Dotierung von Mg auf ZnO-Nanostäbchen zeigte verbesserten photokatalytischen Abbau und antimikrobielles Potenzial mit molekularer Docking-Analyse

Einführung

Organische Schadstoffe im Wasser und infektiöse bakterielle Verunreinigungen in Lebensmitteln werden zu führenden Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, um eine gesunde Umwelt in unserer Umgebung zu erhalten [1, 2]. Zum Beispiel Infektionen durch Shigellaflexneri Bakterien fordern jährlich etwa 1,5 Millionen Todesfälle aufgrund von Lebensmittel- und Getränkekontaminationen [3]. Giftige und krebserregende Stoffe, die in Farbstoffen enthalten sind, die in Gewässer freigesetzt werden, stellen ernsthafte Risiken für die Umwelt und die öffentliche Gesundheit dar [4]. Diese Farbstoffe beeinflussen auch die Photosyntheseaktivität von Wasserlebewesen wie Cyanobakterien und Algen, die dazu dienen, die Transparenz von Süßwasser zu verringern [5].

Unzählige experimentelle Studien wurden durchgeführt, um physikalische, biologische und chemische Verfahren sowie neue Technologien zur Entfernung von Farbstoffen aus Abwasser zu entwickeln. Bisher wurden physikalische Methoden wie Ultrafiltrationsmembran, Adsorption und Fällung [6] sowie biologische Ansätze untersucht. Darüber hinaus wurden biologische Abbauverfahren für den Abbau löslicher organischer Stoffe verwendet, um Bakterien, die in Abflüssen vorkommen, auszurotten, während chemische Verfahren aus photochemischer Entfärbung, Chlorierung und Ozonierung bestehen [7]. Herkömmliche Verfahren der Abwasserbehandlung, einschließlich chemischer Fällung, Adsorption, Koagulation und Trennung, sind keine geeigneten Techniken, da sie die Übertragung von Farbstoffen von einem Punkt zum anderen erfordern und eine Sekundärkontamination verursachen [8]. Daher suchen Forscher nach umweltfreundlichen Behandlungstechnologien, die einen direkten Abbau organischer Schadstoffe in harmlose Verbindungen beinhalten [9].

In letzter Zeit haben photokatalytische und sonokatalytische fortgeschrittene Oxidationsverfahren (AOPs) in Gegenwart von Halbleiter-Nanopartikeln (NPs) aufgrund ihrer chemischen Stabilität, Kosteneffizienz und Ungiftigkeit viel Beachtung gefunden [10,11,12]. Die Photokatalyse ist ein verbessertes Oxidationsverfahren, das die Erzeugung von Ladungsträgern in Halbleiterphotokatalysatoren bei Bestrahlung mit Licht beinhaltet. Photogenerierte Ladungsträger nehmen an Redoxreaktionen teil und entfernen Schadstoffe aus dem Wasser [13, 14]. Mehrere Studien haben gezeigt, dass OH ^· Radikalspezies reichern sich während photochemischer Reaktionen auf der Oberfläche des Photokatalysators an und führen zum Abbau verschiedener organischer Farbstoffe. Heutzutage, als Folge einer erhöhten Produktion von OH ^· Ionen scheint der Synergismus von photokatalytischer (PCA) und Ultraschallbestrahlung, die sogenannte Sonophotokatalyse (SPCA), die Abbaueffizienz von Nanokatalysatoren zu erhöhen. Tatsächlich hat sich gezeigt, dass SPCA einen positiven Einfluss auf die Abbaurate von chemischen Verbindungen im Wasser hat, die toxisch, gefährlich und giftig sind [15]. Derzeit hat die Verwendung von Metalloxid-NPs zur Behandlung von verschmutztem Wasser aufgrund ihres Kostenvorteils, ihrer Umweltfreundlichkeit, Stabilität und Recyclingfähigkeit das Interesse der Forscher geweckt [16, 17]. Außerdem können anorganische Halbleiter mit großer Bandlücke wie TiO₂ , WO_3, ZrO₂ und ZnO haben sich in lichtinduzierten katalytischen Redoxprozessen zum Abbau von Farbstoffen bewährt [18, 19]. ZnO, ein bekannter Halbleiter mit großer Bandlücke (Eg=3.37eV), weist ein außergewöhnliches Potenzial aufgrund aktiver Oberflächendefektstellen in PCA-Anwendungen, hervorragende physiochemische Stabilität, hohes Oxidations-Reduktions-Potential, große Bindungsenergie von Exzitonen (∼60 meV), außerdem ist es kostengünstig und frei von Giftstoffen [20,21,22,23]. Unter verschiedenen Metallen ist Magnesium (Mg) der faszinierendste Dotierstoff zur Synthese optischer Eg-technisch hergestellter ZnO-Nanomaterialien. Die Substitution von Mg in ZnO wird aufgrund der folgenden Faktoren bevorzugt; (i) Gitterkonstanten invariant, (ii) Ionenradien sind sehr eng (Mg ⁺² =0,72 Å und Zn ⁺² =0.74 Å), (iii) hohe Löslichkeit von Mg in ZnO, (iv) dotiertes ZnO erhöht die Eg- und UV-Vis-Lumineszenzintensität, was für optoelektronische Anwendungen nützlich ist. Darüber hinaus kann Mg-dotiertes ZnO aufgrund seiner breiten optischen Bandlücke als effektiver Photokatalysator für den Farbstoffabbau dienen und antibakterielle Mittel fördern [23].

