Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων με βάση το μαγγάνιο για βιολογικές εφαρμογές
Creators: name: Παντελίδου, Ελπίς Αντωνίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Μαγγάνιο
Νανοσωματίδια ανθρακικού μαγγανίου
Νανοσωματίδια οξειδίων του μαγγανίου
Manganese
Manganese carbonate nanoparticles
Manganese oxide nanoparticles

description: Η παρούσα διπλωματική διατριβή αφορά την διερεύνηση των συνθηκών αντίδρασης για την σύνθεση νανοσωματιδίων με βάση το μαγγάνιο μέσω της διεργασίας πολυόλης με σολβοθερμικές συνθήκες. Η διερεύνηση των συνθηκών αντίδρασης πραγματοποιήθηκε με βάση i) τις πρόδρομες ενώσεις ii) τις πολυόλες που επιλέχτηκαν και iii) την προσθήκη επιπρόσθετου αναγωγικού παράγοντα. Χρησιμοποιήθηκαν πρόδρομες ενώσεις διαφορετικών οξειδωτικών βαθμίδων, σύστασης και χαρακτήρα. Δοκιμάστηκαν i) άλατα του μαγγανίου: KMnO4 με βαθμίδα οξείδωσης του Mn +7, καθώς και ανόργανα άλατα MnCl2‧4H2O, και Mn(NO3)2∙xH2O με το Mn+2 και ii) σύμπλοκες ενώσεις του τρισθενούς και δισθενούς μαγγανίου Mn(acac)2, Mn(acac)3 αντίστοιχα. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές πολυόλες, η προπυλενογλυκόλη, μικρού μοριακού βάρους με ισχυρή αναγωγική δράση που λειτουργεί και ως διαλύτης και η τετρααιθυλενογλυκόλη, μεγαλύτερου μοριακού βάρους με υψηλό ιξώδες. Τέλος, ως επιπρόσθετος αναγωγικός παράγοντας, μελετήθηκε η χρήση του ανόργανου NaOH και της οργανικής ολεϋλαμίνης, η οποία έχει ταυτόχρονα και ρόλο επιφανειοδραστικού/επικαλυπτικού. Τα νεοσυντιθέμενα νανοσωματίδια διερευνήθηκαν ως προς την σύσταση τους με την τεχνική της περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD), ως προς την παρουσία οργανικών ενώσεων μέσω της φασματοσκοπίας υπερύθρου (FTIR) και ως προς το ποσοστό των οργανικών ενώσεων με τη θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA). Επίσης, το σχήμα και το μέγεθος τους διερευνήθηκε με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (ΤΕΜ). Ακόμη, διερευνήθηκε η απορρόφηση τους στο υπεριώδες-ορατό φάσμα και υπολογίστηκε το ενεργειακό τους χάσμα μέσω της φασματοσκοπίας UV-Vis και προσδιορίστηκε η υδροδυναμική διάμετρος τους με τη δυναμική σκέδαση του φωτός (DLS) και το ζ-δυναμικό τους. Συνολικά συντέθηκαν νανοσωματίδια ανθρακικού μαγγανίου με διαφορετικό μέγεθος, ποσοστό επικάλυψης και μορφολογίας, συγκεκριμένα γυμνά MnCO3 NPs μεγέθους 25 nm, όπως υπολογίστηκε από την μέθοδο XRD, MnCO3 NPs επικαλυμμένα με μικρό ποσοστό οξειδωμένων παραγωγών της τετρααιθυλενογλυκόλης μεγέθους 25 nm, τα οποία έχουν σχήμα φιστικιού που προέρχεται από την συσσωμάτωση ρομβικών νανοδισκίων, MnCO3 NPs επικαλυμμένα με μικρό ποσοστό ολεϋλαμίνης μεγέθους 48 nm, τα οποία έχουν κυβικό ή και εξαγωνικό σχήμα και μίγμα γυμνών MnCO3 NPs με μικρό ποσοστό οξειδίων του μαγγανίου, 2.7% Mn2O3 και 1.8% Mn3O4, μεγέθους 32 nm. Επίσης, συντέθηκαν νανοσωματίδια ανθρακικού μαγγανίου με προσροφημένα υδροξύλια, για πρώτη φορά, με διαφορετικό μέγεθος, επικάλυψη και ποσοστό προσροφημένων υδροξυλίων. Συντέθηκαν MnΟΗCO3 NPs επικαλυμμένα με μικρό ποσοστό οξειδωμένων παραγωγών της τετρααιθυλενογλυκόλης μεγέθους 41 nm, τα οποία έχουν σχήμα νανοράβδων, MnΟΗCO3 NPs επικαλυμμένα με μικρό ποσοστό οξειδωμένων παραγωγών της τετρααιθυλενογλυκόλης, ίδιου μεγέθους αλλά με μικρότερο ποσοστό προσροφημένων υδροξυλίων και γυμνών MnΟΗCO3 NPs με μέγεθος 38 nm. Τέλος, συντέθηκαν νανοσωματίδια οξειδίων του μαγγανίου, Mn3O4 NPs μεγέθους 28 nm και επικαλυμμένα Mn2O3/MnO2 NPs μεγέθους 140 nm, χωρίς διακριτό σχήμα. Στο τελευταίο μέρος της παρούσας διπλωματικής διατριβής, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τη μελέτη της αλληλεπίδρασης των νεοσυντιθέμενων νανοσωματιδίων με το DNA, μέσω της φασματοσκοπίας UV-vis και του κυκλικού διχρωϊσμού, όπου κατέδειξαν μικρό ποσοστό αλληλεπίδρασης με πιθανό μηχανισμό την ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση. Επίσης μελετήθηκε η αντιμικροβιακή τους δράση ενάντια στο Gram αρνητικό βακτήριο Escherichia coli σε δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις 100 μg/mL και 200 μg/mL υπό την επίδραση φωτός και σε συνθήκες απόλυτου σκοταδιού, διότι τα νανοσωματίδια του ανθρακικού μαγγανίου είναι ημιαγώγιμα υλικά, όπου κατέδειξαν πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα κατά της βακτηριακής ανάπτυξης.
