بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
سنتز نانو ذره نوین TiO2 دوپ شده با Cdو :Fe بررسی اثر فوتوکاتالیستی و مکانیسم حذف باکتري
چکیده
دوپ کردن نانو ذرات دي اکسید تیتانیوم با اتم هاي فلزي و غیر فلزي می تواند خواص فوتوکاتالیستی را تحت تابش نور مرئی افزایش دهد. در این مقاله براي نخستین بار خواص غیر فعالسازي باکتریهاي آب که شاخصه مهم آنها باکتري E.coli است توسط دي اکسید تیتانیوم سنتز شده به روش سل- ژل و دوپ شده با کادمیمم و آهن در زیر نور مرئی مورد بررسی قرار گرفت.نتایج نشان داد به علت کوچک تر شدن اندازه نانو ذره سنتز شده(که از آنالیزXRDورابطهScherrer برابر با 17,78 نانومتر بدست آمده)نسبت به فرم تجاري دي اکسید تیتانیوم((P25-Degussaفعالیت ضد باکتري این نانو ذره به صورت چشمگیري افزایش می یابد به نحوي که کاتالیست سنتز شده و P25 به ترتیب قادر به خذف تقریبا %100وE.coli%35 با غلظت اولیه 107(CFU/ml)در طول 50 دقیقه گردیدند. براي تعیین مکانیسم حذف، تغیرات نفوذپذیري دیواره سلولی توسط تست آَنیتروفنل بتا دي گالاکتوپیرانوزیداز (ONPG) که نشان دهنده میزان هیدرولیز آنزیم درون سلولی بتا دي گالاکتوزیداز است انجام شده و دو مکانیسم اصلی شامل لیپید پراکسیداسیون دیواره سلولی و اکسیداسیون اجزاء داخل سلولی در غیر فعال کردن
سلول و در نتیجه مرگ باکتري توسط این نانو ذره مشاهده شده است.
کلمات کلیدي
نانوفتوکاتالیست نوین، تست ONPG، نفوذ پذیري سلولی، اشریشیاکلی
نکات برجسته پژوهش
• سنتز نانوفتوکاتالیستTiO2 دوپ شده با Cd وFe و اندازه تقریبی 17,78 نانومتر.
• حذف کامل باکتريE.coli با غلضـت اولیـه 107 (CFU/ml)بـا اسـتفاده از نانوفتوکاتالیسـت سـنتز شـده زیـر نورمریی در مدت 50 دقیقه .
• بررسی مکانیزم حذف باکتري توسط فرآیند فتوکاتالیستی به کمک تست .ONPG
-1 مقدمه
گندزداها نقش بسیار مهمی را در کاهش میکروارگانیسم هـاي پـاتوژن در صـنایع مختلـف از جملـه تصـفیه آب دارنـد. اکثرگندزداهاي رایج ، ضدعفونی کننده هاي شیمیاي هستند.این گندزداهاي شیمیایی مثل الکل ها، ید و کلر بـراي سالهاسـت که در صنعت مورد استفاده قرار گرفته اند1]و.[2 مشکلات این گونه ضدعفونی کننده ها شامل هزینه بـالا و هـم چنـین تولیـد آلاینده هاي جانبی خطرناك، ضرورت پیدایش یک تکنولوژي جدید را ایجاد می کند. یکی از جدیدترین و موثرترین تکنولـوژي ها استفاده از فتوکاتالیزهاست.[3] فتوکاتالیزها به عنوان یکی از مهم ترین فـن آوري اکسیداسـیون پیشـرفته(AOT) 1 مطـرح هستند.[4] فرآیند فتوکاتالیستی بر مبناي واکنش بین نور و ذرات نیمه رسانا می باشد که به تولید گونـه هـاي فعـال اکسـیژن (ROS)2 از قبیل OH.، -.٢O و H2O2 می انجامد.
