Verbesserte photokatalytische und antibakterielle Leistung von geglühten Zinnoxid-Nanostrukturen: Eine Molekulardocking-Studie

Einleitung

Außergewöhnliche Eigenschaften und ein breites Spektrum technologischer Anwendungen, die mit konventionellen Metalloxiden assoziiert sind, gaben den Anstoß, diese Materialien in ihrer nanostrukturierten Form zu erforschen. Unter diesen wird Zinnoxid (SnO₂) als wichtiges Metalloxid [1] betrachtet, das bei Raumtemperatur eine breite Bandlücke von 3,6 eV aufweist [2]. Es ist ein n-typiger Halbleiter mit intrinsischen Defekten in Form von Sauerstoffvacanzen mit interstitiellen Zinnatomen, die mit Donatoren (n-Typ-Trägern) interagieren. Eine Zunahme der freien Elektronen im Leitungsband führt zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit des Materials [3].

Die Verwendung von SnO₂ als Oxidationskatalysator, Photokatalysator, Gassensor und transparenter Leiter bildet die Basis für weitere Untersuchungen dieses Materials [4-9]. Es besitzt die Fähigkeit, entzündliche, explosive und giftige Gase zu detektieren [10]. Die Industrialisierung hat zu einer Zunahme der Einleitung schädlicher Luft- und Wasserschadstoffe wie CO und SO₂ in die Atmosphäre und schädlicher Azofarbstoffe in Abwässer geführt. Es wird geschätzt, dass jährlich ca. 500 Tonnen verschiedener Farbstoffe in industrielle Abwässer gelangen, wovon ein Großteil (~80 %) aus der Textilindustrie stammt [11]. Chemische Toxine und organische Brennstoffe bilden Teil der Luftverschmutzung, während gefährliche Farbstoffe aus Gewässern die Ökosysteme der Erde beeinträchtigen, was die Bedeutung der Technologie zur Detektion und Verhinderung solcher Schadstoffe erhöht. Aufgrund seiner einzigartigen physikochemischen Eigenschaften kann SnO₂ bei niedrigen Temperaturen arbeiten. Aufgrund seiner inhärenten Non-Stoichiometrie reduziert es schädliche Gase durch einfache Adsorption von Sauerstoff auf seiner Oberfläche. Zudem verursacht es geringere Kosten im Vergleich zu anderen Materialien für ähnliche Anwendungen. Es besitzt auch erhebliche optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit, was es für den Einsatz in optoelektronischen Komponenten geeignet macht [12]. Es wird in der Herstellung transparenter Elektroden und Solarzellen für Paneele und verschiedene elektrochrome Geräte eingesetzt [13-17].

Zur Verhinderung wasserbedingter Krankheiten ist die Entfernung von Bakterien aus Abwasser für Trinkwasser- und Sanitärsysteme wichtig. Zwischen 2003 und 2005 wurden in den USA vier wasserbedingte Krankheiten gemeldet, die durch Krankheitserreger im Trinkwasser verursacht wurden und ca. 282 Menschen betrafen. Konventionelle Desinfektionstechniken für Gewässer basieren auf chemischen Mitteln, die gegen zystenbildende Protozoen (Giardia und Cryptosporidium) weniger wirksam sind. Auch produzieren diese Techniken manchmal schädliche Nebenprodukte. Nanotechnologie ist eine neue Generationstechnologie, die die Weltwirtschaft durch neue Konsumprodukte, Materialverwendung und Herstellungsmethoden beeinflussen kann [18]. Metalloxid-Nanostrukturen zeigen verbesserte antimikrobielle Eigenschaften, die auf ihr hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis, Stabilität und Biokompatibilität zurückzuführen sind. Sie besitzen die einzigartige Fähigkeit, durch Zellmembranstrukturen zu penetrieren und zelluläre Bestandteile von Bakterien zu zerstören [19].

Zwei grundlegende Zinnoxide werden meist untersucht: SnO und SnO₂, deren Existenz auf die dualen Zinn-Valenzgrade (mit Oxidation) +2 und +4 zurückzuführen ist. Diese beiden Oxide werden auch als breitbandige Halbleitermaterialien mit PbO-Struktur für Zinnoxid und tetragonalem Gitter (Rutilstruktur) für SnO₂ bezeichnet [20]. Sie besitzen eine breite Bandlückenenergie von 3,6 bis 4,0 eV, sind n-typige Halbleiter und weisen mehr als 85 % Transparenz auf [21]. SnO ist ein p-typisches Material mit Bandlücke von 2,7 bis 3,4 eV, aber experimentell erreichbare Bandlücke kann 3,6 eV erreichen. Darüber hinaus zeigen strukturelle, optische und elektronische Eigenschaften von Zinnoxid, dass ein Druckanstieg zur nichtstrukturellen orthorhombischen Bildung von SnO und Transmittanz im UV-sichtbaren und nahinfraroten Bereich führt. Ein Temperaturanstieg bewirkt ebenfalls orthorhombische SnO-Struktur und tetragonale SnO₂-Bildung. So verschiebt ein Anstieg von Druck oder Temperatur die Absorptionskante und erhöht die Bandlückenenergien. Das hergestellte polykristalline SnO kann durch Erhöhen der Temperatur von 400 auf 700 °C in SnO₂-Phase umgewandelt werden [22]. Aufgrund der Bandlückenabstimmung wurden Zinnoxide in der Elektronikindustrie eingesetzt.