In dieser Forschungsarbeit wurde der Weg der Copräzipitation gewählt, um effiziente Mg-dotierte ZnO-Nanokomposite für katalytische und bakterizide Aktivitäten zu synthetisieren. Die vorbereiteten Proben wurden zur detaillierten Analyse durch XRD, HR-TEM, EDS, FTIR, UV-Vis und Raman-Spektroskopie charakterisiert. Die katalytische Aktivität der vorbereiteten Proben wurde auf den Abbau einer Mischung aus Methylenblau und Ciprofloxacin (MBCF) untersucht, während die antibakterielle Aktivität gegen G + ve und G - ve Bakterien getestet wurde. Darüber hinaus wurden molekulare Docking-Studien gegen Dihydrofolat-Reduktase (DHFR) und Dihydropteroat-Synthase (DHPS) des Folat-Biosynthesewegs und β . durchgeführt -Ketoacyl-Acyl-Trägerprotein-Synthase III (FabH) des Fettsäurebiosynthesewegs.

Methoden

Die aktuelle Studie zielte darauf ab, den photokatalytischen Abbau und das antimikrobielle Potenzial durch molekulare Docking-Analyse von Mg-dotierten ZnO-Nanostäbchen zu verbessern.

Materialien

Zinknitrat-Tetrahydrat (Zn(NO₃ ).4H₂ O, 99,0%), Magnesiumchlorid-Hexahydrat (MgCl_2. 6H₂ O, 99,0 %) und Natriumhydroxid (NaOH, 99,0 %) wurden von Sigma-Aldrich bezogen.

Synthese von Mg-dotiertem Zinkoxid (ZnO)

Verschiedene Konzentrationen von Mg-dotierten in einer festen Menge von ZnO-Nanomaterialien wurden mit der Copräzipitationsmethode synthetisiert. 0,5 M Zn(NO₃ ).4H₂ O-Lösung wurde als Zn-Vorstufe verwendet, und die gewünschte Menge (2, 4, 6 und 8 Gew.-%) des Dotierungsmittels wurde durch Eingießen von MgCl₂ . zugegeben in die Lösung. Die zubereiteten Lösungen wurden in entionisiertem Wasser (DI-Wasser) 90 min bei 80 °C gerührt, während der pH-Wert durch langsame Zugabe von NaOH (0,1 M) in die gerührte Lösung bei etwa 12 gehalten wurde. Die erhaltenen Präzipitate wurden bei 4000 U/min (20 min) zentrifugiert, 24 Stunden bei 100 °C getrocknet und dann gemahlen, um ein feines Pulver zu erhalten (Abb. 1).

Schematische Darstellung der Synthesestrategie von Mg-dotierten ZnO-Nanostäbchen

Materialcharakterisierung

Um die Phasenkonstitution und Struktur von Produkten zu identifizieren, wurde das mit CuK-Alpha-Strahlung (λ = 1,541874 Å) ausgestattete PANanalytical X-pert PRO Röntgendiffraktometer-XRD im 2θ°-Bereich (20°–80°) betrieben. . Das Vorhandensein funktioneller Gruppen wurde mit dem PerkinElmer-Spektrometer über FTIR verifiziert. Mit dem UV-Vis-Spektrophotometer wurden optische Eigenschaften beobachtet (Genesys 10S Spektrophotometer). Um Photolumineszenz(PL)-Emissionsspektren im 300-500-nm-Band zu erfassen, wurde das Spektrofluorometer JASCO FP-8200 verwendet. Mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) unter Verwendung der INCA EDS-Software wurde die Elementzusammensetzung geschätzt. Das Rasterelektronenmikroskop (SEM-Modell JEOL JSM 6460LV) und das hochauflösende Transmissionselektronenmikroskop (HR-TEM-Modell JEOL JEM 2100F) wurden verwendet, um die Morphologie und Mikrostruktur der synthetisierten Proben zu bestimmen.

Photokatalytische, sonokatalytische und sonophotokatalytische Aktivität

Die sonokatalytische (SCA) und sonophotokatalytische Aktivität (SPCA) des MBCF-Abbaus wurde in Ultraschallbädern für ZnO- und Mg:ZnO-Katalysatoren mit fester Frequenz ~ 35 kHz getestet. In ähnlicher Weise wurde der photokatalytische Abbau von ZnO- und Mg:ZnO-Nanokatalysatoren unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht gegen MBCF getestet. In jedem Experiment wurde Photokatalysator (10 mg) in 50 mL Modellfarbstoff suspendiert und die Lösung 10–15 min im Dunkeln gehalten, um das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht zu erreichen. Sichtbares Licht (Photokatalyse – PCA), Ultraschallgerät (Sonokatalyse – SCA) und kombinierte Bestrahlung mit sichtbarem Licht mit Ultraschall (Sonophotokatalyse – SPCA) wurden methodisch unter suspendierte Lösungen platziert. Die 3 ml Suspension wurde während der Exposition zur Absorptionsanalyse in regelmäßigen Zeitintervallen gesammelt. Der resultierende Farbstoffbestandteil wurde durch Bestimmen der Differenz in max  =670 nm von MBCF beobachtet. Die blaue Farblösung verblasste im Laufe der Zeit aufgrund des Abbaus von MBCF in Gegenwart von Nanokatalysatoren. Schließlich wurde der Abbaugrad (Ct/Co), wobei Ct die zeitliche Farbstoffkonzentration und Co die anfängliche Farbstoffkonzentration ist, bewertet. Der prozentuale Abbau für jede Probe wurde auch mit der Gleichung % Abbau = \(\frac{{\left( {Co - Ct} \right)}}{Co}\) × 100 berechnet.