description: The present thesis is concerned with the investigation of reaction conditions for the synthesis of manganese-based nanoparticles via polyol process under solvothermal conditions. The investigation of the reaction conditions was carried out based on i) the precursors ii) the polyols and iii) the use of additional reducing agent. Precursors of different oxidation states, composition and character were used i) salts of manganese: KMnO4 with an oxidation state of Mn +7, inorganic salts MnCl2‧4H2O, and Mn(NO3)2∙xH2O with Mn+2 and ii) coordination complexes of trivalent and divalent manganese Mn(acac)2, Mn(acac)3 respectively. Two different polyols were used, propylene glycol, a low molecular weight polyol with a strong reducing activity that also acts as a solvent and tetraethylene glycol, a higher molecular weight polyol with a high viscosity. Finally, the use of additional reducing agent, inorganic NaOH and organic oleylamine, which has both a surfactant/coating role, was studied. The newly synthesized nanoparticles were investigated for their composition by X-ray diffraction (XRD), for the presence of organic compounds by infrared spectroscopy (FTIR) and for the percentage of organic compounds by thermogravimetric analysis (TGA). Also, their shape and size were investigated by transmission electron microscopy (TEM). Furthermore, their absorption in the UV-visible spectrum was investigated and their energy gap was calculated by UV-Vis spectroscopy and their hydrodynamic diameter was determined by dynamic light scattering (DLS) and their z-potential. In total, MnCO3 nanoparticles with different size, coating percentage and morphology were synthesized, namely bare MnCO3 NPs of 25 nm size as estimated by XRD analysis, MnCO3 NPs coated with a small percentage of oxidized products of tetraethylene glycol of 25 nm size, which have a peanut shape derived from the aggregation of rhombic nanoplates, MnCO3 NPs coated with a small percentage of oleylamine of size 48 nm, which have a cubic and hexagonal shape, and a mixture of bare MnCO3 NPs with a small percentage of manganese oxides, 2.7% Mn2O3 and 1.8% Mn3O4, of size 32 nm. Also, MnCO3 nanoparticles with adsorbed hydroxyls were synthesized for the first time with different size, coating and percentage of adsorbed hydroxyls. They were synthesized MnOHCO3 NPs coated with a small percentage of oxidized products of tetraethylene glycol of size 41 nm, which have a nanorod shape, MnOHCO3 NPs coated with a small percentage of oxidized products of tetraethylene glycol of the same size but with a small percentage of adsorbed hydroxyls and bare MnOHCO3 NPs of size 38 nm. Finally, MnxOy nanoparticles were synthesized, Mn3O4 NPs of size 28 nm and coated Mn2O3/MnO2 NPs with no distinct shape. In the last part of this thesis, the results from the study of the interaction of the newly synthesized nanoparticles with DNA are presented, through UV-vis spectroscopy and circular dichroism, showing a small amount of interaction with a possible mechanism of electrostatic interaction. Their antimicrobial activity against the Gram-negative bacterium Escherichia coli was also studied at two different concentrations of 100 μg/mL and 200 μg/mL under light and darkness conditions, because MnCO3 nanoparticles are semiconducting materials, where they showed promising antibacterial activity.