DOI: https://doi.org/10.1007/s44371-026-00711-8
تاريخ النشر: 2026-05-27
المؤلف: Amol Warangule وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطعيم ZnO والخصائص
نظرة عامة
تبحث الدراسة في مركبات نانو أكسيد الزنك المدعمة بالنيكل (Ni-ZnO) كحلول محتملة لمقاومة الميكروبات. باستخدام طريقة التحلل المائي، نجحت الدراسة في تخليق جزيئات نانو أكسيد الزنك النقي وNi-ZnO بتركيزات من النيكل تتراوح من 1% إلى 10%. تؤكد التحليلات من خلال حيود الأشعة السينية على الهيكل السداسي الويرتزايت، مع الإشارة إلى دمج النيكل من خلال التحولات في معلمات الشبكة والتغيرات في الإجهاد المجهري. تكشف مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) عن روابط Zn-O مستقرة وانخفاض في مجموعات الهيدروكسيل السطحية عند إضافة النيكل.
تظهر التحليلات الشكلية عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM) انتقالًا من جزيئات نانو أكسيد الزنك على شكل قضبان إلى جزيئات نانو Ni-ZnO كروية. تشير مطيافية الأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-Vis) إلى زيادة في الامتصاص وانخفاض في فجوة الطاقة من 3.05 eV إلى 2.95 eV. تؤكد مطيافية الإلكترون بالأشعة السينية (XPS) وجود Zn²⁺ وNi²⁺ والأكسجين دون مراحل ثانوية. تظهر اختبارات النشاط المضاد للميكروبات نشاطًا كبيرًا ضد *Staphylococcus aureus* وفعالية معتدلة ضد *Candida albicans*، بينما لا تظهر أي تأثير على *Escherichia coli*. تدعم هذه النتائج إمكانية استخدام مركبات نانو أكسيد الزنك في التطبيقات الطبية والصيدلانية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التحديات الملحة التي تواجه القطاع الزراعي بسبب تغير المناخ وانتشار الميكروبات المسببة للأمراض. تؤدي العدوى الفطرية إلى أضرار كبيرة للمحاصيل، مما يؤدي إلى زيادة استخدام المبيدات الفطرية، بينما يضر الإفراط في استخدام المبيدات الحشرية بصحة التربة. في الوقت نفسه، يتطلب ارتفاع مقاومة المضادات الحيوية، الذي تفاقم بسبب الإدارة غير الصحيحة للمضادات الحيوية ونقص تطوير أدوية جديدة، استكشاف أنظمة مضادة للبكتيريا بديلة. تؤكد الورقة على إمكانية استخدام تكنولوجيا النانو، وخاصة الجزيئات النانوية المتوافقة حيويًا والصديقة للبيئة، في تعزيز حفظ المحاصيل ومعالجة تحديات الأمن الغذائي.
يركز المؤلفون على الخصائص الواعدة لجزيئات أكسيد المعادن النانوية، وخاصة أكسيد النيكل (NiO) وأكسيد الزنك (ZnO)، التي تظهر أنشطة مضادة للميكروبات ملحوظة بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة. يُعتبر NiO، وهو شبه موصل من النوع p مستقر، معروفًا بفجوة الطاقة الواسعة الخاصة به وتطبيقاته في مجالات متنوعة، بما في ذلك التطبيقات الطبية. تناقش الورقة فوائد إضافة ZnO إلى NiO لإنشاء أشباه موصلات مغناطيسية مخففة (DMS) ذات خصائص كهرومغناطيسية محسنة، والتي يمكن الاستفادة منها في تقنيات متقدمة مثل الإلكترونيات المغناطيسية وأجهزة الاستشعار. يتم تسليط الضوء على طرق التخليق، وخاصة التقنيات الهيدروحرارية والمساعدة بالبوليل، لفعاليتها في إنتاج جزيئات نانوية ذات خصائص مرغوبة للتطبيقات الطبية، بما في ذلك الأنشطة المضادة للبكتيريا والفطريات ضد مسببات الأمراض المختلفة. تهدف الدراسة إلى تخليق وتوصيف جزيئات نانو أكسيد الزنك المدعمة بالنيكل وتقييم إمكانياتها كعوامل قابلة للاستخدام في التطبيقات الطبية والزراعية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تخليق وتوصيف جزيئات نانو أكسيد الزنك المدعمة بالنيكل (Ni-ZnO) باستخدام طريقة التحلل المائي. تشمل المواد المستخدمة في التخليق أسيتات الزنك، كلوريد النيكل، الإيثيلين غليكول، NaOH، وبولي فينيل الكحول، جميعها من موردين موثوقين. تضمنت عملية التخليق تحضير محاليل بتركيز 1.0 م من كلوريد النيكل وأسيتات الزنك، تلاها إضافة NaOH وتسخين الخليط عند 80 درجة مئوية لمدة ساعتين. ثم تم إخضاع المنتج الناتج للطرد المركزي، والغسيل، والتكلس، مع تركيزات نيكل متغيرة (1%، 3%، 5%، و10%) لإنتاج عينات Ni-ZnO مختلفة.
