Verbesserte photokatalytische und antimikrobielle Leistung von Mg-dotierten ZnO-Nanoröhrchen: Strukturcharakterisierung und Molekulardocking-Einblicke

Zusammenfassung

Verschiedene Konzentrationen von Mg-dotierten ZnO-Nanoröhrchen (NRs) wurden mittels Ko-Fällungstechnik hergestellt. Ziel dieser Studie war die Verbesserung der photokatalytischen Eigenschaften von ZnO. Der Einfluss der Mg-Dotierung auf Struktur, Phasenzusammensetzung, Vorhandensein funktioneller Gruppen, optische Eigenschaften, elementare Zusammensetzung, Oberflächenmorphologie und Mikrostruktur von ZnO wurde mit XRD, FTIR, UV-Vis-Spektrophotometer, EDS und HR-TEM bewertet. Optische Absorptionsspektren der hergestellten Proben zeigten einen Blaueffekt (Blueshift) bei Dotierung. XRD-Ergebnisse zeigten eine hexagonale Wurtzit-Phase des Nanokomposits mit allmählicher Abnahme der Kristallitgröße bei Mg-Zugabe. PL-Spektroskopie zeigte Fang-Effizienz und Migration von Ladungsträgern mit Elektron-Loch-Rekombinationsverhalten, während HR-TEM den Zwischenschicht-d-Abstand schätzte. Das Vorhandensein chemischer Bindungen, Schwingungsmodi und funktioneller Gruppen an der ZnO-Grenzfläche wurde durch FTIR- und Ramanspektren aufgedeckt. In dieser Studie wurden photokatalytische, sonokatalytische und sonophotokatalytische Leistung der hergestellten NRs systematisch durch Abbau eines Gemischs aus Methylenblau und Ciprofloxacin (MBCF) untersucht. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass Mg-dotierte ZnO-NRs eine verbesserte Abbauleistung aufwiesen. Wir glauben, dass das in dieser Studie synthetisierte Produkt ein vorteilhafter und vielversprechender Photokatalysator für Abwasserbehandlung sein wird. Abschließend zeigte Mg-dotiertes ZnO signifikante (p < 0,05) Wirksamkeit gegen gramnegative (G-) im Vergleich zu grampositiven (G+) Bakterien. In-silico-Molekulardocking-Studien von Mg-dotierten ZnO-NRs gegen DHFR (Bindungsscore: -7,518 kcal/mol), DHPS (Bindungsscore: -6,973 kcal/mol) und FabH (-6,548 kcal/mol) von E. coli sagten die Hemmung der gegebenen Enzyme als möglichen Mechanismus hinter ihrer bakteriziden Aktivität voraus.

Einleitung

Organische Schadstoffeinleitungen in Gewässer und infektiöse bakterielle Kontaminanten in Lebensmitteln werden zu führenden Herausforderungen, die überwunden werden müssen, um eine gesunde Umwelt in unserer Umgebung aufrechtzuerhalten [1, 2]. Als Beispiel fordern Infektionen durch Shigella flexneri Bakterien jährlich etwa 1,5 Millionen Todesfälle durch Lebensmittel- und Getränkekontamination [3]. Toxische und krebserregende Farbstoffe, die in aquatische Umgebungen freigesetzt werden, stellen ernste Risiken für Umwelt und öffentliche Gesundheit dar [4]. Diese Farbstoffe beeinträchtigen auch die photosynthetische Aktivität aquatischer Lebensformen wie Cyanobakterien und Algen, die die Transparenz von Süßwasser verringern [5].

Zahlreiche experimentelle Studien wurden durchgeführt, um physikalische, biologische und chemische Methoden sowie neue Technologien zur Farbstoffentfernung aus Abwasser zu entwickeln. Bisher wurden physikalische Methoden einschließlich Ultrafiltrationsmembranen, Adsorption und Fällung [6] sowie biologische Ansätze untersucht. Darüber hinaus wurden Biodegradationsverfahren zum Abbau löslicher organischer Stoffe zur Beseitigung von Bakterien in Einleitungen eingesetzt, während chemische Methoden photochemische Entfärbung, Chlorung und Ozonung [7] umfassten. Konventionelle Abwasserbehandlungsmethoden, einschließlich chemischer Fällung, Adsorption, Koagulation und Trennung, sind keine geeigneten Techniken, da sie den Transfer von Farbstoffen von einem Punkt zum anderen erfordern und Sekundärkontamination verursachen [8]. Daher suchen Forscher nach umweltfreundlichen Behandlungstechnologien, die den direkten Abbau organischer Schadstoffe in harmlose Verbindungen beinhalten [9].

