ZnO ナノ構造の合成、特性評価、および光学特性に対する照射エネルギーの影響

Nov 21, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20016 (2022) この記事を引用

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酸化亜鉛ナノ粒子 (NP) は、オプトエレクトロニクス、フォトニクス、医療用途向けにゾルゲル法によって合成されます。 粒子の構造的および機能的特性を改善するために、合成されたままの NP に 1064 nm および 532 nm の波長のレーザーが照射されます。 NP は、X 線回折、走査電子顕微鏡法および透過電子顕微鏡法、原子間力顕微鏡法、紫外可視分光法によって特性評価されます。 構造解析により、粒子が空間群 (P63mc) の多結晶六方晶構造を持っていることがわかりました。 ナノ粒子の平均結晶子サイズは、レーザー光の照射後と照射前で 13 ～ 15 nm の範囲で変化します。 形態学的特徴付けにより、42 ～ 46 nm の範囲で NP の凝集体の形成が明らかになりました。レーザー光線の照射後の吸収スペクトルにシフトが観察されます。 この変化は、サンプルの電子構造に対する照射の影響によるものです。 この効果は、バンドギャップ エネルギーの減少によって確認されます。 光学パラメータも推定され、議論されます。 波長1064 nmおよび532 nmのレーザー光線によるZnOナノ粒子の照射により、微結晶のサイズが減少し、その抗菌活性が増加します。 NPS の生物学的活性と抗生物質の有効性の改善がテストおよび分析されます。 結果は、上記の用途における ZnO-NP の積極的な役割を強調しました。

ナノ粒子とナノ粉末は、その多用途性と将来の用途や要件に対する有望な利点により、科学者、技術者、医師の注目を集めています1、2、3、4、5、6、7。 ZnO-NP は、酸素種の生成を引き起こし、亜鉛イオンを放出する強力な能力を持っています。 これにより、細胞のアポトーシスが誘発される可能性があります。 さらに、ZnO-NP はインスリンの完全性を維持することが知られています。 ZnO-NP は紫外領域での強い吸収特性により、老化防止成分や化粧品として使用されています。 それにもかかわらず、ZnO-NP は抗がん剤および抗菌剤として使用されるため、科学界からの注目が高まっています。 他のナノ粒子と比較して、ZnO-NP は生物医学用途に使用する場合、安価で毒性も低い8。 抗菌剤は、有機剤と無機剤に分類することができる。 したがって、無機材料としてのZnOは優れた抗菌剤であることが証明されています。 それにもかかわらず、グラム陽性菌およびグラム陰性菌に対する ZnO NP の抗菌活性はすでに確認されています 9。 さらに、ZnO NP は胞子に対して抗菌効果があることが確認されました 10。 現在では、ZnO の活性がその粒子サイズ、つまりその表面積と濃度に大きく依存することがよく知られています。 一方、結晶構造や形状の品質はほとんど影響しません11。 ウメール・マンズールら。 ZnO NP のセンシング特性に対する合成パラメーター (つまり、温度、核生成時間、および合成後の熱処理) の影響が調査されました。 これらのパラメーターは、粒子サイズと結晶化度に多大な影響を与えることが判明しました。 ZnO NP は、酢酸亜鉛、水酸化カリウム、およびメタノールを溶媒として使用する共沈法によって合成されました。 ただし、ZnO 粉末の粒子サイズは、合成温度に応じて \(100 nm\) から \(458 nm\) の範囲でした。 文献内のいくつかの研究では、沈殿法を使用してこれらの材料を合成することにより、癌細胞に対する ZnO-NP の固有の選択性が保存されることに成功したことが報告されています。 ゾルゲル法は、ZnO-NP を合成するための新しい方法です 15,16。 イン・チャンら。 らは、2013 年に、生物医学イメージング、薬物および遺伝子送達、バイオセンシングなどの ZnO ナノ材料の生物医学的応用について報告しました 17,18,19。

この論文では、ゾルゲル法による ZnO ナノ粒子の合成に関するすべての実験結果と、1064 nm および 532 nm の照射前後のナノ構造の特性評価、形態解析、および光学特性を初めて紹介します。 。 調製された ZnO ナノ粒子の有効平均直径に対する超音波処理の影響を分析し、議論します。 ZnOナノ粒子の結晶子サイズ、吸収スペクトル、光学バンドギャップ、屈折率、消衰係数、吸収係数、光伝導率に対するレーザー照射の影響が報告され議論されます。 ZnO ナノ粒子の抗菌活性についても報告され、議論されます。

