Nano đồng oxit và nano kẽm oxit (Cu2O-ZnO) có hoạt tính kháng vi khuẩn cao, phổ rộng
Trong nghiên cứu này, tổ hợp nano đồng oxit và nano kẽm oxit (Cu2O-ZnO) có hoạt tính kháng khuẩn cao đã được tổng hợp thông qua phương pháp sol-gel. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến sự hình thành hỗn hợp Cu2O-ZnO đã được nhấn mạnh. Điều kiện nung thích hợp nhất được tìm thấy là 500 o C và 2 giờ. Tổ hợp nano Cu2O-ZnO tổng hợp được đặc trưng bởi nhiễu xạ tia X dạng bột, đường đẳng nhiệt hấp phụ nitơ BET, kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường và kính hiển vi điện tử truyền qua, đồng thời đánh giá khả năng kháng khuẩn của nó đối với vi khuẩn gây bệnh cho người như Staphylococcus aureus (vi khuẩn gram dương) và Escherichia coli (vi khuẩn gram âm). Kết quả cho thấy các hạt của tổ hợp Cu2O-ZnO tồn tại dạng hình cầu với kích thước biến thiên rộng từ 10-60 nm. Hợp chất nano đồng oxit và nano kẽm oxit Cu2O-ZnO có hoạt tính kháng khuẩn cao chống lại cả vi khuẩn gram dương (S. aureus) và vi khuẩn gram âm (E. coli) với các giá trị của nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) là 0,16 mg.mL-1 và 1,25 mg.mL-1 tương ứng với S. aureus và E. coli. Tính ổn định của hoạt tính kháng khuẩn của mẫu cũng được khảo sát. Hoạt tính kháng khuẩn của tổ hợp nano Cu2O-ZnO bị giảm sau 45 ngày khi được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong thùng không có nắp đậy.
(Bản quyền NanoCMM Technology)
GIỚI THIỆU
Gần đây, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano với kích thước và hình dạng hạt được kiểm soát đã dẫn đến nhiều kết quả về vật liệu kháng khuẩn mới được công bố. Có một số nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu nano có khả năng kháng khuẩn cao với nồng độ thấp (Balta và cộng sự, 2012; Chen và cộng sự, 2012; Xu và cộng sự, 2016; Almutairi, 2019). Trong số các hạt nano, các oxit kim loại nano có đặc tính kháng khuẩn là vật liệu đầy hứa hẹn được sử dụng trong y tế, dệt may hoặc chống tia cực tím. Hiệu quả kháng khuẩn của vật liệu nano phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, thành phần hóa học hoặc nồng độ của chúng (Negi và cộng sự, 2012). Có nhiều vật liệu kháng khuẩn đã được nghiên cứu như kim loại chuyển tiếp Ag (Chen và cộng sự, 2017; Chatterjee và cộng sự, 2014), Cu (Chatterjee và cộng sự, 2014; Pham và Lee, 2014), Au (Sharma và cộng sự. , 2009) và các oxit của chúng là ZnO (Li và cộng sự, 2017; Haghighi và cộng sự, 2011; Chauhan và cộng sự, 2015), TiO2 (Li và cộng sự, 2016), và CeO2 (Lu và cộng sự, 2014) . Một số hạt nano oxit kim loại như CuO, ZnO, TiO2 được công nhận tốt vì khả năng ức chế vi khuẩn và nấm tốt (Jin và cộng sự, 2017; Hamza và AlSolami, 2018). Trong khi nhiều nghiên cứu đã tập trung vào đặc tính kháng khuẩn của hỗn hợp các kim loại nano Ag, Zn và Cu để tăng cường tính chất kháng khuẩn của từng kim loại riêng biệt (Chen và cộng sự, 2017; Phạm và Lee, 2014; Ren và cộng sự, 2018) . ZnO là một loại chất bán dẫn rẻ, không độc và có tính kháng khuẩn cao với nồng độ thấp, ngay cả khi không có ánh sáng (Jin và cộng sự, 2017; Ma và cộng sự, 2014). Một số nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng ZnO có thể tiêu diệt cả vi khuẩn gram âm và dương như Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus aureus và Enterococcus faecalis (Jiang và cộng sự, 2009). Bên cạnh đó, hạt Cu2O có hiệu quả cao, hình ảnh rộng và tiết kiệm (Wu et al., 2019) là một vật liệu đầy hứa hẹn để chuyển đổi năng lượng mặt trời, xúc tác và kháng khuẩn (Hassan et al., 2004; Ruparelia et al., 2008; Santo et cộng sự, 2010; Ferhat và cộng sự, 2009).