Kürzlich haben photokatalytische und sonokatalytische fortschrittliche Oxidationsprozesse (AOPs) in Gegenwart von Halbleiter-Nanopartikeln (NPs) aufgrund ihrer chemischen Stabilität, Kosteneffizienz und Ungiftigkeit viel Aufmerksamkeit erlangt [10,11,12]. Photokatalyse ist eine verbesserte Oxidationsmethode, die die Erzeugung von Ladungsträgern in einem Halbleiter-Photokatalysator bei Lichtbestrahlung beinhaltet. Photogenerierte Ladungsträger nehmen an Redox-Reaktionen teil und entfernen Schadstoffe aus Wasser [13, 14]. Mehrere Studien haben gezeigt, dass OH^·-Radikalarten sich auf der Photokatalysatoroberfläche während photochemischer Reaktionen ansammeln und zum Abbau verschiedener organischer Farbstoffe führen. Heutzutage scheint die Synergie von photokatalytischer (PCA) und ultraschallbestrahlung, sogenannte Sonophotokatalyse (SPCA), als Folge einer Zunahme der OH^·-Ionenproduktion die Degradationseffizienz von Nanokatalysatoren zu erhöhen. Tatsächlich hat SPCA gezeigt, dass sie einen positiven Einfluss auf die Degradationsrate chemischer Verbindungen in Wasser hat, die giftig, gefährlich und vergiftend sind [15]. Derzeit hat der Einsatz von Metalloxid-NPs für die Behandlung verschmutzten Wassers aufgrund ihres Kosten-Nutzen-Verhältnisses, Umweltfreundlichkeit, Stabilität und Wiederverwertbarkeit das Interesse der Forscher geweckt [16, 17]. Außerdem haben breitbandige anorganische Halbleiter wie TiO₂, WO₃, ZrO₂ und ZnO sich in lichtinduzierten katalytischen Redox-Prozessen zum Farbstoffabbau als erfolgreich erwiesen [18, 19]. ZnO, ein bekannter breitbandiger Halbleiter (Eg=3,37 eV), zeigt außergewöhnliches Potenzial aufgrund aktiver Oberflächenfehlerstellen in PCA-Anwendungen, hervorragender physikochemischer Stabilität, hohem Oxidations-Reduktions-Potenzial, großer Bindungsenergie von Exzitonen (∼60 meV), zusätzlich zu niedrigen Kosten und Ungiftigkeit [20,21,22,23]. Unter verschiedenen Metallen ist Magnesium (Mg) der faszinierendste Dotierstoff zur Synthese optischer Eg-engineered ZnO-Nanomaterialien. Die Substitution von Mg in ZnO wird aufgrund folgender Faktoren begünstigt: (i) invariante Gitterkonstanten, (ii) ionische Radien sind sehr ähnlich (Mg²⁺= 0,72 Å und Zn²⁺= 0,74 Å), (iii) hohe Löslichkeit von Mg in ZnO, (iv) dotiertes ZnO liefert eine Erhöhung von Eg und UV-Vis-Lumineszenzintensität, was für optoelektronische Anwendungen nützlich ist. Darüber hinaus kann Mg-dotiertes ZnO als effektiver Photokatalysator für Farbstoffabbau und ermutigendes antibakterielles Mittel aufgrund seiner breiten optischen Bandlücke dienen [23].

In dieser Forschungsarbeit wurde der Ko-Fällungsweg angewendet, um effiziente Mg-dotierte ZnO-Nanokomposite für katalytische und bakterizide Aktivitäten zu synthetisieren. Die hergestellten Proben wurden durch XRD, HR-TEM, EDS, FTIR, UV-Vis und Ramanspektroskopie für detaillierte Analysen charakterisiert. Die katalytische Aktivität der hergestellten Proben wurde zum Abbau eines Gemischs aus Methylenblau und Ciprofloxacin (MBCF) untersucht, während die antibakterielle Aktivität gegen G+ und G- Bakterien getestet wurde. Zusätzlich wurden Molekulardocking-Studien an Dihydrofolatreduktase (DHFR) und Dihydropteroatsynthase (DHPS) des Folsäure-Biosynthesewegs und β-Ketoacyl-Acyl-Carrier-Protein-Synthase III (FabH) des Fettsäure-Biosynthesewegs durchgeführt.

Methoden

Materialien

Zinknitrat-Tetrahydrat (Zn(NO₃)·4H₂O, 99,0 %), Magnesiumchlorid-Hexahydrat (MgCl₂·6H₂O, 99,0 %) und Natriumhydroxid (NaOH, 99,0 %) wurden von Sigma-Aldrich bezogen.

Synthese von Mg-dotiertem Zinkoxid (ZnO)

Verschiedene Konzentrationen von Mg-dotiert in eine feste Menge ZnO-Nanomaterialien wurden mit Ko-Fällungsmethode synthetisiert. 0,5 M Zn(NO₃)·4H₂O-Lösung wurde als Zn-Vorläufer verwendet, und die gewünschte Menge (2, 4, 6 und 8 Gew.-%) des Dotierstoffs wurde durch Zugabe von MgCl₂ in die Lösung hinzugefügt. Die hergestellten Lösungen wurden 90 min bei 80 °C in deionisiertem Wasser (DI-Wasser) gerührt, während der pH-Wert durch langsames Zugabe von NaOH (0,1 M) in die gerührte Lösung auf ca. 12 gehalten wurde. Die erhaltenen Niederschläge wurden bei 4000 U/min (20 min) zentrifugiert, 24 Stunden bei 100 °C getrocknet und dann gemahlen, um feines Pulver zu erhalten (Abb. 1).

Materialcharakterisierung

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

Photokatalytische, sonokatalytische und sonophotokatalytische Aktivität

Sonokatalytische (SCA) und sonophotokatalytische Aktivität (SPCA) des MBCF-Abbaus wurde in Ultraschallbädern für ZnO und Mg:ZnO-Katalysatoren bei einer festen Frequenz von ~ 35 kHz getestet. Ebenso wurde unter sichtbarer Lichtbestrahlung photokatalytischer Abbau für ZnO und Mg:ZnO-Nanokatalysatoren gegen MBCF getestet. In jedem Experiment wurde in 50 mL Modelfarbstoff Photokatalysator (10 mg) suspendiert und die Lösung 10–15 min im Dunkeln platziert, um das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht zu erreichen. Sichtlicht (Photokatalyse - PCA), Ultraschall (Sonokatalyse - SCA) und kombinierte Sichtlichtbestrahlung mit Ultraschall (Sonophotokatalyse - SPCA) wurden methodisch unter suspendierten Lösungen platziert. Alle regelmäßigen Zeitintervalle wurden 3 mL Suspension für Absorptionsanalyse gesammelt. Der resultierende Farbstoffbestandteil wurde durch Bestimmung des Unterschieds im λ max = 670 nm von MBCF beobachtet. Die blaue Farblösung verblasste im Laufe der Zeit aufgrund des MBCF-Abbaus in Gegenwart von Nanokatalysatoren. Schließlich wurde der Abbaugrad (Ct/Co), wobei Ct die zeitliche Farbstoffkonzentration und Co die initiale Farbstoffkonzentration ist, bewertet. Der prozentuale Abbau für jede Probe wurde ebenfalls mit der Gleichung berechnet: % Abbau = ((Co - Ct)/Co) × 100.

