Hatásmechanizmus

Áttekintés

A fotokatalitikus fertőtlenítés nemzetközileg elismert új antibakteriális módszer, amely képes elpusztítani közel valamennyi baktérium és vírustörzset, beleértve a madárinfluenza és az SARS (atípusos tüdőgyulladás) vírust is.
Széles körben használják olyan helyeken, ahol magas a sterilizációs követelmény, mint pl. kórházakban, élelmiszeripari üzemekben, szállodákban, állattartó telepeken, intézményekben, iskolákban stb.
A fotokatalizátornak jelentős hatása van mindenfajta baktérium elpusztítására fénysugárzás mellett. Az antibakteriális hatás hosszú ideig fenntartható, és ezalatt lebontja a baktériumokat és az endotoxinokat. Ezzel egyidőben a fotokatalizátor megsemmisíti az allergiát okozó anyagokat. Tartós hatásának köszönhetően csökkenti a környezeti levegő baktérium szintjét.

A bevonat antibakteriális hatása

A fotokatalitikus bevonatoknak nincs mérgező hatása a mikrobákra és sejtekre. Az antibakteriális funkciót fény által történő besugárzás esetén teljesíti.
Fény jelenlétében a fotokatalizátor erős oxidációs ereje elpusztítja a baktériumok sejtfalát és membránját és reakcióba lép a sejtalkotóval, ami gátolja a baktériumok aktivitását és végül azok pusztulásához és lebomlásához vezet. A fotokatalitikus fertőtlenítés az alábbi két különböző biokémiai mechanizmust jelenti.

1. A fénnyel megvilágított fotokatalizátor közvetlen reakcióba lép a sejtekkel
Az elektronhiányos állapot hatására közvetlenül reakcióba lép a sejtfallal, a sejt membránnal és a sejtalkotóval. A mikroorganizmusok létfontosságú folyamataiban nélkülözhetetlen koenzim–A (CoA) a sejt belsejében koenzim-A dimerré (duplamolekula) oxidálódva elveszíti aktivitását, ami megállítja a sejt légzését, és végül pusztulásához vezet. Ebben a folyamatban
az elektronváltást az elpusztított sejt és a fotokatalitikus bevonat között a CoA végzi. Ezért a CoA tartalom csökken és a CoA dimer növekszik.
2. Közvetett antibakteriális reakció
Az elektronhiányos állapot vízben aktív oxigént fejleszt, pl. hidroxil gyököt. A fotokatalizátor eletronszerkezetét megtöltött vegyértéksáv (VB) és üres vezetősáv (CB) jellemzi. A sávrés energiájának gerjesztése révén egy elektron kerül a vegyértéksávból (VB) a vezetősávba (CB). Ezután egy elektron- hiány pár generálódik.
A fotokatalitikus bevonat redoxi feszültsége: +2,6 (vs. SCE, PH=7)
A fotokatalitikus antibakteriális bevonat elektron hiányos állapotának hatására vízmolekulát bont, így hidrogén gáz és hidroxil gyök keletkezik. A negatív elektron reakcióba lép az oxigénmolekulával és fölös oxid anion (O2-•) jön létre. A fölös oxid anion további reakcióba tud lépni a vízmolekulával és hidroxil gyök peroxidot (•OOH) és hidrogén peroxidot generál (H2O2). Továbbá az aktív hidroxil gyökök egyesülhetnek, hogy hidrogén peroxidot hozzanak létre. Ez a ciklus folytatódik mindaddig, amíg fény van jelen.
Az aktív hidroxil gyök, a fölös oxid anion, a peroxid-hidroxil gyök és a hidrogén peroxid reakcióba léphet olyan biomakromolekulával, mint pl. a protein enzim és zsír, így elpusztítja a sejtszerkezetet. Ezek reakcióba lépnek a sejtfallal, membránnal és a sejtalkotóval. Például, az oxidáció-redukció anyaga szükséges az adenozin-trifoszfát kialakulásához a HeLa sejt belsejében.
Az aktív oxigénnel történő reakció után a HeLa sejt elveszti aktivitását, és végül elpusztul. Mivel a ráksejt (T24) membránja oxidálódik a fotokatalitikus bevonat által és szivárog, a pozitív Ca2+ ion belép a sejtbe és reakcióba lép annak belső fehérjéjével, ami a sejt pusztulását okozza.
RRC = CRR + ∙OH —> RRCH = CRR
Vegyük például az •OH-t. Telítetlen kötést nyújt vagy kiveszi a H-atomját a szerves anyagok számára.
R3CH + ∙OH —> R3C + H2O
Az új szabad gyök láncreakciót okoz, ami a bakteriális fehérje minőségi változásához és a lipid teljes lebomlásához vezet. A baktériumok azonnal elpusztulnak. Ezért a fotokatalitikus bevonat felületén keletkező, ∙OH O2-∙ HO2∙ H2O2 reakcióba léphet a sejtfallal, membránnal és a sejtalkotóval, hogy a sejtet elpusztítsa.
Kolloid oldatban, a fotokatalitikus bevonat részecskéik megkötődnek a mikroszkopikus állati sejtek felületén vagy elnyelik őket a sejtek.
Ami a sejtek által elnyelt részecskéket illeti, az elektronhiányos állapot hatása és aktív oxigén (∙OH O2-∙ HO2∙ H2O2) fog közvetlenül reakcióba lépni citológiai hisztológiai elemekkel, ami javítja az antibakteriális hatást. Az UV fénnyel megvilágított fotokatalitikus bevonat rendkívül erős oxidációs tényező, a reagáló oxigén szintén nagyon aktív. Ennek eredményeképp, a fotokatalitikus antibakteriális bevonat akár 99,99%-os hatékonysággal tudja elpusztítani például a Candida albicans, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Trichophyton mentagrophytes, Salmonella typhimurium, Bacillus subtilis, Lactobacillus baktériumokat, a HeLa és ráksejteket (T24), illetve a SARS, H5N1 vírusokat a teljesség igénye nélkül. Az erős antibakteriális és sejtburjánzás megelőzés funkciónak köszönhetően az antibakteriális bevonatolás használható belső antiszepszisre és fertőtlenítésre, víz kezelésre, vízszennyezés átfogó megoldására és fotodinamikai terápiára.

