Published May 1, 2019 | Version v1
Publication Open

Effect of free oxygen radical anions and free electrons in a Ca12Al14O33 cement structure on its optical, electronic and antibacterial properties

Creators

  • 1. King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang
  • 2. Thailand Center of Excellence in Physics
  • 3. Khon Kaen University
  • 4. Suranaree University of Technology
  • 5. The Royal College Of Anesthesiologists Of Thailand

Description

The aim of this work was to investigate the effect of free oxygen radicals and free electrons in a Ca12Al14O33 (C12A7) cement structure on the optical, electronic and antibacterial activity of this material. Ca12Al14O33 was successfully fabricated via rapid heating to high temperatures by high frequency electromagnetic induction. Ca12Al14O33 cement samples were characterized using XRD and UV-Vis-DRS spectroscopy. The morphology and chemical composition of the samples were also investigated using SEM and EDS techniques. The presence of free oxygen radicals (O2-ions) in the insulating structure of Ca12Al14O33 was confirmed using Raman spectroscopy showing a spectrum peak at 1067 cm-1. The excitation of free electrons in the Ca12Al14O33 cement was indicated by UV-Vis absorption spectra at 2.8 eV and an optical energy gap of 3.5 eV, which is consistent with the first-principles calculations for the band energy level. The effects of free oxygen radicals and free electrons in the Ca12Al14O33 structure as antibacterial agents against Escherichia Coli (E. coli) and Staphylococcus Aureus (S. aureus) were investigated using an agar disk-diffusion method. The presence of O2- anions as a reactive oxygen species (ROS) at the surface of Ca12Al14O33 caused inhibition of E. coli and S. aureus cells. The free electrons in the conducting C12A7 reacted with O2 gas to produce ROS, specifically super oxides (O2-), superoxide radicals (O2•-), hydroxyl radicals (OH•) and hydrogen peroxide (H2O2), which exhibited antibacterial properties. Both mechanisms were active against bacteria without effects from nano-particle sized materials and photocatalytic activity. The experimental results showed that the production of ROS from free electrons was greater than that of the free O2- anions in the structure of Ca12Al14O33. The antibacterial actions for insulating and conducting Ca12Al14O33 were different for E. coli and S. aureus. Thus, Ca12Al14O33 cement has antibacterial properties that do not require the presence of nano-particle sizes materials or photocatalysis.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

كان الهدف من هذا العمل هو التحقيق في تأثير جذور الأكسجين الحر والإلكترونات الحرة في الهيكل الأسمنتي Ca12Al14O33 (C12A7) على النشاط البصري والإلكتروني والمضاد للبكتيريا لهذه المادة. تم تصنيع Ca12Al14O33 بنجاح عبر التسخين السريع إلى درجات حرارة عالية عن طريق الحث الكهرومغناطيسي عالي التردد. تم تمييز عينات الأسمنت Ca12Al14O33 باستخدام مطياف XRD و UV - Vis - DRS. كما تم التحقيق في التشكل والتركيب الكيميائي للعينات باستخدام تقنيات SEM و EDS. تم تأكيد وجود جذور الأكسجين الحر (O2 - ions) في الهيكل العازل لـ Ca12Al14O33 باستخدام مطياف رامان الذي يظهر ذروة الطيف عند 1067 سم -1. تمت الإشارة إلى استثارة الإلكترونات الحرة في أسمنت Ca12Al14O33 بواسطة أطياف الامتصاص UV - Vis عند 2.8 إلكترون فولت وفجوة طاقة بصرية تبلغ 3.5 إلكترون فولت، وهو ما يتوافق مع حسابات المبادئ الأولى لمستوى طاقة النطاق. تم التحقيق في آثار جذور الأكسجين الحر والإلكترونات الحرة في بنية Ca12Al14O33 كعوامل مضادة للبكتيريا ضد الإشريكية القولونية (E. coli) والمكورات العنقودية الذهبية (S. aureus) باستخدام طريقة نشر قرص الأجار. تسبب وجود O2 - anions كأجناس أكسجين تفاعلية (ROS) على سطح Ca12Al14O33 في تثبيط خلايا E. coli و S. aureus. تفاعلت الإلكترونات الحرة في C12A7 الموصلة مع غاز الأكسجين لإنتاج ROS، وتحديدًا الأكاسيد الفائقة (O2 -)، وجذور الأكسيد الفائق (O2•-)، وجذور الهيدروكسيل (OH•)، وبيروكسيد الهيدروجين (H2O2)، والتي أظهرت خصائص مضادة للبكتيريا. كانت كلتا الآليتين نشطتين ضد البكتيريا دون تأثيرات من المواد بحجم الجسيمات النانوية والنشاط التحفيزي الضوئي. أظهرت النتائج التجريبية أن إنتاج ROS من الإلكترونات الحرة كان أكبر من إنتاج أيونات الأكسجين الحرة في بنية Ca12Al14O33. كانت الإجراءات المضادة للبكتيريا لعزل وتوصيل Ca12Al14O33 مختلفة عن E. coli و S. aureus. وبالتالي، فإن أسمنت Ca12Al14O33 له خصائص مضادة للبكتيريا لا تتطلب وجود مواد أحجام الجسيمات النانوية أو التحفيز الضوئي.

