A Zöldebb szintézise, ​​jellemzése és antimikrobiológiai hatásai Helba Ezüst nanorészecske-PMMA nanokompozit

1 Abdullah King Nanotechnológiai Intézet, King Saud Egyetem, Rijád 11451, Szaúd-Arábia

helba

2 Fizikai Tanszék, King Saud University, Rijád 11495, Szaúd-Arábia

3 Vegyészmérnöki Tanszék, King Saud Egyetem, Rijád 11421, Szaúd-Arábia

4 Mikrobiológiai Tanszék, Természettudományi Kar, King Saud University, Rijád 11459, Szaúd-Arábia

Absztrakt

1. Bemutatkozás

A nanoanyagok az évszázad legtöbbet tanulmányozott anyagai, amelyek új „nanotechnológia” néven ismert tudományágat születtek. A nanoanyagokat ömlesztett méretű anyagokból készítik, de ezeknek a részecskéknek a kisebb mérete és alakja megkülönbözteti kémiai hatásukat az alapanyagétól [1]. A kisebb méretű nanoanyagok segítenek behatolni a sejtek meghatározott helyeibe, és további felületük elősegíti az anyagok fokozott adszorpcióját és célzott bejuttatását [2]. A nanoanyagok megtalálhatók a vulkanikus porban, az ásványi kompozitokban és az antropogén hulladékokban, például a szén elégetésében, a dízel kipufogóban és a hegesztő füstökben (véletlenszerű nanoanyagok) [3]. A nanoméretű dimenzióval gyártott, gyártott nanoanyagok általában négy típusba sorolhatók: szén, fémek, fémoxidok, dendrimerek és kompozitok [4].

Az ezüst nanorészecskék (AgNP-k) egyedülálló optikai, elektromos és termikus tulajdonságokkal rendelkeznek, és olyan termékekbe épülnek be, amelyek a napelemektől a biológiai és kémiai érzékelőkig terjednek. Néhány példa a vezetőképes tinták, paszták és töltőanyagok, amelyek az AgNP-ket használják magas elektromos vezetőképességük, stabilitásuk és alacsony szinterelési hőmérsékletük érdekében. További alkalmazások közé tartoznak a molekuláris diagnosztika és a fotonikus eszközök, amelyek kihasználják e nanoanyagok új optikai tulajdonságait. Egyre gyakoribb alkalmazás az AgNP-k alkalmazása antimikrobiális bevonatokra; textiltermékek, billentyűzetek, sebkötözők és orvosbiológiai eszközök immár olyan AgNP-ket tartalmaznak, amelyek folyamatosan alacsony mennyiségű ezüstiont szabadítanak fel a baktériumok elleni védelem érdekében [5].

A polimerek a fém nanorészecskék gazdasejtjei [6]. A polimer felületi feltöltési szakemberként működik, amikor nanorészecskéket ültetnek be beléjük. A kapott nanokompozitok továbbfejlesztett optikai tulajdonságokkal rendelkeznek [7]. A polimer kompozitok tulajdonságai azonban a beépített nanorészecskék típusától, méretétől, alakjától, koncentrációjától és a polimer mátrixszal való kölcsönhatásától függenek. A poli (metil-metakrilát) (PMMA) egy polimer üveg, amelynek felhasználási területe széles. A PMMA alkalmazása kettős előnyöket kínál, mint például a karboxilát funkcionális csoportok rendelkezésre állása a fémionokkal történő kémiai kötéshez és a PMMA nagy oldhatósága olyan oldószerekben, mint a DMF az ezüst-nitrát redukciójához [8].