Isolierung und Identifizierung von S. aureus und E. coli

Milchproben (Rindermilch), die mit Surffield-Mastitis getestet wurden, wurden von verschiedenen Farmen gesammelt. Die inkubierten Proben (gewachsen auf 5% Schafblut-Agar) wurden mit MSA (Mannit-Salz-Agar) und MA (MacConkey-Agar) für G+ve S ausgestrichen. aureus und G-ve E. coli , bzw. (pH ~ 7). Charakteristische Kolonien wurden mittels biochemischer (Katalase- und Koagulase-Test) und morphologischer Analyse (Gram-Färbung) identifiziert.

Antibakterielle Aktivität

Die bakterizide Leistung synthetisierter NRs wurde an G-ve- und G+ve-Bakterienstämmen unter Verwendung eines Agar-Well-Diffusionsansatzes durch Abtupfen von S . mit 1,5 × 108 KBE/ml untersucht aureus und E. coli Isolate mit MSA bzw. MA. Wells mit einem Durchmesser von 6 mm wurden unter Verwendung eines sterilen Korkbohrers auf abgetupften MSA- und MA-Petrischalen gebildet. Im Vergleich zu Negativkontrolle (VE-Wasser) und Positivkontrolle (Ciprofloxacin) wurden unterschiedliche Konzentrationen von Mg:ZnO-NRs (0,5 mg/50 µl) und (1,0 mg/50 µl) verwendet. Die dosierten Petrischalen wurden über Nacht (37 °C) inkubiert, und die antibakterielle Leistung der NRs wurde durch Messen des Hemmzonendurchmessers mit einem Messschieber aufgezeichnet. Mittels Einweg-Varianzanalyse (ANOVA) mit SPSS 20 wurde die statistisch gemessene Wirksamkeit in Bezug auf Hemmzonen als signifikant erachtet.

Molekulare Docking-Studien

In-silico-Molekular-Docking-Studien, die einen effektiven Ansatz zur Identifizierung von strukturellen Schlüsselmerkmalen hinter der antibakteriellen Aktivität von dotierten ZnO-NRs darstellen, wurden zur Vorhersage ihres möglichen Mechanismus eingesetzt. Die Schlüsselenzyme des Folatbiosynthesewegs, nämlich Dihydrofolatreduktase (DHFR) und Dihydropteroatsynthase (DHPS) neben β -Ketoacyl-Acyl-Carrier-Protein-Synthase III (FabH) Enzym des Fettsäure-Biosynthesewegs, wurden als attraktives Ziel für die Entdeckung von Antibiotika beschrieben. Die 3D-strukturellen Eigenschaften ausgewählter Enzyme wurden aus der Proteindatenbank abgerufen und mithilfe eines Proteinpräparationstools zum Andocken von Mg-dotierten ZnO-NRs in das aktive Zentrum aufbereitet.

Der Beitrittscode für ausgewählte Ziele lautete:2ANQ (DHFR_E.coli ) [24], 5U0V (DHPS_E.coli ) [25] und 4Z8D (FabH_E.coli ) [26]. Molekulare Docking-Studien wurden mit der Software ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [27] durchgeführt, bei der Proteinstrukturen durch ein Energieminimierungstool optimiert wurden. Die Wassermoleküle aus der Kristallstruktur neben dem co-kristallisierten Liganden wurden entfernt, gefolgt von der Zugabe von polaren H-Atomen zur Präparation der Proteinstruktur, und die Gitterbox wurde verwendet, um die aktive Tasche zu identifizieren. Schließlich wurden die am besten angedockten Komplexe für die Bindungswechselwirkungsanalyse ausgewählt, um Schlüsselaminosäuren zu beobachten, die an der Ligandenbindung beteiligt sind. Discovery Studio Visualizer und Pymol wurden für die Analyse angedockter Komplexe verwendet.

Ergebnisse und Diskussion

Strukturelle Eigenschaften und Phasenaufbau von dotierstofffreiem und dotiertem ZnO wurden mittels Röntgenbeugung beurteilt (Abb. 2a). Beobachtete Peaks bei 31,7°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,6°, 62,9° und 68,0° können den Beugungsebenen (100), (002), (101), (102), (110), ( 103) und (112) bestätigten, dass ZnO eine hexagonale Struktur (JCPDS Nr. 361451) mit der Raumgruppe P63mc hat. Zwei Peaks spiegeln die Verunreinigungen von Verbindungen wider, die Zink-Carboxyl umfassen (markiert durch schwarze Pfeile). Diese Zink-Carboxyl-Spuren könnten durch die Reaktion der Zn-Vorstufe mit anderen Reaktanten während der Synthese entstanden sein [28]. Die Kristallitgröße von ZnO wurde mit der Scherrer-Formel auf 26 nm geschätzt, die sich mit zunehmender Dotierstoffmenge (bei 8 Gew.-%) allmählich auf 23 nm verringerte. Um eine erfolgreiche Zugabe von „Mg“ in das Wirtsgitter sicherzustellen, wurden drei markante Peakpositionen (100), (002) und (101) Ebenen verfolgt [23]. Es wird angenommen, dass sich die ZnO-Peaks bei Dotierung mit Mg zu hohen 2θ verschieben, während mehrere Studien eine allmähliche Verringerung der Kristallitgröße bei Zugabe von Dotierstoffen wie Mg, Fe und Al zu ZnO berichten [29, 30]. Mehrere Faktoren, einschließlich Druckspannung, die durch den Unterschied der Zn-Ionenradien und des Dotierstoffions verursacht wird, Kristallwachstumsbehinderung und/oder Defekterzeugung in den Kristallen beim Dotieren können das ZnO-Wachstum unterdrücken. Die für dotierte ZnO-NRs beobachtete Peakverschiebung könnte Mg-Ionen zugeschrieben werden, die Zn-Ionen aufgrund des Ionenradienunterschieds zwischen Mg ²⁺ . ersetzten (0,57 Å) und Zn ²⁺ (0,60 Å) [23, 29].

