TiO2 ince filmleri ile kaplanmış yüzeylerin Escherichia coli'ye karşı fotokatalitik bakterisidal etkilerinin incelenmesi
The investigation of photocatalytic bactericidal effects against Escherichia coli by TiO2 thin films coated surfaces
Yazar: FİGEN ÖZYILDIZ
Danışman: PROF.DR. SANVER EKMEKÇİ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Biyoloji = Biology ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mikrobiyoloji = Microbiology

Özet:
Çalımamızın amacı, TiO2 ince filmlerin fotokatalitik aktivitesinin, Escherichiacoli'ye karı bakterisidal etkisinin incelenmesi ve bunlara dop elamanlarının etki faktörününbelirlenmesidir. TiO2 ince filmleri sol gel daldırma yöntemi kullanılarak sodyum camsubstratlar üzerine uygulanmıtır. TiO2 ince filmlerinin hazırlanmasında kullanılan prekürsörsolüsyonu, titanyum tetraizopropoksidin uygun miktarı, solvent olarak propanol ve katalistolarak nitrik asit kullanılarak hazırlanmıtır. Saf olmayan maddelerin TiO2 tabakasınadiffüzyonunu engellemek amacıyla sodyum cam substratlar öncelikle ince bir silika tabakasıile kaplanmıtır. TiO2 solü içerisine farklı konsantrasyonlarda demir, bakır ve polietilen glikol(PEG 600) eklenerek filmlerin yüzey yapısı modifiye edilmitir. Daldırarak kaplama ve120°C'deki ön-fırınlama ilemi 3 kez tekrar edilmi ve bunu takiben filmler 500°C'defırınlanmıtır. Prekürsör solüsyona Fe, Cu, ve PEG ilavesinin ince filmlerin yüzey yapısına vefotokatalitik aktiviteye olan etkisi aratırılmıtır.Filmlerin morfolojik yüzey yapısı ve kompozisyonu, Taramalı ElektronMikroskobu (SEM), Taramalı Uç Mikroskobu (AFM) ve X-Iınları Kırınım Cihazı (XRD)kullanılarak incelenmitir. Yapılan SEM ölçümleri sonucunda silikasız camlar üzerinekaplanan filmlerin homojen olmadıkları ve birçok yerlerinde çatlaklar içerdikleri buna karınsilika kaplı substratlar üzerine hazırlanan filmlerin homojen ve çatlaksız olduklarısaptanmıtır. 500°C'lik ısıl ilemden sonra PEG eklenen filmler poröz yapıda olmutur.Demir ve bakır ile yapılan doplama, dop edilmeyen TiO2 örneklerinin düz yüzeyini poröz vesünger-benzeri bir yapıya dönütürmütür. Örneklerin AFM ölçümlerinde homojen birkümeleme tespit edilmitir. PEG içermeyen filmlerin pürüzlülük deerleri 15,579-71,725 nmarasında deiiklik göstermitir fakat PEG eklendiinde bu deerler 0,5559 nm'ye kadardümütür. XRD analizleri, 500°C'de fırınlanan bütün filmlerin anataz formda olduklarınıgöstermitir.Uzun dalga boylu UV ııı (365 nm) ile ıınlanan TiO2 ince filmlerinin antibakteriyeletkinlii, model olarak E. coli ATCC 23999 kullanılarak aratırılmıtır. Bakteriyelsolüsyondan 50 ml alınarak TiO2 kaplı substratlar üzerine pipetlenmi ve kurumayıengellemek amacıyla hava geçirmeyen ve ıınlanan bir düzenee yerletirilmitir. Budüzenek, yaklaık 360 nm civarında pik veren ve ıık younlu UV radiometer (UVP) ileölçülerek 1 mW/cm2'ye ayarlanan 20 W siyah ıık (UVP Upland, CA 91786, Model XX-20BLB) ile ıınlanmıtır. 30, 60, 90, 120, dakikalık ıınlama periyotlarından sonra fosfattamponu kullanılarak hücreler cam yüzeyinden yıkanmıtır. Canlı kalan hücre sayısını tespitetmek için, toplanan hücrelerin uygun bir dilüsyonu Brain Heart Infussion Agar ortamında37°C'de 48 saat süreyle inkübe edilmitir.Yapılan sayısal analizler, filmlerin kompozisyonuna ve karakteristiklerine balı olarak 30dakikalık UVA ıınlaması sonucunda TiO2 ince filmlerinin gösterdikleri bakteriyel inhibisyonun% 43,47?95,21 arasında deitiini göstermitir. TiO2 kaplı filmlerin etkinlii, bakteriyelinhibisyon oranı % 17,36?85,21 arasında deien TiO2 kaplı olmayan filmlerden belirgin ölçüdeyüksek olmutur. SiO2 koruyucu filminin, TiO2 tabakasına Na iyon diffüzyonunu önlemede çoketkili olduu bulunmutur. Sodyum cam substratları üzerine kaplanan TiO2 filmlerininfotokatalitik aktivitesi, Na iyonlarının termal diffüzyonundan dolayı daha düük olmutur. TiO2ince filmlerinin fotokatalitik aktivitesi Cu ve PEG (600) doplanmasıyla artmı, Fe doplanmasıyladümütür. Fe doplu kaplamalar en düük antibakteriyel aktiviteyi gösterirken Cu doplukaplamalar en yüksek aktiviteyi göstermitir. Cu/TiO2 filmi üzerindeki E. coli ATCC 23999'nıncanlılık oranı 30 dakikalık ıınlama sonucunda belirlenemeyen düzeye inmitir.Bu sonuçlar, TiO2 ince filmlerinin fotoindüklenmi bakterisidal etkisinin filmlerinkarakteristiklerine balı olduunu göstermitir.Anahtar Kelimeler: titanyum dioksit, ince filmler, sol-jel, daldırma-kaplama, fotokatalizis, metaldoplama, Escherichia coli