A polimer nanokompozitok különféle tulajdonságainak, például a soha nem látott teljesítménynek, az alkotórészekhez képest jobb tulajdonságoknak, a tervezési rugalmasságnak és az alacsonyabb életciklus-költségeknek köszönhetően jelentős figyelmet keltettek. A nanokompozit olyan szerves/szervetlen nanorészecskéket használ fel, amelyek beépülnek a polimerekbe, és amelyek új anyagokat állítanak elő, amelyek potenciálisan alkalmazhatók a katalízis, a biomérnöki munka, a fotonika, az elektronika és az antibakteriális hatások terén [9–11]. Kimutatták, hogy az AgNP-k polimerekkel alkotnak kompozitokat, például polivinil-alkoholt, polipirolt, polivinilidén-fluoridot, kitozánt és cellulózot. Ezüst-polimer nanokompozit esetében fontos, hogy a mátrixban ellenőrizzék a nanorészecskék méretét, és ennek egyenletes eloszlása ​​legyen a polimer mátrixban. Az ezüst-polimer nanokompozitok szintézise magában foglalja egy nanorészecske-oldat és a polimerizációs keverék keverését. Ezeknek az ezüst-polimer nanokompozitoknak sokféle alkalmazási területe lehet, például biomedicinában, textíliákban, vízkezelésben, élelmiszertároló edényekben, háztartási készülékekben és orvosi eszközökben [12, 13].

A nanoanyagok szintézisének különféle módjai vannak, amelyek kémiai, fizikai és biológiai. Néhány alkalmazott kémiai és fizikai módszer hozzájárult a környezeti szennyeződéshez, mivel az ezzel járó kémiai eljárások nagy mennyiségű veszélyes mellékterméket eredményezhetnek. Ezért szükség van új, „zöld” szintézis eljárások kidolgozására a nanorészecskék számára, amelyek környezetbarát, biztonságos és nem toxikus eljárások, alacsony energián és hőmérsékleten végrehajtva. A biológiai módszerek magukban foglalják a nanoanyagok szintézisét növények, baktériumok és gombák kivonataiból, többek között [14, 15].

Ebben a vizsgálatban stabil AgNP-ket szintetizáltak az ezüst-nitrát redukciójával Trigonella foenum-graecum vizes kivonat. Az AgNP-ket transzmissziós elektronmikroszkóppal (TEM), UV-Vis spektrumokkal és zetasizerrel jellemeztük. Az AgNP/PMMA nanokompozitot FTIR és XRD segítségével jellemeztük, és hőstabilitását TGA segítségével értékeltük. Ezenkívül a PMMA nanokompozitok antimikrobiális hatását értékelték csapvízen. A vizsgálat fő célja az volt, hogy a PMMA nanokompozitokban lévő AgNP-ket biofilterként használják a csapvízhez.

2. Anyagok és módszerek

2.1. Az AgNP-k zöldebb szintézise

Trigonella foenum-graecum (Helba, 3 g) magokat vásároltak Rijád városában (Szaúd-Arábia) a helyi piacról. A magokat többször mostuk, hogy eltávolítsuk a port a mag peremén, majd szárítottuk és egy éjszakán át 90 ml forralt desztillált vízben áztattuk. A kivonatot a Whatmann sz. 1 szűrőpapírt és az egyesített szűrletet azonnal felhasználjuk nanorészecskék előállításához. A kapott vizes szűrletet ezüst-nitrát (AgNO3) vizes oldatával kezeltük.

Ezüst-nitrátot (1 mmol/ml, analitikai minőségű, Techno Pharmchem, India) feloldunk 50 ml desztillált vízben, erőteljes keverés mellett, 80 ° C-on 5 percig. Ezután 5 ml Helba extraktumot adunk az ezüst-nitrát oldathoz. A kolloid oldat színe egy órán belül megváltozott, ami megerősítette az Ag-ionok redukcióját és a zöldebb AgNP-k képződését. A reakció színének változását vizuális megfigyeléssel figyeltük meg. Ezután a zöld nanorészecske-oldatot felhasználásig szobahőmérsékleten inkubáltuk.