تم استخدام تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD) ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) لتحليل الخصائص الهيكلية والسطحية للمواد التي تم تخليقها. أشارت نتائج XRD إلى أن جميع العينات أظهرت هيكلًا سداسيًا من نوع الويرتزايت، مع زيادة شدة قمم المستوى (101) المرتبطة بزيادة محتوى النيكل. أكدت طيفيات FTIR على الاحتفاظ برابطة Zn-O وكشفت عن تغييرات في مجموعات السطح الوظيفية، وخاصة انخفاض مجموعات الهيدروكسيل مع زيادة إضافة النيكل. أظهرت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM) تغييرات شكلية من هياكل تشبه القضبان في ZnO غير المدعوم إلى أشكال مشوهة مع ترسبات حبيبية في العينات المدعومة. تم تقييم الخصائص البصرية باستخدام مطيافية UV-Vis، مما أظهر زيادة في امتصاص الأشعة فوق البنفسجية وانخفاض في طاقة فجوة النطاق البصرية مع زيادة تركيز النيكل، والذي يُعزى إلى دمج أيونات Ni²⁺ وتفاعلها مع شبكة ZnO.
مناقشة
تم تقييم جزيئات نانو ZnO وNi-doped ZnO (5% Ni-ZnO) لخصائصها المضادة للميكروبات ضد البكتيريا سالبة الجرام *Escherichia coli*، والبكتيريا موجبة الجرام *Staphylococcus aureus*، والفطر *Candida albicans*. كشفت طريقة انتشار الأقراص أن لا ZnO ولا 5% Ni-ZnO أظهرا نشاطًا مضادًا للبكتيريا ضد *E. coli* عبر جميع التركيزات المختبرة (5 ميكروغرام إلى 1000 ملغ). ومع ذلك، أظهرت كلا المادتين تأثيرات مضادة للبكتيريا كبيرة ضد *S. aureus*، حيث أظهر ZnO فعالية أعلى قليلاً (17 إلى 20 مم) مقارنة بـ 5% Ni-ZnO (13 إلى 19 مم). في اختبارات مضادة للفطريات، أظهر ZnO نشاطًا معتدلاً (9 إلى 19 مم)، بينما أظهر 5% Ni-ZnO تثبيطًا مخفضًا قليلاً (9 إلى 13 مم). قد يُعزى انخفاض فعالية Ni-doped ZnO عند الجرعات المنخفضة إلى التغييرات الشكلية التي تؤدي إلى التكتل، مما يقلل من مساحة السطح النشطة للجزيئات النانوية.
تشير النتائج إلى أنه بينما تمتلك جزيئات نانو ZnO نشاطًا مضادًا للميكروبات واسع النطاق، فإن إدخال النيكل يمكن أن يقلل قليلاً من الفعالية عند التركيزات المنخفضة، ربما بسبب نصف القطر الأيوني الأكبر للمعادن الثنائية الأخرى التي تؤثر على آلية النشاط المضاد للميكروبات. تشير الدراسة إلى أن تعزيز الأداء المضاد للبكتيريا قد يتطلب تركيزات أعلى من الإضافة أو طرق تخليق بديلة لتحسين تفاعل الجسيمات. أكدت التحليلات الهيكلية على الدمج الناجح للنيكل في شبكة ZnO دون تعطيل هيكلها الويرتزايت، وأظهرت المواد إمكانيات واعدة مضادة للميكروبات، خاصة ضد *S. aureus* و*C. albicans*.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44371-026-00711-8
Publication Date: 2026-05-27
Author(s): Amol Warangule et al.
Primary Topic: ZnO doping and properties
Overview
The research investigates Nickel-doped Zinc Oxide (Ni-ZnO) nanocomposites as potential solutions to antimicrobial resistance. Utilizing a solvothermal method, the study successfully synthesizes pure ZnO and Ni-ZnO nanoparticles with nickel concentrations ranging from 1% to 10%. Characterization through X-ray diffraction confirms the hexagonal wurtzite structure, with nickel incorporation indicated by shifts in lattice parameters and variations in microstrain. Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy reveals stable Zn-O bonding and a reduction in surface hydroxyl groups upon nickel doping.