Tuy nhiên, một số loại vi khuẩn không thể bị ức chế bởi Cu2O hoặc ZnO riêng lẻ. Do đó, hỗn hợp Cu2O và ZnO không chỉ được mong đợi để tăng cường tính chất kháng khuẩn của nó mà còn có thể được cải thiện cả chức năng của Cu2O và ZnO. ZnO đã được biết đến với tính ổn định nhiệt hóa học mạnh và khả năng chống lại hoạt động của vi sinh vật, ngay cả khi không có ánh sáng mặt trời (Zhang và cộng sự, 2008). Ngoài ra, ưu điểm của Cu2O kết hợp với ZnO là dễ dàng kết hợp và cải thiện tính chất kháng khuẩn so với các vật liệu oxit kim loại khác (Hong và cộng sự, 2017). Bên cạnh đó, cả hai vật liệu này đều khá rẻ và thân thiện với môi trường. Ngoài ra, có rất ít tài liệu tập trung vào nghiên cứu tổng hợp cũng như tính chất kháng khuẩn của các hạt nano Cu2O / ZnO. Các hợp chất của hai oxit kim loại có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như điện phân (Sharma và cộng sự, 2009), quá trình thủy nhiệt (Li và cộng sự, 2017), quay điện (Haghighi và cộng sự, 2011) và đồng kết tủa (Chauhan và cộng sự. cộng sự, 2015), và nhiều loại nghiên cứu trước đây đã tổng hợp vật liệu hạt nano của oxit kim loại bằng phương pháp sol-gel (Stoyanova và cộng sự, 2011; Shalaby và cộng sự, 2015; Lee và cộng sự, 2005; Amin và cộng sự ., 2009; Zhang và Chen, 2009) vì kích thước nano đồng đều và tiêu thụ năng lượng thấp. Trong nghiên cứu này, tổ hợp nano Cu2O- / ZnO được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel với các điều kiện nung khác nhau và các đặc tính hóa lý và hoạt tính kháng khuẩn của nó đối với Escherichia coli và Staphylococcus aureus (viết tắt là E. coli và S. aureus) đã được thử nghiệm. Kết quả có tiềm năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực như y tế hoặc vật liệu xây dựng.
THÍ NGHIỆM
Để tổng hợp hỗn hợp nano đồng oxit và nano kẽm oxit Cu2O-ZnO, người ta hòa tan 23,76 gam Zn (NO3) .6H2O (Xilong,> 99%) vào nước cất, sau đó thêm 37,80 gam axit oxalic (Merck,> 99%) và được hỗn hợp đun nóng khoảng 80 oC và khuấy đều cho đến khi chuyển sang dung dịch trong suốt. Ngoài ra, 4,84 gam Cu (NO3) .3H3O (Xilong,> 99%) cũng được hòa tan trong 11 mL etylen glicol (Xilong,> 99,8%) và thả vào dung dịch trước, sau đó nước cất được thêm vào hỗn hợp này để đến 100 mL hoàn toàn bằng cách khuấy liên tục và dung dịch có màu xanh lam nhạt. Dung dịch được giữ ở 80 oC trong 2 giờ, sau đó dung dịch được chuyển sang trạng thái gel và tăng nhiệt độ để đạt trạng thái sệt. Hỗn hợp này được làm khô ở 200oC trong vòng 2 giờ và chuyển thành hỗn hợp tro. Hỗn hợp này sau đó được nung trong dòng N2 tinh khiết (3 L.h-1) ở các nhiệt độ khác nhau (450 oC, 500 oC và 550 oC) với tốc độ gia nhiệt 10 ° C. phút ‒ 1 trong các khoảng thời gian khác nhau (1, 2 và 3 giờ) để đạt được vật liệu tổng hợp Cu2O-ZnO. Mẫu cuối cùng được nghiền bóng trong 12 giờ và bột rất mịn của sản phẩm được thu được cho các phân tích khác. Các mẫu thu được được ký hiệu là Cu-Zn-T-t, trong đó T và t lần lượt thể hiện nhiệt độ nung (oC) và thời gian (giờ). Các đặc tính của vật liệu tổng hợp nano đồng oxit và nano kẽm oxit Cu2O-ZnO thu được được khảo sát bằng phân tích nhiệt trọng lượng (TGA, Setaram LABSYS Evo TG-DSC 1600C), nhiễu xạ tia X dạng bột (XRD, Bruker D2 Phaser), đường đẳng nhiệt hấp phụ nitơ BET (thiết bị Nova 2200e), phát xạ trường kính hiển vi điện tử quét (SEM, Hitachi