โครงงานเรื่องการยับยั้งเชื้อแบคทีเรีย

บนเส้นใยฝ้ายโดยอนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์

บรรยากาศการคัดเลือกโครงงานช่างเป็นไอย่างเคร่งเครียด

รูปภาพแสดงโครงสร้างจุลภาคด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ที่กำลังขยาย 200  1,000 และ 10,000 เท่า ที่ระยะห่างของแผ่นสังกะสีทั้ง  2  แผ่นเป็นระยะ 3 มิลลิเมตร

 

รูปภาพแสดงโครงสร้างจุลภาคด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ที่กำลังขยาย 200  1,000 และ 10,000เท่า ที่ระยะห่างของแผ่นสังกะสีทั้ง  2  แผ่นเป็นระยะ 5 มิลลิเมตร

รูปภาพแสดงโครงสร้างจุลภาคด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ที่กำลังขยาย 200  1,000 และ 10,000เท่า ที่ระยะห่างของแผ่นสังกะสีทั้ง  2  แผ่นเป็นระยะ 7 มิลลิเมตร

การยับยั้งเชื้อแบคทีเรียด้วยอนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์บนเส้นใยฝ้าย

 ที่มาและความสำคัญ

            ในปัจจุบันผู้คนอาจจะได้ยินคำว่า “นาโน” กันอย่างมากมาย จนดูเหมือนว่าเป็นการเติมคำนำหน้าเพื่อเพิ่มความน่าสนใจและให้เกิดความทันสมัยมากขึ้น เรื่องราวเกี่ยวกับความตื่นตัวทางด้านนาโนเทคโนโลยีเกิดขึ้นทั่วโลกไม่เฉพาะแต่เพียงประเทศไทยเท่านั้น ทั้งงานวิจัยทางด้านวิทยาศาสตร์ การจดสิทธิบัตรต่างๆ หรือการผลิตสินค้าที่เกี่ยวข้องกับนาโนเทคโนโลยี ซึ่งผู้คนส่วนใหญ่มักคิดว่านาโนเทคโนโลยีเป็นเรื่องวิทยาศาสตร์ และเป็นเรื่องไกลตัวหรือเข้าใจได้ยาก
    สำหรับตอนนี้นาโนเทคโนโลยีได้เข้ามาเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของมนุษย์เป็นจำนวนมากทั้งสินค้าในกลุ่มสุขภาพ สินค้าในกลุ่มอาหารและเครื่องดื่ม รวมทั้งเครื่องใช้ในบ้าน และยังพบสินค้านาโนเทคโนโลยีในเครื่องใช้สำหรับเด็กอีกด้วย คณะผู้จัดทำโครงงานจึงเกิดความสนใจและได้ศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยีพบว่านาโนซิงก์ออกไซด์สามารถสังเคราะห์ได้จากการนำโลหะสังกะสีมาผ่านกระบวนการไฟฟ้าเคมี
   ทางคณะผู้จัดทำจึงเห็นถึงความสำคัญและได้ดำเนินการจัดทำโครงงานเพื่อศึกษาการสังเคราะห์อนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์บนเส้นใยฝ้ายโดยกระบวนการไฟฟ้าเคมีที่มีเงื่อนไขของระยะห่างระหว่างแผ่นสังกะสีที่ต่างกันเพื่อตรวจสอบโครงสร้างทางกายภาพระดับจุลภาคที่เคลือบบนเส้นใยฝ้ายและเปรียบเทียบประสิทธิภาพของอนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์บนเส้นใยฝ้ายในการยับยั้งเชื้อ Escherichia coli (E.coli) และ Staphylococcus aureus (S.aureus)

เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง

นาโนเทคโนโลยี

       “นาโนเทคโนโลยี” หมายถึง เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการ สร้าง การสังเคราะห์วัสดุ อุปกรณ์ เครื่องจักรหรือผลิตภัณฑ์ซึ่งมีขนาดเล็กมากในระดับนาโนเมตร เทียบเท่ากับระดับอนุภาคของโมเลกุลหรืออะตอม รวมถึงการออกแบบหรือการใช้เครื่องมือสร้างวัสดุที่อยู่ในระดับที่เล็กมาก หรือการเรียงอะตอมและโมเลกุลในตำแหน่งที่ต้องการ ได้อย่างแม่นยำ และถูกต้อง ทำให้โครงสร้างของวัสดุหรือสสารมีคุณสมบัติพิเศษ ไม่ว่าทางด้านฟิสิกส์ เคมี หรือชีวภาพ ส่งให้มีผลประโยชน์ต่อผู้ใช้สอย
      นาโนเทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับทุกอุตสาหกรรม เช่น ในด้านการสื่อสาร โทรคมนาคม ไฟฟ้าอีเล็กทรอนิกส์ ที่นักวิจัยกำลังทุ่มเทขะมักเขม้นทำการค้นคว้าพัฒนาอุปกรณ์ขนาดเล็กประเภทนาโนอีเล็กทรอนิกส์หรือนาโนอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งก็เกี่ยวข้องโดยตรงกับวัสดุจำพวกพลาสติก เซรามิกส์ วัสดุกึ่งตัวนำและโลหะ ที่จะส่งผลอย่างใหญ่หลวงกับพัฒนาการของโลกของเทคโนโลยีชั้นสูงให้ได้เป็นแบบซูเปอร์จิ๋ว แต่แจ๋ว ประเภทซูเปอร์คอมพิวเตอร์ หุ่นยนต์ พลังงาน การผลิตยวดยาน จรวดและอาวุธสงคราม ไปจนถึงเรื่องของการสำรวจโลกและอวกาศ นอกจากนี้ยังสนใจอุตสาหกรรมยาและผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ที่ได้จากนาโนเทคโนโลยี อุตสาหกรรมสิ่งทอที่ต้องการผลิตเสื้อผ้าที่มีคุณสมบัติพิเศษ อุตสาหกรรมกระดาษ สีและเครื่องสำอาง อีกทั้งยังมีวิตามินอีช่วยบำรุงผิว

        ลักษณะที่สำคัญของโครงสร้าง wurtzite คือ เป็นโครงสร้างสมมาตรที่ไม่มีอะตอมกลางและลักษณะผิวมีขั้ว โดยมีแลตทิซพารามิเตอร์ (lattice parameters) a = 0.3296 และ c = 0.52065 nm โครงสร้างออกไซด์ เกิดจากการยึดเกาะกันของอะตอมโลหะ (ประจุบวก) กับอะตอมออกซิเจน (ประจุลบ) ด้วยพันธะไอออนิก โดยอะตอมออกซิเจนเรียงตัวยึดกันแน่นชิดมากที่สุดแบบhexagonal close packing เกิดช่องว่างเตตระฮีดรอล (tetrahedral hole) โดยมีอะตอมของโลหะแทรกอยู่ในช่องว่างเพียงครึ่งหนึ่งของจำนวนช่องที่มีอยู่ทั้งหมด หรือแบบ hole เว้น hole ซึ่งในโครงสร้าง wuritzite ของ ZnO ประกอบไปด้วย ไอออนบวก  จะเกิดการโคออร์ดิเนตกับไอออนลบ และไอออนชนิดหนึ่งจะถูกล้อมรอบด้วยไอออนตรงข้ามเป็นแบบเตตระฮีดรอล มีเลขโคออร์ดิเนชันเท่ากับ 4:4

กลไกการยับยั้งแบคทีเรียของนาโนซิงก์ออกไซด์ 

       กลไกการยับยั้งแบคทีเรียของนาโนซิงก์ออกไซด์ใช้หลักการโฟโตคะตะลิสต์ (Photocatalytic) โดยมีกลไก คือ เมื่อแสงทำปฏิกิริยากับซิงก์ออกไซด์จะทำให้อิเล็กตรอนขึ้นไปยังสถานะกระตุ้น (excited state : e− ) และเกิดช่องว่างของอิเล็กตรอน (hole : h+ ) ที่บริเวณของสถานะเดิม(ground state)