Morphological analysis via scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM) shows a transition from rod-shaped ZnO to spherical Ni-ZnO nanoparticles. Ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy indicates an increase in absorbance and a decrease in the bandgap from 3.05 eV to 2.95 eV. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirms the presence of Zn²⁺, Ni²⁺, and oxygen without secondary phases. Antimicrobial testing demonstrates significant activity against Staphylococcus aureus and moderate effectiveness against Candida albicans, while showing no effect on Escherichia coli. These findings support the potential of ZnO-based nanocomposites for biomedical and pharmaceutical applications.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the pressing challenges faced by the agricultural sector due to climate change and the proliferation of disease-causing microorganisms. Fungal infections significantly damage crops, leading to increased fungicide use, while the overuse of insecticides harms soil health. Concurrently, the rise of antibiotic resistance, exacerbated by improper antibiotic administration and a lack of new drug development, necessitates the exploration of alternative antibacterial systems. The paper emphasizes the potential of nanotechnology, particularly bio-compatible and eco-friendly nanoparticles, in enhancing crop preservation and addressing food security challenges.
The authors focus on the promising properties of metal oxide nanoparticles, specifically Nickel oxide (NiO) and Zinc oxide (ZnO), which exhibit remarkable antimicrobial activities due to their unique physicochemical characteristics. NiO, a stable p-type semiconductor, is noted for its wide band gap and applications across various fields, including biomedical applications. The paper discusses the benefits of doping NiO with ZnO to create Dilute Magnetic Semiconductors (DMS) with enhanced electromagnetic properties, which can be leveraged in advanced technologies such as spintronics and sensors. The synthesis methods, particularly hydrothermal and polyol-assisted techniques, are highlighted for their effectiveness in producing nanoparticles with desirable characteristics for biomedical applications, including antibacterial and antifungal activities against various pathogens. The study aims to synthesize and characterize Ni-doped ZnO nanoparticles and evaluate their potential as viable agents in medical and agricultural applications.
Methods
In this section, the authors detail the synthesis and characterization of nickel-doped zinc oxide (Ni-ZnO) nanoparticles using a solvothermal method. The materials used in the synthesis included zinc acetate, nickel chloride, ethylene glycol, NaOH, and polyvinyl alcohol, all sourced from reputable suppliers. The synthesis involved preparing 1.0 M solutions of nickel chloride and zinc acetate, followed by the addition of NaOH and heating the mixture at 80°C for two hours. The resulting product was then subjected to centrifugation, washing, and calcination, with varying nickel concentrations (1%, 3%, 5%, and 10%) to produce different Ni-ZnO samples.
Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were employed to analyze the structural and surface properties of the synthesized materials. XRD results indicated that all samples exhibited a hexagonal wurtzite structure, with increasing intensity of the (101) plane peaks correlating with higher nickel content. FTIR spectra confirmed the retention of the Zn-O bond and revealed changes in surface functional groups, particularly a decrease in hydroxyl groups with increased Ni doping. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) demonstrated morphological changes from rod-like structures in undoped ZnO to distorted forms with granular deposits in doped samples. Optical properties were assessed using UV-Vis spectroscopy, showing enhanced UV absorption and a decrease in the optical bandgap energy with increasing nickel concentration, attributed to the incorporation of Ni²⁺ ions and their interaction with the ZnO lattice.
Discussion
The synthesized ZnO and Ni-doped ZnO (5% Ni-ZnO) nanoparticles were evaluated for their antimicrobial properties against gram-negative bacteria *Escherichia coli*, gram-positive bacteria *Staphylococcus aureus*, and the fungus *Candida albicans*. The disk diffusion method revealed that neither ZnO nor 5% Ni-ZnO exhibited antibacterial activity against *E. coli* across all tested concentrations (5 µg to 1000 mg). However, both materials demonstrated significant antibacterial effects against *S. aureus*, with ZnO showing a slightly higher efficacy (17 to 20 mm) compared to 5% Ni-ZnO (13 to 19 mm). In antifungal tests, ZnO displayed moderate activity (9 to 19 mm), while 5% Ni-ZnO showed slightly reduced inhibition (9 to 13 mm). The reduced efficacy of Ni-doped ZnO at lower doses may be attributed to morphological changes leading to agglomeration, which diminishes the active surface area of the nanoparticles.
The findings suggest that while ZnO nanoparticles possess broad-spectrum antimicrobial activity, the introduction of nickel can slightly decrease effectiveness at lower concentrations, potentially due to the larger ionic radius of other divalent metals affecting the antimicrobial mechanism. The study indicates that enhancing antibacterial performance may require higher doping concentrations or alternative synthesis methods to optimize particle reactivity. The structural analysis confirmed the successful incorporation of Ni into the ZnO lattice without disrupting its wurtzite structure, and the materials exhibited promising antimicrobial potential, particularly against *S. aureus* and *C. albicans*.