SnO- und SnO₂-Materialien wurden auch in Li-Ionen-Batterien verwendet [23-25]. Die Literatur zeigt, dass die elektrochemische Leistung von Nanomaterialien durch Kontrolle ihrer Größe verbessert werden kann [26]. Kida et al. berichteten, dass eine Verringerung der Partikelgröße die Sensorantwort für H₂-Detektion erhöhte; die Antwort auf H₂S und CO stieg jedoch mit zunehmender Partikelgröße [27]. Verschiedene Methoden zur Herstellung von SnO₂ wurden in der Literatur berichtet. Merlin [28] synthetisierte Nanopartikel mit Größenbereich 20–30 nm via grüner Synthese mit ethanolichem Stevia-rebaudiana-Pflanzenextrakt als Kappen- und Reduktionsmittel. Janardhan et al. [29] bereiteten SnO-Nanopartikel mit durchschnittlicher Größe von 50 nm mit verdünnter HCl und SnCl₂·2H₂O zu. Selvakumari et al. [30] fertigten SnO₂-Partikel mit durchschnittlicher Kristallgröße von 13–40 nm mittels Hühnereischalenmembran an.

Generell können Nanomaterialien durch verschiedene Methoden synthetisiert werden, einschließlich elektrochemischer Reduktion [31], Sol-Gel [32], hydrothermaler [33] und Co-Fällung [34]. In der vorliegenden Arbeit wurde die Fällungsmethode bevorzugt, da sie eine praktische und kosteneffektive Technik zur Synthese von Nanostrukturen darstellt. Ziel dieser Studie war es, den Einfluss verschiedener Temperaturen (250, 500 und 750 °C), die während der Synthese verwendet wurden, auf Kristallitengröße, Morphologie und Bandlückenenergie der präparierten nichtstrukturellen Materialien zu beobachten. Weiterhin wurde das photokatalytische Verhalten des synthetisierten Produkts durch Einsatz für den Abbau von Methylenblaue-Farbstoff untersucht, einem weltweit häufig in der Industrie anzutreffenden Schadstoff. In-silico-Molekulardocking-Vorhersagen wurden durchgeführt, um den Mechanismus der bakteriziden Aktivität von SnO₂ gegen β-Laktamase des Zellwandbiosynthesewegs und DNA-Gyrase des Nukleinsäurebiosynthesewegs von E. coli und S. aureus aufzudecken.

Methoden

Die aktuelle Studie zielte darauf ab, SnO₂-Nanopartikel durch einen einfachen Fällungsprozess zu synthetisieren und bei verschiedenen Temperaturen zu glühen. Geglühtes SnO₂ wurde verwendet, um organische Schadstoffe aus Abwasser zu entfernen und antibakterielles Potenzial zu testen.

Chemikalien

Zinn(II)-chlorid-dihydrat (SnCl₂·2H₂O) und Ethanol analytischen Grades wurden direkt von Sigma-Aldrich (Deutschland) bezogen. Natriumhydroxid (NaOH) und Methylenblau (MB) wurden von Merck (Deutschland) bzw. BDH (UK) bezogen. Destilliertes Wasser wurde vom lokalen Markt bezogen, um Zinnoxid-Nanostrukturen herzustellen. Die chemische Struktur des Schadstoffs (MB-Farbstoff) ist in Abb. 1 dargestellt.

Herstellung von Zinnoxid-Nanostrukturen

In dieser Studie wurden kommerzielle Chemikalien analytischen Grades mit hoher Reinheit verwendet, um Zinnoxid-Nanomaterial mittels Fällungsverfahren herzustellen (siehe Abb. 2). Wässrige Lösungen von SnCl₂·2H₂O (19 g) und NaOH (8 g) wurden getrennt in 50 ml destilliertem Wasser hergestellt. Die NaOH-Lösung wurde tropfenweise (~10 Tropfen/min) unter ständigem Rühren bei 70 °C in einem 400-ml-Kolben in die SnCl₂·2H₂O-Lösung gegeben. Weiße Niederschläge erschienen bei tropfenweiser Zugabe. Das erhaltene Produkt wurde mehrmals mit destilliertem Wasser und Ethanol in einer Zentrifuge gewaschen. Das Material wurde weitere 48 h bei Raumtemperatur getrocknet, um Wassergehalt zu entfernen. Schließlich wurde das getrocknete Festprodukt mit Mörser und Stößel zu feinem Pulver zermahlen. Drei Proben wurden in einem Muffelofen bei verschiedenen Temperaturen (250, 500 und 750 °C) für drei Stunden mit einer Heizrate von 0,5 °C/min [35] geglüht.