S4800) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM, Jeol Jem 1400). Tổ hợp nano Cu2O-ZnO được tổng hợp bằng quy trình phù hợp nhất đã được kiểm tra hoạt tính kháng khuẩn đối với E.coli ATCC 25922 và S. aureus ATCC 43300 (MRSA). Để kiểm tra nồng độ ức chế tối thiểu của Cu2O-ZnO đối với hai vi khuẩn, các nồng độ khác nhau của Cu2O-ZnO (N, N / 2, N / 4, N / 8, N / 16, N / 32, N / 64, N / 128 , N / 256 và N / 512 với N là nồng độ ban đầu của dung dịch, N = 20 mg.mL-1) được điều chế bằng cách pha loãng dung dịch Cu2O / ZnO với nước đã khử ion. Sau đó, các mẫu đã pha loãng được trộn với thạch dinh dưỡng vô trùng. Bằng cách sử dụng que vô trùng, chất cấy chuẩn của mỗi vi khuẩn đã chọn có 1,5 × 10 ^ 7 CFU.ml-1 được cấy trên đĩa thạch đã trộn với các mẫu Cu2O-ZnO từ nồng độ thấp đến cao. Một đĩa thạch dinh dưỡng vô trùng không được trộn với Cu2O-ZnO để đối chứng (Wayne, 2013). Mỗi chủng vi khuẩn được cấy vào ba điểm trên đĩa với cùng vị trí trên các đĩa. Cuối cùng, các đĩa được ủ ở 37 oC trong 24 giờ. Nồng độ thấp nhất của nano đồng xit và nano kẽm oxit Cu2O-ZnO ức chế sự phát triển của vi khuẩn được thử nghiệm được coi là nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) (Washington và Wood, 1995).
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Để xác định phạm vi nhiệt độ nung, mẫu tro được làm khô ở 170 – 200 oC trong vòng 2 giờ sau khi tổng hợp sol-gel đã được TGA kiểm tra. Kết quả trong Hình 1 cho thấy từ 50 oC đến 400 oC tổng khối lượng bị mất đi khoảng 30%, nguyên nhân chủ yếu là do sự bay hơi của nước và ethylene glycol còn lại trong mẫu tro. Nhưng trong giai đoạn thứ hai ở khoảng 407 oC đến 450 oC, sự giảm khối lượng đáng kể khoảng 35% đã được quan sát thấy do sự phân hủy NO3- trong mẫu tro để tạo ra oxit kim loại tạo thành hỗn hợp Cu2O-ZnO. Sau đó, khối lượng của mẫu gần như không thay đổi khi nhiệt độ được tăng lên cao hơn 450 oC chứng tỏ rằng cấu trúc của sản phẩm là ổn định. Vì vậy, nhiệt độ nung sẽ được phục vụ từ 450 oC trong quá trình này. Các mẫu XRD của các mẫu được nung ở 450 C, 500 oC và 550 oC trong vòng 2 giờ được thể hiện trong Hình 2. Kết quả cho thấy 2 giá trị theta của các đỉnh chính của ZnO ở 31,88, 34,55o, 36,37 o, 56,63o và 68,04o (JCPDS PDF # 800075), các đỉnh chính của Cu2O ở 31,88o, 36,37o, 43,41o, 62,90o (JCPDS # 782076), các đỉnh thư của Cu ở 43,41o, 50,51o, 74,13 (JCPDS # 040836), tương ứng. Khi nhiệt độ nung của các mẫu được tăng lên dẫn đến cường độ của các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của Cu2O và ZnO cũng dần được nâng cao, điều đó cho thấy sự cải thiện về độ kết tinh của các hạt khác nhau. Nhưng không có sự khác biệt đáng kể từ kết quả 500 oC và 550 oC, vì vậy nhiệt độ nung 500oC được chọn để tiết kiệm năng lượng. Hình 3 cho thấy các mẫu XRD của các mẫu được chuẩn bị ở nhiệt độ nung 500oC và thời gian nung lần lượt là 1, 2 và 3 giờ. Tất cả các kết quả XRD đều cho thấy các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của Cu2O và ZnO. Nhưng các đỉnh chính của các hợp chất này cao hơn và sắc nét hơn kể từ thời gian nung 2 giờ. Kết quả BET của mẫu tổng hợp được chuẩn bị ở nhiệt độ nung 500 oC và thời gian nung 2 giờ là 67,7 m2 / g, kết quả này cao hơn so với kết quả nghiên cứu (Shi và cộng sự, 2011; Wang và cộng sự, 2007 ). Mẫu có cùng điều kiện tổng hợp được sử dụng để nhận kết quả SEM và TEM