a XRD-Muster von Mg-dotiertem ZnO, b–d SAED-Muster von ZnO, 4%, 8% von Mg-dotiertem ZnO und e FTIR-Spektren bzw.

SAED-Muster von dotiertem ZnO zeigten aufgrund der Elektronenbeugung helle Flecken. Jeder Fleck entstand aus einem Satz paralleler Ebenen, die in der Kristallstruktur des synthetisierten Produkts gefunden wurden und die die Bragg-Beugungsbedingung beeinflussten. Miller-Indizes wurden entsprechend zugeordnet, wie in Abb. 2b–d zu sehen ist. Muster wurden mit Ebenen (002), (100), (101) und (102) indiziert, die mit der hexagonalen Struktur von ZnO verbunden sind, wobei der Elektronenstrahl entlang der [101]-Zonenachse [31] projiziert wird. Im Allgemeinen wird die anisotrope ZnO-Wachstumsrichtung sowohl durch die freie Grenzflächenenergie als auch durch das Wasserauflösungspotential bestimmt. Die relative Geschwindigkeit des Wachstums auf verschiedenen Ebenen steuert auch das Wachstum. Das Wachstum wird auch durch die relative Wachstumsgeschwindigkeit verschiedener Ebenen gesteuert [32].

Eine FTIR-Analyse wurde durchgeführt, um das Vorhandensein von funktionellen Gruppen, Oberflächenchemie und Schwingungsformen für in den Proben vorhandene chemische Bindungen zu untersuchen (Abb. 2e). Bänder von 400 bis 560 cm ^-1 sind der Streckung von Zn-O-Zn-Schwingungsmoden zugeordnet, die die ZnO-Bildung bestätigt haben. Niederfrequenz-/Fingerabdruckbereichsbänder wurden M–O-Translationsschwingungen (590, 670 cm ⁻¹ .) zugeschrieben ) und O–M–O (430 cm ⁻¹ .) ) [33]. Mit steigender Mg-Konzentration wurde keine signifikante Änderung der Absorptionsbande von Zn-O und der Intensität beobachtet. Band bei 1651 cm ^-1 entspricht einem symmetrischen C=O-Streckmodus, der mit steigendem Beladungsprozentsatz von Magnesiumnitrat stark intensiviert wird, während ~ 1362 cm ^-1 Band entspricht dem asymmetrischen C–O-Streckmodus. Kohlenstoff aus Ausgangsmaterialien könnte unbeabsichtigt in NRs eingebaut worden sein, während das Auftreten einer breiten Transmissionsbande bei 3456 cm ^-1 entspricht der OH-Streckung von oberflächenadsorbierten Wassermolekülen [34].

Um die Änderung des Absorptionsverhaltens beim Dotieren zu überprüfen, wurde die UV-Vis-Spektrometrie für dotierte und undotierte Proben eingesetzt. UV-Vis-Absorptionsspektren synthetisierter NRs wurden im Bereich von 250 bis 600 nm als Funktion der Wellenlänge aufgenommen (Abb. 3a). Die Proben zeigten eine maximale Absorption um 370–395 nm, mit einer Verschiebung der Absorptionskante zu niedrigeren Wellenlängen bei unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen. Diese Zunahme der Absorption und Verschiebung beim Dotieren äußert sich in Sauerstoffmangel, Partikelgrößeneffekt und Kornstrukturfehlern [35]. Extrahierte Werte aus Abb. 3a wurden verwendet, um die optische Bandlücke (Eg) von ZnO (mittels Tauc-Plot) zu berechnen, die bei Mg-Dotierung von 3,32 auf 3,72 eV anstieg (Abb. 3b) [36, 37]. Diese Blauverschiebung in Eg kann auf das Burstein-Moss-Effekt-Phänomen bestätigt werden. Bei der Metalloxidmethode wird berichtet, dass die Verringerung der Partikelgröße zu einer Blauverschiebung der Bandlücke aufgrund des Quanteneinschlusseffekts (QCE) führt. QCE ist jedoch nicht der einzige Grund; Dotierung kann auch die lokale Symmetrie beeinflussen und Gitterdefektzentren erzeugen, die die Struktur des Bandes verändern und signifikante Verschiebungen der optischen Eigenschaften induzieren [38]. Wie zuvor in der XRD-Analyse beschrieben, erzeugt Mg, das in ZnO dotiert ist, Sauerstoffleerstellen im Wirtskristall, die als Donatoren im System fungieren und sich wie positiv geladene Ionen verhalten, indem sie Elektronen an CB abgeben. Da die Konzentration der Elektronenträger die Zustandsdichte in CB überschreitet, wird das Niveau der Fermi-Energie in das CB gedrückt. Zn ²⁺ durch Mg ²⁺ ersetzen führt aufgrund der Ionenradien und Elektronegativitätsunterschiede beider Materialien zu einer Zunahme der Elektronenkonzentration und der Sauerstoffleerstelle, und somit führt die Erhöhung der Ladungsträgerdichte zum Anheben des Fermi-Niveaus auf den entarteten Halbleiter CB, da ZnO einer der am stärksten entarteten Halbleiter ist . Aufgrund dieser Wirkung hängt das Fermi-Niveau sowie seine Position von der Konzentration freier Elektronen und der Anregung von Elektronen vom VB- zum Fermi-Niveau ab, was zu einer Zunahme der Dichte freier Elektronen und einer Bandlückenerweiterung führt [39]. Diese Burstein-Moss-Verschiebung trägt zur beobachteten Eg-Verbreiterung von Mg-dotierten ZnO-NRs bei.