Photokatalytischer Aktivitätsprozess

Das photoaktive Potenzial der geglühten Zinnoxid-Proben wurde durch Überwachung der Photodegradation von MB-wässriger Lösung unter Lichtquelle bewertet; Mechanismus in Abb. 3 illustriert [36-38]. Für jedes Photoaktivitätsexperiment wurde eine bekannte Masse Nanomaterial (10 mg) in 60 ml wässriger Farbstofflösung (10 mg/l) gegeben. Vor Lichtexposition wurde die Suspension 5 min im Dunkeln magnetisch gerührt [38], um Adsorptions/Desorptions-Gleichgewicht des Farbstoffs auf der Photokatalysator-Oberfläche zu erreichen. Die Suspension wurde 80 min mit einer Quecksilberlampe (400 W, λ = 400–700 nm) unter Rühren (220 rpm) bestrahlt. MB-Proben von ~5 ml wurden aus der Testlösung entnommen, um die MB-Restmenge mit UV-Vis-Spektrophotometer im Bereich 300–750 nm zu überwachen. Die Variation der MB-Maximalabsorptionswellenlänge (~665 nm) in Abhängigkeit der Bestrahlungszeit wurde aufgezeichnet, um die Photodegradation des MB-Farbstoffs zu untersuchen. Die Aktivitäten der synthetisierten Produkte wurden durch Berechnung des Farbstoffabbau-% mit folgender Relation bewertet:

Abbau % = [(C₀ − C) / C₀] × 100 (1)

wobei C₀ die initiale MB-Konzentration und C die Konzentration nach Bestrahlung bezeichnet. Ohne Photokatalysator wurde ein Kontrollexperiment unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Um die Wiederverwendbarkeit der Nanomaterialien zu prüfen, wurde die degradierte MB-Lösung 10 min bei 6000 rpm zentrifugiert, um den Photokatalysator zurückzugewinnen. Das zurückgewonnene Produkt wurde bei 80 °C (2 h) getrocknet, um es für weitere MB-Degradationsexperimente wiederzuverwenden. Um die Haltbarkeit des Katalysators zu testen, wurden Recycling-Photoaktivitätsexperimente bis zu vier Zyklen durchgeführt. Nach jedem Zyklus wurde das Produkt zentrifugiert, getrocknet und für das nächste Photo-Experiment verwendet.

Antimikrobielle Aktivität

Die in-vitro antibakterielle Wirkung von hergestelltem SnO bei verschiedenen Temperaturbehandlungen wurde gegen die häufigsten pathogenen Bakterien E. coli und S. aureus, isoliert aus Ziegenmastitis, mittels Lochdiffusionsassay bewertet. Petrischalen mit bakteriell aktiviertem Wachstum (0,5 McFarland-Standard) auf festifiziertem MacConkey-Agar und Mannitol-Salz-Agar wurden nach Anlegen eines 6-mm-Lochs mit sterilem Korkenbohrer bei 37 °C inkubiert. Verschiedene Konzentrationen der synthetisierten Nanostrukturen (500 und 1000 µg/50 µl) wurden als niedrige und hohe Dosis im Vergleich zu Ciprofloxacin (5 µg/50 µl) und DIW (50 µl) als positiver und negativer Kontrolle appliziert. Die über Nacht bei 37 °C inkubierten Petrischalen zeigten Hemmzonen (mm), die mit einem Schieblehre gemessen wurden. Die antibakterielle Aktivität in Form von Hemmzonen (mm) wurde als statistisch signifikant erklärt mittels einseitiger Varianzanalyse (ANOVA) mit SPSS 20.0.

Molekulardocking-Studien

Zellwandsynthese wurde als effektives Ziel für die Entdeckung verschiedener Antibiotika mit unterschiedlichen Wirkmechanismen betrachtet, wie β-Laktam- und Glycopeptid-Antibiotika. β-Laktam-Antibiotika wurden als meistvermarktete Medikamente berichtet und repräsentieren die häufigste Behandlung bakterieller Infektionen [39, 40]. Sie hemmen die Zellwandsynthese durch Bindung an Penicillin-bindende Proteine (PBP) und β-Laktamasen [41]. Ebenso wurden Enzyme (DNA-Gyrase) der Nukleinsäuresynthese als effektives Ziel für Antibiotika-Entdeckung betrachtet [42]. Hier führten wir Molekulardocking-Studien von SnO₂ NPs gegen β-Laktamase und DNA-Gyrase-Enzym sowohl von E. coli als auch S. aureus durch, um Einblick in ihren möglichen Wirkmechanismus zu erhalten.