2.2. Zöld AgNP/PMMA nanokompozit film előkészítése

A PMMA-t (6 g, SABIC Company, Szaúd-Arábia) feloldottuk 50 ml N, N-dimetil-formamidban (DMF, R&M Marketing, Essex, Egyesült Királyság), folyamatos keverés mellett, 3 órán át 80 ° C-on. Ezután 3 ml frissen készített zöld AgNP-k oldatát (előző szakasz) állandó keverés közben 80 ° C-on és 8000 fordulat/perc sebességgel adtuk hozzá. Ezt az elegyet további 1 órán át keverjük a reakció befejezéséhez. A teljes korábbi folyamatokat elszívóernyőben hajtották végre. Világosbarna oldatot kaptunk az ezüstkolloid képződése miatt. Ekkor az oldatot üveglemezre öntjük, és a DMF-et hagyjuk szobahőmérsékleten elpárologni, hogy nanokompozit filmet hozzanak létre. A filmet légszárítóval elszívták. A filmet metanollal mossuk a maradék DMF eltávolítása és a szárítás elősegítése érdekében, majd szárítás után az üveglapról eltávolítjuk.

2.3. A zöld nanorészecskék és nanokompozit jellemzése

Röntgendiffrakciós (XRD) (Bruker D8 Discover) letapogatást végeztünk a zöld AgNP/PMMA nanokompozit és PMMA filmek azonosítására. A zöld AgNP/PMMA nanokompozit és PMMA filmek TGA analízisét termikus rendszerben végeztük (Mettler Toledo TGA/DSC 1). Körülbelül 4 mg szárított filmet használtunk a TGA kísérlethez. A TGA termogramokat 0–800 ° C tartományban kaptuk nitrogénáram alatt, 10 ° C min -1 sebességgel. Külön grafikonjaikat ábrázoltuk tömeg (százalékos) veszteséggel és a hőáramlással a hőmérséklethez viszonyítva.

A szintetizált zöld AgNP-k méretét egy zetasizer segítségével (Nano sorozat, HT Laser, ZEN3600 Molvern Instrument, Egyesült Királyság) elemeztük. Transzmissziós elektronmikroszkópiát (JEM-1011, JEOL, Japán) alkalmaztunk a kialakult zöld szintetizált nanorészecskék méretének, alakjának és morfológiájának jellemzésére 100 kV gyorsítófeszültség mellett.

2.4. Víz mikrobiológiai vizsgálata
2.4.1. Lemezszámlálási módszer

A kezelt csapvíz mikrobiális növekedését lemezszámolási módszerrel értékeltük. A lemezszámlálási módszer támaszkodik arra, hogy a baktériumok egy táptalajon növesztik a kolóniát, így a telep szabad szemmel láthatóvá válik, és a lemezen lévő telepek száma megszámolható. A hatékonyság érdekében az eredeti minta hígítását úgy kell elrendezni, hogy a célbaktérium átlagos telepei 30 és 300 között növekedjenek. Megfelelő számú telepképződés biztosítása érdekében általában több hígítást tenyésztünk. Ezt a megközelítést széles körben használják a vízkezelés hatékonyságának értékelésére reprezentatív mikrobiális szennyeződések inaktiválásával, mint pl. E. coli követve [16, 17].

A csapvíz zöld nanokompozit filmmel történő kezeléséhez a

a zöld filmet 50 ml csapvízbe áztattuk Erlenmeyer-lombikban, és 48 órán át tartottuk.

Három különféle táptalaj, eozin-metilénkék (E.M.B) agar, tápanyag-agar (N.A) Gram-negatív baktériumokhoz, mint pl. E. coli, és Muller-Hinton (M.H) agart használtak sok izolált mikroorganizmus előállításához. Az értékelt vízminták normál csapvíz volt kontrollként (ÉNy) és kezelt csapvíz (TW).

