بررسی خاصیت آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In
به‌خوبی ثابت شده است که دوپینگ ناخالصی در نانوذرات ZnO می‌تواند خواص آن را کنترل کند و ممکن است فعالیت آنتی‌باکتریال آن را بهبود بخشد. عنصر ایندیم یک ناخالص موثر بر نانوذرات ZnO است که با جانشینی خود در شبکه ZnO، بلورینگی مواد را کنترل می‌کند و هدایت الکتریکی مواد را بهبود می‌بخشد تا یک اکسید رسانای شفاف برای سلول‌های خورشیدی و صفحه نمایش تخت تولید کند. در این مطالعه، نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In و ZnO خالص با تکنیک سل-ژل سنتز شدهاند. غلظت عنصر دوپنت از 0 تا 5 درصد قابل تغییر است.
تغییرات مورفولوژیکی و آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In با افزایش مقدار عنصر دوپنت
الگوی پراش XRD نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In و ZnO خالص نشان می‌دهد که نانوپودرهای ZnO به‌دست‌آمده پلی‌کریستالی هستند و ساختار هگزاگونال ورتزیت برای نانوذرات ZnO تشکیل شده است. این الگو پیک‌های ثانویه دیگری مربوط به عنصر In، مانند اکسید ایندیوم را نشان نمی‌دهد که بیانگر کیفیت خالص نانوپودر سنتزشده و جای‌گیری درست آن در شبکه ZnO است.
شکل زیر تصاویر SEM نانوذرات ZnO خالص و نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In را نشان می‌دهد. نانوپودرها به‌صورت آگلومره و از تجمع نانوذرات کروی تشکیل شدهاند. در نانوپودر ZnO دوپ‌نشده، دانه‌ها دارای اندازه همگن هستند. با دوپ In در نانوذرات ZnO، اندازه دانه‌ها به‌صورت ناهمگن بزرگتر می‌شود. بر اساس مطالعات انجام‌شده، ZnO با عناصر فلزی، شکل، اندازه و نانوذرات را تغییر می‌دهد.
تصاویر SEM نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In در مقادیر مختلف.
بر اساس طیف‌سنجی فوتولومینسانس (PL)، دوپ In در نانوذرات ZnO، از یک طرف باعث افزایش عیوب درون‌شبکه‌ای (Zni) و جای خالی Zn (Vzn) و از طرف دیگر سبب کاهش نقص جای خالی اکسیژن می‌شود. این عیوب یعنی افزایش غلظت Zn و جای خالی آن، با افزایش مقدار In دوپ‌شده در نانوذرات ZnO، افزایش می‌یابند. این عیوب نقش مهمی را برای از بین‌بردن باکتری‌ها ایفا می‌کنند.
نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In و ZnO خالص برای تعیین قابلیت کاربرد آن‌ها به‌عنوان یک عامل آنتی‌باکتریال، بر روی دو باکتری گرم منفی (باسیلوس سابتیلت، استافیلوکوکوس اورئوس) و دو باکتری گرم مثبت (اشریشیاکلی، سودوموناس آئروژینوزا)، با استفاده از روش انتشار دیسک مولر هینتون آگار، مورد بررسی قرار گرفتند. فعالیت آنتی‌باکتریال بر اساس قطر محدوده بازدارندگی (ZOI) مطابق شکل زیر، تخمین زده شده است. ZnO دوپ‌شده فعالیت آنتی‌باکتریال قابل‌توجهی را از خود نشان می‌دهد. با دوپ In در نانوذرات ZnO، مقدار ZOI از 11 میلی‌متر در ZnO دوپ‌نشده به 9/16 نانومتر در 3 درصد وزنی In افزایش یافته و همین امر باعث افزایش فعالیت آنتی‌باکتریال این نانوذرات شده است.
صفحات آگار شامل محدوده بازدارندگی برای باکتری (A سودوموناس آئروژینوزا، (B استافیلوکوکوس اورئوس و (C باسیلوس سابتیلت در نمونه‌های نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In در مقادیر مختلف (1) ZnO دوپ‌نشده، (2) 1 درصد وزنی In دوپ‌شده در ZnO (3) 3 درصد وزنی In دوپ‌شده در ZnO (4) 5 درصد وزنی In دوپ‌شده در ZnO و (0) نمونه شاهد.