Isolierung und Identifizierung von S. aureus und E. coli

Milchproben (Rind) von Kühen mit subklinischer Mastitis wurden von verschiedenen Farmen gesammelt. Die inkubierten Proben (auf 5 % Schafblutagar gewachsen) wurden mit MSA (Mannitol-Salz-Agar) und MA (MacConkey-Agar) für G+ S. aureus und G- E. coli bestrichen (pH ~ 7). Charakteristische Kolonien wurden durch biochemische (Katalase- und Koagulasetest) und morphologische Analyse (Gram-Färbung) identifiziert.

Antibakterielle Aktivität

Die bakterizide Leistung der synthetisierten NRs wurde an G- und G+ Bakterienstämmen mit Agar-Well-Diffusionsmethode durch Bestreichen von 1,5 × 10⁸ CFU/mL S. aureus und E. coli Isolaten mit MSA und MA untersucht. Wells mit 6 mm Durchmesser wurden mit einem sterilen Korkbohrer auf bestrichenen MSA- und MA-Petrischalen gebildet. Im Vergleich zur Negativkontrolle (DI-Wasser) und Positivkontrolle (Ciprofloxacin) wurden verschiedene Konzentrationen von Mg:ZnO NRs (0,5 mg/50 μl) und (1,0 mg/50 μl) verwendet. Die dosierten Petrischalen wurden über Nacht inkubiert (37 °C), und die antibakterielle Leistung der NRs wurde durch Messung der Hemmzonendurchmesser mit Messschieber aufgezeichnet. Mittels einseitiger Varianzanalyse (ANOVA) mit SPSS 20 wurde die statistisch gemessene Wirksamkeit in Bezug auf Hemmzonen als signifikant betrachtet.

Molekulardocking-Studien

In-silico-Molekulardocking-Studien als effektiver Ansatz zur Identifizierung wesentlicher struktureller Merkmale hinter der antibakteriellen Aktivität dotierter ZnO-NRs wurden zur Vorhersage ihres möglichen Mechanismus eingesetzt. Die Schlüsselenzyme des Folsäure-Biosynthesewegs, nämlich Dihydrofolatreduktase (DHFR) und Dihydropteroatsynthase (DHPS) sowie β-Ketoacyl-Acyl-Carrier-Protein-Synthase III (FabH) Enzym des Fettsäure-Biosynthesewegs, wurden als attraktives Ziel für Antibiotikaentdeckung berichtet. Die 3D-strukturellen Merkmale der ausgewählten Enzyme wurden aus der Protein Data Bank abgerufen und mit Protein-Vorbereitungstool für das Docking von Mg-dotierten ZnO-NRs in die aktive Stelle vorbereitet.

Der Zugangscode für die ausgewählten Ziele war: 2ANQ (DHFR_E.coli) [24], 5U0V (DHPS_E.coli) [25] und 4Z8D (FabH_E.coli) [26]. Molekulardocking-Studien wurden mit ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) Software [27] durchgeführt, wobei Proteinstrukturen durch Energie-Minimierungstool optimiert wurden. Wassermoleküle aus der Kristallstruktur zusammen mit ko-kristallisiertem Liganden wurden entfernt, gefolgt von der Addition polarer H-Atome für Proteinstrukturbereitung, und Grid-Box wurde verwendet, um die aktive Tasche zu identifizieren. Schließlich wurden die am besten gedockten Komplexe für Bindungsinteraktionsanalyse ausgewählt, um Schlüsselaminosäuren zu beobachten, die an der Ligandenbindung beteiligt sind. Discovery Studio Visualizer und Pymol wurden für die Analyse der gedockten Komplexe verwendet.

Ergebnisse und Diskussion

Strukturelle Eigenschaften und Phasenzusammensetzung von dotierfreiem und dotiertem ZnO wurden mittels Röntgenbeugung (Abb. 2a) bewertet. 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) zugeordnet werden, was bestätigte, dass ZnO eine hexagonale Struktur (JCPDS Nr. 361451) mit Raumgruppe P6₃mc aufweist. Zwei Peaks spiegeln Verunreinigungen von Verbindungen wider, die Zink-Carboxylat enthalten (durch schwarze Pfeile markiert). Diese Zink-Carboxylat-Spuren könnten durch Reaktion des Zn-Vorläufers mit anderen Reaktanten während der Synthese entstanden sein [28]. Die Kristallitgröße von ZnO wurde mit der Scherrer-Formel auf 26 nm geschätzt, die allmählich auf 23 nm bei steigender Dotiermenge (bei 8 Gew.-%) abnahm. Um die erfolgreiche Einbindung von 'Mg' in das Wirtsgitter zu gewährleisten, wurden drei prominente Peak-Positionen (100), (002) und (101) Ebenen verfolgt [23]. Es wird angenommen, dass ZnO-Peaks bei Dotierung mit Mg in Richtung höherer 2θ verschieben, während mehrere Studien eine allmähliche Reduktion der Kristallitgröße bei Zugabe von Dotierstoffen wie Mg, Fe und Al zu ZnO berichten [29, 30]. Mehrere Faktoren, einschließlich Druckspannung durch den Unterschied in den Zn-Ionenradien und Dotierstoff-Ionen, Kristallwachstumsbehinderung und/oder Defektgenerierung in den Kristallen bei Dotierung, könnten das ZnO-Wachstum unterdrücken. Die bei dotiertem ZnO-NRs beobachteten Peak-Verschiebungen könnten auf Mg-Ionen zurückgeführt werden, die Zn-Ionen aufgrund des Ionenradienunterschieds zwischen Mg²⁺ (0,57 Å) und Zn²⁺ (0,60 Å) substituierten [23, 29].

