خاصیت ضد میکروبی و فتوکاتالیستی نانوکامپوزیت بنتونیت/دی‌اکسید تیتانیوم دوپ شده با نقره

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره هشت، آبان ماه 99

خاصیت ضد میکروبی و فتوکاتالیستینانوکامپوزیت بنتونیت/دی‌اکسید تیتانیوم دوپ شده با نقره

مهسا مددی[1] 

  محمد قربان‌پور[2] ^*

Ghorbanpour@uma.ac.ir

چکیده

زمینه و هدف: یکی از کاربردهای مهـم نـانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم در از بـین بردن میکروارگانیسم‌‌های مولد فساد در مـواد غـذایی و آب آشـامیدنی  و تصفیه فاضلاب می‌باشـد.

روش بررسی: نانوکامپوزیت‌های بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم خالص و دوپ‌شده 3، 5 10 درصد نقره با روش روش نمک مذاب تهیه شد. در ایـن پژوهش از خاصیت میکروب‌کشی نانوکامپوزیت بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم دوپ‌شده با نقره اسـتفاده شــد و میــزان تــأثیر آن را بــر روی دو میکروارگانیســم شـاخص مولـد فسـاد در مــواد غـذایی یعنی اشرشــیا کلــیو اســـتافیلوکوکوس اورئـــوستحت نور ماوراءبنفش و مرئی مورد آزمون قرار گرفت. همچنین، فعالیت فتوکاتالیستی این نانوکامپوزیت‌ها برای حذف آلاینده­ی رنگی متیل اورانژ نیز بررسی شد. نانوکامپوزیت‌های تهیه شده توسط پراش اشعه‌ایکس، میکروسکوپ‌الکترونی، تجزیه و تحلیل عناصر و طیف سنجی بازتابی شناسایی شدند.

یافته‌ها: تجزیه و تحلیل میکروسکوپ الکترونی تجمع نانوذرات کروی دی‌اکسید تیتانیوم تشکیل شده بر روی سطح بنتونیت را نشان‌ می‌داد. بر اساس آنالیز پراش اشعه ایکس با روش ارائه شده در این تحقیق سنتز نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم با فاز آناتاز با‌ اندازه کمتر از 50 نانومتر میسر شد. آنالیز عنصری نشان­گر حضور یون نقره در ساختار نانوکامپوزیت‌های بنتونیت/دی­اکسید تیتانیوم بود. با توجه به نتایج طیف سنجی بازتابی، افزایش مقدار نقره دوپ­شده در نانوکامپوزیت دی‌اکسید تیتانیوم/بنتونیت باعث افزایش جذب قابل ملاحظه نور مرئی ‌شد. بر اساس نتایج حاصله، بنتونیت هیچ خاصیت ضد میکروبی نداشت. نانوکامپوزیت دی‌اکسید تیتانیوم /بنتونیت نیز خاصیت ضد میکروبی ضعیفی از خود نشان داد. دوپ کردن نقره موجب تقویت قابل ملاحظه خاصیت ضد میکروبی در مقایسه با نانوکامپوزیت خالص شد. این مطالعه همچنین نشان داد که فوتوکاتالیست‌های تهیه شده تأثیر ضدعفونی بیشتری بر روی باکتری گرم مثبت استافیلوکوکوس اورئوس نسبت به باکتری گرم منفی اشرشیا کلی داشند. یافته‌های فعالیت فتوکاتالیستی نشان دادند که دوپینگ نقره به مقدار 5 درصد وزنی بیشترین درصد حذف متیل اورانژ را داشته است. این امر به­دلیل افزایش قابلیت جذب نور به­دلیل حضور یون‌های نقره می‌باشد.

بحث و نتیجه‌گیری: فعالیـت ضـد باکتریایی و فتوکاتالیستی نانوکامپوزیت‌های دی‌اکسیدتیتانیوم/بنتونیت در اثر افزودن نقره به شدت افزایش می‌یابد. دلیل این امر را می‌توان به رهش یون‌های نقره از نانوکامپوزیت‌ها و افزایش تولید رادیکال‌های آزاد و اکسیژن فعال در اثر افزایش فعالیت فتوکاتالیستی در اثر کاهش شکاف انرژی نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم موجود در نانوکامپوزیت‌ها ارتباط داد.

واژه­های کلیدی: نانوکامپوزیت، بنتونیت، دی‌اکسید تیتانیوم، دوپینگ، نقره.

Antimicrobial and Photocatalytic Properties of Bentonite/Titanium Dioxide Nanocomposites Doped with Silver

Mahsa Madadi[3]

Mohammad Ghorbanpour[4]^*

Ghorbanpour@uma.ac.ir

Abstract

Background and Objective: One of the main applications of titanium dioxide nanoparticles is killing the microorganisms spatially in drinking water and wastewater treatment.

Method:  Pure bentonite/Titanium Dioxide nanocomposites and doped with 3, 5 and 10% w/w silver were prepared by molten salt method. In this study, the antibacterial activity of silver doped titanium dioxide/bentonite nanocomposites was studied against two important microorganisms in food industry i.e. Escherichia coli and Staphylococcus aureusunder visible or UV radiation. The photocatalytic activity of these composites against methyl orange was also investigated. The prepared nanocomposites were characterized by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), UV-Vis diffusive reflectance spectrometer (UV-Vis DRS).