私たちの知る限り、酸化亜鉛ナノ粒子のナノ構造特性、形態解析、および光学特性に対するレーザー照射の影響を報告および議論した論文はありません。

ZnO ナノ粒子はゾルゲル法によって合成されました。 この方法では、酢酸亜鉛二水和物 (Zn(CH3CO2)2・H2O) および水酸化ナトリウム (NaOH) をさらに精製せずに前駆体として使用しました。 化学量論量の酢酸亜鉛を水酸化ナトリウム溶液に１：８５のモル比で添加した。 温度を70〜75℃の範囲に維持しながら、溶液を4時間継続的に撹拌した。 次いで、生成物をワットマン濾紙を使用して濾過する。 次に、沈殿物をエタノールと脱イオン水で数回洗浄して、不要な不純物 (つまり、ナトリウム塩 \({\mathrm{NaCH}}_{3}{\mathrm{CO}}_{2}\)) を除去しました。高度な精製を保証します。 続いて、90℃で2時間乾燥させました。 乾燥した沈殿物をボールミル粉砕して、微細なZnOナノ粒子を生成した。

Nd-YAG レーザーを照射する前後の ZnO ナノ粒子の X 線回折パターンを測定しました。 すべてのパターンは 5 ～ 80 (2θ) の範囲で測定されました。 波長1.54060ÅのCu Kα線。 照射前後の合成 ZnO NP の表面形態を走査型電子顕微鏡で分析しました。 ナノ粒子の形態と内部構造のさらなる調査は、透過型電子顕微鏡によって行われました。 合成されたナノ粒子のトポグラフィー的特徴は、原子間力顕微鏡を使用して検査されました。 FTIR 分光測定は、Bruker の FTIR 分光計 TENSOR27 を使用して行われました。 すべての吸収スペクトル測定は、波数範囲 4000 ～ 600 cm-1 の連続 IR 光を使用して記録されました。 照射前後の ZnO NPS の光吸収スペクトルは、190 ～ 1100 nm の範囲の UV-Vis 分光法によって取得されました。 レーザー光線による照射の前後でのZnOナノ粒子の有効性/生物学的活性をテストしました。

図1は、波長532nmと1064nmのレーザー光を照射する前後のZnOナノ粒子のXRDパターンを示しています。 今回の研究で使用されるレーザー ビームは、ネオジム イットリウム アルミニウム ガーネット (Nd-YAG) レーザーです。 パターンで特定されたすべての回折ピークは、空間群 P63mc および空間群番号 186 (ICDD 参照番号 (98-015-5780)20) の六方晶系結晶構造の単一相にインデックス付けできました。結晶構造の最も好ましい配向は、最も高いピーク強度から示される \((101)\) 面です。ZnO ナノ粒子は、レーザー照射後に優先配向に変化を示しませんが、ピーク強度を増加させると、低い回折角へのピーク位置のわずかなシフトが観察されます。レーザー照射エネルギー レーザー照射後に追加のピークは観察されず、材料の結晶品質が高いことを示しています。

ZnO NPのレーザー光照射前後のXRDパターン。

六角形の単位格子には、「a」および「c」として知られる 2 つの格子パラメータがあり、次の式 21 によってサンプルの XRD スペクトルから計算できます。

ここで、 \(h, k \) と \(l\) はミラー指数として知られています。 \(d\) 結晶の面間距離。

ZnO のナノ粒子の平均結晶子サイズ \(D\) は、Scherrer の公式 22 として知られる標準方程式を使用して推定されました。

ここで、\(\lambda = 1.5406{\text{ {\AA}}}\) は Cu kα 線、\(\theta\) はブラッグスの XRD 回折角、\(\beta\) は全幅です。ラジアン単位の最大半値 (FWHM)。

平均結晶子サイズを表１に示した。ナノ粒子（Ｄ）の平均結晶子サイズは、照射前は１３．４１９８ｎｍに等しいが、この値は、１０６４ｎｍのレーザー光線の照射後は１４．３７１０ｎｍに増加し、５３２ｎｍのレーザー光線の照射後は１３．４７０８ｎｍに減少する。 nmレーザー光線。 532 nm および 1064 nm レーザーの照射後の結晶子サイズのわずかな変化により、レーザー光線のエネルギーによって引き起こされる熱効果によりサンプルがわずかに膨張および変形します 23。