a Absorptionsspektren von Proben von Mg-dotiertem ZnO, b Tauc-Plot, c PL-Spektren und d Raman-Spektren von Mg-dotierten ZnO-Nanostäbchen

Die PL-Analyse ist ein wertvolles Werkzeug, um durch Untersuchung von Emissionsspektren bessere Informationen über Verunreinigungen, Übergänge und Dotierstoffe zu erhalten. Quantengrößeneffekte beeinflussen die physikalischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien im Nanobereich, wie z. B. ZnO sein optisches Verhalten durch eine Zunahme des Quanteneinschlusses, der von PL beobachtet wurde, änderte [40]. PL-Spektren verschiedener Konzentrationen von in ZnO eingebautem Mg wurden mit Anregung λ~325 nm bei Raumtemperatur gemessen (Abb. 3c). Für undotiertes und dotiertes ZnO wurden ein breites Tiefenniveau und Emissionen im Nahbereich nachgewiesen. Alle Proben zeigten einen Emissionspeak im UV-Bereich, der der Exzitonenrekombination zugeschrieben wird. Im sichtbaren Bereich beobachtete Peaks erscheinen aufgrund von Defektzuständen (Donor), wie z. B. O₂ Stellenangebote-V_o , Zn-Interstitials-Zn_i , Defektzustände (Akzeptor) aus Zinkleerstellen-V_z und Sauerstoff-Interstitials-O_i [39]. Das Intensitätsverhältnis der Peaks im UV- und sichtbaren Bereich wird hauptsächlich von der Kristallqualität dotierter Materialien beeinflusst, da die Defektdichte mit der Kristallinitätsverstärkung abnimmt. Proben zeigten Emissionspeaks um 408 nm, die dem Nahband-Kanten-NBE-Übergang von ZnO zugeschrieben werden [39]. Die bei 408, 442, 467, 488 nm gefundenen Peaks führen zu blauer Emission und Zn-Zwischengittern zuzuschreibende weisen eine stärkere violette Emission bei 408 nm auf. Schwache Emissionen, die bei 442, 467 und 488 nm beobachtet wurden, sind auf eine Donor-Akzeptor(D/A)-Paarrekombination zurückzuführen, die unterschiedliche Defektniveaus in den Proben beinhaltet. Die Emission bei 488 nm ist auf Elektronen in einfach ionisiertem O₂ . zurückzuführen Leerstelle mit photoangeregten Löchern in der VB [41]. Die Intensität der breiten tiefen Emission nahm beim Dotieren zu, während die NBE-Emissionspeaks in einen Bereich höherer Energie übertragen wurden. Diese Blauverschiebung der NBE-Emission könnte anhand des Burstein-Moss-Effekts interpretiert werden. ZnO ist ein n-Typ-Material, und bei starker Dotierung verschiebt sich sein Fermi-Niveau innerhalb des Leitungsbandes. Daher muss die Absorption eine Blauverschiebung aufweisen, wie von Burstein vorgeschlagen; gefüllte Bereiche würden optische oder thermische Anregungen blockieren [42]. Bei dotierten Proben wurde eine Zunahme der PL-Intensität beobachtet, was auf eine verringerte Elektronentransfereffizienz hindeutet.