Findings: The scanning electron microscope was showed, that agglomeration of spherical TiO₂ nanoparticles formed on the bentonite surface. The XRD pattern revealed that all of the samples have only an anatase phase with crystalline size less than 50 nm. According to EDX analysis, the silver ions successfully doped to the TiO₂ nanoparticles. According to UV-Vis DRS results, increasing amounts of doped Ag content in the silver-doped titanium dioxide results in a higher visible absorbance capability of the materials. Parent bentonite did not show antibacterial activity. Titanium dioxide/bentonite nanocomposites showed very weak antibacterial activity. The results showed that the antibacterial ability was significantly improved by doping silver content comparing with pure TiO₂/bentonite nanocomposites. This study also showed that Gram-positive bacteria (S. aureus) were more readily disinfected by the photo catalysts than a Gram-negative bacterium (E. coli). According to photocatalytic activity findings, doping of nanocomposites with 5 % silver ions showed maximum photocatalytic activity. This is attributed to the increasing visible absorption capacity due to the presence of silver ions.

Discussion and Conclusion: Antibacterial and photocatalytic activity of titanium dioxide/bentonite nanocomposites increases dramatically due to the addition of silver ions. This can be attributed to the release of silver ions from nanocomposites and the increase in the production of free radicals as a result of increased photocatalytic activity due to reducing the energy gap of titanium dioxide nanoparticles in nanocomposites.

Key words: Nanocomposites, Bentonite, Titanium Dioxide, Doping, Silver.

مقدمه

بسیاری از نانوذرات دارای خواص ضد میکروبی مناسبی‌ می‌باشند که به­دلیل نسبت سطح به حجم بالای آن­ها‌ می‌باشد. ‌‌دی‌اکسید تیتانیوم از اکسیدهای فلزی است که با دارا بودن قابلیت‌‌های مختلفی همانند اکسیداسیون قوی، زیست‌سازگاری و ویژگی‌‌های‌ مورد قبول مکانیکی و خواص ضد میکروبی، در دسته نانوذراتی قرار می­گیرد که در گستره وسیعی از علوم کاربرد فراوانی یافته است (3-1). دی‌اکسید تیتانیوم یک کاتالیست نوری است کـه به­طور گسترده‌‌‌ای برای تصفیه فاضلاب استفاده‌ می‌شود. اساساً فتوکاتالیست‌ها موادی هستند که باعث نـابودی آلاینده‌های موجود در آب و فاضلاب و در نتیجه تبدیل آن­ها به مـواد بی‌خطر نظیر آب و دی‌اکسید کربن‌ می‌شوند (5-3). از واکـنش فتوشـیمیایی دی‌اکسید تیتانیوم می‌توان بـرای غیر فعـال‌سـازی میکروارگانیزم‌ها استفاده نمود. مهم­ترین میکروارگانیزم‌‌های بیماری‌زا، مولد سم و یا عامل فساد عبارتند از باکتری گرم منفی اشرشــیا کلــی و بـاکتری گرم مثبت استافیلوکوس اورئوس. اشرشــیا کلــی از پاتوژن‌‌های مهم صنایع غذایی بوده و به­خصوص در سلامت آب شرب با اهمیت است. آلوده بودن آب آشامیدنی بـه ایـن باکتری دلیل بر آلوده شدن آب توسط فاضلاب‌ می‌باشد و به­دلیل مهم بودن سلامت آب نابودی ایـن بـاکتری از اهمیت خاصی برخوردار است. بـاکتری استافیلوکوس اورئوس نیز از پاتوزن‌‌های مهم‌ می‌باشد که در بهداشت مواد غذایی به ویژه فرآورده‌های لبنی حائز اهمیت می‌باشد.

مهم­ترین­مشکل نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم به­عنوان فوتوکاتالیست، داشتن شکاف انرژی بالا و در حدود 2/3 الکترون ولت‌‌ می‌باشد (5). به همین دلیل فقط در گستره‌ی طیف فرابنفش، قادر به جذب حدود چهار درصد انرژی نور خورشید است. راه‌کارهای متفاوتی برای غلبه بر این مشکل وجود دارد، از جمله‌‌ می‌توان به دوپ نمودن نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم با یون‌های فلزی مانند آهن، کروم، مس و روی و غیرفلزات مانند نیتروژن و کربن اشاره کرد (8 ,7). در میان این عناصر، نقره دارای برخی خاصیت ضد باکتریایی بسیار قوی‌ می‌باشد (11-9). بنابراین، فعالیـت ضـد باکتریایی نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم در اثر افزودن نقره تشدید‌ می‌شود.

در بسیاری ازکاربردهای فتوکاتالیستی از فرم سوسپانسیون شده پودر نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم استفاده می‌شود. کلوخه شدن ذرات در سیسستم دوغابی از مشکلات اساسی این فرم‌ می‌باشد. علاوه‌براین، جداسازی فتوکاتالیست از مخلوط واکنش و فرآیند بازیافت این ذرات از محیط، وقت‌گیر و پرهزینه است. لذا برای غلبه بر این مسائل، تثبیت کاتالیست بر روی یک پایه مناسب حائز اهمیت است. تاکنون از پایه‌‌های بسیار متنوعی مانند شیشه، کربن فعال، سیلیکا و کلی برای نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم استفاده شده است (14-12 ,3). یکی از مهم­ترین این پایه‌ها بنتونیت می‌باشد. بنتونیت در دسته مواد متخلخل رسی قرار می­گیرد و در حال حاضر به­عنوان جاذب و کاتالیزور استفاده می‌‌شود (15). دردسترس بودن تجاری، قیمت پایین، تورم خوب، سطح زیاد و تخلخل بالا عوامل مؤثر بر مصارف زیاد این دسته از مواد معدنی سیلیکاتی‌ می‌باشد. تاکنون، در بسیاری از مطالعات از رس‌ها به­عنوان پایه برای نانوذرات ‌دی‌اکسید تیتانیوم استفاده شده است (18- 16, 1).

