Stokiyometrik olmayan FeS₂ nanopartiküllerin sentezi ve antibakteriyel fototerapi uygulamalarında kullanımı
Synthesis of non-stoichiometric FeS₂ nanoparticles and their applications in antibacterial phototherapy
Yazar: AHMED AL-SARORI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL CİHAN KAYA
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bakterilerdeki antibiyotik direnci, küresel ölçekte ciddi bir sorun teşkil etmekte olup, antibiyotik içermeyen antibakteriyel stratejilerin geliştirilmesine yönelik ilginin artmasına neden olmuştur. Son araştırmalar, özellikle fototermal, fotodinamik, gaz tedavisi ve kemoterapi gibi çeşitli yöntemleri birleştiren çok yönlü antibakteriyel terapilerin, artan antibakteriyel etkinlikleri nedeniyle dikkat çektiğini göstermektedir. Metal kalkojenit nanopartiküllerin hem fotodinamik hem de fototermal etki göstermesi ve farklı bakteri türlerine karşı etkili olması bu malzemeleri bu alanda ön plana çıkarmıştır. 
Bu tez çalışmasında toksik olmayan, çevre duyarlı, hidrofilik ve hem fotodinamik hem de fototermal etki gösterdiği bilinen FeS₂ nanopartiküllerinin sıcak besleme yöntemi ile sentezlenmesi ve antibakteriyel özelliklerinin araştırılması üzerine odaklanılmıştır. Öncelikle, FeS₂ sentez parametreleri optimize edilmiş sonrasında farklı stokiyometrilerde FeS2 nanopartikülleri sentezlenerek üretilen partiküllerin kristal yapı, morfoloji ve optik özellikleri detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Stokiyometrik olmayan FeS₂ nanopartikülleri, sentez sırasında öncül maddelerin (Fe kaynağı ve S kaynağı) molar oranları değiştirilerek elde edilmiştir. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizi, Fe kaynağı ile S kaynağı oranlarının 1/6, 1/8, 1/10 ve 1/12 olduğu örnekler için Fe/S oranlarının sırasıyla 1.012:2, 0.960:2, 0.905:2 ve 0.900:2 olduğunu ortaya çıkarmıştır. 808 nm yakın kızılötesi (NIR) ışık altında yapılan fototermal testler, Fe/S oranlarının 1.012:2, 0.960:2, 0.905:2 ve 0.900:2 olduğu numunelerde sıcaklığın sırası ile 48, 49, 51, ve 53 ºC'lere çıktığını göstermiştir. Kristal içi kusur oranının artması fototermal etkiyi arttırırken, fotodinamik etkiyi azaltmıştır. Fe/S oranı 0.900:2 olan numune için fototermal dönüşüm verimi saf suda %44,3, fosfat tamponlu tuzlu su (PBS) çözeltisinde ise %52,6 olarak hesaplanmıştır. 
İn vitro antibakteriyel aktivite testleri, stokiyometrik olmayan FeS2 nanopartiküllerinin, Escherichia coli (%98,00 inaktivasyon, 100 μg mL-1) ve Staphylococcus aureus (%99,89 inaktivasyon, 125 μg mL⁻¹) karşısında ROS üretimi ve hipertermi etkisinin sinerjik etkilerinden dolayı güçlü antibakteriyel aktivite sergilediğini göstermiştir. Bu bulgular, stokiyometrik olmayan FeS₂ nanopartiküllerinin, özellikle NIR ışığı altında bakteriyel enfeksiyonların tedavisinde yüksek potansiyele sahip antibakteriyel malzemeler olarak değerlendirilebileceğini kanıtlamıştır.

Abstract:
Antibiotic resistance in bacteria has become a critical global issue, prompting increased interest in the development of non-antibiotic antibacterial strategies. Recent studies have emphasized the importance of multifunctional antibacterial therapies particularly those integrating photothermal, photodynamic, gas therapy, and chemotherapy approaches due to their enhanced antibacterial efficacy. Among these, metal chalcogenide nanoparticles have gained prominence owing to their combined photothermal and photodynamic effects and their broad-spectrum antibacterial activity. 
This thesis investigates the synthesis of FeS₂ nanoparticles via the hot-injection method and examines their antibacterial properties. FeS₂ nanoparticles were selected due to their non-toxic, environmentally friendly, hydrophilic nature, and dual photothermal and photodynamic activities. Initially, the synthesis parameters were optimized, followed by the production of FeS₂ nanoparticles with varying stoichiometries. The produced nanoparticles were thoroughly characterized in terms of their crystal structure, morphology, and optical properties. Non-stoichiometric FeS₂ nanoparticles were synthesized by altering the molar ratios of precursors (iron and sulfur sources) during the reaction. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis revealed Fe/S ratios of 1.012:2, 0.960:2, 0.905:2, and 0.900:2 for samples prepared with precursor molar ratios of 1:6, 1:8, 1:10, and 1:12, respectively. Photothermal tests conducted under 808 nm near-infrared (NIR) irradiation showed temperature increases of 48°C, 49°C, 51°C, and 53°C for the samples with Fe/S ratios of 1.012:2, 0.960:2, 0.905:2, and 0.900:2, respectively. An increase in crystal defect density was observed to enhance photothermal performance but reduce photodynamic efficacy. For the sample with an Fe/S ratio of 0.900:2, the photothermal conversion efficiency was calculated to be 44.3% in pure water and 52.6% in phosphate-buffered saline (PBS).
In vitro antibacterial activity tests revealed that non-stoichiometric FeS₂ nanoparticles exhibited strong antibacterial activity against Escherichia coli (98.00% inactivation at 100 μg/mL) and Staphylococcus aureus (99.89% inactivation at 125 μg/mL). This potent activity is attributed to the synergistic effects of reactive oxygen species (ROS) generation and hyperthermia. These findings indicate that non-stoichiometric FeS₂ nanoparticles hold significant potential as antibacterial agents, particularly for treating bacterial infections under NIR light irradiation.