Raman-Streuung ist eine empfindliche und zerstörungsfreie Technik, um Mikrostrukturen zu untersuchen und Eigenschaften im Zusammenhang mit Schwingungszuständen von Nanomaterialien zu analysieren. Wurtzit-Zinkoxid mit primitiver Zelle, die zwei Formeleinheiten enthält, wird in der C6ν-Raumgruppe platziert. Optische Phononen, die an primitiven Zellen im reziproken Raum vorhanden sind, werden durch irreduzible Beziehung gerechtfertigt:Гopt =1A₁ +2B₁ + E₁ +2E₂ wobei B₁ steht für lautlose Raman-Modi, während A₁ und E₁ sind Polarmoden (Langstrecken-Coulomb-Kräfte), die in longitudinale optische (LO) und transversal optische (TO) Phononen aufgeteilt werden. Darüber hinaus ist ein Doppelfrequenz-Phonon-Modus E₂ (unpolar), mit E₂ (niedrig) und E₂ (hoch), entsprach dem Zn-Untergitter und O₂ Atome [43]. In Raman-Spektren hängen die Peaks, die sich zu höheren und niedrigeren Wellenzahlen verschieben, von unterschiedlichen Bindungslängen zwischen Molekülen ab. Eine Zunahme der Bindungslänge bestimmt die Verschiebung zu einer niedrigen Wellenzahl und umgekehrt. Über 1300 cm ^-1 . wurden keine weiteren Peaks höherer Ordnung beobachtet (Abb. 3d). Dominanter Peak bei ~ 1069 cm ^-1 . beobachtet steht für E₂ H (charakteristischer) Modus von hexagonalem ZnO [44]. Darüber hinaus wurden auch drei kleinere Peaks bei 436, 723 und 1386 cm ⁻¹ . beobachtet die aufgrund eines hohen fluoreszierenden Hintergrunds entstanden. Darüber hinaus war das Raman-Spektrum von 8 Gew.-% dotiertem ZnO blauverschoben, was auf die Substitution von Mg ²⁺ . zurückgeführt wird mit Zn ²⁺ in ZnO-Gitter, von dem angenommen wird, dass es eine Rolle in der Gitterdynamik spielt [45]. Normalerweise treten Verschiebungen des Raman-Peaks aus drei Gründen auf:Phononeneinschlusseffekte, Gitterspannung und Sauerstoffleerstellen. Aufgenommene Spektren von XRD- und Raman-Spektroskopie bestätigten, dass die Wurtzit-ZnO-Struktur durch den Einbau von Mg nicht beeinflusst wird; jedoch wird die Qualität des Kristalls erheblich reduziert.

Zur morphologischen Bestätigung von undotiertem und dotiertem ZnO wurde HR-TEM durchgeführt (Abb. 4a–e), um die hexagonale stäbchenförmige Morphologie von ZnO:Mg abzugrenzen. Es scheint, dass Mg die Rolle der Nukleation spielte, wenn es mit Dotierung wächst [39]. Die d-Abstandswerte zwischen den Schichten für undotiertes und dotiertes ZnO wurden berechnet ~ 0.464, 0.183, 0.333, 0.27 und 0.232 nm HR-TEM-Bilder (Abb. 4a′–e′). Die d-Abstandswerte stimmen gut mit den durch XRD-Analyse erhaltenen Ebenen überein. Das Fehlen von Verunreinigungen/Sekundärphasen deutet auf einen ausreichenden Einbau von Dotierstoffatomen in ZnO-Nanostäbe ohne Clusterbildung hin [46]. Darüber hinaus wurde die Änderung des d-Abstands dem Einbau von Mg in ZnO-Gitter zugeschrieben.

a–e HR-TEM-Bilder verschiedener Konzentrationen von Mg-dotiertem ZnO und d-Abstand berechnet mit HR-TEM-Bildern von Mg-ZnO a ′–e ′ mit Mg-Gehalt (2, 4, 6 und 8 Gew.-%)

Eine Elementaranalyse wurde mit EDS durchgeführt, um das Vorhandensein von Zink und Sauerstoff in ZnO-Nanopulvern zu bestätigen (Abb. 5a–e). Das durchschnittliche Atomverhältnis (67,6:23,6) bestätigte quantitativ die Bildung von ZnO zusammen mit dem Dotierungsmittel. Gold (Au)-Peaks erscheinen in den Spektren aufgrund der Goldbeschichtung, die über die Probe gesputtert wurde, um den Aufladungseffekt zu verringern. Cu-Peaks können von dem mit dem Probenhalter verwendeten Cu-Band stammen. Einige zusätzliche Peaks (Cl, Si) können auf eine Kontamination hinweisen. Der Na-Peak kann von NaOH stammen, das verwendet wurde, um den basischen pH während der Synthese aufrechtzuerhalten. Der Na-Peak überlappt jedoch mit Zn, sodass seine Anwesenheit in der Probe nicht festgestellt werden kann.

a EDS-Analyse von ZnO und verschiedenen Konzentrationen (2, 4, 6 und 8 Gew.-%) von Mg-dotiertem ZnO (b–e ) bzw.

Der photokatalytische Prozess umfasst die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren (e-, h +) mit anschließender Trennung und Rekombination von Elektronen und Löchern (Abb. 6), was die folgende Redoxreaktion demonstriert [35].

Schematische Darstellung des Photokatalysemechanismus von Mg-dotierten ZnO-Nanostäbchen

Alle vorbereiteten Proben wurden auf ihre photokatalytischen, sonokatalytischen und sonophotokatalytischen Aktivitäten gegen MBCF als gezielte Verunreinigung untersucht. Die Abbauprofile des photokatalysierten MBCF-Farbstoffs unter UV-Licht-Bestrahlung durch synthetisierte Nanokatalysatoren sind in Abb. 7a–c dargestellt.

a Photokatalyse, b Sonokatalyse und c Sonophotokatalyse-Reaktionskinetik des MBCF-Farbstoffabbaus für Mg-dotierte ZnO-Nanostäbchen