اخیراً، در تعدادی تحقیق روش نمک مذاب برای سنتز و تهیه کامپوزیت‌های نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم /پایه مورد استفاده قرار گرفته است (12 ,3 ,1). در تمامی این تحقیقات باند گپ نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم در محدوده نور ماوراءبنفش بوده است. بنا بر تحقیق ما، تاکنون هیچ تحقیقی بر روی تهیه و شناسایی نانوکامپوزیت بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم دوپ‌شده با نقره با روش نمک مذاب انجام نشده است. در این پـژوهش نانوکامپوزیت بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم دوپ‌شده با نقره، سنتز و شناسایی شده و خاصیت ضد میکروبی آن بـــر روی دو میکروارگانیسم بررسی گردیـــد. میکروارگانیسـم‌‌های انتخاب شده در ایـن تحقیــق پاتوژن‌‌های مهم مواد غذایی‌ می‌باشند کـه در صنعت و در نگهداری مواد غذایی ایجاد فساد و آلودگی‌ می‌کننـد. علاوه‌براین، فعالیت فتوکاتالیستی این نانوکامپوزیت‌ها برای حذف آلاینده­ی رنگی متیل اورانژ به­عنوان رنگ مدل نیز بررسی شد.

مواد و روش‌ها

بنتونیت فعال از کارخانه گوهر خاک خاور (ایران، میانه) خریداری شد. مولرهینتون براث، نوترینت آگار، متیل اورانژ، نیترات نقره و پودر دی‌اکسید تیتانیوم از کمپانی مرک تهیه شد. باکتریاشرشیاکلی (PTCC 1270) و استافیلوکوکوس (PTCC 1112) از سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران تأمین شد.

برای تهیه کامپوزیت بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم، پودر ‌دی‌اکسید تیتانیوم و بنتونیت با نسبت وزنی 3:1 در یک بوته­ی چینی ریخته و پس از ساییدن، نمونه در کوره در دمای 700 درجه سلسیوس قرار داده شد. پس از 60 دقیقه، نمونه­ از کوره خارج شده و پس از سرد شدن، توسط آب و اولتراسوند شسته شده و بعد از فیلتراسیون در آون خشک شد. سنتز کامپوزیت بنتونیت /دی‌اکسیدتیتانیوم دوپ­‌شده با نقره با همین روش انجام شد با این تفاوت که به مخلوط پودر ‌دی‌اکسید تیتانیوم و بنتونیت اولیه قبل از حرارت‌دهی، نیترات نقره با درصد وزنی 3، 5 و 10 درصد وزنی نسبت به وزن پودر ‌دی‌اکسید تیتانیوم، به مخلوط افزوده شد. سنتز نانوذره ‌دی‌اکسید تیتانیوم بدون پایه نیز با حرارت‌دهی پودر ‌دی‌اکسید تیتانیوم در دمای ˚C700 و به‌مدت60 دقیقه انجام شد.

تغییرات مورفولوژی نانوکامپوزیت‌های بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم توسط دستگاه میکروسکوپ الکترونی (LEO1430VP, Germany) مجهز به دستگاه تحلیل‌سنج شدت انرژی طیف پرتوایکس مورد بررسی قرار گرفت. طیف جذب نور نانوکامپوزیت بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم تهیه شده، قبل و بعد از تثبیت نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم توسط دستگاه اسپکتروفتومتر طیف جذبی (Sinco S4100, Korea) مورد ارزیابی قرار گرفت. فازشناسی و بررسی ساختار فازی نانوذرات توسط دستگاه آزمون پراش پرتو ایکس (EQuinox 3000) انجام شد. الگوهای پراش پرتو ایکس بررسی شد. قطر کریستال‌های دی‌اکسید تیتانیوم با کمک معادله شرر محاسبه گردید.

برای ارزیابی خاصیت ضد میکروبی نانوکامپوزیت از روش بازدارندگی رشد استفاده شد. برای تهیه سوسپانسیون میکروبی، چند کلنی از کشت تازه و 24 ساعته باکتری به محیط کشت مولرهینتون براث منتقل و کدورتی معادل با نیم مکفارلند (کدورت معادل 10⁸×5/1 باکتری در هر میلی‌لیتر) تهیه گردید. پلیت‌های حاوی آگار با 100 میکرولیتر سوسپانسیون میکروبی تلقیح شد. کامپوزیت‌ها به شکل کروی با قطر 5/0 سانتی‌متر بر روی سطح آگار تلقیح داده شده قرار داده شد و به مدت 24 ساعت در حضور نور فرابنفش نزدیک (Philips, Netherland) با توان 4 وات و نور مرئی (Osram, Germani) با توان 250 وات در ˚C 37 گرم‌خانه گذاری شد. در نهایت، منطقه بازدارندگی رشد و یا هاله تشکیل شده هر نمونه اندازه­گیری شده و به­عنوان اثر ضد میکروبی نانوکامپوزیت‌ها در نظر گرفته شد.

1/0 گرم از نانوکامپوزیت­های دی‌اکسید تیتانیوم /بنتونیت دوپ شده با نقره تهیه شده، توزین شده و در یک بشر ml 250 ریخته شد، سپس به آن ml 250 محلول متیل­اورانژ با غلظت ppm 25 اضافه کرده، و بر روی استیرر تحت نور فرابنفش و نور مرئی قرار داده، به­منظور بررسی فعالیت فتوکاتالیزوری در بازه­های زمانی مشخص نمونه­برداری انجام گرفت و پس از جداسازی آن توسط دستگاه سانتریفیوژ، جذب محلول رویین توسط دستگاه اسپکتروفتومتر اندازه‌گیری ­شد. بازدهی حذف در هر آزمایش با استفاده از رابطه زیر به­دست آمد:

درصد حذف= (2)

که دراین رابطه (C_i (mg/L غلظت اولیه و C_f (mg/L) غلظت نهایی متیل اورانژ در محلول می‌باشند.