Die 3D-Kristallstrukturen der ausgewählten Proteinziele von E. coli und S. aureus wurden aus der Protein Data Bank mit Zugangsnummern erhalten: 4KZ9; Res: 1,72 Å [43], 1MWU; Res: 2,6 Å [44] für β-Laktamase, während 6KZX; Res: 2,1 Å [45] und 5CTU; Res: 1,45 Å [46] für DNA-Gyrase, wie in Abb. 4 gezeigt.

Molekulardocking-Studien wurden mit ICM Molsoft Software (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [47] durchgeführt. Das Rezeptor-Vorbereitungs-Tool von ICM wurde für Proteinstrukturen genutzt, einschließlich Addition polarer Wasserstoffatome, Entfernung von Wassermolekülen und ko-kristallisiertem Liganden. Proteinstrukturen wurden mit Energie-Minimierungs-Tool mit Standardparametern optimiert, während ein Gitterkasten verwendet wurde, um die aktive Tasche um den kristallisierten Liganden zu identifizieren. Später wurden 10 beste Konformationen, die die Orientierung von SnO₂ NPs in der aktiven Tasche des Enzyms spezifizieren, in jedem Fall generiert. Die Konformation mit dem niedrigsten Bindungswert wurde für weitere Analysen ausgewählt, die das Bindungsmuster und die Inhibitionstendenz der hergestellten NPs gegen diese ausgewählten Enzyme aufdeckten.

Die SnO₂-Struktur wurde mit dem LigEdit-Tool von ICM generiert, während die 3D-Ansicht der gedockten Konformation durch ICM und Discovery Studio Visualizer [48] erstellt wurde.

Materialcharakterisierung

BRUKER D2 Phaser Röntgendiffraktometrie (XRD) im Bereich 2θ = 10°–70° mit Cu Kα (λ = 1,540 Å) wurde verwendet, um Gitterstruktur zu untersuchen und Daten über Phasenzusammensetzung zu erhalten. Funktionale Gruppen der synthetisierten Produkte wurden mittels PerkinElmer Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) Spektrometer bewertet. JEOL JSM-6610LV Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) mit Oxford XMax EDS-Detektor und INCA-Software wurde eingesetzt, um Morphologie und elementare Zusammensetzung der präparierten Proben zu analysieren. Philips CM30 zusammen mit JEOL JEM 2100F Hochauflösender Transmissionselektronenmikroskop (HR-TEM) wurde verwendet, um SAED, HRTEM-Bilder und Gitterstreifenmuster aufzuzeichnen. Die optischen Eigenschaften der präparierten Zinnoxid-Proben wurden von 300 bis 800 nm mittels GENESYS-10S UV-Vis-Spektrometer aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Abb. 5(a) zeigt XRD-Spektren von Zinnoxid-Proben, synthetisiert und geglüht bei verschiedenen Temperaturen. Für die Phasenzusammensetzungsanalyse wurde CuKα-Strahlung verwendet, während die Debye-Scherer-Relation D = Kλ / β cos θ mit λ = 1,54 Å und k = 0,9 zur Berechnung der Kristallitengröße diente. Bei 250 °C zeigt das XRD-Muster Peaks mit 2θ-Werten von 29,12° (112), 31,60° (020), 33,57° (113), 40,15° (023), 45,54° (024), 51,35° (222) und 64,57° (225), die alle dem orthorhombischen SnO (JCPDS: 01–077-2296) zugeordnet werden. Ein einziger Peak bei 26,66° (112) gehört zur orthorhombischen SnO₂-Struktur (JCPDS: 01–078-1063). Bei Glühen bei 500 und 750 °C verschwanden die Beugungspeaks bezüglich SnO und das resultierende Produkt wurde als orthorhombisches SnO₂ mit kristallographischen Ebenen 24,81° (110), 29,12° (113), 31,23° (020), 41,59° (211), 46,90° (117), 59,57° (135) identifiziert, die gut mit JCPDS-Datei Nr. 01-078-1063 [49] übereinstimmen. Die XRD-Ergebnisse zeigen, dass das präparierte Material zuerst bei 250 °C zu SnO oxidiert wurde. Später transformierte es bei und über 500 °C vollständig zu SnO₂ [50]. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Kristallinität der Proben mit steigender Temperatur zunahm. Weiterhin zeigten SAED-Muster von Proben, geglüht bei 250 und 750 °C, helle Punktringe wie in Abb. 5b, c illustriert. Die analysierten Muster mit Gitterebenen (020), (023), (024) und (112) werden orthorhombischem SnO (Abb. 5b) und (020), (110), (117) und (135) Beugungsebenen werden SnO₂-Nanomaterial (Abb. 5c) für Proben, geglüht bei 250 und 750 °C, zugeordnet. Die kristalline Natur der Produkte wurde auch durch SAED-Bilder bestätigt, was mit XRD-Beobachtungen konsistent ist.