Die auf der Kinetik pseudo-erster Ordnung basierende k (Geschwindigkeitskonstante) wurde durch Auftragen linearer Kurven von ln(Ct/Co) gegen die Expositionszeit t bestimmt. Die Abbauratenkonstante k für undotiertes und dotiertes ZnO (2, 4, 6 und 8 Gew.-%) wurde mit 0,00546, 0,00948, 0,00274, 0,00353 und 0,00336 min ⁻¹ . berechnet , bzw. (Fig. 7a). Es wurde festgestellt, dass dotiertes ZnO eine bessere photokatalytische Effizienz aufweist als reines ZnO mit einem maximalen Abbau von 26% für dotiertes ZnO (8 Gew.-%) (Abb. 8a–c). Aufgrund von Sauerstoffleerstellen an der Oberfläche war eine vergrößerte Oberfläche die Erklärung für die erhöhte photokatalytische Aktivität von dotiertem ZnO [35]. Der photoinduzierte Elektronentransfer im CB eines Halbleiters mit positiven Löchern in VB ist der grundlegende Mechanismus der Photokatalyse [15]. Bis die Exzitonen vernichtet sind, nehmen sie an Redoxreaktionen mit umgebenden Farbstoffmolekülen auf der Oberfläche von Katalysatoren teil, was zu Abbauprodukten führt. Die photoinduzierten Elektronen wirken als starkes Reduktionsmittel, das mit dem umgebenden O₂ . wechselwirkt Moleküle, um reaktives O₂ . zu erzeugen ^·− Spezies. Auf der anderen Seite wirken photoinduzierte Löcher als starkes Oxidationsmittel, das hochreaktives OH ^· . erzeugt Spezies aus Hydroxylgruppen. Die resultierende Radikalspezies (O₂ ^·− und OH ^· ) interagieren mit den umgebenden Farbstoffmolekülen, um sie in ungiftige Produkte oder Mineralien zu zersetzen.

a Photokatalyse, b Sonokatalyse und c Sonophotokatalyse Photoabbau von MBCF für Mg-dotierte ZnO-Nanostäbchen

Ein alternativer Ansatz für den effizienten Abbau organischer Abfälle in Wasser ist die Sonokatalyse (SC) [15]. Der Einfluss von Ultraschallwellen auf die MBCF-Degradation wurde mit undotiertem und dotiertem ZnO untersucht. (Abb. 7b). In Bezug auf die MBCF-Farbstoffkonzentration folgte der SC-Abbau von MBCF durch dotiertes ZnO einer Kinetik pseudoerster Ordnung. Die Konstanten der Abbaurate von undotiertem und dotiertem ZnO (2, 4, 6 und 8 Gew.-%) waren 0,02062, 0,01332, 0,00456, 0,00653 und 0,00204 min ⁻¹ , bzw. Kürzlich wurden mehrere Studien zum Abbau von SC-Farbstoffen basierend auf dem Hot-Spot-Mechanismus und der Sonolumineszenz in Gegenwart verschiedener Katalysatoren veröffentlicht. Die Bildung von Kavitationsblasen in Lösung kann durch die Erzeugung von Hot Spots durch asymmetrische Nukleation von Blasen gefördert werden. Diese Hot Spots können die Bildung von OH durch H₂ . auslösen O-Moleküle zu pyrolysieren. Der sonochemische Mechanismus erfordert typischerweise die Sonolyse von Wasser, dem Lösungsmittel unter hohem Druck und hoher Temperatur innerhalb der kollabierenden Kavitationsblasen. In MBCF and nanocatalyst solution, ultrasonic waves not only cause water sonolysis, but also catalyst couple to create charge carriers. OH radicals and superoxide anions ^· O ²⁻ can be generated by electron–hole pairs, which decompose dyes into non-toxic species [15, 47]. Sonophotocatalysis (SPC) also appears to follow pseudo-first-order kinetics, similar to photocatalysis and sonocatalysis. Degradation rate constants for undoped and doped ZnO (2, 4, 6 and 8 wt %) were 0.00242, 0.04493, 0.1776, 0.01903 and 0.01883 min ⁻¹ , respectively (Fig. 7c). Degradation performance of doped ZnO was 12, 29, 53, 58 and 87%, respectively (Fig. 8c).

These results suggest that doping plays a crucial role in the efficiency of ZnO photocatalytic. At identical operating conditions, SPC has a higher degradation rate than the corresponding individual mechanisms. The combined process reaction rate constant is greater than the sum of individual processes' rate constants, i.e., photo of Ksono > Kphoto + Ksono, which can be attributed to (i) increase in OH production in mixture, (ii) raised transfer of mass between solution and catalyst surface, and (iii) enhanced activity related to ultrasound disaggregation, consequently enhancing the area of surface [15, 48]. In order to estimate the reusability as well as sample steadiness, Fig. 9a indicates that photocatalytic switches off MBCF colorant degradation under similar conditions after back to back (four cycling experiments). In this way, sample’s degradation efficiency reduced from to 82 to 75%. Herein (Fig. 9b), there is some depletion of nanomaterial by centrifugation or washing while doing recycling experiment. Following the recycling results, it was concluded that the product lasts stable and possesses remarkable ability and acceptance for dangerous wastewater treatment. Anyhow, Table 2 shows the comparison of photocatalytic degradation efficiency of present work with other reported materials.

a Photocatalysis reusability performance of Mg-doped ZnO and b %degradation bar graph

In vitro bactericidal action of undoped and doped ZnO NRs for G-ve and G+ve bacteria is given in Table 1. Results depict improved bactericidal synergism and action of doped ZnO against E. coli in contrast to S. aureus . Inhibition zones were recorded as (1.05–2.05 mm) and (2.10–4.15 mm) for S. aureus and (0–6.15 mm) to (0–8.65 mm) for E. coli , respectively, while ZnO showed negligible efficacy for E. coli as compared to S. aureus . Moreover, control + ve depicted inhibition zone (9.00 mm) against E. coli und S. aureus parallel to control -ve (0 mm). Overall, Mg-doped ZnO exhibited substantial (P < 0.05) efficacy against G-ve as compared to G+ve bacteria.

