Biological characterization of coatings based on titanium dioxide doped with metallic elements for antimicrobial applications

Abstract

The use of semiconductors for processes of self-­‐cleaning, air and water depollution as well as surface disinfection has triggered a great interest in the scientific community. One of the most used semiconductor materials is titanium dioxide (TiO2) due to their large photocatalytic effect, higher oxidation strength, chemical stability non-­‐toxicity and availability, among others. This oxide has been highly researched and was found that it is capable of decomposing various organic and inorganic compounds. Most of these studies were conducted under ultraviolet light (UV), since TiO2 has a photocatalytic activity and a relatively high chemical stability under UV radiation. The process has several advantages and one of them is the ability to combine processes involving biological decontamination methods, which makes this semiconductor capable of removing a wide range of bacteria, viruses, fungi, algae, protozoa, etc. (antimicrobial effect). Despite the advantages of this process we can notice two important limitations. Firstly, only 5% of the solar spectrum comprises ultraviolet radiation; secondly, the direct UV radiation is harmful to human’s health. Based on these limitations, the researchers have been studying methods that enable the use of TiO2 under the presence of visible light. This effect can be achieved by doping TiO2 with some metallic elements. Having this in mind some research groups have been focusing on the antimicrobial applications of this semiconductor material. Thus, the main goal of this work was the production of TiO2 thin films and TiO2 thin films doped with two different metals (iron and silver) with photocatalytic activity and, consequently, antimicrobial proprieties. The thin films were deposited on glass and cotton substrates by DC magnetron sputtering method. The studies of morphological characterization of the surface were performed using SEM and AFM techniques. The thin films crystalline structure was evaluated by XRD technique. Through UV-­‐Vis spectroscopy it was possible to study their optical proprieties (namely transmittance). The thin films photocatalytic ability was assessed the photodegradation of methylene blue aqueous solution (organic dye) under UV irradiation. The thin films antimicrobial properties were tested by studying there effect on the growth of a strain of Escherichia coli bacteria. The TiO2 thin films doped with silver were the ones that presented the higher photocatalytic and antimicrobial performance, showing around 10% of photodegradation yield and presented the higher inhibition of bacterial growth.

A utilização de semicondutores para processos de auto-­‐limpeza, desinfecção de superfícies, do ar e da água, tem suscitado um grande interesse no mundo científico. Um dos semicondutores mais utilizado é o dióxido de titânio (TiO2) devido ao seu elevado efeito fotocatalítico, elevada capacidade de oxidação, estabilidade química, disponibilidade e não-­‐toxicidade, entre outros. Este material semicondutor tem sido extremamente investigado e verificou-­‐se que é capaz de decompor vários tipos de compostos orgânicos e inorgânicos. A maioria destes estudos foram realizados sob a ação de luz ultravioleta (UV), uma vez que o TiO2 apresenta uma actividade fotocatalítica e uma estabilidade química relativamente elevada sob a radiação UV. O processo apresenta diversas vantagens sendo uma delas a possibilidade de combinar processos de descontaminação biológica, tornando este semicondutor capaz de eliminar uma vasta gama de bactérias, vírus, fungos, algas, protozoários, etc. (efeito antimicrobiano). Embora o processo apresente diversas vantagens, observam-­‐se duas importantes limitações. Em primeiro lugar, apenas 5% do espectro solar compreende a radiação ultra-­‐ violeta, e em segundo lugar a radiação UV é prejudicial para a saúde do ser humano. Tendo em consideração estas limitações, vários grupos de investigação têm estudado métodos alternativos que possam ser capazes de permitir a utilização de TiO2 na presença da luz visível. Um dos métodos utilizados consiste na dopagem do TiO2 com elementos metálicos. Tendo em consideração o exposto, alguns grupos de investigação têm direcionado os seus trabalhos na utilização deste material semicondutor ao estudo de aplicações antimicrobianas. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho visou a produção de filmes finos de TiO2 e filmes finos de TiO2 dopados com dois metais diferentes (ferro e prata) com atividade fotocatalítica e propriedades antimicrobianas. Os filmes finos foram depositados em substratos de vidro e de algodão pelo método de pulverização catódica em magnetrão utilizando fonte DC. Os estudos de caracterização morfológica da superfície foram realizados pela utilização de microscopia electrónica de varrimento (do inglês Scanning Electron Microscopy, SEM) e microscopia de força atómica (do inglês Atomic Force Microscopy, AFM). A estrutura cristalina dos filmes finos foi avaliada pela técnica de Difração de Raios-­‐X (do inglês X-­‐ray difraction, XRD). Através da utilização dr espectroscopia UV-­‐Vis foi possível estudar as propriedades ópticas dos filmes finos produzidos (nomeadamente a transmitância). A atividade fotocatalítica dos filmes finos foi avaliada através da medição da fotodegradação de uma solução aquosa de azul de metileno (corante orgânico) sob iradiação de luz UV. As propriedades antimicrobianas dos filmes finos foram estudadadas através da observação das curvas de crescimento da bactéria E. coli. Os filmes finos de TiO2 dopados com prata foram aqueles que apresentaram os maiores desempenhos fotocatalítico e antimicrobiano, apresentando um rendimento de fotodegradação de aproximadamente 10% e a maior inibição do crescimento bacteriano.