250 g tápanyag-agar táptalaj előállításához 7 g agar táptalajt feloldunk 250 ml desztillált vízben, és autoklávban kezeljük. 250 g MacConkey-agarból történő előállításához 12,87 g agar-táptalajt feloldunk 250 ml desztillált vízben, majd autoklávozunk. Muller-Hinton agar táptalaj esetében 9,5 g táptalajt feloldottunk 250 ml desztillált vízben, majd autoklávoztuk. Ezt követően 1 ml kezelt és kezeletlen csapvízből (TW vagy NW) adtunk a hozzárendelt Petri-csészékhez. Ezután a táptalajt alaposan összekevertük, autoklávoztuk és fejjel lefelé inkubáltuk 37 ° C-on 24-48 órán át.

3. Eredmények és megbeszélés

3.1. Vizuális megfigyelés és UV-Vis spektroszkópia elemzés

A nemesfémek kivételes optikai tulajdonságokkal rendelkeznek a felületi plazmon rezonancia (SPR) miatt [18]. Az AgNP-k fejlődését először színtelen-barna-színváltozásra és UV-Vis spektroszkópiára ellenőriztük. A színváltozás az AgNP-k képződését mutatta, mivel az ezüst fémrészecskék Ag + redukálódtak nanorészecskékké Ag 0 [19]. Ez a szín az SPR gerjesztésére utal. Amint az 1. ábrán látható, az AgNP-k jellegzetes SPR sávját figyeltük meg 339 nm körül.


3.2. TEM és részecskeméret elemzés

A TEM képek gömb alakú monodiszperz AgNP-ket mutatnak be, amint azt a 2. ábra (a) mutatja. Az átlagos részecskeméretet dinamikus fényszórással (DLS) határoztuk meg, és 83,01 nm-nek találtuk, amint az a monodiszperz AgNP-ket mutató méreteloszlási grafikonon kiderült (2. ábra (b)). Ezek az eredmények egyetértettek és megerősítették a TEM által elért eredményeket. Ezek az eredmények összhangban vannak Goyal et al. akik azt tanítják, hogy a DLS alkalmazásával végzett méretmeghatározási vizsgálatok feltárták a szintetizált ezüst nanorészecskéket Trigonella foenum-graecum magkivonat mérete 95 és 110 nm között [20].

3.3. Röntgendiffrakciós elemzés

A tiszta PMMA és AgNP struktúráját a polimer mátrixban XRD analízissel vizsgáltuk. Ezért a tiszta PMMA polimer és a zöldebb AgNP/polimer nanokompozitok XRD mintáit a 3. (a) és 3. (b) ábrákon mutatjuk be.

A 3. (a) ábra alapján egyértelműnek tűnik, hogy a tiszta PMMA vékony filmnek nincs kristályos szerkezete. Ezért azt mondhatjuk, hogy amorf szerkezetű volt. Amint a 3. (b) ábrán látható, a zöldebb AgNP/PMMA nanokompozitok kimutatták és megerősítették az ezüst jelenlétét a polimer mátrixban. Ez azt mutatja, hogy az összes csúcsban a fémes tiszta ezüst gömb alakú volt. A refrakciót sok csúcs biztosította kb

35–70 °, míg az első és a második csúcsot a rácssíkhoz rendeltük (1 1 1) és (2 0 0), ill. [21–23]. Emellett a polimer/AgNP kompozit minták kétfázisú (kristályos és amorf) szerkezetet mutatnak. A polimer/AgNP kompozit a várakozásoknak megfelelően széles visszaverődést és a polimer tipikus amorf jellegét mutatta, és az arccentrikus köbös (FCC) Ag kristályos szerkezet tipikus mintázata fém Ag képződését jelezte [24].

A PMMA XRD mintázata azt mutatta, hogy három széles csúcs jelent meg, amelyek megfeleltek a polimer amorf fázisának rendezett és rendezetlen struktúráinak keverékének [25]. Az amorf halot az egyes polimerláncok távolsága okozta. A PMMA és a zöldebb AgNP/PMMA nanokompozit diffrakciós mintázatainak összehasonlítása azt mutatta, hogy a PMMA-láncokba ágyazott kis AgNP-k miatt a PMMA-nak megfelelő csúcsok szélesebbek lettek és eltűnni látszottak [26].