เมื่อ h+ ทำปฏิกิริยาน้ำ ได้ hydroxyl radicals กับไฮโดรเจนไอออน ส่วนอิเล็กตรอน จะทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจน ได้ superoxide radical anion และทำปฏิกิริยาต่อไปกับไฮโดรเจนไอออน ได้ hydrogen superoxide  และเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องระหว่าง hydrogen superoxide กับไฮโดรเจนไอออนและอิเล็กตรอน ได้ hydrogen peroxide

       โดยพบว่า hydrogen peroxide จะผ่านเข้าไปในผนังเซลล์ของแบคทีเรียเกิดอันตรกริยากับ organic materials จนเกิดการเสื่อมสลายและฆ่าแบคทีเรีย ได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ

การสังเคราะห์โครงสร้างนาโนซิงก์ออกไซด์บนเส้นใยฝ้ายด้วยกระบวนการไฟฟ้าเคมี

        การสร้างสารประกอบซิงก์ออกไซด์ให้เคลือบบนเส้นใยฝ้าย ด้วยวิธีไฟฟ้าเคมีโดยใช้แผ่นสังกะสี  2   แผ่นในการสังเคราะห์ โดยต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง แผ่นสังกะสีที่มีผ้าติดอยู่ต่อกับขั้วแคโทด ส่วนแผ่นที่ไม่มีผ้าติดเป็นขั้วแอโนด เมื่อให้ความต่างศักย์ระหว่างแผ่นสังกะสี ที่จุ่มลงไปในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ พบว่าแผ่นสังกะสีที่เป็นขั้วแอโนด (ลบ) จะให้อิเล็กตรอน (ออกซิไดซ์) กลายเป็นซิงก์ไอออน อยู่ในสารละลายเรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation reaction)
    ส่วนแผ่นสังกะสีที่ขั้วแคโทด (บวก) จะมีอิเล็กตรอนอยู่อย่างหนาแน่น จึงเกิดการแข่งขันของประจุบวกที่จะมารับอิเล็กตรอนดังกล่าว (รีดิวซ์) เมื่อพิจารณาค่า Eº รีดักชัน พบว่าไฮโดรเจนไอออน ( H + ) มีค่า Eº ที่เหมาะสมจึงเกิดปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction reaction) ได้ก๊าซไฮโดรเจน
 ซิงก์ไอออน  ที่เกิดขึ้นจะเกิดปฏิกิริยาต่อไปกับไฮดรอกไซด์ไอออน (OH) เกิดเป็นซิงก์ไฮดรอกไซด์  ซึ่งเป็นสารที่ไม่ค่อยเสถียร จึงเกิดปฏิกิริยาต่อไปและเกิดซิงก์ออกไซด์(ZnO) และน้ำ (H2O)ที่ขั้วแคโทด

วิธีการทดลอง

การเตรียมชุดอุปกรณ์ทดสอบไฟฟ้าเคมี
      1. ตัดแผ่นสังกะสี ที่หนา 0.025 เซนติเมตร ขนาดกว้างคูณยาวเท่ากับ 1.5 x 8 เซนติเมตร ทำความสะอาดแผ่นสังกะสีด้วยเอธานอล        

       

      2. เตรียมผ้าฝ้าย โดยทำความสะอาดด้วยผงซักฟอก ล้างให้สะอาดด้วยน้ำธรรมดาแล้วตากให้แห้ง จากนั้นตัดผ้าฝ้ายขนาดกว้างคูณยาวเท่ากับ 1 x 1cm.

      3. นำผ้าฝ้ายที่เตรียมไว้มาติดกับเทปกาวสองหน้า ชนิดเยื่อกระดาษ แล้วนำไปติดกับแผ่น สังกะสีที่เตรียมไว้ โดยติดผ้าให้ห่างจากขอบล่างของแผ่นสังกะสีขึ้นมา 1.5 เซนติเมตร
      4. นำแผ่นสังกะสี 2 แผ่นวางขนานหันหน้าเข้าหากัน ต่อแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงที่ขั้วบวกและลบ โดยต่อขั้วลบกับแผ่นสังกะสีที่มีผ้าติดอยู่ แล้วประกอบชุดทดลองไฟฟ้าเคมี

       การสังเคราะห์อนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์บนเส้นใยฝ้ายโดยกระบวนการไฟฟ้าเคมี