یافته‌ها

شکل 1 تصاویر میکروسکوپ الکترونی بنتونیت و نانوکامپوزیت دی‌اکسید تیتانیوم /بنتونیت را نشان می‌دهد. عکس الکترونی روبشی بنتونیت در شکل (1. الف) ساختار لایه­لایه­ای معمولی با تکه­های متعدد در ابعاد نانو از ذرات رس با مورفولوژی ورق مانند را نشان می­دهد. همان‌طور که از شکل مشاهده می‌شود، پس از قراردادن بنتونیت در پودر ‌دی‌اکسید تیتانیوم و حرارت­دهی بعدی آن­ها، ساختار اولیه­ی بنتونیت باقی مانده و نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم بر روی سطح آن‌ها تشکیل می‌شود. همان­طور که در شکل مشاهده‌ می‌شود اکثر نانوذرات شکلی کروی دارند و یک حالت توده‌ای شدن در شکل مشاهده‌ می‌شود. علاوه‌براین، با توجه به شکل مشاهده‌ می‌شود که بلورها به­صورت منظم بر روی سطح پراکنده شده‌اند. بنابراین، دوپ کردن با نقره باعث ایجاد تغییر شکل در نانوذرات تیتانیوم نشده است.

مقدار تیتانیوم و نقره دوپ‌شده موجود در نانوکامپوزیت‌ها توسط دستگاه تحلیل سنج شدت انرژی طیف پرتوایکس بررسی شد (جدول1). این آنالیز حضور پیک‌های مربوط به تیتانیوم و نقره را درشبکه بلوری نانوکامپوزیت‌ها تأیید می‌کند. از سوی دیگر، در نمونه‌ای که 3 درصد وزنی نیترات نقره نسبت به وزن پودر ‌دی‌اکسید تیتانیوم برای دوپ کردن استفاده شد نسبت وزنی نقره به تیتانیوم موجود در نانوکامپوزیت 2‌ درصد بود. در نمونه 10 درصد این نسبت تا 2/9 درصد افزایش یافت. بنابراین نتایج دوپ کردن نقره در ساختار تیتانیوم با روش نمک مذاب محقق شده است. دلیل کاهش مقدار نقره موجود در ساختار نانوکامپوزیت نسبت به مقدار اولیه را می­توان در عدم ورود کامل یون‌های نقره به ساختار نانوذرات تیتانیوم و در نتیجه شست­و­شوی آن­ها طی مراحل سنتز جستجو نمود.

شکل1- عکس میکروسکوپ الکترونی (الف) بنتونیت،(ب) نانوکامپوزیت‌های بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم اولیه و دوپ‌شده با(ج) 3، (د) 5 و (ذ) 10 درصد نقره

Figure 1. The SEM images of (a) bentonite; (b) pure bentonite/titanium dioxide nanocomposites and doped with (c) 3, (d), 5 and (d) 10% silver

جدول1- نسبت وزنی نقره به تیتانیوم موجود در نانوکامپوزیت ها

Table 1. Weight ratio of silver to titanium in nanocomposites

شکل 2 نتایج پراش اشعه ایکس بنتونیت و نانوکامپوزیت‌های بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم اولیه و دوپ‌شده را نمایش می‌دهد. براساس این شکل، بنتونیت حاوی مونت‌موریلینیت (º20 و º6 = θ2) و برخی مواد معدنی مربوط به آن همانند کوآرتز (º26= θ2) می‌باشد. در طیف مربوط به نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم پیک­های موجود در زوایای º34/25، º9/37، º1/48، º8/54 وº 0/62 نشان دهنده فاز آناتاز می‌باشد (1). بنابراین، تنها فاز موجود در نانوذرات سنتز شده موجود در ساختار نانوکامپوزیت‌ها فاز آناتاز می­باشد. این نتیجه با نتایج دو گزارش موجود که با روش نمک مذاب برای سنتز نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم استفاده شده است هم‌خوانی دارد (3). با این حال، در اکثر مطالعات علاوه‌ بر فاز آناتاز، فاز روتیل و بروکیت نیز مشاهده شده است (20 , 19). فاز آناتاز به­دلیل خواص فیزیکی وشیمیایی مناسب مزایای بیشتری دارد. فعالیت نوری بالای فاز آناتاز در مقایسه با فازهای دیگر ناشی از ساختار کریستالی آن است. در مورد ساختارهای نانوکامپوزیت دی‌اکسید تیتانیوم پیک‌های مربوطه هر دوی بنتونیت و دی‌اکسید تیتانیوم مشاهده‌ می‌شود. این امر نشانگر تشکیل موفقیت‌آمیز نانوکامپوزیت می‌‌باشد. ازسوی‌دیگر، در نمونه‌های نانوکامپوزیت دوپ‌شده و نشده نیز تنها فاز موجود فاز آناتاز می­باشد. درنتیجه، دوپ کردن نقره بر روی فاز نانوذرات تأثیری نداشته است.

شکل 2- پراش اشعه ایکس (الف) بنتونیت، (ب) نانوکامپوزیت‌های بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم اولیه ودوپ‌شده با (ج) 3، (د) 5 و (ذ) 10 درصد نقره

Figure 2. XRD of (a) bentonite; (b) pure bentonite/titanium dioxide nanocomposites and doped with (c) 3, (d), 5 and (d) 10% silver

برای بررسی بیشتر، با کمک معادله شرر‌ اندازه کریستالی نانوذرات محاسبه گردید (جدول 2). همان­طور که مشاهده می‌شود ‌اندازه کریستالی نانوذره دی‌اکسید تیتانیوم در نانوکامپوزیت دوپ نشده 38 نانومتر می‌‌باشد. با دوپ کردن نقره به میزان 3 و5 درصد، این ‌اندازه تا 44 نانومتر کاهش یافته و پس از دوپ کردن نقره به میزان 10 درصد ‌اندازه کریستال‌ها تا 34 نانومتر کاهش می‌یابد. بنابراین دوپ کردن نقره موجب کاهش اندازه نانوذرات موجود در نانوکامپوزیت می‌شود.