FTIR-Spektren der hergestellten Zinnoxid-Nanomaterialien, erhitzt bei 250, 500 und 750 °C, sind in Abb. 5d dargestellt. Der Absorptionspeak bei ~3580 cm⁻¹ gekoppelt mit dem Band bei ~1602 cm⁻¹ wurde der Streckung/Biegung der O–H-Gruppe und Sn-OH-Bindung zugeschrieben, da Zinnoxid gewisse Mengen Wasser aus der Umgebungsatmosphäre absorbiert [51]. Der niedrige Absorptionspeak im Bereich 2300–2400 cm⁻¹ wird Kohlendioxid zugeschrieben, das in den Produkten bei Exposition zur Atmosphäre entstand [52]. Die Bindungen bei 1174 cm⁻¹ entsprechen Schwingungen verschiedener Oberflächenhydroxylgruppen, während der Peak bei 1401 cm⁻¹ auf C–H-Biegungsschwingungen zurückzuführen ist [53, 54]. Die charakteristischen Peaks im Bereich 500–700 cm⁻¹ werden Oberflächen-Schicht-Sn–O-Schwingungen zugeschrieben [55]. Ein Anstieg der Glühtemperatur verursacht Blauverschiebung der Peaks, während die charakteristischen Peaks stärker und intensiver erscheinen. Dies könnte auf den Glühprozess zurückzuführen sein, bei dem Atome des Nanomaterials genügend Energie erlangen, um die Position der Nanopartikelatome zu ändern, was zu Rekristallisation führt [56].

FESEM- und HRTEM-Analysen wurden durchgeführt, um detaillierte Informationen zur Morphologie und Nanostruktur der hergestellten Produkte zu sammeln. HRTEM-Bilder von Zinnoxid, geglüht bei 250, 500 und 750 °C, wurden aufgenommen, wie in Abb. 6a–c dargestellt. Die Bilder belegen die Bildung von Agglomeration innerhalb der Nanopartikel mit nahezu kugelförmiger Form und zufälliger Partikelgrößenverteilung (siehe Abb. 6a, c). In Abb. 6b konnten große, leicht transparente und monodisperse Partikel mit geringer Agglomeration beobachtet werden. Gleiches Partikelverteilungsverhalten ist in den Inset-Bildern bei hoher Vergrößerung zu sehen. Der scharfe morphologische Wechsel bei 500 °C ist bemerkbar. Diese Temperatur könnte ein charakteristisches Merkmal während des Oxidationsprozesses sein [22]. Weiter zeigen Abb. 6d–f HRTEM-Mikrographien der Proben, geglüht bei 250, 500 und 750 °C, zur Detektion des Ebenenabstands. In Kristalliten beträgt der Gitterstreifenabstand ~0,225 nm wie im Inset IFFT-Profilbild in Abb. 6d dargestellt, was der (023)-Beugungsebene der orthorhombischen Phase von SnO (JCPDS: 01-077-2296) entspricht. Der aus Gitterstreifen berechnete d-Abstand in Proben, behandelt bei 500 und 750 °C, beträgt ca. 0,364 und 0,367 nm, zugeordnet zur (110)-Ebene der orthorhombischen SnO₂-Struktur gemäß JCPDS Nr. 01-078-1063. Diese Ergebnisse stimmen gut mit XRD-Befunden überein [49, 57, 58]. Die IFFT-Bilder zeigen eindeutig die Zunahme des d-Abstands mit steigender Temperatur.

FESEM-Bilder von Zinnoxid, geglüht bei 250 °C (Abb. 7a) und 750 °C (Abb. 7b), zeigen Variation in Form und Größe der Gitterstrukturen wie nicht-uniforme oder zufällige Partikelformen mit großen und kleinen Einzelkörnern sowie Agglomeration. Abb. 7b zeigt FESEM-Mikrographie der bei 750 °C geglühten Probe, die kleine agglomerierte Partikel und eine gut entwickelte Struktur im Vergleich zur bei niedriger Temperatur geglühten Probe mit zufälliger Partikelverteilung aufweist. Agglomeration von Partikeln führt zu einer Reduktion der Oberflächenfreien Energie durch Größenvergrößerung, was zu einer Verringerung ihrer Oberfläche führt. Agglomeration von Nanopartikeln ist auf Haftung der Partikel aneinander durch schwache Kräfte zurückzuführen, was zu (sub)mikrongroßen Entitäten führt [59].