3.4. FTIR spektroszkópia elemzés

Annak igazolására, hogy a kapott kompozitok tartalmaznak-e PMMA-t, meghatároztuk a tiszta PMMA és az AgNP/PMMA kompozit FTIR spektrumát. Az eredményeket a 4. (a) és a (b) ábra mutatja. Amint a 4. (a) ábrán látható, a tiszta PMMA-ban lévő 1550 és 1800 cm-1 közötti sávok akrilát-karboxil-csoportoknak vagy C = O-rezgéseknek köszönhetők, amelyek mind a PMMA tipikus sávjai. A 3000–3007 cm-1 csúcsot a C – H nyújtó rezgéshez rendeltük. A zöldebb AgNP/PMMA nanokompozit esetében a csúcs megjelenését C = O rezgésekhez rendeltük 1550–1800 cm-1-nél (4. ábra (b)). A 4. (a) ábra spektrumából látható, hogy az 1203 cm-1-es sáv a C – O – C csoportból származik. A tiszta PMMA-hoz tartozó 4. (a) ábrához képest azonban a zöldebb AgNP/PMMA-n a 4. (b) ábra csúcspozíciói eltolódtak a PMMA és az AgNP közötti erős kölcsönhatás miatt. Az AgNP/PMMA nanokompozit (4. ábra (b) ábra) esetében az 550–650 cm-1-es csúcsok az Ag – C nyújtó rezgésből származnak, ami tovább bizonyította Ag és a PMMA hosszú láncú alkiljainak létezését és reakcióját. Ezenkívül az AgNP/PMMA nanokompozit vékony filmeknél a C = O észter-karbonilcsoport, a C = C, CH3 és a CC eltolódása is megfigyelhető volt, ami jelezte a PMMA vékony filmszerkezetek AgNP-k általi módosítását [23, 27–29 ].


3.5. A termikus gravimetriás elemzés

A TGA becsléseket Ag/PMMA nanokompoziton és tiszta PMMA-n végeztük. Az ülepedő tömegű mintákat 100 ° C/perc sebességgel melegítettük szobahőmérsékletről 800 ° C-ra, amely az oldószer forráspontja és a polimer lebomlási hőmérséklete között volt. A 4. ábra a megfigyelt súly két fázisát mutatja be, és az alapul szolgáló súlycsökkenés 20%, illetve 5% körüli volt a PMMA, illetve az Ag/PMMA esetében szobahőmérsékletről 300 ° C-ra.

A súlycsökkenést ezen a hőmérsékleten az alacsony szubatomi tömegű oligomerek, a nedvességvesztés és az oldószer maradványai okozták. A második súlycsökkenés a tiszta PMMA lebomlását mutatta (5. a) ábra) 360 ° C felett, amely 400 ° C-on teljesen szétesett, míg az Ag/PMMA nanokompozit 800 ° C felett felbomlott (5. ábra (b)) . A második jelentős súlycsökkenés a polimer alapvető romlásának tulajdonítható. Az Ag/PMMA nanorészecskék és a tiszta PMMA súlycsökkenését az 5. (a) és az 5. (b) ábra mutatja. Az Ag/PMMA nanokompozit termogravimetriás vizsgálata szerint a bomlási profil 400 ° C-tól kezdődik és 800 ° C fölé tart. Ez bebizonyította, hogy a polimer magas hőstabilitását fokozta Ag jelenléte nanotöltő anyagként [30].