جدول 2- ‌اندازه کریستالی نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم

Table 2. Crystalline Size of Titanium Dioxide Nanoparticles

شکل 3 طیف جذب نور بنتونیت، نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم و نانوکامپوزیت‌های بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم اولیه ودوپ‌شده را نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌شود بنتونیت دارای یک پیک در طول موج حدود 319 نانومتر می‌باشد. این پیک در تمامی نانوکامپوزیت‌ها به شکل یک شانه وجود دارد. نانوذره دی‌اکسید تیتانیوم بدون پایه نیز تنها دارای یک پیک در طول موج حدود 346 نانومتر می‌باشد. همان‌طور که شکل 3 نمایش می‌دهد طیف جذبی نانوکامپوزیت‌های بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم دارای مشابهت با طیف جذبی نانوذره دی‌اکسید تیتانیوم بدون پایه و بنتونیت اولیه می باشد. طیف این نانوکامپوزیت‌ها دارای دو پیک درطول موج های حدود 346 و 319 نانومتر می‌باشد. با مقایسه طیف حاصل از نانوکامپوزیت‌ها با طیف بنتونیت و نانوذره دی‌اکسید تیتانیوم بدون پایه می­توان نتیجه گرفت که پیک موجود در طول موج حدود 346 نانومتر به نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم تشکیل شده بر روی بنتونیت و پیک دوم با بنتونیت اولیه ارتباط دارد. با رجوع دوباره به شکل 3 مشاهده می­شود میزان جذب نور مرئی در نانوکامپوزیت‌های بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم دوپ‌شده بیشتر از نانوکامپوزیت‌های بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم دوپ­نشده است. بنابراین انتظار می­رود فعالیت فتوکاتالیستی نمونه دوپ‌شده در معرض نور مرئی بیشتر از نمونه دوپ­نشده باشد.

شکل3-طیف جذب نور (الف) بنتونیت،(ب) نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم و (ج) نانوکامپوزیت‌های

بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم اولیه ودوپ‌شده با (د) 10 درصد نقره

Figure 3. DRS spectra of (a) bentonite; (b) pure bentonite/titanium dioxide nanocomposites and doped with (c) 10% silver

جدول 3 نتایج تست آنتی‌باکتریال نانوکامپوزیت‌ها را به­ترتیب بر ضد دو باکتری اشرشیاکلی و استافیلوکوکوس اورئوس نشان می‌دهد. همان‌طور که از جدول 3 مشاهده می‌شود بنتونیت اولیه دارای خاصیت ضد میکروبی نمی‌باشد. نانوکامپوزیت‌ بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم دارای خاصیت ضد میکروبی می‌باشد. این نانوکامپوزیت‌ در حضور نور ماوراءبنفش دارای خاصیت ضد میکروبی بیشتری در مقابل هر دو نوع باکتری نسبت به حضور نور مرئی‌ می‌باشد. دلیل را‌‌ می‌توان در شکاف انرژی بالای این نمونه‌ها جستجو کرد که در محدوده نور ماوراءبنفش قرار می‌‌گیرد. با مقایسه نتایج حاصل از نانوکامپوزیت‌های دی‌اکسید تیتانیوم /بنتونیت با نتایج حاصل از تحقیقات قبلی انجام شده با استفاده از نانوذرات دیگر همانند نانوکامپوزیت‌های نانوذرات مس، روی و نقره بر روی پایه بنتونیتی و سیلیکاژل می‌توان نتیجه گرفت که نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم دارای خاصیت آنتی باکتریال ضعیف‌تری می­باشند (13,12 ,9). این امر را می‌توان با خاصیت فتوکاتالیستی دی‌اکسید تیتانیوم اصلاح نمود. بدین منظور باید از تابش نور ماوراءبنفش و دوپ کردن استفاده نمود تا در محیط کشت بر اساس خاصیت فتوکاتالیستی دی‌اکسید تیتانیوم رادیکال‌های آزاد هیدروکسیل تولید شده و خاصیت آنتی باکتریال این نانوذرات تقویت شود. در این حالت خاصیت آنتی باکتریال نانوکامپوزیت‌های دی‌اکسید تیتانیوم /بنتونیت معادل و حتی بیشتر از نانوکامپوزیت‌های دیگر ذکر شده خواهد بود.

