Měření fotokatalytické aktivity TiO2 vrstev bylo orientováno do dvou rozdílných skupin a to měření fotokatalytické účinnosti vrstev v kontaktu s kapalnou fází (rozklad modelového barviva) a plynnou fází (odbourávání NOx).
Sterilizační účinky byly vyhodnoceny z měření schopnosti odbourávat daný druh bakterie. Byla vybrána gramnegativní Escherichia Coli, grampozitivní Staphylococcus aureus (Zlatý stafylokok) a Methicilin rezistentní zlatý stafylokok (MRSA).
4.3.1 Metoda měření fotokatalytické aktivity filmů v kontaktu s kapalnou fází
Měření fotokatalytické aktivity vrstev v kapalné fázi bylo provedeno ve spolupráci s doc. RNDr. Šárkou Klementovou, CSc. z Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity.
Metodika byla převzata od kolegů z Technické univerzity v Liberci [32].
V prvotní fázi diagnostiky byly vzorky ponořeny do roztoku modelové látky Acid Orange 7 (AO7) – C16H11N2Na04S – s koncentrací 0,02 mmol/l a objemem 25 ml. Tyto vzorky byly následně umístěny na magnetickou míchačku zajišťující pravidelné promíchávání roztoku modelové látky s vrstvou oxidu titaničitého a ozařovány UV zářivkou TLD 15W minimálně po 4 hodiny (pokud nedošlo ke kompletnímu odbourání modelové látky, ozařování pokračovalo-maximální doba ozařování byla šest hodin). Na obrázku 23 je prezentováno zařízení skládající se z magnetické míchačky a ozařovacího mechanismu.
46
Obr. 23 Magnetická míchačka s UV zářivkou
V důsledku odpařování během testování byla průběžně po každé započaté hodině do misky dolévána destilovaná voda na původní hladinu roztoku. Finální fází experimentů pak byla UV/VIS diagnostika, z jejichž závěrů je možno získat podíl původní a konečné koncentrace ozařovaného roztoku na základě změny absorbance roztoku AO7.
Pro určení rychlosti fotokatalytického rozkladu bylo vycházeno z Lambert – Beerova zákona, jenž udává vztah mezi absorbancí A a koncentrací daného roztoku C, viz vztah 13:
(13)
V tomto vztahu a označuje molární absorpční koeficient, l označuje optickou dráhu prostředí – délka měrné kyvety.
S časovou změnou koncentrace modelového roztoku musí docházet i k časové změně hodnoty absorbance daného roztoku. Kvůli lineární závislosti absorbance na koncentraci musí být platný následující vztah:
(14)
Pokud i nadále budeme předpokládat nízké koncentrace modelové látky, integrací rovnice (1 a 3, viz kap. 2.2.2.3.) v mezích C0 (počáteční koncentrace) a C (koncentrace v okamžitém čase) získáme následující vztah:
(15)
Zde Kr je rychlostní součinitel, který charakterizuje míru fotokatalytické aktivity. Při znalosti rovnice (14) pak jednoduše zaměníme argument s podílem koncentrací za argument s podílem hodnot absorbance (viz vztah 14) a nalezneme tak finální vztah pro charakterizaci fotokatalytické aktivity v závislosti na časové změně absorbance daného roztoku:
47
(16)
Rychlostní součinitel je třeba normovat vzhledem k ploše substrátu S, na němž je TiO2
film deponován, intenzity UV záření P a objemu modelové látky V. Po normování dle následujícího vzorce je normovaný rychlostní součinitel r:
(17)
Normovaný rychlostní součinitel r tak specifikuje fotokatalytickou účinnost. Pro možnost srovnání s vysoce aktivními průmyslově vyráběnými fotokatalyzátory byly TiO2
vrstvy vyrobené metodou PVD GLAD srovnávané s práškovou vrstvou AEROXIDE TiO2
P25 (nadále jen P25) dodané ing. Martinem Zlámalem. Vrstva P25 byla podrobena fotokatalytickým testům za stejných podmínek jako PVD GLAD filmy a hodnota její účinnosti sloužila jako orientační srovnání fotokatalytické aktivity vysoce fotoaktivní vrstvy s fotoaktivitou vrstev vyrobených pomocí PVD GLAD.
4.3.2 Metoda měření fotokatalytické aktivity filmů v plynné fázi
Princip metody stanovení fotokatalytické aktivity tenkých vrstev TiO2 v plynné fázi vychází z určení množství konverze NO na NO2 či HNO3. Během fotokatalytické oxidace reagují adsorbované molekuly NO nejprve s OH* Či HO2* radikály za zformování HNO2, jenž je následně fotooxidováno na NO2. Tento plyn se pak desorbuje z povrchu TiO2 vrstvy, nebo se přemění na HNO3. Pokles koncentrace NO, potažmo míra konverze, je určena vztahem 15:
(18)
Zde NOvstup je koncentrace přiváděného plynu do průtokového reaktoru, NOvýstup pak koncentrace plynu na výstupu. Před samotným testem byl reaktor čištěn směsí NO plynu společně s vodními parami, po dobu kdy se ustálila na výstupu koncentrace NO.