Oxidative stress induced by prepared doped ZnO depends upon concentration, shape and size of NRs, while increment in NRs size reduces antibacterial activity. Nanosized rods generate oxygen species (ROS) to produce bacterial cell membrane as a result of extrusion of cytoplasmic content, which cause bacteria death as shown in Fig. 10. Another possible phenomenon involves strong interaction between negatively charged cell membrane and cations (Mg ²⁺ und Zn ²⁺ ) that results in crumbling of micro-pathogens [49].

Schematic illustration of bactericidal mechanism of Mg-doped ZnO nanorods

Drug resistance has been considered as major threat to mankind, and there is continuous need for discovery of more compatible antibiotics. Bactericidal activity of metal NRs is well documented, and their role as possible candidate for new antibiotic discovery has been suggested previously [50]. In silico molecular docking studies facilitate to get insight into mechanism behind their antibacterial activity. Dihydrofolate reductase (DHFR) and dihydropteroate synthase (DHPS) enzyme belonging to folate biosynthetic pathway have been reported as well-known target for trimethoprim and sulfonamide drugs, respectively [51, 52]. Here, we evaluated binding tendency of Mg-doped ZnO NRs against DHFR, DHPS and FabH enzymes from E. coli . Docked complexes revealed their binding pattern inside active site and suggested them as possible inhibitor against selected enzyme targets.

For DHFR_E.coli , the best docked complex revealed H-bonding interaction with Ile94 (3.1 Å), Tyr100 (3.1 Å) and metal–contact interaction with Met20 and Ala7 with overall binding score -7.518 kcal/mol. Binding interactions with key amino acids of active pocket and orientation of Mg-doped ZnO NP are depicted in Fig. 11a.

Binding interaction pattern of Mg-doped ZnO NRs inside active pocket a Dihydrofolate reductase (DHFR), b Dihydropteroate synthase (DHPS) from E. coli

For DHPS_E.coli , docking complexes showed H-bonding with Leu21 (3.1 Å), Asp56 (3.4 Å), Gly59 (2.9 Å), Thr62 (2.8 Å) and Arg255 (2.8 Å). In addition, the Asn22 and Ile20 interacted with NRs through metal contact inside active site as shown in Fig. 11b. These Mg-doped ZnO NPs blocked active site (binding score:-6.973 kcal/mol) and are suggested to be possible inhibitors against DHPS enzyme.

Similarly, docking of Mg-doped ZnO NRs against the β -ketoacyl-acyl carrier protein synthase III (FabH) enzyme of fatty acid biosynthetic pathway showed H-bonding interaction with Glu302 (3.3 Å), Leu220 (2.9 Å), Thr254 (3.2 Å), and Gln245 (2.7 Å) having binding score -6.548 kcal/mol (Fig. 12). Furthermore, Mg-doped ZnO NPs involved metal contact interaction with Ile250 and His241.

Binding interaction pattern of Mg-doped ZnO NRs inside active pocket β -ketoacyl-acyl carrier protein synthase III (FabH) from E. coli

Blockage of active site through binding of ligands prevents entry of substrate and thus leads to loss of enzyme activity. Owing to better antibacterial activity of Mg-doped ZnO NRs against E. coli as compared to S. aureus , in silico predictions against selected enzyme targets revealed their possible binding patterns inside active pocket and suggested them potential inhibitors of given enzymes.

A comparison of present sonophotocatalytic study with the literature is shown in Table 2.

Schlussfolgerung

Using co-precipitation technique, Mg-doped ZnO NRs were successfully synthesized, and the influence of Mg doping on the phase constitution, elemental composition, morphology and optical properties of ZnO was investigated. Using XRD analysis, the ZnO has hexagonal wurtzite phase, while the estimated crystallite size was less than 100 nm. Crystalline structure of ZnO was also improved by Mg doping, which in turn led to increased luminescence and an increase in the band gap. UV–Vis absorption spectra revealed blueshift indicating band gap widening, while ZnO rod formation was confirmed by EDS study, where an average atomic ratio of 67.6:23.6 was observed. Raman spectrum was blueshifted for higher values of doping (8 wt%) caused by substitution of Mg ²⁺ for Zn ²⁺ in ZnO lattice. PL results indicated increased visible emissions with Mg, leading to an increase in electron hole pair delocalization. Dye degradation performance of synthesized NRs was evaluated against MBCF, and best results were obtained via sonophotocatalysis with maximum degradation efficiency of 87% for Mg-doped ZnO. Inhibition zones were recorded as (1.05–2.05 mm) and (2.10–4.15 mm) for S. aureus and (0–6.15 mm) to (0–8.65 mm) for E. coli , bzw. Therefore, doped nanorods may be imposed as a control material to minimize antibiotic resistance. Furthermore, in silico molecular docking studies predicted Mg-doped ZnO NRs as potential inhibitor of DHFR, DHPS and FabH enzyme. The inhibition of given enzymes is suggested as possible mechanism behind bactericidal activity of Mg-doped ZnO NRs against E. coli .

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

DHFR:

Dihydrofolate reductase

DHPS:

Dihydropteroate synthase

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

FESEM:

Field emission scanning electron microscopy

G+ve:

Gram-positive

G-ve:

Gram-negative

HR-TEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

JCPDS:

Gemeinsamer Ausschuss für Pulverbeugungsstandards

Mg:

Magnesium

UV–Vis:

Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung

ZnO:

Zinkoxid