Die Zusammensetzung des bei 750 °C geglühten Zinnoxids wurde mit EDX-Technik analysiert, wie in Abb. 7c dargestellt. Das Probenspektrum zeigte deutlich das Vorhandensein von Sn, O und C mit Gewichts-% von 53,7, 42,2 und 4,0 %. Keine Verunreinigungsbestandteile waren im Produkt vorhanden, was die hohe Reinheit des SnO₂-Nanomaterials nahelegte, während der C-Gehalt von Kohlenstoffklebebändern zur Probenhaltung stammen könnte.

Eine nicht-destruktive Absorptionsspektroskopietechnik wurde verwendet, um optische Eigenschaften von leitenden und halbleitenden Nanomaterialien zu untersuchen. Absorptionsspektren von Zinnoxid, geglüht bei verschiedenen Temperaturen, sind in Abb. 8a illustriert. Mehrere Faktoren beeinflussen die erwartete Absorption wie Sauerstoffmangel, Energiebandlücke, Verunreinigungsart und Oberflächenrauheit. Spektren von geglühtem Zinnoxid zeigten UV-Abschnitt bei 300–365 nm [60], was auf Photoanregung von Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband zurückzuführen sein könnte. Die Absorptionsspektren nahmen zwischen 300 und 365 nm mit steigender Temperatur leicht ab, wie in Abb. 8a gezeigt. Zur Berechnung der Bandlücke wurde die Tauc-Relation αhν = A(hν − E_g)ⁿ verwendet, wobei α den Absorptionskoeffizienten, A eine Konstante und n = 1/2 für direkte Bandlücke darstellt. Eine Extrapolation von (αhν)² versus hν liefert den optischen Bandlückenwert E_g (Abb. 8b). Gemessene Bandenergien betrugen 3,51, 3,32 und 3,71 eV für Proben, geglüht bei 250, 500 und 750 °C [61, 62]. Die Bandlücke der Produkte ist konsistent mit Literaturwerten [61]. Insgesamt erlangen die Atome der Nanopartikel mit steigender Temperatur mehr Energie, um ihre Position für Rekristallisation zu ändern, was ihre Morphologie ändert und die Korngröße verringert (aus HRTEM-Daten analysierbar). Mit abnehmender Partikelgröße steigt der Bandlückenwert, was auf den normalen Quantengrößen-Effekt zurückzuführen ist. Ein ähnlicher Trend wurde von Malik et al. [63] beobachtet. Die niedrigste Bandlücke des bei 500 °C geglühten Nanomaterials wurde auf einzigartige Nanostrukturen oder amorphe Synthese von polykristallinem Zinnoxid und Erzeugung von Sauerstoffvacanzen zurückgeführt, die Rotverschiebung erzeugen. Das Tauc-Modell besagt, dass amorphe oder ungeordnete Halbleiter lokalisierte Bandrandzustände mit niedrigerer Bandenergie haben [64].

Die Photoaktivität der Zinnoxid-Produkte, geglüht bei verschiedenen Temperaturen, wurde durch Photodegradation von MB-Farbstoff unter Lichtbestrahlung untersucht (Abb. 9). Die Variation der optischen Absorption der MB-Lösung bei λ_max = 665 nm während der Photodekomposition ist in Abb. 9a dargestellt. Die Zugabe der hergestellten Proben bewirkt eine Abnahme des MB-Absorptionsbands mit der Zeit. Die maximale photokatalytische Leistung zeigte die bei 500 °C geglühte Probe (E_g = 3,32 eV), was auf spezifische Morphologie und niedrige Elektron-Loch-Rekombinationsrate zurückgeführt wird. Wir beobachteten 86,0, 92,4 und 71,6 % MB-Degradation durch Zinnoxid-Photokatalysatoren, präpariert durch Glühen bei 250, 500 und 750 °C in 80 min (Abb. 9b). Die Photoaktivität von Halbleitermaterialien hängt auch von ihrer Bandlückenenergie ab, die das Redoxpotenzial der photogenerierten Elektron-Loch-Paare während des MB-Abbaus beeinflusst. Unter den drei getesteten Proben wies der bei 500 °C geglühte Photokatalysator die niedrigste Bandlückenenergie (3,32 eV) auf, während die erheblich gesteigerte Degradation % diesem Produkt aufgrund seiner einzigartigen Struktur und hohem Agglomerationsgrad zugeschrieben wurde (Abb. 9b). Eine pseudo-einstellige Farbstoffdegradation wird mittels ln(C_o/C) vs. Bestrahlungszeit-Diagramm illustriert: ln(C_o/C) = kt wie in Abb. 9c gezeigt, wobei k die Ratekonstante, C_o und C die initiale und finale Farbstoffkonzentration (MB) bezeichnen [63, 65-67]. Der k-Wert mit Nanomaterial, präpariert bei 500 °C, betrug 0,59 min⁻¹, während bei 250 und 750 °C synthetisierten Proben signifikante Abnahmen auf ca. 0,50 und 0,31 min⁻¹ beobachtet wurden (Abb. 9d).