準備されたサンプルの転位密度は、次の関係によって研究されました24:

準備された各サンプルの格子歪みは、次の方程式によって計算されました。

純粋な ZnO NP と照射済み ZnO NP の完全な構造解析を表 1 に示します。純粋な ZnO に関して、結晶子サイズ、転位密度、格子歪みの変化が観察されました。 これらは、調製された ZnO NP の構造特性に対するレーザー照射エネルギーの影響を明確に示しています。

ZnO ナノ粒子の格子パラメータ (a および c) は、次の式を使用して計算されました。 (5) と (6) は表 2 に示されています。

ここで、 \(\theta_{100}\) と \(\theta_{002}\) は、 \(\left( {100} \right)\) と \( \left( {002} \) の回折ピーク角度です。右)\) 平面をそれぞれ。

表２から分かるように、ＸＲＤパターンの分析は、結晶構造の定数が純粋なＺｎＯについてａ＝３．２２１Å、ｃ＝５．１６６Åであることを示している。 \(1064 nm\) レーザービームによる照射後、これらのパラメータはわずかな増加を示します (a = 3.237 Å、c = 5.188 Å)。 一方、532 nm レーザービームによる照射後、これらのパラメータは顕著な増加を示します (a = 3.257 Å、c = 5.217 Å)。 これは、照射の影響による回折角の変化によるものです。

単位セルの体積は、以下に示すように格子幾何学によって計算することもできます25:

Zn-O 結合の長さは、次の式を使用して計算されました。

ここで、 \(\left( \mu \right)\) はウルツ鉱型構造の位置パラメータであり、次の式で表される c 軸上の次の平面に対する原子の変位の範囲を示します。

照射エネルギーによる \(V\) の変化 (表 2) が、照射エネルギーによる \(L\) の変化 (表 3) と同様の傾向を示していることに注目するのは実に興味深いことです。

格子パラメータ \(\left( {a, c} \right)\) とミラー指数 \(\left( {hkl} \right) に関連付けられた平面 d 間隔 \(\left( d \right)\) )\) 表 3 で簡潔に予測できる値は、理論方程式とブラッグス方程式からも計算されます 26、27、28:

ブラッグスの法則と理論式から得られる d 間隔の値はほぼ同一です。 また、照射エネルギーの増加に伴う d 間隔の増加にも注目します。 これは、レーザー光のエネルギーの増加による体積とZn-O結合の長さの変化によって引き起こされます。

ナノ粒子の形態は、走査型電子顕微鏡を利用可能な最大倍率で検査した。 図2は、波長1064nmのレーザー照射前（図2a）、波長1064nmのレーザー照射後（図2b）、波長1064nmのレーザー照射後（図2b）のZnOナノ粒子の走査型電子顕微鏡写真を示しています。 (532 nm\) (図 2c)。 照射時間は 1 分でした。Nd:Yag レーザー パルスを使用した場合、パルス幅は 3 つの粒子に対して 1 ナノ秒に等しくなります。 調査された 3 つのナノ粒子は、サイズと形態の均一性が十分に確立されたナノ粒子の形成を示しています。 ナノ粒子の形成は、これらの粒子が凝集する傾向が高いことによっても特徴付けられます。 この特性は、低次元でのファンデルワールス力に起因する小さな粒子の特性です。 さらに、粒子のトポグラフィーの性質によって、これらの力の程度が決まります。 凹凸の存在により、近接した粒子間の機械的結合が増加するため、ファンデルワールス力が増加することが知られています。 純粋なZnO（9176）、および波長\（532 nm\）（8092）および\（1064 nm\）（13,024）のレーザー照射後の各回折面のXRD相対強度は、結晶形態に応じて変化します。