حذف باکتري توسط خاصـیت فتوکاتالسـیتی اکسـید تیتـانیوم بـراي اولـین بـار در سـال 1985 توسـط Metsunga و همکاران گزارش شد.[5] مطالعات زیادي بروي مکانیزم حذف باکتري E. Coli توسط فرآیند فتوکاتالیستی توسط نیمه رساناي TiO2 انجام گرفته است. سه فرضیه تاکنون بیـان شـده اسـت Haung(1): [6] وهمکـاران [9]، Cho وهمکـاران [7]، Kiwi وهمکاران [8] گزارش کرده اند که لیپید پراکسیداسیون مهم ترین مکانیزم کشتن باکتري هاست. بر طبـق مطالعـات آنهـا، ذره فتوکاتالیست براثر تابش نورفرابنقش(طول موج نور کتر از 385 نانومتر)، الکترون و حفره توبید می کند؛ که این الکترون وحفره می توانند مولکول هاي آب را به گونه هاي ROS تبدیل کنند. لیپیـد پراکسیداسـیون بـر اسـاس حملـه گونـه هـايROS بـه فسفولیپید در دیواره سلولی باکتري اتفاق می افتد.( (2 دومین مکانیزم بیان شده بـراي حـذف بـاکتري اکسیداسـیون مسـتقیم کوآنزیم (CoA)A 3 درون سلول است. CoAعامل تنفسی سلول است و اکسیداسیون آن باعث مـرگ بـاکتر ي مـی شـود .[5] (3) مکانیزم سوم که توسطManes وهمکاران [1] گزارش شده است بـر مبنـاي از هـم پاشـیدگی دیـواره سـلولی و افـزایش نفوذپذیري سلول باکتري است.
اگرچه فرآیند فتوکاتالیستی با استفاده از نور فرابنفش(UV)4 در دهه اخیر رشد چندانی داشته است،اما مطالعـات نشـان می دهد که نور مریی نیز پتانسیل زیادي براي به کارگیري در فرآیند فتوکاتالیستی دارد.[6] دوپ کردن نیمه رسـانا بـه وسـیله اتم هاي فلزي و غیرفلزي می تواند فرآیند فتوکاتالیستی را در زیر نورمریی بهبود ببخشد [10] .درواقـع دوپ کـردن سـه تـاثیر بروي نیمه رسانا می گذارد: (1) انرژي بیشتري از فوتون ها نوري جذب شده، گرفته می شـود. ( 2) محـدوده طـول مـوج هـاي جذبی را براي نیمه رسانا افزایش می دهد. (3) از ترکیب شدن الکترون و حفره جلـوگیري مـی کنـد13]،12،.[11 بـراي مثـال Trapalisوهمکاران[14] و هم چنینKubacka و همکاران[15] فعالیت فتوکاتالیستی تیتانیوم اکسید دوپ شده با آهن و نقره را گزارش کرده اند. دوپ کردن نیمه رسانا با چند عنصر فعالیت فتوکاتالیستی بهتري را ازخـود نشـان داده اسـت.[16] هرچنـد مطالعات اخیر بروي حذف باکتري توسط نورمریی افزایش پیدا کرده است، اما مکانیزم حذف زیر نـور مریـی همچنـان بـه طـور قطعی اثبات نشده است.[6]
دراین مقاله، براي اولین بارخاصیت ضدباکتري تیتانیوم اکسید دوپ شده با کادمیم و آهن Cd, Fe-TiO2 در زیـر نـور مریی گزارش شده است. تیتانیوم اکسید دوپه شده با 2 درصد مولی کادمیم و 3 درصد مولی آهن به روش سل-ژل سنتز شـده است و در طول 50 دقیقه توانسته است جمعیت107 CFU ml-1 از باکتري E. Coli را به طورکامل حذف کند. بـراي بررسـی
مکانیزم حذف، تغییرات در دیواره سلولی و نفوذ پذیري را با روش تست ONPG مشخص شده است. درتستONPG ، میزان هیدرولیز شدن سوبستر آنزیمی (ONPG)5 بر اساس زمان اندازه گیري می شود. این سوبستر در اثر واکنش با β-D-galactosidase که یک آنزیم تترامریک درون سلولی است، هیدرولیز شده و در محیط قلیایی رنگ زرد تولید می کنـد. براي واکنش ذرات ONPGباید از دیواره سلولی عبور کرده و با آنزیمβ-D-galactosidase واکنش دهند.بنابراین هرچه میـزا ن هیدرولیز شدن ONPG بیشتر باشـد، میـزان نفوذپـذیري سـلول بـاکتري افـزایش بافتـه اسـت.در ایـن مقالـه از سـه نـوع نانوفتوکاتالیست ازقبیل Cd, Fe-TiO2، TiO2 وP25 Degussa براي حذف باکتري زیر نورمریی استفاده شده است.