جدول 3- بازدارندگی رشد میکروبی نانوکامپوزیت

Table 3 . Inhibition of microbial growth of nanocomposite

برای بررسی میزان تأثیر دوپینگ نقره بر روی فعالیت فتوکاتالیستی نانو­کامپوزیت دی­اکسید تیتانیوم /بنتونیت در شکل 4 میزان درصد حذف نمونه­­های دوپ­شده با نمونه­ی دوپ­نشده در حضور نور فرابنفش و در شکل 5 در حضور نور مرئی مقایسه شده است. غلظت رنگ متیل اورانژ مورد استفاده در این آزمایش  ppm 15  و مقدار کاتالیست 5/0گرم بر لیتر بود. در 10 دقیقه ابتدایین واکنش برای محاسبه مقدار جذب، محلول در تاریکی قرار داده شد و پس از آن در معرض نور قرار گرفت. نتایج به­دست آمده نشان دادند که دوپینگ نقره بر روی نانو­کامپوزیت دی­اکسید تیتانیوم /بنتونیت سبب افزایش فعالیت فتوکاتالیستی نانوکامپوزیت‌ها هم در معرض نور مرئی (شکل 4) و هم در معرض نور ماوراءبنفش (شکل 5) می‌شود. همچنین با توجه به درصد حذف به­دست آمده برای نانوکامپوزیت­ها مشاهده می‌شود که دوپینگ نقره به مقدار 5 درصد وزنی بیشترین درصد حذف را داشته است. در مقادیر بیشتر از 5 درصد فعالیت فتوکاتالیستی نانوکامپوزیت کاهش یافت. علاوه‌براین، با توجه به شکل 5 مشاهده می­شود که دوپینگ نقره تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر روی فعالیت فتوکاتالیستی نانوکامپوزیت دوپ­شده در حضور نور مرئی هم داشته است. نانوکامپوزیت دوپ­نشده در حضور نور مرئی فعالیتی ندارد زیرا دی­اکسید تیتانیوم تحت نور مرئی برانگیخته نمی­شود و تراز فرمی آن بدون تغییر می­ماند.

شکل4- فعالیت فتوکاتالیستی نانوذرات دی­اکسید تیتانیوم (الف)، نانوکامپوزیت دی­اکسید تیتانیوم /بنتونیت اولیه (ب) و دوپ شده با (ج) 3 ، (د) 5، (ذ) 10 درصد نقره در حضور نور فرابنفش.

Figure 4. photocatalytic activity of (a) bentonite; (b) pure bentonite/titanium dioxide nanocomposites and doped with (c) 10% silver under UV irradiation.

شکل5- فعالیت فتوکاتالیستی نانوذرات دی­اکسید تیتانیوم (الف)، نانوکامپوزیت دی­اکسید تیتانیوم /بنتونیت اولیه (ب) و دوپ­شده با (ج) 3، (د) 5، (ذ) 10 درصد نقره در حضور نور مرئی.

Figure 5. photocatalytic activity of (a) bentonite; (b) pure bentonite/titanium dioxide nanocomposites and doped with (c) 10% silver under visible irradiation.

بحث و نتیجه‌گیری

در ایــــن پــــژوهش نانوکامپوزیت بنتونیت /دی‌اکسید تیتانیوم دوپ‌شده با نقره سنتز و شناسایی شد. خاصــــیت ضد میکروبی این نانوکامپوزیت بـــر روی دو میکروارگانیســـم یعنی اشرشــیا کلــی و اســـتافیلوکوکوس اورئـــوس و خاصیت فتوکاتالیستی آن بر روی تخریب آلاینده رنگی متیل اورانژ بررســـی گردیـــد. وقتی یک ماده نیمه­هادی با نور دارای انرژی بیشتر از انرژی باند گپ خودش، مورد تابش قرار گیرد جداسازی الکترون اتفاق می‌افتد. با جدا شدن الکترون از باند ظرفیت حفره‌ای در آن ایجاد می‌شود. فوتوکاتالیست با این کار درواقع یک واکنش اکسیداسیون و احیاء را انجام می‌دهند. در باند ظرفیت با کاهش الکترون و افزایش بار مثبت، رادیکال هیدروکسیل تولید می‌شود و در باند هدایت هم بار الکتریکی منفی تولید شده و اکسیژن مولکولی را احیاء و به سوپر اکسید تبدیل می‌نماید. رادیکال هیدروکسیل به‌عنوان یک عامل اکسیدکننده اصلی و قوی در تجزیه آلاینده‌های آلی و تبدیل آن‌ها به CO₂و آب نقش ایفاء می‌نماید (22 ,21). تمامی کامپوزیت‌های تهیه شده بر روی باکتری استافیلوکوکوس اورئوس خاصیت ضد میکروبی قوی‌تری نسبت به اشرشیاکلی داشتند. پس از دوپ کردن یون‌های نقره در ساختار نانوکامپوزیت‌ها خاصیت ضد میکروبی آن­ها افزایش می‌‌یابد. بنابراین، با توجه به نتایج حاصله، باکتری گرم منفی اشرشیاکلی دارای مقاومت بیشتری نسبت به باکتری گرم مثبت استافیلوکوکوس اورئوس بوده است. نمونه نانوکامپوزیت دوپ‌شده با 5 و 10 درصد نقره دارای بازدارندگی رشد تقریبا مشابهی علیه باکتری‌ها بوده است. اثر ضد میکروبی نانوذرات به­طورکلی در دو بخش قابل بررسی است: تأثیر روی دیواره سلولی و بخش خارجی سلول باکتری و ورود به سلول و تأثیر روی بخش‌های درونی مختلف سلول باکتری. در قسمت اول نانوذرات به علت بار الکترونی مثبت جذب بار منفی سطح خارجی سلول باکتری می‌شوند. این اتصال هم سبب بر هم زدن تعادل الکترولیتی باکتری و هم می‌تواند روی چرخه تنفسی سلول‌های باکتری تأثیرگذار باشد. نانوذره نقره توانایی برهم زدن ساختار اول و دوم دیواره سلولی و تأثیرگذاری روی باندهای هیدروژنی و ساختار آلفا هلیکس را دارد. نانوذرات به علت توانایی اتصال به گروه‌های سولفیدریل، کربوکسیل و فسفات بر روی آنزیم‌ها و پروتئین‌های چرخه تنفسی تأثیر دارد و سببب تغییر کانفورماسیون آن­ها شده و به دنبال آن­ها این چرخه ناکارآمد می‌شود. در قسمت دوم اثرگذاری نانوذرات روی پروتئین‌ها و آنزیم‌هایی که نقش اساسی در رشد سلول دارند. DNA باکتری‌ها به علت وجود گروه فسفات به نانوذرات متصل گشته و در نتیجه آن را از حالت انعطاف به حالت سخت تبدیل و چرخش و حرکت DNA دچار اشکال شده و در نتیجه عملکردهایی مانند همانندسازی و رونویسی تحت تأثیر واقع می‌گردد. نانوذرات همچنین در داخل سلول سبب ایجاد رادیکال‌های آزاد و اکسیژن فعال می‌کنند که این مواد اثر ضد میکروبی دارند. همان­طور که پیشتر ذکر شد فعالیـت ضـد باکتریایی نانوکامپوزیت‌های دی‌اکسید تیتانیوم /بنتونیت در اثر افزودن نقره به شدت افزایش می‌یابد. دلیل این امر را می‌توان به رهش یون‌های نقره از نانوکامپوزیت‌ها و افزایش تولید رادیکال‌های آزاد و اکسیژن فعال در اثر افزایش فعالیت فتوکاتالیستی در اثر کاهش شکاف انرژی نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم موجود در نانوکامپوزیت‌ها ارتباط داد.