Vzorek byl umístěn do reaktoru, v němž díky systému hmotnostních průtokoměrů bylo zajištěno proudění NO o přesné koncentraci. Během experimentu byly TiO2 filmy ozařovány 3 UV zářivkami (Philips TLD-15W/08, λmax=365nm) s intenzitou 1 mW.cm-2. Součástí aparatury byl chemiluminiscenční plynový NOx analyzátor Horiba APNA 370. Směs reaktivního plynu byla připravena kombinací suchého a vlhkého vzduchu s NO/N2 tak, aby
48
výsledná relativní vlhkost v systému byla 50%. Schéma průtokového reaktoru je na obrázku 24.
Obr. 24 Schéma aparatury na měření fotokatalytické aktivity tenkých filmů v plynné fázi
Před samotnou depozicí byl zkoumaný vzorek čištěn UV ozařováním minimálně po dobu 5 hodin, a to z důvodu rozložení potenciálních polutantů či organických látek na jeho povrchu. Následně byl vzorek umístěn do fotoreaktoru společně s testovací směsí plynu, která byla do komory přiváděna, aniž by docházelo k UV ozařování, a to po dobu než se ustálila koncentrace plynu na výstupu (změny koncentrace během prvotního přísunu pracovního plynu do komory jsou důsledkem adsorpce pracovního plynu samotným katalyzátorem).
Následně byl testovaný vzorek ozařován a změny koncentrace NO a NO2 byly stěžejními daty pro výpočet míry fotokatalytické aktivity tenkých vrstev TiO2 vyrobené metodou PVD GLAD v kontaktu s plynnou fází.
Z důvodu malé plochy vzorku bylo nutné upustit od dané normy testování fotokatalýzy v plynné fázi s tím, že koncentrace NO v počátku byla zvolena na 0,1ppm, zatímco pro normu je zvolena hodnota 1 ppm. Celkový průtok plynu v daném reaktoru byl zvolen na hodnotu 1,2 l/min, zatímco norma je nastavena na 3 l/min. Čas ozařování se pohyboval od 1 do 3 hodin.
4.3.3 Metoda měření sterilizačního účinku
Výsledky tzv. Gramovy metody barvení rozdělují bakterie na gramnegativní a grampozitivní druhy. Gramnegativní bakterie mají buněčnou stěnu, jež je převážně tvořena liposacharidy a překryta další membránou. Díky tomu vychází tento druh bakterií z Gramova barvení pod mikroskopem zbarvené do růžova. Grampozitivní bakterie mají po barvení dle
49
Gramovy metody pod mikroskopem modrofialovou barvu. Tento jev je důsledkem vysokého obsahu peptidoglykanu v buněčné stěně a absencí vnější membrány a lipopolysacharidové vrstvy [68].
Diagnostika antibakteriálního efektu byla stanovena na základě interakce tenkých vrstev TiO2 s třemi druhy bakterií: gramnegativní tyčinkovitá bakterie E. Coli (bakteriální kmen dle ATCC 9637 -CCM 2024), grampozitivní kokovitá bakterie Staphylococcus Aureus (bakteriální kmen dle ATCC 1260 – CCM 299) a grampozitivní kokovitá rezistentní bakterie MRSA ( methicilin – resistant Staphylococcus Aureus dle ATCC 33591).
Na jednotlivé vzorky bylo naneseno 350 mikrolitrů bakteriálního inokula v koncentraci 105 CFU (Colony Forming Unit) v 1 ml. Následně byly vzorky ozařovány UV zářivkou s vlnovou délkou v intervalu od 300 – 450 nm v ozařovacím reaktoru. Během experimentů byl průběžně na vzorky dodáván solný roztok z důvodu zabránění vysoušení suspenze. Po ukončení ozařování byla buněčná suspenze ze vzorků naočkována do misek s krevním agarem, jenž byly následně inkubovány při teplotě 37°C. V závěru byl růst bakteriálních kolonií na krevním agaru semi-kvantitativně vyhodnocen, kdy v případě počtu kolonií mezi 100 a 1000 se uvádějí pouze odhady, pokud počet kolonií klesne pod 100, jsou jednotlivé kolonie spočítány přesně.
Současně se vzorky byly ozařovány UV-A lampou pouze samotné bakteriální kolonie, tzv. standardy, kde k minimálnímu úbytku bakteriálních kolonií docházelo také, ale až po 90 minutách ozařování.
Metodika vyhodnocování byla prováděna pomocí baktericidního podílu definovaného jako:
(19)
Zde N0 a Nt představují celkový počet bakteriálních kolonií před a po ozařování v daném čase t [62].
50
5 Výsledky a diskuse
Tato kapitola disertační práce je rozdělena do oddílů popisující přípravu, depozici a následně veškeré dosažené výsledky analýz deponovaných vrstev. První depozice byly realizovány za účelem studia vlivu depozice GLAD na povrchové, strukturní, sterilizační vlastnosti a fotokatalytickou aktivitu vrstev oxidu titaničitého. Po vyhodnocení výsledků těchto experimentů byly realizovány depozice za účelem zjištění vlivu depozičního úhlu α na již zmíněné vlastnosti vrstev TiO2. Poslední depozice byly realizovány za účelem studia vlivu přítomnosti dusíku v průběhu GLAD depozice na vybrané vlastnosti vrstev.