SAED-Muster von dotiertem ZnO zeigten helle Punkte aufgrund von Elektronenbeugung. Jeder Punkt stammte von einer Reihe paralleler Ebenen innerhalb der synthetisierten Produktkristallstruktur, die die Bragg-Beugungsbedingung beeinflussten. Miller-Indizes wurden entsprechend wie in Abb. 2b–d zugewiesen. Muster wurden mit Ebenen (002), (100), (101) und (102) indiziert, die mit der hexagonalen Struktur von ZnO mit Elektronenstrahl, der entlang der [101] Zonenachse projiziert, verbunden sind [31]. Im Allgemeinen wird die anisotrope Wachstumsrichtung von ZnO sowohl durch interfaciale freie Energie als auch Wasserlösungspotenzial bestimmt. Die relative Geschwindigkeit des Wachstums verschiedener Ebenen kontrolliert auch das Wachstum. Das Wachstum wird auch durch die relative Wachstumsgeschwindigkeit verschiedener Ebenen kontrolliert [32].

FTIR-Analyse wurde durchgeführt, um das Vorhandensein funktioneller Gruppen, Oberflächenchemie und Schwingungsmodi für chemische Bindungen in den Proben zu untersuchen (Abb. 2e). Bänder von 400 bis 560 cm^-1 sind der Streckung von Zn-O-Zn-Schwingungsmodi zugeordnet, die die ZnO-Bildung bestätigten. Niedrigfrequenz-/Fingerabdruckbereichsbänder wurden M-O-Translationsschwingungen (590, 670 cm⁻¹) und O-M-O (430 cm⁻¹) zugeordnet [33]. Mit zunehmender Mg-Konzentration wurde keine signifikante Änderung im Absorptionsband von Zn-O und Intensität beobachtet. Band bei 1651 cm^-1 entspricht symmetrischer C=O-Streckung, die mit zunehmender Beladung von Magnesiumnitrat stark intensiviert wird, während ~ 1362 cm^-1 Band asymmetrischer C-O-Streckung entspricht. Kohlenstoff aus Ausgangsmaterialien könnte unbeabsichtigt in NRs eingebaut worden sein, während das Erscheinen eines breiten Transmissionsbands bei 3456 cm^-1 der O-H-Streckung von oberflächenadsorbierten Wassermolekülen entspricht [34].

Um die Änderung des Absorptionsverhaltens bei Dotierung zu überprüfen, wurde UV-Vis-Spektrometrie für dotierte und undotierte Proben eingesetzt. UV-Vis-Absorptionsspektren der synthetisierten NRs wurden im 250 bis 600 nm Bereich als Funktion der Wellenlänge aufgezeichnet (Abb. 3a). Proben zeigten maximale Absorption um 370–395 nm, mit einer Verschiebung der Absorptionskante in Richtung niedrigerer Wellenlänge bei verschiedenen Dotierkonzentrationen. Diese Zunahme der Absorption und Verschiebung bei Dotierung manifestiert sich in Sauerstoffmangel, Partikelgrößeffekt und Korngitterdefekten [35]. Aus Abb. 3a extrahierte Werte wurden verwendet, um die optische Bandlücke (Eg) von ZnO (mittels Tauc-Plot) zu berechnen, die von 3,32 auf 3,72 eV bei Mg-Dotierung anstieg (Abb. 3b) [36, 37]. Dieser Blueshift in Eg kann dem Burstein-Moss-Effekt-Phänomen zugeschrieben werden. In der Metalloxid-Methode wird berichtet, dass Partikelgrößenreduktion zu einem Blueshift der Bandlücke aufgrund des Quantenkonfinement-Effekts (QCE) führt. QCE ist jedoch nicht der einzige Grund; Dotierung kann auch lokale Symmetrie beeinflussen und Gitterdefektzentren erzeugen, die die Bandstruktur ändern und signifikante Verschiebungen in optischen Eigenschaften induzieren [38]. Wie früher in der XRD-Analyse beschrieben, erzeugt Mg, das in ZnO dotiert ist, Sauerstoffvacanzen im Wirtskristall, die als Donatoren im System wirken und sich als positiv geladene Ionen verhalten, indem sie Elektronen an das CB abgeben. Da die Konzentration der Elektronenträger die Zustandsdichte im CB übersteigt, wird das Fermi-Energieniveau in das CB gedrängt. Zn²⁺-Substitution in Mg²⁺ führt zu einer Erhöhung der Elektronenkonzentration und Sauerstoffvacanz aufgrund von Ionenradien- und Elektronegativitätsunterschieden beider Materialien, und somit führt die Erhöhung der Trägerdichte zur Anhebung des Fermi-Niveaus in das entartete Halbleiter-CB, da ZnO einer der am stärksten entarteten Halbleiter ist. Aufgrund dieser Wirkung verschiebt sich das Fermi-Niveau sowie seine Position in Abhängigkeit von der Konzentration freier Elektronen und Anregung von Elektronen vom VB zum Fermi-Niveau, was zu einer Erhöhung der freien Elektronendichte und Bandlückenerweiterung führt [39]. Dieser Burstein-Moss-Shift trägt zur beobachteten Eg-Verbreiterung von Mg-dotierten ZnO-NRs bei.