        สังเคราะห์อนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์ให้เคลือบบนเส้นใยฝ้ายโดยกระบวนการไฟฟ้าเคมีซึ่งในโครงงานนี้ได้สังเคราะห์อนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์ให้เคลือบบนเส้นใยฝ้าย โดยนำแผ่นสังกะสีขนาดกว้างคูณยาวเท่ากับ 1.5 x 8 เซนติเมตร หนา 0.025 เซนติเมตร จำนวน 2 แผ่น วางขนานหันหน้าเข้าหากันต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงที่ขั้วบวกและลบ นำผ้าฝ้ายขนาดกว้างคูณยาวเท่ากับ 1 x 1 เซนติเมตร มาติดที่แผ่นสังกะสีที่ต่อกับแหล่งจ่ายไฟขั้วลบ จากนั้นจุ่มแผ่นสังกะสีทั้งสองลงในน้ำ DI ปริมาตร 100 มิลลิลิตร

       ศึกษาสมบัติยับยั้งการเจริญของแบคทีเรีย ด้วยอนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์ที่เคลือบบน เส้นใยฝ้าย

          สมบัติยับยั้งการเจริญของแบคทีเรียด้วยอนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์ที่เคลือบบนเส้นใยฝ้ายที่ผ่านการสังเคราะห์โดยกระบวนการไฟฟ้าเคมี  มาทดสอบการยับยั้งแบคทีเรียที่พบได้ในร่างกายและอากาศ คือ Escherichia coli (E.coli) , Staphylococcus aureus (S.aureus) โดยทดลองในอุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส เป็นเวลา  24 ชั่วโมง
     1. เตรียมอาหาร ในจานเพาะเชื้อ จะได้อาหารแข็งมีลักษณะเป็นวุ้น  

                       

     2. เตรียมเชื้อที่ต้องการทดลองในอาหารเลี้ยงเชื้อ (MRS)  โดยเลี้ยงเชื้อเป็นเวลา  24 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิ    37 องศาเซลเซียส
     3. นำผ้าฝ้ายที่ได้ผ่านการสังเคราะห์อนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์มาวางบนวุ้นในจานเพาะเชื้อที่เตรียมได้จากข้อที่ 2 โดยทดลองเป็นเวลา 24 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส

     4. สังเกตการเจริญของแบคทีเรียและวงใสที่เกิดขึ้นบริเวณที่วางผ้าฝ้ายบนจานเพาะเลี้ยงเชื้อ  
     5. เปรียบเทียบผลการทดลองของผ้าฝ้ายที่ผ่านการสังเคราะห์โดยกระบวนการไฟฟ้าเคมี ซึ่งมีระยะห่างระหว่างแผ่นสังกะสีที่ระยะ 3,5 และ 7 มิลลิเมตร ตามลำดับ โดยวัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เกิดขึ้นทั้งแกน  x และแกน  y  ของวงใสด้วยไม้บรรทัด จากนั้นนำระยะที่วัดได้ทั้งสองค่ามาหาค่าเฉลี่ย

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ
   1.  สังเคราะห์อนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์บนเส้นใยฝ้ายโดยกระบวนการไฟฟ้าเคมีได้
   2.  การสังเคราะห์อนุภาคนาโนของซิงก์ออกไซด์บนเส้นใยฝ้าย จะทำให้เส้นใยฝ้ายมีสมบัติยับยั้งเชื้อ Escherichia coli (E.coli) และ Staphylococcus aureus (S.aureus)ได้
The duration of the experiment 
  1 พฤศจิกายน 2554 – 1 สิงหาคม 2555

Place in the experiment 
  1.  ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์     โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย นครศรีธรรมราช
  2.  ห้องปฏิบัติการเคมี        โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย นครศรีธรรมราช
  3.  ห้องปฏิบัติการชีววิทยา   โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย นครศรีธรรมราช