Valójában, a fotokatalitikus fertőtlenítés folytonosan működik a baktériumok és a fotokatalitikus bevonat között, nem pedig egyszeri felületi reakció történik fotokatalitikus degradálásként. Mivel az aktív hidroxil gyök nem képes sokáig fennmaradni és nem tud belépni a sejtmembránon, hogy elpusztítsa a sejtszerkezetet, az antibakteriális hatás a hidroxil gyök és másik aktív oxigén (O2∙ ∙OOH H2O2) eredménye. Mivel a H2O2 be tud lépni a sejtfalon, nemcsak elpusztítja a baktériumokat, hanem lebontja a lipoid-szerű endotoxint, amely a sejtpusztulás által jön létre. Továbbá, stabilan tud létezni hosszú ideig, így a H2O2 lehet a legfontosabb reakcióközvetítő a fotokatalitikus fertőtlenítésben. Természetesen, a reakcióban másik aktív oxigén is szerepel, és a H2O2 nem az egyetlen reagens. Az aktív hidroxil gyök erős oxidációt hajt végre a sejt belsejében, ami nagyban javítja az antibakteriális hatást.

Fertőtlenítők összehasonlítása

A hagyományos fertőtlenítőszerek három csoportba sorolhatók: szerves, szervetlen és természetes fertőtlenítők. A szervetlen fertőtlenítők egyik csoportja erős oxidációs képességét használva pusztítja el a baktériumokat és gombákat, a másik csoport ugyanezt fémionnal végzi. Ezek hatékonyan elpusztítják a baktériumokat, azonban maguk a fertőtlenítők, mint pl. a klorin, klorin-oxid, károsak az emberi egészségre. A fémionos fertőtlenítők nem tudják lebontani az elpusztított baktériumokat. Így azok bevonják a fémiont, amely nagyban befolyásolja annak antibakteriális hatékonyságát. A tudományos vegyi úton előállított szerves fertőtlenítők általában gyorsan elpusztítják a baktériumokat, de azok elég könnyen alkalmazkodni tudnak a szerves fertőtlenítőkhöz. Ugyanakkor a sterilizáció toxikus anyagokat hoz létre.