PL-Analyse ist ein wertvolles Werkzeug, um bessere Informationen über Verunreinigungen, Übergänge und Dotierstoffe durch Untersuchung von Emissionsspektren zu erhalten. Quanteneffekte beeinflussen die physikalischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien im Nanomaßstab, wie ZnO sein optisches Verhalten durch Erhöhung des Quantenkonfinements ändert, beobachtet aus PL [40]. PL-Spektren verschiedener Konzentrationen von Mg, die in ZnO eingebaut wurden, wurden mit Anregung λ~325 nm bei Raumtemperatur gemessen (Abb. 3c). Für undotiertes und dotiertes ZnO wurden breite Tiefe-Niveau- und Nahbandemissionen detektiert. Alle Proben zeigten einen Emissionspeak im UV-Bereich, der der Exzitonenrekombination zugeschrieben wird. Peaks im sichtbaren Bereich erscheinen aufgrund von Defektzuständen (Donator), wie O₂ Vacanzen-V_o, Zn-Interstitials-Zn_i, Defektzustände (Akzeptor) aus Zinkvacanzen-V_z und Sauerstoffinterstitials-O_i [39]. Das Intensitätsverhältnis der Peaks im UV- und sichtbaren Bereich wird hauptsächlich von der Kristallqualität dotierter Materialien beeinflusst, da die Defektdichte mit zunehmender Kristallinität abnimmt. Proben zeigten Emissionspeaks um 408 nm, die dem Nahbandkanten-NBE-Übergang von ZnO zugeschrieben werden [39]. Die bei 408, 442, 467, 488 nm gefundenen Peaks führen zu blauer Emission und sind Zn-Interstitials mit einer Hauptviolettemission bei 408 nm zuzuschreiben. Schwache Emissionen bei 442, 467 und 488 nm werden Donor-Akzeptor (D/A) Paarrekombination zugeschrieben, die verschiedene Defektniveaus in Proben involvieren. Emission bei 488 nm ist auf Elektronen in einfach ionisierten O₂ Vacanzen mit photoangeregten Löchern im VB zurückzuführen [41]. Die Intensität der breiten Tiefe-Niveau-Emission nahm bei Dotierung zu, während NBE-Emissionspeaks in einen höheren Energiebereich verschoben wurden. Dieser Blueshift der NBE-Emission könnte auf Basis des Burstein-Moss-Effekts interpretiert werden. ZnO ist ein n-Typ-Material, und bei starker Dotierung verschiebt sich sein Fermi-Niveau in das Leitungsband. Daher muss die Absorption einen Blueshift aufweisen, wie von Burstein vorgeschlagen; gefüllte Bereiche würden optische oder thermische Anregungen blockieren [42]. Eine Zunahme der PL-Intensität wurde für dotierte Proben beobachtet, was auf reduzierte Elektronentransfereffizienz hindeutet.

Ramansstreuung ist eine empfindliche und nichtdestruktive Technik, um Mikrostruktur zu untersuchen und Eigenschaften im Zusammenhang mit Schwingungszuständen von Nanomaterialien zu analysieren. Wurtzit-Zinkoxid mit primitiver Zelle, die zwei Formeleinheiten enthält, wird in C_6ν Raumgruppe platziert. Optische Phononen in der primitiven Zelle im reziproken Raum werden aus irreduzibler Relation gerechtfertigt: Г_opt = 1A₁+2B₁+ E₁+2E₂, wobei B₁ Ramans stille Modi repräsentiert, während A₁ und E₁ polare Modi (langreichweitige Coulomb-Kräfte) sind, die in longitudinal-optische (LO) und transvers-optische (TO) Phononen aufgespalten sind. Darüber hinaus entspricht ein doppelter Frequenz-Phononenmodus E₂ (unpolar), der E₂ (niedrig) und E₂ (hoch) hat, Zn-Teillattice und O₂ Atome [43]. In Ramanspektren sind Peaks, die in Richtung höherer und niedrigerer Wellenzahl verschieben, von variierenden Bindungslängen zwischen Molekülen abhängig. Zunahme der Bindungslänge regelt Verschiebung in Richtung niedriger Wellenzahl und umgekehrt. Keine weiteren Hochordnungspeaks wurden über 1300 cm^-1 beobachtet (Abb. 3d). Der dominierende Peak bei ~ 1069 cm^-1 repräsentiert E₂H (charakteristischer) Modus von hexagonalem ZnO [44]. Darüber hinaus wurden drei kleine Peaks um 436, 723 und 1386 cm⁻¹ beobachtet, die aufgrund hoher fluoreszierender Hintergrund entstanden. Zudem war das Ramanspektrum von 8 Gew.-% dotiertem ZnO blueshifted, was auf Substitution von Mg²⁺ mit Zn²⁺ im ZnO-Gitter zurückgeführt wird, von dem angenommen wird, dass es eine Rolle in der Gitterdynamik spielt [45]. Normalerweise treten Ramanspeak-Verschiebungen aus drei Gründen auf: Phononenkonfinementeffekte, Gitterspannung und Sauerstoffvacanzen. Erhaltene Spektren aus XRD und Ramanspektroskopie bestätigten, dass Wurtzit-ZnO-Struktur durch Mg-Einbau unbeeinflusst bleibt; die Kristallqualität wird jedoch signifikant reduziert.