ZnO 粉末の SEM 画像 (a)、波長 1064 nm のレーザー照射後 (b)、および 532 nm (c)。

ナノ粒子の構造特性だけでなく形態学的特性も確認するために、透過型電子顕微鏡が使用されました。 ZnOナノ粒子のTEM画像と対応する粒径ヒストグラムを、レーザー照射前を図3aに、波長\(1064nm\)のレーザー照射後を図3bに、そして図3bに示します。 . 3c 波長 \(532 nm\) のレーザーを照射した後の状態。 ＺｎＯナノ粒子のＴＥＭ画像は、ＸＲＤパターンの分析から同定されたスピネル格子構造に対応する八面体形状を有するナノ粒子を示している。 表 1 からわかるように、特定されたサイズは \(42-46 nm\) の範囲内にあります。

波長 1064 nm (b) および 532 nm (c) のレーザー照射前 (a) と照射後の ZnO 粉末の TEM 画像および対応する粒径ヒストグラム。

すべてのナノ粒子は、分散溶液に少量のナノ粒子を添加した後に最初に分析されました。 超音波処理は、音波を使用して媒体内の粒子を撹拌するプロセスです。 超音波処理器は水槽内で音波を発生させ、ナノ粒子 (10 ～ 30 gm) をビーカー内に (10 ～ 15) 分間入れます。 超音波処理は、ナノ粒子の解凝集、サイズの縮小、ベース流体への分散などの複数の目的を達成するために実行されます。 次に、長期間の試験片の超音波処理後に測定が繰り返されました。 測定パラメータを表４に示す。分散液として水を使用し、波長６６０ｎｍのレーザー光を使用して測定した。

図 4、5、6) は、レーザー照射および長時間超音波処理の前後の ZnO ナノ粒子の粒径分布を示しています。 \(1064 nm\) および \(532 nm\) の照射前後の ZnO ナノ粒子の有効平均直径は、\(136.7 nm\)、\(132.7 nm\)、および \(200.8 nm\) に等しいことがわかりました。 ）レーザーをそれぞれ。 測定自体がナノ粒子の凝集特性に影響されやすいという事実により、これらの結果は許容可能です。 これは、標本に対して超音波処理を行わずに得られた結果から確認されました（図4a、5a、6a）。これは、それぞれ \(1064 nm\) および \(532 nm\) レーザーの照射前と照射後の ZnO ナノ粒子。 同じナノ粒子で得られるサイズは、超音波処理後に得られるサイズよりも著しく大きいことが判明した。 さらに、分布は、図 4b、5b、6b に示すように、単一の集団ではなく 2 つの集団を示しました。 これもナノ粒子の凝集によるものです。

超音波処理なしおよび超音波処理後の純粋な ZnO 粉末の粒度分布測定の結果。

ZnO粉末にレーザー（1064nm）を照射した後の超音波処理なしと超音波処理後の粒度分布測定の結果。

ZnO粉末にレーザー（532nm）を照射した後の超音波処理なしと超音波処理後の粒度分布測定の結果。

ZnO NPのFTIR分光測定の結果を図7に示します。これらのスペクトルの重要性は、官能基と、特徴である特定の波数で現れる電子の移動に関連する振動シフトを決定できる可能性にあります。それぞれの素材や配合物の特徴をご紹介します。 NP の阻害と安定化に関与する活性分子を特定するために、FTIR スペクトルの分析も実行されました。 ZnO NP の FTIR スペクトルは、645.9 cm-1 に Zn-O 結合の特徴的なピークを示します。 また、3389.48 cm-1 (アルコール基) の高い吸収と鋭いピークを特徴とする O-H 結合伸縮の複雑な性質を反映する、強くて幅広いピークも示しています。 1637.78 cm-1 の中程度のピークも確認され、アルケンの C=C 伸縮を示しました。 898.42〜839.64 cm-1の範囲にも強いピークが見られ、アルケンのC=C屈曲に関連する官能基の存在を示しています。1548.27 cm-1はニトロ化合物として伸びるN-O結合に関連しており、1548.27 cm-1には中程度のピークがあります。 1438.24 cm−1 はカルボン酸としての O-H 屈曲を示します。