Für die Behandlung verschmutzten Wassers müssen Photokatalysatoren Stabilität und Wiederverwendbarkeit über lange Zeiträume aufweisen, um den Prozess wirtschaftlich tragfähig zu machen. In der vorliegenden Studie wurden vier Zyklen von Tests durchgeführt, um MB mit hergestellten Zinnoxid-Photokatalysatoren zu entfernen und ihre Stabilität zu bestimmen. Die Beobachtung von vier aufeinanderfolgenden Zyklen der Farbstoffdegradation ist in Abb. 10a, b dargestellt. Das bei 500 °C geglühte Nanomaterial zeigte nach vier Zyklen eine leichte Abnahme der MB-Photodekomposition (6 % Abnahme). Die Ergebnisse der Schadstoffentfernung aus Wasser in dieser Studie sind vergleichbar mit denen von Prakash et al. [65].

Die in-vitro antibakterielle Aktivität von SnO-Nanostrukturen, hergestellt bei verschiedenen Temperaturbehandlungen, gemessen in Hemmzonen (mm) zusammen mit vergleichender Wirksamkeit %, sind in Abb. 11a–d und Tabelle 1 dargestellt. Die Graphen zeigen direkten Proportionalität zwischen Nanostrukturkonzentration und Hemmzonen. Signifikante Hemmzonen für SnO (250, 500 und 750 °C) Proben gegen E. coli und S. aureus lagen zwischen 2,85–3,5 mm, 3,35–3,75 mm und 3,25–4,75 mm sowie 4,55–5,35 mm bei niedriger und hoher Konzentration (Abb. 11a, b, Tabelle 1). Die Wirksamkeit % der synthetisierten Nanomaterialien stieg von 67,0–82,3 auf 78,8–88,2 % für E. coli und entsprechend 45,4–66,4 % und 63,6–74,8 % für S. aureus (Abb. 11c, d). Alle gemessenen Ergebnisse wurden mit DIW (0 mm) verglichen. Positive Kontrolle zeigte 4,25 mm und 7,15 mm Hemmzonen für E. coli und S. aureus (Abb. 11a, b). Insgesamt erwiesen sich SnO₂-Nanostrukturen, optimiert bei 500 °C, bei beiden Konzentrationen als potenter und allgemein war SnO₂ gegen gram-negative (G–) E. coli potenter als gegen gram-positive (G+) S. aureus.

Größe, Konzentration und Morphologie der Nanostrukturen beeinflussen direkt den erzeugten oxidativen Stress. Antibakterielle Aktivität in Abhängigkeit von Größe und Konzentration zeigt umgekehrtes Verhältnis zur Größe [68-70]. Nanostrukturen erzeugen effizienter reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die in bakteriellen Membranen existieren und zur Extrusion zellulärer Organellen und Bakterientod führen [71]. SnO₂ erzeugt effizienter ROS einschließlich Wasserstoffperoxid (H₂O₂), OH-Gruppen und Superoxid-Ionen [72]. Die erhöhte antibakterielle Wirksamkeit von hergestelltem SnO bei verschiedenen Temperaturbehandlungen für E. coli im Vergleich zu S. aureus könnte auf den Unterschied in den Zellwandstrukturen der Bakterien zurückzuführen sein. G– Bakterienzellwand besteht aus dünner Peptidoglykan-Schicht mit einer äußeren Membran aus Proteinen und Phospholipiden, während G+ Zellwand eine dicke Peptidoglykan-Schicht mit Lipoteichoinsäuren und Teichoinsäuren enthält. Dieser große Unterschied in der Zellwandstruktur führt zu maximaler Wirksamkeit der hergestellten Nanostrukturen gegen G– im Vergleich zu G+ Bakterien [18].