Zur morphologischen Bestätigung von undotiertem und dotiertem ZnO wurde HR-TEM durchgeführt (Abb. 4a–e), um die hexagonale stäbchenartige Morphologie von ZnO:Mg abzugrenzen. Es scheint, dass Mg die Rolle der Nukleation zeigte, da es mit Dotierung wächst [39]. Zwischenschicht-d-Abstandswerte für undotiertes und dotiertes ZnO wurden ~ 0,464, 0,183, 0,333, 0,27 und 0,232 nm aus HR-TEM-Bildern (Abb. 4a′–e′) berechnet. Die d-Abstandswerte stimmen gut mit den aus XRD-Analyse erhaltenen Ebenen überein. Kein Vorhandensein von Verunreinigungen/Sekundärphasen deutet auf adäquate Einbindung von Dotierstoffatomen in ZnO-Nanoröhrchen ohne Clustering hin [46]. Darüber hinaus wurde die Änderung des d-Abstands auf Mg-Einbau in ZnO-Gitter zurückgeführt.

Elementaranalyse wurde mit EDS durchgeführt, um das Vorhandensein von Zink und Sauerstoff in ZnO-Nanopulvern zu bestätigen (Abb. 5a–e). Der durchschnittliche Atomverhältnis (67,6:23,6) bestätigte quantitativ ZnO-Bildung zusammen mit dem Dotierstoff. Gold (Au) Peaks erscheinen in Spektren aufgrund der Goldbeschichtung, die auf das Proben aufgesputtert wurde, um Ladungseffekte zu reduzieren. Cu-Peaks können vom Cu-Band stammen, das mit dem Probenhalter verwendet wird. Einige zusätzliche Peaks (Cl, Si) können Kontamination anzeigen. Na-Peak kann von NaOH stammen, das verwendet wurde, um basischen pH während der Synthese aufrechtzuerhalten. Allerdings überlappt Na-Peak mit Zn, daher kann sein Vorhandensein in der Probe nicht festgestellt werden.

Der photokatalytische Prozess beinhaltet Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren (e-, h+) mit nachfolgender Trennung und Rekombination von Elektronen und Löchern (Abb. 6), die folgende Redox-Reaktion demonstrieren [35].

ZnO + hν → ZnO (e_CB + h_VB)

e_CB + O₂ → O₂^·-

O₂^·- + Farbstoff degradierte Produkte + CO₂ + H₂O

OH^· + Farbstoff degradierte Produkte + CO₂ + H₂O

Alle hergestellten Proben wurden auf ihre photokatalytische, sonokatalytische und sonophotokatalytische Aktivität gegen MBCF als Zielkontaminant evaluiert. Die Abbauprofile des MBCF-Farbstoffs, photokatalysiert unter UV-Lichtbestrahlung durch synthetisierte Nanokatalysatoren, sind in Abb. 7a–c dargestellt.

Der pseudo-erstordnungs-basierte Geschwindigkeitskonstante k wurde durch lineares Plotten von ln(Ct/Co) gegen Expositionszeit t bestimmt. Abbaugeschwindigkeitskonstante k für undotiertes und dotiertes ZnO (2, 4, 6 und 8 Gew.-%) wurde auf 0,00546, 0,00948, 0,00274, 0,00353 und 0,00336 min⁻¹ berechnet (Abb. 7a). Dotiertes ZnO zeigte bessere photokatalytische Effizienz als reines ZnO mit maximalem Abbau von 26% für dotiertes ZnO (8 Gew.-%) (Abb. 8a–c). Aufgrund des Vorhandenseins von Oberflächen-Sauerstoffvacanzen war die erhöhte Oberfläche die Erklärung hinter der erhöhten photokatalytischen Aktivität von dotiertem ZnO [35]. Photoinduzierter Elektronentransfer in das CB eines Halbleiters mit positiven Löchern im VB ist der fundamentale Mechanismus der Photokatalyse [15]. Bis die Exzitonen vernichtet werden, nehmen sie an Redox-Reaktionen mit umliegenden Farbstoffmolekülen auf der Katalysatoroberfläche teil, was zu degradierten Produkten führt. Die photoinduzierten Elektronen wirken als starkes Reduktionsmittel, das mit umliegenden O₂-Molekülen interagiert, um reaktive O₂^·−-Arten zu erzeugen. Andererseits wirken photoinduzierte Löcher als starkes Oxidationsmittel, das hochreaktive OH^·-Arten aus Hydroxylgruppen erzeugt. Die resultierenden Radikalarten (O₂^·− und OH^·) interagieren mit umliegenden Farbstoffmolekülen, um sie in ungiftige Produkte oder Mineralien abzubauen.