3.6. A mikrobiális növekedés eredményei

Ebben a munkában mikrobiológiai vizsgálatokat végeztek csapvízre és nanokompozit filmmel kezelt vízre, különböző típusú közegek felhasználásával. Az eredmények azt mutatták, hogy a nanokompozit filmmel kezelt vízzel ellátott lemezeken nem volt szaporodó mikroorganizmus, ellentétben a szokásos csapvízzel ellátott lemezekkel (6. ábra). Ennek oka az volt, hogy a filmben lévő zöldebb AgNP-k a kezelt vízben különösen olyan természetes anyagokat tartalmaznak, mint a nitrogén és a foszfor, amelyek alapvetően fontosak a baktériumok metabolizmusának reakciójában.


A zöldebb nanokompozit fenomenális mikroorganizmus aktivitást mutatott, amely függ a nanorészecske méretétől, mivel ez a paraméter megváltoztatta a baktériumfajokkal érintkező felületet. A zöld AgNP jelenléte a nanokompozitban tisztázza a szintetizált nanokompozit filmben található antimikrobiális tulajdonságot.

A zöldebb nanokompozit antibakteriális aktivitást mutatott a nanorészecske méretétől függően, mivel ez a paraméter megváltoztatta a baktériumfajokkal érintkező felületet. A zöld AgNP jelenléte a nanokompozitban megmagyarázta az előállított nanokompozitban található antimikrobiális tulajdonságokat.

A baktériumok elleni erős antibakteriális aktivitást nanokompozit film segítségével fedezték fel, amint arról több tanulmány is beszámolt [33]. Az AgNP nanokompozit antibakteriális hatásairól számos elméletben számos tanulmány számolt be; a legvalószínűbb forgatókönyv az látszik, hogy az ezüstionok kötődnek a baktériumsejt membránjához és károsítják azt a membránreceptorokba való beavatkozás és a baktériumok elektronszállítása révén. Egy másik forgatókönyv szerint a baktériumok elpusztító hatása kontakt elpusztításnak köszönhető [34, 35]. Következésképpen ez a könnyebb megközelítés a zöldebb AgNP/polimer nanokompozit film előállításához értékes számos ipari alkalmazásban. A technika lehetővé teszi egy nem toxikus, olcsó, környezetbarát, biológiailag hozzáférhető anyag felhasználását [26].

4. Következtetések

A bemutatott munka bemutatta az AgNP gyors, zöldebb szintézisét Trigonella foenum-graecum magok és ezek összetétele a PMMA polimerrel. A technika itt nem mérgező, ökológiailag szívélyes és egyértelmű, minimális erőfeszítéssel jár és nincs halálos kémiai anyag. A zöldebb AgNP-k képződését TEM és UV-Vis spektroszkópiával határoztuk meg, ahol a felületi plazmon abszorpciós maximumok 339 nm-en láthatók az UV-Vis tartományban. A Zetasizer a kapott nanorészecskék átlagos méretét 83,01 nm-nek bizonyította. A nanokompozitot FTIR spektroszkópiai és XRD technikák alkalmazásával jellemeztük. TGA-t használtunk az AgNP-k és a polimer mátrix közötti hőstabilitás és interfaciális kapcsolat feltárására. A TGA kimutatta, hogy az AgNP/PMMA nanokompozit nagyobb hőstabilitással rendelkezik, mint a PMMA polimeré. A nanokompozit filmek jelentős antibakteriális aktivitású baktériumokat mutattak, amelyek nem mutattak mikrobákat a kezelt vízben. Ez garantálja a nanokompozit ígéretes potenciális hasznosítását a víz dekontaminálásában, a csatornákban és a vízkészletekben, a víz és a szennyvíz tisztításán túl.

Adatok elérhetősége

A tanulmány eredményeinek alátámasztására felhasznált összes adatot a cikk tartalmazza.

Összeférhetetlenség

A szerzők kijelentik, hogy a cikk megjelenésével kapcsolatban nincs összeférhetetlenség.

Köszönetnyilvánítás

A szerzők hálásak az Abdullah King Nanotechnológiai Intézet és a Tudományos Kutatási Dékánság anyagi és logisztikai támogatásáért, a King Saud University, Rijád, Szaúd-Arábia.

Hivatkozások