مکانیسمهای متعددی برای عملکرد ZnO در برابر باکتری‌ها پیشنهاد شده است. این مکانیسم‌ها بر اساس تجزیه ZnO و تشکیل گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) است. گونه‌های فعال اکسیژن از سوپراکسید (̊O2–)، رادیکال هیدروکسیل (OH̊) و پراکسید هیدروژن H2O2 تشکیل شدهاند، این گونه‌ها می‌توانند باعث آسیب به DNA و پروتئین‌های سلولی شوند و ممکن است منجر به مرگ سلولی و درنتیجه تشکیل محدوده وادارندگی در اطراف نانومواد شوند.
توضیحات کامل در رابطه با مکانیزم عملکرد zno را می‌توانید در مقاله “بررسی مکانیزم عملکرد آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO” مطالعه کنید.
فعالیت و قدرت آنتی‌باکتریال ZnO و به دنبال آن، اندازه ZOI به‌شدت تحت تاثیر خواص و مورفولوژی نانوذرات ZnO است. به‌خوبی می‌توان استدلال کرد که کارایی آنتی‌باکتریال به تعداد رادیکال‌های هیدروکسیل تولیدشده و اندازه کریستالیت نانوذره بستگی دارد. تولید گونه‌های فعال اکسیژن به جفت حفره‌های الکترونی مرتبط است. الکترون‌های آزاد، رادیکال سوپراکسید (̊O2–) را پس از واکنش با O2 بر اساس معادله (1) تولید می‌کنند:
- e– + O2 → ̊O2
درحالی‌که حفره‌ها، رادیکال هیدروکسیل OH̊ را مطابق معادلات زیر تولید می‌کنند:
- H+ h+ + H2O → OH– +
- OH̊ → OH– + h+
متعاقبا پراکسید هیدروژن H2O2 مطابق معادله زیر تولید می‌شود:
- H2O2 → H+2 + ̊O22
بارهای آزاد را می‌توان با جذب نور تولید کرد که الکترون‌هایی را در باند رسانایی ایجاد می‌کند و حفره‌ای در نوار ظرفیت ZnO به‌وجود می‌آورد. این مکانیسم در فعالیت فتوکتالیستی ZnO با استفاده از نور UV استفاده می‌شود. در تاریکی یا زیر نور مرئی، الکترون‌ها و منابع حفره، نقص الکترونیکی هستند مانند نقص Zni با بار منفی که می‌تواند منبع الکترون و Vzn با بار مثبت که منبع حفره است. همان‌طورکه از مطالعه PL استنباط شد این دو نقص با دوپینگ افزایش می‌یابد. این نشان می‌دهد که نقص‌های Zni و Vzn نقش مهمی در تولید ROS، مسئول مهار باکتری، دارند. مطابق شکل زیر، محدوده بازدارندگی در نانوذرات ZnO دوپ‌شده In با افزایش مقدار دوپینگ In، به دلیل افزایش عیوب Zni و Vzn افزایش می‌یابد.
قطر محدوده بازدارندگی در برابر باکتری‌های مختلف در نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In در مقادیر مختلف.
علاوه‌براین، افزایش ZOI را می‌توان به کاهش اندازه کریستالیت ZnO نیز نسبت داد. چندین منبع ذکر کرده‌اند که با کاهش اندازه کریستالیت ناشی از افزایش فعالیت سطح کریستالیت، فعالیت آنتی‌باکتریال را افزایش می‌یابد. بنابراین بر اساس مطالعه مذکور، می‌توان نتیجه گرفت که شکل‌گیری نقایص فوق، سبب بهبود فعالیت آنتی‌باکتریال نانوذرات ZnO دوپ‌شده با In در برابر باکتری‌های گرم مثبت و منفی است، که نشان می‌دهد 3 درصد ZnO دوپ‌شده می‌تواند یک کاندید مناسب به‌عنوان عامل آنتی‌باکتریال در برابر چندین نوع باکتری باشد.