照射前後の ZnO NP の FTIR 吸光度スペクトル。

図8は、波長\(1064 nm\)のレーザー照射前(図8a)、照射後(図8b)、および波長\(1064 nm\)のレーザー照射後におけるZnO NPの二次元AFM画像を示しています。 \(532 nm\)の(図8c)。 AFM 画像は、測定可能な粗さを持つ ZnO NP の小さな粒子の存在を示しています。 粒子は調査された標本の特定の領域にも集まっていますが、他の領域では基板が露出しており、NP が凝集する傾向があることを示しています。 \(1064 nm\) および \(532 nm\) レーザーで照射されていないナノ粒子と照射されたナノ粒子の平方根は、それぞれ \(218 nm、263 nm\) と \(316 nm\) です。 平均粗さは、非照射ナノ粒子と照射ナノ粒子でそれぞれ \(170 nm、193 nm\)、\(227 nm\) です (つまり、レーザー ビームのエネルギーによる平均粗さの増加)。 これは、NP の凝集特性に対するレーザーの効果に起因すると考えられます。 これは粒度分布測定の結果にも関係している可能性があります。 それにもかかわらず、AFM を使用した粗さの測定に関連する考えられる誤差の原因 (つまり、基板の表面上で調査された 3 つのナノ粒子からの NP の均一かつ同等の分布を確保することの難しさ) について言及する必要があります。

波長 1046 nm (b) および 532 nm (c) のレーザー照射前 (a) と照射後の ZnO NP の AFM 画像。

図 9 は、ZnO の紫外可視 (UV-Vis) 分光分析の結果を示しています。 ナノ粒子は、特定の波長の光と強く相互作用することが知られています。 したがって、UV 放射は、NP の構造と吸収を同定および特性評価するための効果的なツールです。 図9に示すように、スペクトルは、非照射NPの波長(374 nm)付近で最大値を示します。 波長 \(1064 nm\) から \(374 nm\) から \(378 nm\) のレーザー光線を照射した後、スペクトルにシフトが観察されます。 しかし、波長 \(532 nm\) から \(374 nm\) から \(371 nm\) のレーザー光を照射すると、スペクトルにシフトが観察されます。 最大吸収におけるシフトの感覚の逆転は、サンプルの電子構造に対する照射エネルギーの影響によるものです。

照射前（青線）と照射後（赤と緑の線）の ZnO NP の紫外可視分光測定のスペクトル。

材料の光学的挙動は、光電子デバイスや生物医学用途での用途を決定するために重要です。 光学的特性は、材料の原子構造、電子バンド構造、電気的特性とも密接に関連している可能性があります。 無機結晶では光学定数の正確な測定を容易に行うことができ、フォトニック状態密度とフォトニックモード空間分布を高い精度で調整することができます。

基本吸収端付近の光吸収測定は、バンドギャップ エネルギーを推定するための標準的な方法です。 光吸収係数と光子エネルギーの依存性は、バンド構造と電子の遷移の種類を研究するのに役立ちます。 吸収データを使用すると、ランベルト ベールの法則 29 を適用することで光吸収係数 \(\left( \alpha \right)\) を推定できます。

ここで、\(A\) は最大吸光度、\(e\) はサンプルの厚さ \(\left( {e = 0.003 cm} \right)\) です。

バンド間吸収理論は、入射エネルギーに対する閾値付近の吸収係数が次の Pankove の関係式で与えられることを示しています 30:

ここで、 \(B\) は遷移の確率パラメータ、 \(E_{g}\) は光学ギャップ エネルギーです。 許可される直接遷移の場合、係数 \(n\) は \(\frac{1}{2}\) に等しく、許可される間接遷移の場合は \(n = 2\) となります。 直接バンドギャップにより、研究対象の結晶は、高い光子エネルギーに対する次の関係に従う吸収係数 \(\left( \alpha \right)\) を持ちます \( \left( {h\nu } \right)\) :

直接的なバンドギャップ遷移に対応する \(E_{g}\) 値は、 \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{2}\) と \( h\nu\) の関係で計算できます。 、次の式を使用します。

\(E_{g}\) の値は、\(\left( {\alpha h\nu } \right)^{2}\) 曲線の外挿線形部分とエネルギー軸の交点から推定されました。 図 10 は、ZnO NP のレーザー光照射前後の \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{2}\) と \( h\nu\) の変化を示しています。

照射前（青線）と照射後（赤と緑の線）の ZnO NP の Tauc プロット。

表 5 からわかるように、純粋な ZnO NP のバンドギャップは \(3.3155 eV\) であり、バルク ZnO のバンドギャップと一致します。 一方、\(1064 nm \) および \(532 nm\) による照射後の ZnO NP のバンドギャップは、それぞれ \(3.2804 eV\) および \(3.3423 eV\) に減少しました。 レーザー照射により追加のキャリアが提供され、フェルミ準位が伝導帯に向かってシフトします。 したがって、バンドギャップの幅は減少します。