-2 مواد و روش ها
-1-2 آماده سازي نانوفتوکاتالیست
ذرات تیتانیوم اکسید با استفاده از روش سل-ژل برطبق Venkatachalam وهمکاران[17] با تغییرات، سنتز شده انـد. روش مورد استفاده به شرح زیر است؛ 9,3میلی لیتر از تیتـانیوم ایزوپروکسـید((Merck,Germany) (Ti{OCH(CH3)2}4 را در17,9 میلی لیتراز استیک اسید دردماي صفر درجه سانتی گراد( حمام آب یخ) حل می شود. سپس 179,5 میلی لیتر از آب یونیزه به صورت قطره قطره به محلول اضافه می شود. محلول براي 6 ساعت بروي استیرر قرار داده مـی شـود تـا محلـول یـک دست و بی رنگ به دست آید. بعد از التراسونیک کردن محلول در دماي صفر درجه سانتی گراد، محلـول بـه مـدت 24 سـاعت دور از نور نگه داشته می شود.به منظور فرآیند ژل سازي سل به دست آمده را دردماي 70 °C به مدت 12 ساعت خشک مـی شود.نهایتاً، ژل به دست آمده را در دماي 550°C در کوره به مدت 3 ساعت کلسینه می شود.
بــراي ســنتز نــانوذره هــاي دوپ شــده، همــین مراحــل بــالا تکــرار شــده و مقــدارمورد نیــاز از نیتــرات آهــن 9 آبه((Fe(NO3)3.9H2Oو نیترات کادمیم 6 آبه((Cd (NO3)2.6H2O را در آب یونیزه شده حل می شود و به محلول اضافه مـی شود.
-2-2 مطالعه حذف باکتري
باکتري مورد استفاده E.Coli است که از بانک میکروبی دانشگاه صنعتی شریف تهیـه شـده اسـت. قبـل از هـر تسـت، باکتري ها در nutrient broth(Merck,Germany) کشت و به مدت 24 ساعت در شرایط هوازي و در شیکر رشد داده مـی شوند. باکتري هاي رشد کرده را پس از رقیق سازي، سانتریفیوژ کرده و دوبار با آب Milli-Q شست و شو داده مـی شـوند. بـه منظور دستیابی به جمعیت باکتري اولیه در هر تست (107 CFUml-1)، محلول حاوي سلول را با 100 میلی لیتـر PBS رقیـق و در بشر 250 میلی لیتري ریخته می شوند. محلول در هر تست به مدت 50 دقیقه مورد تابش نور مریـی قرارگرفتـه و در بـازه هاي 10 دقیقه اي از محلول مورد آزمایش، نمونه برداري می کنیم. براي آنالیز نمونه ها و شـمارش بـاکتري هـا، از روش رقیـق سازي هاي متوالی و کشت بروي plate count agar (PCA, Merck, Germany) استفاده شده است. تست هاي نور مریی و نور فرابنفش بدون حضور کاتالسیت و هم چنین بدون تابش نور و تنها با فتوکاتالسیت به عنوان استاندارد و کنترل انجام گرفته است.
-3-2 فتوبیوراکتور
تمام تست ها در فتو بیوراکتور شامل بشر 250 میلی لیتري (قطر 7 سانتی متر، ارتفاع 9 سانتی متر)، مگنـت اسـتیرر و 4 لامپ هالوژن است. سه نوع نانوکاتالیست مختلف شامل Cd, Fe-TiO2، TiO2 وP25 Degussa درغلظت اولیـه 0.4 gr L-1 مورد استفاده قرار گرفته اند. لامپ ها از نوع هالوژن 50 وات هستند که بالاي بشر نصب شده اند.