Hình thái và kích thước hạt của hỗn hợp nano đồng oxit và nano kẽm oxit Cu2O-ZnO được xác định bởi SEM và TEM được thể hiện trên Hình 4. Từ hình ảnh SEM (Hình 4a), có thể thấy rằng hỗn hợp Cu2O-ZnO tồn tại ở dạng hạt nano có đường kính 20 – 50 nm. được kết dính trên bề mặt. Kết quả bằng TEM (Hình 4b) cho thấy sự hiện diện của các hạt hình cầu có kích thước khoảng 15 – 60 nm. Hình 5 trình bày vùng ức chế S. aureus và E. coli được xử lý bằng các dung dịch của tổ hợp nano Cu2O-ZnO ở các nồng độ khác nhau. Người ta quan sát thấy rằng pha theo hàm mũ của vi khuẩn bị trì hoãn khi có mặt của tổ hợp nano Cu2O-ZnO và hiện tượng này rõ ràng hơn khi nồng độ tổ hợp nano tăng lên. Tổ hợp nano Cu2O-ZnO có thể trì hoãn giai đoạn mũ của cả vi khuẩn S. aureus và E. coli và có thể ức chế hoàn toàn sự phát triển của vi khuẩn ở giá trị MIC là 0,16 mg / mL (N / 128) và 1,25 mg / mL (N / 16 ) tương ứng với S. aureus và E. coli. Hiệu quả kháng khuẩn của tổ hợp nano Cu2O-ZnO là khác nhau đối với vi khuẩn gram dương và gram âm. Nghĩa là, nó cho thấy hoạt tính kháng khuẩn tốt hơn đối với S. aureus (gram dương) so với E. coli (gram âm). Hiện tượng này có thể được giải thích là trên bề mặt của các hạt nano ZnO vi khuẩn gram dương dễ bị ức chế hơn so với vi khuẩn gram âm. Chi tiết hơn, sự ức chế phát triển đối với vi khuẩn gram âm xảy ra ở nồng độ ZnO cao hơn (Hu và cộng sự, 2012). Trong thành phần của tổ hợp nano Cu2O-ZnO, tỷ lệ Zn / Cu cao. Vì vậy, kết quả của công trình này phù hợp với kết quả thu được của các tác giả (Sirelkhatim và cộng sự, 2015; Reddy và cộng sự, 2007) nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn đối với S. aureus và E. coli trên các hạt nano ZnO. Nhưng, tổ hợp nano đồng oxit và nano kẽm oxit Cu2O-ZnO có hoạt tính kháng khuẩn đối với cả hai loại vi khuẩn cao hơn nhiều so với các hạt nano ZnO. So với tổ hợp nano Ag-ZnO, hoạt tính kháng khuẩn của nó đối với S. aureus gần như tương đương, trong khi đó, đối với E. coli thấp hơn (xem trong Bảng 1). Tuy nhiên, về mặt kinh tế, tổ hợp nano Cu2O-ZnO có ưu thế hơn hẳn. Để đánh giá tính ổn định của hoạt tính kháng khuẩn, nồng độ ức chế tối thiểu đối với S. aureus trên tổ hợp nano Cu2O-ZnO mà mẫu được đánh giá là kết quả sau khi được bảo quản ở điều kiện phòng trong tủ không có nắp đậy trong 45 ngày. Kết quả thu được trong Hình 6 cho thấy MIC của các mẫu được bảo quản sau 45 ngày ở điều kiện phòng là 0,63 mg.mL-1 (N / 32) với S. aureus. Giá trị này thấp hơn giá trị của mẫu ban đầu, là 0,16 mg.mL-1. Điều này có thể được giải thích là do các mẫu bị bất hoạt bởi độ ẩm và có thể bị oxy hóa một phần bởi oxy trong không khí (Kurapov và cộng sự, 2018; Yu và cộng sự, 2011).
KẾT LUẬN
Tóm lại, tổ hợp nano đồng oxit và nano kẽm oxit Cu2O-ZnO đã được tổng hợp thành công thông qua phương pháp sol-gel sử dụng nitrat kim loại và ethylene glycol. Trong đó, ethylene glycol đóng vai trò như một dung môi cũng như một chất phản ứng phối tử trong quá trình tổng hợp nanocompozit. Chế độ nung thuận lợi để thu được tổ hợp nano Cu2O-ZnO được đề xuất là 500 oC trong 2 giờ. Loại tốt nhất có cấu trúc đồng nhất với kích thước hạt nhỏ hơn 60 nm và diện tích bề mặt 67,7 m2. G-1 thể hiện hoạt tính kháng khuẩn cao và tính ổn định chống lại vi khuẩn gây bệnh cho người. Nó có thể là một vật liệu rẻ và kháng khuẩn tuyệt vời với tính tiện dụng cao trong các ứng dụng thực tế.