی یون‌های Zn، عیوب اکسیژن و افزودن F به شبکه ZnO است.

نتایج آزمایش‌های فیزیکوشیمیایی و بیولوژیکی مواد ZnO دوپ‌شده نشان می‌دهد که این مواد کاربرد بالقوه‌ای در زمینه‌های مختلف مانند تصفیه محیطی فتوکلاتالیستی، گندزدایی آب، تخریب پساب دارویی و تولید و تبدیل انرژی خواهند داشت.