یافته‌های فعالیت فتوکاتالیستی نشان دادند که دوپینگ نقره به مقدار 5 درصد وزنی بیشترین درصد حذف متیل اورانژ را داشته است. علت این است که نقره نقش تله برای به دام انداختن الکترون را دارد و جداسازی جفت الکترون- حفره در دی­اکسید تیتانیوم را افزایش می­دهد. در مقادیر بیشتر از 5 درصد فعالیت فتوکاتالیستی نانوکامپوزیت کاهش یافت. با افزایش مقدار نقره دوپ­شده، نقره از عامل تله برای الکترون به عامل باز ترکیبی الکترون- حفره تبدیل می­شود. زیرا با افزایش تعداد مولکول­های دوپ­شده داخل یک ذره میانگین فاصله بین مکان­های تله کاهش می­یابد و این عامل سبب افزایش باز ترکیبی الکترون- حفره می­شود و در نهایت فعالیت فتوکاتالیستی کاهش می­یابد (24 ,23).

با توجه به شکل 5 مشاهده می­شود که فعالیت فتوکاتالیستی نانوکامپوزیت دوپ­شده در حضور نور مرئی هم بهبود یافته است. نانوکامپوزیت دوپ­نشده در حضور نور مرئی فعالیتی ندارد زیرا دی­اکسید تیتانیوم تحت نور مرئی برانگیخته نمی­شود و تراز فرمی آن بدون تغییر می­ماند. وقتی که یون نقره وارد شبکه دی­اکسید تیتانیوم می­شود مکان­هایی از شبکه Ti⁴⁺ را اشغال می­کند. این­گونه سطوح ناخالصی بین باند هدایت و باند ظرفیت دی­اکسید تیتانیوم ظاهر می­شود. بنابراین، این کاهش باند گپ انرژی باعث می­شود که ناحیه جذب از منطقه ماوراءبنفش به منطقه نور مرئی انتقال یابد (26 ,25). با مقایسه نتایج به­دست آمده در این تحقیق با نتایج تحقیقات انجام شده پیشین این نکته دریافت می­شود که دوپینگ فلزات مختلف اعم از نقره، مس، آهن و روی اثراتی مانند: کاهش اندازه کریستالی کاتالیست، افزایش سطح ویژه کاتالیست و کاهش باند گپ انرژی آن را سبب می­شود. از همین رو دوپینگ این ناخالصی­ها بر روی دی­اکسید تیتانیوم نقش مهمی را در افزایش تخریب فتوکاتالیستی آلاینده­های آلی مانند رنگ­ها هم در حضور نور فرابنفش و هم در حضور نور مرئی دارد. همچنین مقدار ماده­ی دوپ شده مقداری بهینه را می­طلبد و افزایش آن بیشتر از حد بهینه نتیجه­ای منفی بر فعالیت فتوکاتالیستی دی­اکسید تیتانیوم خواهد داشت (30-26).

تعارض منافع

نویسندگان هیچ گونه تعارض منافعی برای اعلام ندارند.

Reference

1. Ghorbanpour, M., Lotfiman, S., 2016. Solid-state immobilisation of titanium dioxide  nanoparticles onto nanoclay. Micro & Nano Letters, vol. 11, pp. 684-687.
2. Daghrir, R., Drogui, P., Robert, D., 2013. Modified TiO₂ for environmental photocatalytic applications: a review. Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 52(10), pp. 3581-3599.
3. Ghorbanpour, M.,Yousofi, M., Lotfiman, S., 2017b. Photocatalytic Decolorization of  Methyl Orange by Silica-Supported TiO₂ Composites. Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials, vol. 50(1), pp. 43-50.
4. Madadi, M., Ghorbanpour, M., and Feizi, A., 2019. Preparation and characterization of solar light-induced rutile Cu-doped TiO2 photocatalyst by solid-state molten salt method. Desalination and Water Treatment, vol. 145, pp. 257-261.
5. Wang, Y., Yang, H. and Xue, X., 2014. Synergistic antibacterial activity of TiO₂ co-doped with zinc and yttrium. Vacuum, vol. 10, pp. 28-32.
6. Mogyorosi, K., Dekany, I. and Fendler, J.H., 2003. Preparation and characterization  of clay mineral intercalated titanium dioxide nanoparticles. Langmuir, vol. 19(7), pp.  2938-2946.

7. Zaleska, A., 2008. Doped-TiO₂: a review. Recent Patents on Engineering, vol. 2(3),  pp. 157-164.

8. Thiruvenkatachari, R., Vigneswaran, S. and Moon, I.S., 2008. A review on UV/TiO₂  photocatalytic oxidation process. Korean Journal of Chemical Engineering, vol. 25(1), pp. 64-72.