Translated Description (French)

Le but de ce travail était d'étudier l'effet des radicaux libres de l'oxygène et des électrons libres dans une structure de ciment Ca12Al14O33 (C12A7) sur l'activité optique, électronique et antibactérienne de ce matériau. Le Ca12Al14O33 a été fabriqué avec succès par chauffage rapide à des températures élevées par induction électromagnétique à haute fréquence. Les échantillons de ciment Ca12Al14O33 ont été caractérisés par spectroscopie DRX et UV-Vis-DRS. La morphologie et la composition chimique des échantillons ont également été étudiées à l'aide des techniques SEM et EDS. La présence de radicaux oxygène libres (ions O2) dans la structure isolante de Ca12Al14O33 a été confirmée par spectroscopie Raman montrant un pic spectral à 1067 cm-1. L'excitation des électrons libres dans le ciment Ca12Al14O33 a été indiquée par des spectres d'absorption UV-Vis à 2,8 eV et un écart d'énergie optique de 3,5 eV, ce qui est cohérent avec les calculs des premiers principes pour le niveau d'énergie de la bande. Les effets des radicaux libres de l'oxygène et des électrons libres dans la structure Ca12Al14O33 en tant qu'agents antibactériens contre Escherichia Coli (E. coli) et Staphylococcus Aureus (S. aureus) ont été étudiés en utilisant une méthode de diffusion sur disque gélosé. La présence d'anions O2- en tant qu'espèces réactives de l'oxygène (ROS) à la surface de Ca12Al14O33 a provoqué l'inhibition des cellules d'E. coli et de S. aureus. Les électrons libres dans le C12A7 conducteur ont réagi avec le gaz O2 pour produire des ROS, en particulier des superoxydes (O2-), des radicaux superoxydes (O2•-), des radicaux hydroxyles (OH•) et du peroxyde d'hydrogène (H2O2), qui présentaient des propriétés antibactériennes. Les deux mécanismes étaient actifs contre les bactéries sans effets des matériaux de la taille des nanoparticules et de l'activité photocatalytique. Les résultats expérimentaux ont montré que la production de ROS à partir d'électrons libres était supérieure à celle des anions O2- libres dans la structure de Ca12Al14O33. Les actions antibactériennes pour isoler et conduire le Ca12Al14O33 étaient différentes pour E. coli et S. aureus. Ainsi, le ciment Ca12Al14O33 a des propriétés antibactériennes qui ne nécessitent pas la présence de matériaux de taille nano-particulaire ou de photocatalyse.

Translated Description (Spanish)