ขอขอบคุณแหล่งข้อมูลประกอบการทำโครงงาน

จินดา ศิริตา, การสังเคราะห์และการหาหลักลักษณะเฉพาะของอนุภาคนาโนสังกะสีออกไซด์
            วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบันฑิต ภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 2550.
พิศิษฐ์ สิงห์ใจ,การเคลือบอนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์บนเส้นใยฝ้ายโดยกระบวนการไฟฟ้าเคมี
            วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต (ฟิสิกส์ประยุกต์) มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 2550.
ไฟฟ้าเคมี, [Online] .เข้าถึงได้จาก :
            http://elearning.spu.ac.th/content/chm100/chm/100_13.html (29 พฤศจิกายน 2550)
วรรณดาเรศ โภคาพานิช, การใช้เทคนิคโกดิสชาร์จเพื่อการปรับปรุงคุณภาพสิ่งทอ,
           วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบันฑิต ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 2545.
สนามไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าในแผ่นโลหะคู่ขนาน, [Online] Available
           http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/42/static/elefi_z.htm (29 พฤศจิกายน 2550)A. Yadav, V. Prasad, A.A. Kathe, S. Raj, D. Yadav, C. Sundaramoorthy, and N. Vigneshwaran,                Functional finishing in cotton fabrics using zinc oxide nanoparticles, Mater. Res. Bull., 2006; 6: 641-645.
Energy Dispersive Spectroscopy. [Online]
           http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_dispersive_X-ray_spectroscopy#Accuracy_of_EDS
           (29 พฤศจิกายน 2550)

F. Tang, T. Uchikoshi, and Y. Sakka, Electrophoretic deposition behavior of aqueousnanosized zinc
           oxide suspensions, J. Am. Ceram. Soc., 2002; 85: 2161-2165.
K. Kanamura, and J. Hamagami, Innovation of inovation of novel functional materialprocessing
           technique by using electrophoretic deposition process, Solid State Ionics,2004; 172: 303-308.
Nanotec in 4, โลหะสังกะสีกับสุขภาพ, Magazine., 2006; 2: 4-6.
N. Padmavathy and R. Vijayaraghavan, Enhanced bioactivity of ZnO Nanoparticles-an antimicrobial
          study, Mater. Res. Bull., 2008; 9: 313-320.
O. Yamamoto, Influence of particle size on the antibacterial activity of zinc oxide,Mater. Res. Bull., 2001;
          3: 643-646.
Scanning Electron Microscope. [Online] .เข้าถึงได้จาก :
          http://www.mse.iastate.edu/microscopy/home.html . (29 พฤศจิกายน 2550)
WebElements, Zn, [Online].เข้าถึงได้จาก : http://www.webelements.com/zinc . (26 สิงหาคม 2551)
WebElements, ZnO, [Online].เข้าถึงได้จาก : http://www.webelements.com/zinc oxide . (26 สิงหาคม 2551)

เอกสารนำเสนอโครงงาน (PDF)

โครงงานเรื่อง การยับยั้งเชื้อแบคทีเรียบนเส้นใยฝ้ายโดยอนุภาคนาโนซิงก์ออกไซด์

http://www.mediafire.com/view/?uc9k1rb4wi2zphj

โรงเรียนจุฬาภรณราชวิทยาลัย นครศรีธรรมราช
(โรงเรียนวิทยาศาสตร์ ภูมิภาค)

Princess Chulabhorn's College,Nakhon Si Thammarat
(  Chulabhorn Science High School )

โปรแกรมการคำนวณ

เปอร์เซ็นต์ในการยับยั้งเชื้อ E.coli   Prohibition of E.coliNANO
OUTPUT HERE

อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยาศาสตร์  :  อาจารย์ธวัช  แพรกทอง
อาจารย์ที่ปรึกษาคอมพิวเตอร์  : อาจารย์จิรัฎฐ์  พงษ์ทองเมือง

การใช้งานโปรแกรม

 ผู้จัดทำโครงงาน

^_^ ธนกร (เกมส์)




o_o กมลพร (เกด)



*_* พัทธ์ชนก (อิ้งค์)



     นางสาวกมลพร      คงแก้ว   เลขที่ 2
     นายธนกร            แสงมณี  เลขที่ 11
     นางสาวพัทธ์ชนก    เกษโร   เลขที่21