1. Payami, R., Ghorbanpour, M., Jadid, A.P., 2016. Antibacterial silver-doped bioactive  silica gel production using molten salt method. Journal of Nanostructure in Chemistry, vol. 6(3), pp. 215-221.
2. Wang, X., Hou, X., Luan, W., Li, D., Yao, K (2012). The antibacterial and hydrophilic properties of silver-doped TiO₂ thin films using sol–gel method. Applied Surface Science, vol 258, pp. 8241-8246.
3. Ghorbanpour, M., Mazloumi, M. and Nouri, A., 2017. Silver-Doped Nanoclay with Antibacterial Activity. Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials, vol 50(2), pp.124-131.
4. Ghorbanpour, M., Moghimi, M., Lotfiman, S., 2017. Silica-Supported Copper Oxide Nanoleaf with Antimicrobial Activity Against Escherichia Col. Journal of Water and Environmental Nanotechnology, vol. 2(2), pp. 112-117.
5. Garshasbi, N., Ghorbanpour, M., Nouri, A., and Lotfiman, S. 2017. Preparation of Zinc Oxide-Nanoclay Hybrids by Alkaline Ion Exchange Method. Brazilian Journal of Chemical Engineering, vol. 34(4), pp. 1055-1063.
6. Ghorbanpour, M., Hakimi, B., and Feizi, A. 2018. A Comparative Study of Photocatalytic Activity of ZnO/activated Carbon Nanocomposites Prepared by Solid-state and Conventional Precipitation Methods. Journal of Nanostructures, vol. 8(3), pp. 259-265.
7. Ghorbanpour, M. 2018. Soybean Oil Bleaching by Adsorption onto Bentonite/Iron Oxide Nanocomposites. Journal of Physical Science, vol 29(2), pp. 113-119.
8. Devi, R.R., Gogoi, K., Konwar, B.K., Maji, T.K., 2013. Synergistic effect of nanoTiO₂ and nanoclay on mechanical, flame retardancy, UV stability, and antibacterial properties of wood polymer composites. Polymer bulletin, vol. 70(4), pp. 1397-1413.
9. Rossetto, E., Petkowicz, D.I., dos Santos, J.H., Pergher, S.B. and Penha, F.G., 2010. Bentonites impregnated with TiO₂ for photodegradation of methylene blue. Applied Clay Science, vol. 48(4), pp. 602-606.
10. Sun, Z., Chen, Y., Ke, Q., Yang, Y., Yuan, J., 2002. Photocatalytic degradation of a cationic azo dye by TiO₂/bentonite nanocomposite. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, vol. 149(1), pp. 169-174.
11. Reddy, M.V., Jose, R., Teng, T.H., Chowdari, B.V.R., Ramakrishna., 2010. Preparation and electrochemical studies of electrospun TiO₂ nanofibers and molten salt method nanoparticles. Electrochimica Acta, vol. 55(9), pp.3109-3117.
12. Chen, Y., Wang, K., Lou, L., 2004. Photodegradation of dye pollutants on silica gel  supported TiO₂ particles under visible light irradiation. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, vol. 16(1), pp. 281-287.
13. K. Insoo et al., 2006. Method for Synthesizing Nano-Sized Titanium Dioxide Particles. Etro. Sci.
14. López-Muñoz M-J, G.R., Aguado J, Marugán J., 2005. Role of the support on the activity of silica-supported TiO2 photocatalysts: Structure of the TiO₂/SBA-15 photocatalysts. Catalysis Today, vol. 101, pp. 307-321.
15. Cheng Chen, C., Wang, Z., Ruan, S., Zou, B., Zhao, M., Wu, F., 2008. Photocatalytic degradation of C.I. Acid Orange 52 in the presence of Zn-doped TiO₂ prepared by a stearic acid gel method. Dyes and Pigments, vol. 77, pp. 204-209.
16. Zhang, X., Zhou, G., Zhang, H., Wu, C., Song, H., 2011. Characterization and activity of visible light–driven TiO₂ photocatalysts co-doped with nitrogen and lanthanum. Transition Met Chem, vol. 36, pp. 217-222.
17. Ping Ji, P. L., Kong, X. Z., Wang, J. G., Zhu, X. L., 2012. Characterization and photocatalytic properties of silver and silver chloride doped TiO₂ hollow nanoparticles. Chinese Chemical Letters, vol. 23, pp. 1399-1402.
18. Mesgari, Z., Gharagozlou, M., Khosravi, A., Gharanjig, K., 2012. Spectrophotometric studies of visible light induced photocatalytic degradation of methyl orange using phthalocyanine-modified Fe-doped TiO₂ nanocrystals. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, vol. 92, pp. 148-153.
19. Xi-jia YANG, Shu WANG, Hai-ming SUN, Xiao-bing WANG, Jian-she LIAN., 2015. Preparation and photocatalytic performance of Cu-doped TiO₂ nanoparticles, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, vol. 25, pp. 504-509.
20. Girginov, C., Stefchev, P., Vitanov, P., Dikov, H., 2012. Silver Doped TiO₂ Photocatalyst for Methyl Orange Degradation. Engineering Science and Technology  Review, vol. 5(4), pp. 14-17.
21. Yang Wang, Wubiao Duan, Bo Liu, Xidong Chen, Feihua Yang, Jianping Guo., 2014. The Effects of Doping Copper and Mesoporous Structure on Photocatalytic Properties of TiO₂, Journal of Nanomaterials. doi.org/10.1155/2014/178152.
22. Thanh Binh Nguyen, Moon-Jin Hwang, Kwang-Sun Ryu., 2012. Synthesis and High Photocatalytic Activity of Zn-doped TiO₂ Nanoparticles by Sol-gel and Ammonia Evaporation Method , Bull. Korean Chem. Soc, vol. 33, pp. 243-247.