Abstract:
The aim of our study is to investigate the photocatalytic activity and bactericidaleffects against Escherichia coli of TiO2 thin films and to determine the force of dopants tothese effects. In this study,titanium dioxide thin films were prepared using a sol-gel dipcoatingtecnique on soda-lime glass substrates. Precursor solution for TiO2 thin films wereprepared using the proper amount of titanium tetraisopropoxide , propanol as a solvent andnitric acid as a catalyst. The soda-lime glass substrates were first coated with a thin layer ofsilica to prevent impunty diffusion to TiO2 layer. The surface structures of the films weremodified by adding different concentration of iron, copper and polyethylene glycol (PEG600) into TiO2 sol. Dip coating and pre-annealing at 120°C were repeated 3 times and thenthe films were post-annealed at 500°C for 1 hour. The effects of Fe, Cu and PEG addition tothe precursor solution on the surface structure and photocatalytic activity of the resultant thinfilms were investigated.The morfology of surface structure and composition of the films were examined byScanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and X-rayDiffraction (XRD). The film prepared on soda-lime glass without silica was non-uniform andhaving cracks at many places whereas the film prepared on silica coated substrates wasuniform and without cracks. After PEG was added, porous structures developed in the filmsand doping with iron and copper changes the flat surfaces in the undoped TiO2 samples toporous, sponge-like surfaces after thermal treatment at the 500°C. From the AFM images ofthe samples a uniform agglomeration was observed. The roughness profiles (RMS) of the filmsurfaces without PEG have been measered in the range of 15.579 to 71.725 nm.but when PEGwas added, the values have been decreased to 0.5559 nm. XRD pattern showed that all TiO2films displayed the characteristic diffraction peaks of anatase structure annealed at 500°C.The antibacterial efficiency of longwave UV-irradiated (365 nm) TiO2 thin films wasinvestigated using E. coli ATCC 23999 as a model. A 50 ml of the bacterial solution (3.0x108cfu/ml) was pipetted onto TiO2 coated substrates and placed in an air tight illuminationchamber to prevent drying. This chamber was illuminated with 20W black light (UVPUpland, CA 91786, Model XX-20 BLB); the light intensity, which peaks at around 360 nm,was 1.0 mW/cm2, which was measured using a UV radiometer (UVP). After eachillumination time period for 30, 60, 90, 120, min. the cells were washed from the glass surfacein a steril petri dish using phosphate buffer solution (PBS). An appropriate dilution of thecollected cells were incubated at 37°C for 48 h in Brain Heart Infussion Agar medium todetermine the number of viable cells in terms of cfu.The quantitative experiments show that bacterial inhibiton of TiO2 thin films variesbetween % 43.47-95.21 after 30 min.UVA illumination Depending on the composition andcharacteristics of the films. The efficiency is remarkably higher than that without a TiO2 filmin which light causes bacterial inhibition between % 17.39?85.21. It was found that SiO2 filmprecoating is very effective to prevent Na ion diffusion into TiO2 layer. TiO2 thin films coatedon soda-lime glass substrates exhibited lower photocatalytic activity due to the thermaldiffusion of Na ion. The photocatalytic activity of the TiO2 thin films increased with Cu andPEG (600) doping and decreased with Fe doping. Fe doped coatings exhibited the lowestantibacterial activity whereas Cu doped coatings exhibited the highest. The survival ratio forE. coli ATCC 23999 in the liquid film on the Cu/TiO2 film under black light illuminationdecreased to a neglible level within 30 min. The results indicated that the photoinducedbactericidal efficiency of TiO2 thin film probably depended on the characteristics of the films.Key words: titanium dioxide, thin films, sol-gel dip-coating, photocatalysis, metal doping,Escherichia coli