-4-2 تست ONPG
تغییرات در نفوذ پذیري سلول باکتري توسط تست ONPG اندازه گیري شده است. این روش از مقالـه گـزارش شـده توسطManes وهمکاران [1] برگفته شده است. 1میلی لیتر از سوبسـتر آنزیمـی (Merck, Germany)ONPG و 4,5 میلـی لیتر (pH=7) PBS رابه 4,5 میلی لیتـر از نمونـه اضـافه مـی شـود. ذرات نانوفتوکاتالیسـت و سـلول هـاي بـاکتري بـا کمـک سانتریفیوژ کردن در 6500rpm در مدت 20 دقیقه از هم جدا می شـوند. سـپس واکـنش بـا اضـافه کـردن بـافر Na2CO3 و رسیدن pH به 10 متوقف می شود. میزان o-nitrophenol (بر اثر هیدرولیز ONPG تولید می شـود) تولید شـده را بـا انـدازه گیري میزان جذب محلول در طول موج 420 نانومتر اندازه گیري می شود. محلول اولیه حاوي باکتري آسیب ندیده بـه عنـوان محلول استاندارد استفاده شده است. میزان نرخ هیـدرولیزONPG را براسـاس مقایسـه داده هـاي بـه دسـت آمـده بـا نمـودار استاندارد که بر اساس اندازه گیري میزان جذب o-nitrophenol خالص محاسبه شده است، به دست می آید.
-5-2 مشخصات نانوذره ها
تست پراش پرتوي ایکس(XRD)6از نمونه ها به منظور یافتن فاز کریستالی نانوذرات و هم چنین یافتن متوسـط انـدازه ذرات توسط دستگاه(آمریکا،(Bruker D8 انجام گرفت. الگوي پراش در بازه تابش 80-10° ثبت گردیـد. ازمعادلـه Scherrer، به منظور محاسبه متوسط اندازه ي نانوذرات استفاده شد. از میکروسکوپ الکترون روبشی)(SEM) 7هلنـد ،(Philips XL30 به منظور مطالعه سطح و مرفولوژي نانوذرات استفاده شده است. هم چنین از پراکندگی انـرژي اشـعه ایکـس(EDX) 8 بـراي بررسی وجود عناصر دوپ شده استفاده شده است.
-3 نتایج و بحث
-1-3 مشخصات نانوذره ها
شکل شماره 1 آنالیزهاي تست XRD از دونمونه Cd, Fe-TiO2و TiO2سنتز شده را نشان می دهد. بر طبـق نتـایج به دست آمده، هیچ گونه پیک فاز روتیل درهر دونمونه وجود ندارد(. (JCPDS 89-4202 همچنـین هـردو نمونـه داراي پیـک هاي (101)، (004)، ( (200، (105 )، (211)، (204) و((116 هستند که بر طبق (JCPDS 89–4921) تایید کننـده فـاز آنـاز هستند19]،.[18 هم چنین وجود عناصر آهن و کادمیم به علت کم بـودن مقـدار آنهـا در الگـوي پـراش پرتـوي ایکـس قابـل تشخیص نیست. با مقایسه قوي ترین پیک آناتاز((101 دو نمونه(شکل (1 و مقایسه بـا الگـوي پـراش اسـتاندار P25 Degussa میتوان نتیجه گرفت که اندازه نانوذرات سنتز شده از P25 Degussa کوچکتر بوده اسـت و هـم چنـین بـا مقایسـه-Cd, Fe
TiO2 و TiO2 می توان نتیجه گرفت که اندازه نانوذره دوپ شده کوچکتر است. براي محاسبه تقریبی انـدازه ذرات از فرمـول
Scherrer طبق رابطه زیر استفاده شده است. =
در این رابطه dp قطر نانوذرات، λ اندازه طول موج Cu Kα دستگاه است که برابر با 1,54 آنگستروم می باشد. β پهناي پیک در نصف ارتفاع ماکزیمم استk .(FWHM)9 ثابت و برابر با 0,89 وθ زاویه تابش اسـت. طبـق اي رابطـه انـدازه نـانوذرات Cd, Fe-TiO2 و TiO2 به ترتیب برابر با 17,78 و 20,02 نانومتر می باشد که در مقایسه بـا P25 Degussa (تقریبـاً 25