屈折率 \(\left( n \right)\) は、光学デバイスの設計において非常に重要な役割を果たす光学材料の基本パラメータです。 したがって、ポリマーのこのパラメーターを制御すると、ポリマーはさまざまな産業および医療用途で実用的になります。 Reddy et al.31 が提案したさまざまな種類の化合物に適用できる経験的関係によれば、バンドギャップ値を使用して次のように屈折率を計算できます。

表 5 からわかるように、照射前後の ZnO の屈折率値の小さな変化は、この化合物が光学的に安定であり、光が中間層で伝達される導波路の製造の潜在的な候補である可能性があることを示しています。全内部反射による。 これは、中間層の屈折率が周囲の層の屈折率よりも大きい場合にのみ発生します。

純粋な ZnO サンプルの光伝導率 \(\sigma_{opt}\) は、吸収係数 \(\alpha\) と屈折率 \(n\) データを使用して次の関係式を使用して計算されました32。

ここで \(c\) は自由空間における光の速度です。 \(n\) は屈折率、\(\alpha\) は吸収係数です。

レーザー光線の照射前後の ZnO NP の光伝導率の値は \(\left( {318 - 433} \right) \times 10^{10} s^{ - 1}\) の範囲にあります。 。 表 5 からわかるように、レーザー照射のエネルギーの関数としての光伝導率 \(\left( {\sigma_{opt} } \right)\) の変化は、このパラメーターが吸収係数に比例することを示しています。 \(\alpha\)、バンドギャップ エネルギー \(\left( {E_{g} } \right)\) および吸光度の強度 \(\left( A \right)\)。 異なる照射エネルギーによる電子構造の変形にもかかわらず、電子構造を起源とするすべての光学パラメータに直接影響を与えるため、ZnO はパラメータの良好な光学安定性を示します。 さらに、調製された ZnO NP の光伝導率のこれらの高い値は、このような太陽光発電用途に対する材料の優位性を示しています 33。

消衰係数は、透過媒体の単位距離あたりの散乱と吸収によって失われる光の割合の尺度です。 これは、次の関係を使用して \(\alpha\) と \(\lambda\) の値から推定できます。

エネルギー光子の関数としての消衰係数を図１１に示す。照射エネルギーを増加させると、ＺｎＯの消衰係数が減少することが分かる（表５）。 波長の増加に伴う消衰係数の減少は、透過率の増加および吸収係数の減少と相関している可能性があります。 波長の増加に伴う消衰係数の減少は、散乱と吸収によって失われる光の割合が減少することを示しています。 このプロパティを使用して、全光スイッチを実装できます。

ZnO NP のレーザー光照射前 (青線) と照射後 (赤と緑の線) の計算された吸光係数プロット。

結果は、使用したすべての濃度で、緑膿菌 (グラム陰性菌) およびブドウ球菌 (グラム陽性菌) に対する ZnO-NP の有効性を示しました。ZnO-NP を抗生物質と併用すると、相乗作用により、ZnO-NP の感染力が増加しました。標的細菌に対する抗生物質の有効性。 以前の研究で、ZnO-NP が多剤耐性 A. baumannii に対する抗生物質の有効性を改善する可能性が、膜透過性に対する効果とともに示されています。 我々の知る限り、これは、耐性A.バウマニに対するシプロフロキサシンおよびセフタジジム抗生物質の有効性に対するZnO-NPの作用機序に関する最初の報告である。 ZnO-NP 単独および両方の抗生物質との組み合わせが、A. バウマンニの防除に効果的であることが証明されました。 さらに、ZnO-NP の存在下でセフタジジムとシプロフロキサシンの抗菌活性が増加するのは、細胞内の膜損傷と抗菌剤の蓄積による可能性があります 34。 抗生物質による ZnO-NP の抗菌作用の正確なメカニズムはまだ明確には解明されていません。 従来の抗生物質と NP 間の相乗作用は、排出ポンプの遮断による抗菌薬の輸出の阻害、または細菌膜の破壊による細胞への抗生物質の侵入の促進によるものであると示唆されています 35。 これまでのいくつかの研究では、ZnO-NP は、酸化ストレスを促進するか、細胞膜を直接通過して DNA と相互作用して 4 塩基すべてに損傷を与えるか、チミン - チロシン架橋を生成することによって、間接的に遺伝毒性を誘発する可能性があると結論付けています 36 (図 12 を参照)。