Ein alternativer Ansatz für effizienten Abbau organischer Abfälle in Wasser ist Sonokatalyse (SC) [15]. Der Einfluss von Ultraschallwellen auf MBCF-Abbau wurde mit undotiertem und dotiertem ZnO untersucht (Abb. 7b). In Bezug auf MBCF-Farbstoffkonzentration folgte SC-Abbau von MBCF durch dotiertes ZnO pseudo-erstordnungs-Kinetik. Abbaugeschwindigkeitskonstanten von undotiertem und dotiertem ZnO (2, 4, 6 und 8 Gew.-%) betrugen 0,02062, 0,01332, 0,00456, 0,00653 und 0,00204 min⁻¹. Mehrere Studien wurden kürzlich über SC-Farbstoffabbau berichtet, basierend auf Hot-Spot-Mechanismus und Sonolumineszenz, in Gegenwart verschiedener Katalysatoren. Kavitationsblasenbildung in Lösung kann durch Erzeugung von Hot Spots durch asymmetrische Nukleation von Blasen gesteigert werden. Diese Hot Spots können OH auslösen, das durch H₂O-Moleküle pyrolytisch gebildet wird. Der sonochemische Mechanismus erfordert typischerweise Wassersonolyse, das Lösungsmittel unter hohem Druck und Temperatur innerhalb kollabierender Kavitationsblasen. In MBCF- und Nanokatalysatorlösung verursachen Ultraschallwellen nicht nur Wassersonolyse, sondern auch Katalysator-Kopplung zur Erzeugung von Ladungsträgern. OH-Radikale und Superoxid-Anionen ^·O²⁻ können durch Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, die Farbstoffe in ungiftige Arten zersetzen [15, 47]. Sonophotokatalyse (SPC) scheint ebenfalls pseudo-erstordnungs-Kinetik zu folgen, ähnlich wie Photokatalyse und Sonokatalyse. Abbaugeschwindigkeitskonstanten für undotiertes und dotiertes ZnO (2, 4, 6 und 8 Gew.-%) betrugen 0,00242, 0,04493, 0,1776, 0,01903 und 0,01883 min⁻¹ (Abb. 7c). Abbauleistung von dotiertem ZnO betrug 12, 29, 53, 58 und 87% (Abb. 8c).

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Dotierung eine entscheidende Rolle für die Effizienz der ZnO-Photokatalyse spielt. Unter identischen Betriebsbedingungen hat SPC eine höhere Abbaurate als die entsprechenden einzelnen Mechanismen. Die kombinierte Prozessreaktionsgeschwindigkeitskonstante ist größer als die Summe der individuellen Prozessgeschwindigkeitskonstanten, d.h., k_photo + k_sono < k_SPC, was auf (i) Erhöhung der OH-Produktion im Gemisch, (ii) erhöhten Massentransfer zwischen Lösung und Katalysatoroberfläche und (iii) erhöhte Aktivität im Zusammenhang mit Ultraschall-Disaggregation, folglich Erhöhung der Oberfläche, zurückgeführt werden kann [15, 48]. Um die Wiederverwendbarkeit sowie Probenstabilität zu schätzen, zeigt Abb. 9a, dass photokatalytischer Schalter MBCF-Farbstoffabbau unter ähnlichen Bedingungen nach vier aufeinanderfolgenden Zyklexperimenten ausschaltet. Dabei reduzierte sich die Abbaueffizienz der Probe von 82 auf 75%. Hier (Abb. 9b) gibt es einige Erschöpfung des Nanomaterials durch Zentrifugation oder Waschen beim Recycling-Experiment. Nach den Recycling-Ergebnissen wurde geschlossen, dass das Produkt stabil bleibt und bemerkenswerte Fähigkeit und Akzeptanz für gefährliche Abwasserbehandlung besitzt. Jedenfalls zeigt Tabelle 2 den Vergleich der photokatalytischen Abbaueffizienz der vorliegenden Arbeit mit anderen berichteten Materialien.

In-vitro bakterizide Wirkung von undotierten und dotierten ZnO-NRs für G- und G+ Bakterien ist in Tabelle 1 gegeben. Ergebnisse zeigen verbesserte bakterizide Synergie und Wirkung von dotiertem ZnO gegen E. coli im Gegensatz zu S. aureus. Hemmzonen wurden als (1,05–2,05 mm) und (2,10–4,15 mm) für S. aureus und (0–6,15 mm) bis (0–8,65 mm) für E. coli aufgezeichnet, während ZnO vernachlässigbare Wirksamkeit für E. coli im Vergleich zu S. aureus zeigte. Zudem zeigte Kontrolle +ve Hemmzone (9,00 mm) gegen E. coli und S. aureus parallel zu Kontrolle -ve (0 mm). Insgesamt zeigte Mg-dotiertes ZnO signifikante (P < 0,05) Wirksamkeit gegen G- im Vergleich zu G+ Bakterien.

Oxidativer Stress, der durch hergestelltes dotiertes ZnO induziert wird, hängt von Konzentration, Form und Größe der NRs ab, während Zunahme der NRs-Größe die antibakterielle Aktivität reduziert. Nanoskalige Stäbe erzeugen Sauerstoffarten (ROS), um bakterielle Zellmembran als Ergebnis der Extrusion von Zytoplasmainhalt zu produzieren, was Bakterientod verursacht, wie in Abb. 10 gezeigt. Ein weiterer möglicher Phänomen beinhaltet starke Wechselwirkung zwischen negativ geladener Zellmembran und Kationen (Mg²⁺ und Zn²⁺), was zum Zerfall von Mikropathogenen führt [49].

Medikamentenresistenz wurde als große Bedrohung für die Menschheit betrachtet, und es besteht kontinuierlicher Bedarf an Entdeckung kompatiblerer Antibiotika. Bakterizide Aktivität von Metall-NRs ist gut dokumentiert, und ihre Rolle als mögliche Kandidaten für neue Antibiotikaentdeckung wurde zuvor vorgeschlagen [50]. In-silico-Molekulardocking-Studien ermöglichen Einblicke in den Mechanismus hinter ihrer antibakteriellen Aktivität. Dihydrofolatreduktase (DHFR) und Dihydropteroatsynthase (DHPS) Enzyme, die zum Folsäure-Biosyntheseweg gehören, wurden als bekannte Ziele für Trimethoprim- und Sulfonamid-Medikamente berichtet [51, 52]. Hier bewerteten wir die Bindungstendenz von Mg-dotierten ZnO-NRs gegen DHFR, DHPS und FabH Enzyme von E. coli. Gedockte Komplexe enthüllten ihr Bindungsmuster in der aktiven Stelle und schlugen sie als mögliche Inhibitoren gegen ausgewählte Enzymziele vor.