Resistenz, die mikrobielle Pathogene gegen verschiedene Antibiotika, insbesondere Multiresistenz, erwerben, stellt eine enorme Bedrohung für die öffentliche Gesundheit weltweit dar und es besteht dringender Bedarf an mehr Antibiotika mit neuartigem Wirkmechanismus [73]. Antibiotika verschiedener Klassen folgen unterschiedlichen Mechanismen für ihre Aktivität und zielen auf für bakterielles Überleben lebenswichtige Wege ab. Beispielsweise zielen β-Laktam-Antibiotika wie Penicillin auf Enzyme der Peptidoglykansynthese (wichtiger Vorläufer der Zellwandsynthese) [74], während Rifampicin, ein bekanntes Antibiotikum, Enzyme des Nukleinsäurebiosynthesewegs angreift [42], was die Wichtigkeit sowohl von Zellwand- als auch Nukleinsäurebiosynthesewegen als Ziel für neue Antibiotika-Entdeckung verdeutlicht [75]. Obwohl bakterizide Aktivität verschiedener Nanopartikel in jüngeren Jahren berichtet wurde, ist der genaue Wirkmechanismus noch nicht bekannt [76, 77]. Angesichts der guten antibakteriellen Aktivität von SnO₂ gegen E. coli und S. aureus führten wir Molekulardocking-Studien durch, um ihren möglichen Wirkmechanismus gegen β-Laktamase und DNA-Gyrase-Enzyme als potenzielle Ziele zu identifizieren.

Im Fall von β-Laktamase aus E. coli war der beste beobachtete Bindungswert −5,71 kcal/mol mit Wasserstoffbrückenbindungen zu Lys239 (1,80 Å) und Gly235 (1,66 Å) sowie Metallkontakt-Wechselwirkung mit Gln35, wie in Abb. 12a, b gezeigt. Ähnlich war der beste Bindungswert für DNA-Gyrase aus E. coli −9,57 kcal/mol mit Wasserstoffbrückenbindungen zu Thr163 (1,46 Å), Gly77 (1,43 Å) und Glu50 (3,36 Å) sowie Metallkontakt-Wechselwirkung mit Gly75, wie in Abb. 12c, d dargestellt.

Der beste Bindungswert für β-Laktamase von S. aureus betrug −11,83 kcal/mol. Die Bindungsmuster von SnO₂ in der aktiven Tasche umfassten Wasserstoffbrückenbindungen zu Ser400 (2,16 Å), Gly522 (1,99 Å) und Ile524 (1,90 Å). Zusätzlich wurde Metallkontakt-Wechselwirkung zwischen SnO₂ und Gln521 beobachtet, wie in Abb. 13a, b dargestellt. Für DNA-Gyrase aus S. aureus zeigte die beste Konformation Wasserstoffbrückenbindungen zu Gly85 (2,55 Å) und Thr173 (1,54 Å) mit Bindungswert −8,61 kcal/mol (Abb. 13c, d).

Fazit

Zusammenfassend wurden Zinnoxid-Nanopartikel, geglüht bei verschiedenen Temperaturen, durch einen einfachen Fällungsprozess synthetisiert. Glühen der Proben bei 250 °C während der Synthese produzierte vorwiegend orthorhombisches SnO, das sich bei 500 und 750 °C in SnO₂ umwandelte. XRD- und HRTEM-Analysen zeigten, dass Nanopartikel orthorhombische Struktur besaßen, während die Partikelgröße zunächst mit Temperaturanstieg auf 500 °C zunahm, gefolgt von einer Abnahme bei 750 °C. Die große Partikelgröße bei 500 °C wurde der einzigartigen Struktur der bei dieser Temperatur geglühten Probe zugeschrieben. Hergestellte Nanostrukturen zeigten gut kristallisiertes Verhalten mit Agglomeration. Die Photoaktivität der geglühten Zinnoxid-Nanomaterialien wurde durch Zersetzung von MB-Farbstoff als Modellorganischen Schadstoff bewertet und ein Vergleich zwischen geglühten Proben gezogen. Das bei 500 °C synthetisierte Produkt zeigte 6 % höhere Aktivität im Vergleich zur bei 250 °C geglühten Probe während der MB-Degradation. Die maximale in dieser Studie erreichte MB-Degradation betrug 92 % nach 80 min Bestrahlungszeit durch die 500 °C Probe. Es wird angenommen, dass Radikale (*OH¹⁻ und *O₂⁻) und Löcher die Hauptaktiven Entitäten im Photokatalyse-Prozess sind. In-silico-Vorhersagen stimmen gut mit der in-vitro bakteriziden Aktivität von SnO₂ NPs überein. Molekulardocking-Studien von SnO₂ NPs gegen ausgewählte Enzyme, β-Laktamase und DNA-Gyrase, deuteten auf ihre Tendenz hin, die Aktivität dieser Enzyme zu hemmen, was durch Enzyminhibitions-Assay-Studien weiter erforscht und bestätigt werden muss.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

G+:

Gram-positiv

G−:

Gram-negativ

HR-TEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

JCPDS:

Joint Committee on Powder Diffraction Standards

NPs:

Nanopartikel

SnO:

Zinnoxid

UV-Vis:

Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie

XRD:

Röntgendiffraktometrie