その結果、細菌に対する ZnO-NP の有効性が示されました。

ミュラーヒントン寒天培地上で ZnO-NP を使用した場合の緑膿菌 (グラム陰性菌) およびブドウ球菌 (グラム陽性菌) に対する阻害領域。波長 \(532 nm\) で処理した ZnO-NP を使用した場合に最も高い阻害を示しました。 \(\left( {12 mm} \right)\)、続いて波長 1064 nm (阻害領域は 8 mm) であり、結果は、何の処理も行わずに純粋な ZnO-NP を使用した場合に阻害が最も少ないことを示しました \( \左( {4 mm} \右)\)。 図 13 と表 6 を参照してください。私たちの結果はこの情報源と一致しています 36。

細菌によるレーザー照射前後の純粋な阻害 ZnO-NP。

それらの効果は、グラム陰性菌よりもグラム陽性菌に対してより顕著でした。 この発見と一致して、ZnO-NP はグラム陽性菌とグラム陰性菌の両方に対して効果的な抗菌剤であると考えられると要約できます 37。

私たちの知る限り、グラム陽性菌の外層の構造はペプチドグリカンで構成されています。 一方、グラム陰性菌はリン脂質で構成されており、どちらも ZnO-NP に曝露されると異なる相互作用を受けます。 いくつかの研究は、ZnO-NP の抗菌メカニズムの可能性を示唆しています。 それらは細菌細胞に容易に浸透し、能動輸送、代謝活動に必要な細菌酵素を阻害する亜鉛イオン（Zn2+）を放出し、最終的にはNPの巨大な反応性表面により細胞死を誘導します。 もう 1 つは、NP の表面から生成される活性酸素種 (ROS) の形成が酸化ストレスとその後の細胞損傷を引き起こすと提案しました 38。

別の方法では、ナイルティラピアは、最も一般的な細菌性病原体感染に対する潜在的な in vitro 抗菌効果により、侵入および出現した病原体を制御するための in vivo 応用の可能性について私たちのビジョンを方向付けています 39。

ZnO NP はゾルゲル法により合成に成功しました。 合成されたままの NP に、波長 \(1064 nm\) および \(532 nm\) を有するレーザーを照射して、構造的および光学的特性を改善しました。 NP の構造および元素分析により、六方晶系の結晶構造を有する範囲 \(42-46 nm\) で高純度 ZnO NP の高凝集体が形成されていることが強調されました。 ZnO ナノ粒子はレーザー照射後に優先配向に変化を示さず、レーザー照射後に追加のピークは観察されず、この材料の高い結晶品質を示しています。 サンプルの電子構造に対する照射の影響により、照射後の紫外可視スペクトルにシフトが観察されます。 異なる照射エネルギーによる電子構造の変形にもかかわらず、電子構造を起源とするすべての光学パラメータに直接影響を与えるため、ZnO はパラメータの良好な光学安定性を示し、合成された化合物をオプトエレクトロニクスおよびフォトニクス用途に適した候補です。

波長1064 nmおよび532 nmのレーザー光線によるZnOナノ粒子の照射により、微結晶のサイズが減少し、その抗菌活性が増加します。

グラム陰性菌とグラム陽性菌に対する抗生物質のシプロフロキサシンとセフタジジムの効果は、532 nm レーザー光線の照射後に合成された ZnO NP を添加すると向上することが判明しましたが、1064 nm では効果が低下しました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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スファックス大学、スファックス、チュニジア、スファックス理学部物理学科応用物理学研究室

ガズアン・マフムード・アブデルガーニ & アリ・ベン・アーメド

イラク、バグダッド工科大学材料工学科

アシール・バシム・アル・ズバイディ

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アリ・ベン・アーメドへの通信。

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転載と許可

Abdelghani, GM、Ahmed, AB & Al-Zubaidi, AB 合成、特性評価、および ZnO ナノ構造の光学特性に対する照射エネルギーの影響。 Sci Rep 12、20016 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-24648-x

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受信日: 2022 年 8 月 25 日

受理日: 2022 年 11 月 17 日

公開日: 2022 年 11 月 21 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24648-x

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科学レポート (2023)

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