Für DHFR_E.coli zeigte der am besten gedockte Komplex H-Bindungs-Wechselwirkungen mit Ile94 (3,1 Å), Tyr100 (3,1 Å) und Metall-Kontakt-Wechselwirkungen mit Met20 und Ala7 mit gesamtem Bindungsscore -7,518 kcal/mol. Bindungsinteraktionen mit Schlüsselaminosäuren der aktiven Tasche und Orientierung von Mg-dotierten ZnO-NP sind in Abb. 11a dargestellt.

Für DHPS_E.coli zeigten Docking-Komplexe H-Bindungen mit Leu21 (3,1 Å), Asp56 (3,4 Å), Gly59 (2,9 Å), Thr62 (2,8 Å) und Arg255 (2,8 Å). Zusätzlich interagierten Asn22 und Ile20 mit NRs durch Metallkontakt in der aktiven Stelle wie in Abb. 11b gezeigt. Diese Mg-dotierten ZnO-NPs blockierten die aktive Stelle (Bindungsscore: -6,973 kcal/mol) und werden als mögliche Inhibitoren gegen DHPS-Enzym vorgeschlagen.

Ähnlich zeigte Docking von Mg-dotierten ZnO-NRs gegen β-Ketoacyl-Acyl-Carrier-Protein-Synthase III (FabH) Enzym des Fettsäure-Biosynthesewegs H-Bindungs-Wechselwirkungen mit Glu302 (3,3 Å), Leu220 (2,9 Å), Thr254 (3,2 Å) und Gln245 (2,7 Å) mit Bindungsscore -6,548 kcal/mol (Abb. 12). Darüber hinaus involvierten Mg-dotierte ZnO-NPs Metallkontakt-Wechselwirkungen mit Ile250 und His241.

Blockade der aktiven Stelle durch Bindung von Liganden verhindert Substrateintritt und führt somit zu Verlust der Enzymaktivität. Aufgrund besserer antibakterieller Aktivität von Mg-dotierten ZnO-NRs gegen E. coli im Vergleich zu S. aureus enthüllten in-silico-Vorhersagen gegen ausgewählte Enzymziele ihre möglichen Bindungsmuster in der aktiven Tasche und schlugen sie als potenzielle Inhibitoren der gegebenen Enzyme vor.

Ein Vergleich der vorliegenden Sonophotokatalyse-Studie mit der Literatur ist in Tabelle 2 dargestellt.

Schlussfolgerung

Mithilfe der Ko-Fällungstechnik wurden Mg-dotierte ZnO-NRs erfolgreich synthetisiert, und der Einfluss der Mg-Dotierung auf Phasenzusammensetzung, elementare Zusammensetzung, Morphologie und optische Eigenschaften von ZnO wurde untersucht. Mittels XRD-Analyse hat ZnO hexagonale Wurtzit-Phase, während die geschätzte Kristallitgröße unter 100 nm lag. Kristalline Struktur von ZnO wurde auch durch Mg-Dotierung verbessert, was wiederum zu erhöhter Lumineszenz und Bandlückenerhöhung führte. UV-Vis-Absorptionsspektren zeigten Blueshift, der Bandlückenerweiterung anzeigte, während ZnO-Stäbchenbildung durch EDS-Studie bestätigt wurde, wo ein durchschnittliches Atomverhältnis von 67,6:23,6 beobachtet wurde. Ramanspektrum war für höhere Dotierwerte (8 Gew.-%) blueshifted, verursacht durch Substitution von Mg²⁺ für Zn²⁺ im ZnO-Gitter. PL-Ergebnisse zeigten erhöhte sichtbare Emissionen mit Mg, was zu einer Erhöhung der Elektron-Loch-Paar-Delokalisierung führte. Farbstoffabbauleistung der synthetisierten NRs wurde gegen MBCF evaluiert, und beste Ergebnisse wurden durch Sonophotokatalyse mit maximaler Abbaueffizienz von 87% für Mg-dotiertes ZnO erzielt. Hemmzonen wurden als (1,05–2,05 mm) und (2,10–4,15 mm) für S. aureus und (0–6,15 mm) bis (0–8,65 mm) für E. coli aufgezeichnet. Daher können dotierte Nanoröhrchen als Kontrollmaterial auferlegt werden, um Antibiotikaresistenz zu minimieren. Darüber hinaus sagten in-silico-Molekulardocking-Studien Mg-dotierte ZnO-NRs als potenzielle Inhibitoren von DHFR, DHPS und FabH Enzym voraus. Die Hemmung der gegebenen Enzyme wird als möglicher Mechanismus hinter der bakteriziden Aktivität von Mg-dotierten ZnO-NRs gegen E. coli vorgeschlagen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

DHFR:

Dihydrofolatreduktase (Dihydrofolate reductase)

DHPS:

Dihydropteroatsynthase (Dihydropteroate synthase)

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie (Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (Fourier transform infrared spectroscopy)

FESEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (Field emission scanning electron microscopy)

G+ve:

Gram-positiv (Gram-positive)

G-ve:

Gram-negativ (Gram-negative)

HR-TEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskopie (High-resolution transmission electron microscopy)

JCPDS:

Joint Committee on Powder Diffraction Standards

Mg:

Magnesium

UV-Vis:

Ultraviolett-sichtbare Spektroskopie (Ultraviolet-visible spectroscopy)

XRD:

Röntgenbeugung (X-ray diffraction)

ZnO:

Zinkoxid (Zinc oxide)