El objetivo de este trabajo fue investigar el efecto de los radicales libres de oxígeno y electrones libres en una estructura de cemento Ca12Al14O33 (C12A7) sobre la actividad óptica, electrónica y antibacteriana de este material. Ca12Al14O33 se fabricó con éxito mediante calentamiento rápido a altas temperaturas por inducción electromagnética de alta frecuencia. Las muestras de cemento Ca12Al14O33 se caracterizaron mediante espectroscopía XRD y UV-Vis-DRS. La morfología y la composición química de las muestras también se investigaron utilizando técnicas SEM y EDS. La presencia de radicales libres de oxígeno (iones O2) en la estructura aislante de Ca12Al14O33 se confirmó utilizando espectroscopía Raman que muestra un pico de espectro a 1067 cm-1. La excitación de electrones libres en el cemento Ca12Al14O33 se indicó mediante espectros de absorción UV-Vis a 2,8 eV y una brecha de energía óptica de 3,5 eV, que es consistente con los cálculos de los primeros principios para el nivel de energía de la banda. Los efectos de los radicales libres de oxígeno y los electrones libres en la estructura de Ca12Al14O33 como agentes antibacterianos contra Escherichia Coli (E. coli) y Staphylococcus Aureus (S. aureus) se investigaron utilizando un método de difusión en disco de agar. La presencia de aniones O2- como especies reactivas de oxígeno (ROS) en la superficie de Ca12Al14O33 causó la inhibición de las células de E. coli y S. aureus. Los electrones libres en el C12A7 conductor reaccionaron con el gas O2 para producir ROS, específicamente superóxidos (O2-), radicales superóxido (O2•-), radicales hidroxilo (OH•) y peróxido de hidrógeno (H2O2), que exhibieron propiedades antibacterianas. Ambos mecanismos fueron activos contra las bacterias sin los efectos de los materiales del tamaño de las nanopartículas y la actividad fotocatalítica. Los resultados experimentales mostraron que la producción de ROS a partir de electrones libres fue mayor que la de los aniones O2- libres en la estructura de Ca12Al14O33. Las acciones antibacterianas para aislar y conducir Ca12Al14O33 fueron diferentes para E. coli y S. aureus. Por lo tanto, el cemento Ca12Al14O33 tiene propiedades antibacterianas que no requieren la presencia de materiales de tamaños de nanopartículas o fotocatálisis.

Files

pdf.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:27d5cd7fe4776da44b3362bfea585577
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تأثير الأنيونات الجذرية للأكسجين الحر والإلكترونات الحرة في الهيكل الأسمنتي Ca12Al14O33 على خصائصه البصرية والإلكترونية والمضادة للبكتيريا
Translated title (French)
Effet des anions radicaux libres de l'oxygène et des électrons libres dans une structure de ciment Ca12Al14O33 sur ses propriétés optiques, électroniques et antibactériennes
Translated title (Spanish)
Efecto de los aniones de radicales libres de oxígeno y electrones libres en una estructura de cemento de Ca12Al14O33 sobre sus propiedades ópticas, electrónicas y antibacterianas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2947984665
DOI
10.1016/j.heliyon.2019.e01808

Is supplement to
https://openalex.org/W4376621051 (Other)
https://openalex.org/W3183813447 (Other)
https://openalex.org/W3180591099 (Other)
https://openalex.org/W3149987855 (Other)
https://openalex.org/W3137247076 (Other)
https://openalex.org/W2611914283 (Other)
https://openalex.org/W1996741764 (Other)
https://openalex.org/W1985416724 (Other)
https://openalex.org/W1981781697 (Other)
https://openalex.org/W1967042791 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1916765527
  • https://openalex.org/W1970127494
  • https://openalex.org/W1972208790
  • https://openalex.org/W1987276589
  • https://openalex.org/W1990681348
  • https://openalex.org/W1992023766
  • https://openalex.org/W1993950777
  • https://openalex.org/W2004144530
  • https://openalex.org/W2007331931
  • https://openalex.org/W2007395042
  • https://openalex.org/W2010150591
  • https://openalex.org/W2017794829
  • https://openalex.org/W2018298204
  • https://openalex.org/W2026907619
  • https://openalex.org/W2040915519
  • https://openalex.org/W2043074520
  • https://openalex.org/W2066732161
  • https://openalex.org/W2067730965
  • https://openalex.org/W2070530527
  • https://openalex.org/W2073578912
  • https://openalex.org/W2077813327
  • https://openalex.org/W2083222334
  • https://openalex.org/W2095469029
  • https://openalex.org/W2097715139
  • https://openalex.org/W2125530049
  • https://openalex.org/W2127435093
  • https://openalex.org/W2146772039
  • https://openalex.org/W2232006119
  • https://openalex.org/W2237246859
  • https://openalex.org/W2399104677
  • https://openalex.org/W2414056715
  • https://openalex.org/W2506390686
  • https://openalex.org/W2513928403
  • https://openalex.org/W2517315813
  • https://openalex.org/W2588793851
  • https://openalex.org/W2612972006
  • https://openalex.org/W2642070892
  • https://openalex.org/W2755693567
  • https://openalex.org/W2779971391
  • https://openalex.org/W2784669554
  • https://openalex.org/W2785175450
  • https://openalex.org/W2790968295
  • https://openalex.org/W2794327293
  • https://openalex.org/W2806045726
  • https://openalex.org/W2887148021