Verbeterde fotokatalytische en antibacteriële prestaties van geannealde tin-oxide nanostructuren: Een moleculaire docking-studie

Inleiding

Uitzonderlijke eigenschappen en een breed scala aan technologische toepassingen geassocieerd met conventionele metaaloxiden gaven de impuls om deze materialen in hun genanostructureerde vorm te verkennen. Onder deze wordt tin-oxide (SnO₂) beschouwd als een belangrijk metaaloxide dat een wijd bandgap van 3,6 eV bij kamertemperatuur vertoont. Het is een n-type halfgeleidermateriaal dat intrinsieke defecten heeft in de vorm van zuurstofvacatures met interstitiële tin-atomen die interacteren met donors (n-type ladingdragers). Een toename in het aantal vrije elektronen in het geleidingsband resulteert in een toename in de geleidbaarheid van het materiaal.

Het gebruik van SnO₂ als oxidatiekatalysator, fotokatalysator, gassensor en transparante geleider vormt de basis om dit materiaal verder te onderzoeken. Het heeft de capaciteit om brandbare, explosieve en giftige gassen te detecteren. Industrialisatie heeft geleid tot een toename in de lozing van schadelijke lucht- en waterverontreinigingen zoals CO en SO₂ in de atmosfeer en schadelijke azo-kleurstoffen in afvalwater. Het is geschat dat ongeveer 500 ton diverse kleurstoffen in industriële afvalwater worden gelost en een groot deel (~80%) ervan afkomstig is uit de textielindustrie. Chemische toxin en organische brandstoffen vormen deel van luchtverontreiniging terwijl gevaarlijke kleurstoffen uit waterlichamen de ecosystemen van de aarde beïnvloeden, waardoor het belang van technologie om dergelijke verontreinigingen te detecteren en te voorkomen dat ze het milieu schaden, toeneemt. Vanwege de unieke fysico-chemische eigenschappen heeft SnO₂ de capaciteit om bij lage temperaturen te opereren. Vanwege de inherent niet-stoichiometrie, vermindert het schadelijke gassen door het toestaan van eenvoudige adsorptie van zuurstof op zijn oppervlak. Bovendien omvat het lagere kosten vergeleken met andere beschikbare materialen voor vergelijkbare toepassingen. Het bezit ook substantiële optische transparantie en elektrische geleidbaarheid wat het geschikt maakt voor gebruik in opto-elektronische componenten. Het wordt gebruikt in de productie van transparante elektroden en zonnecellen voor gebruik in panelen en diverse electro-chromatische apparaten.

Om wateroverdraagbare ziekten te voorkomen, is de verwijdering van bacteriën uit afvalwater belangrijk voor drinkwater- en sanitatiesystemen. Tussen 2003 en 2005 in de VS werden vier wateroverdraagbare ziekten gerapporteerd, die manifesteerden aan pathogenen in drinkwater die ongeveer 282 mensen beïnvloedden. Conventionele technieken voor desinfectie van waterlichamen zijn afhankelijk van chemische agenten die minder effectief zijn tegen cyst-vormende protozoën (Giardia en Cryptosporidium). Soms produceren deze technieken ook schadelijke bijproducten. Nanotechnologie is een nieuwe generatietechnologie die de wereldeconomie kan beïnvloeden via nieuwe consumentenproducten, materiaalgebruik en productiemethoden. Metaaloxide nanostructuren vertonen verbeterde antimicrobiële eigenschappen toegeschreven aan hun hoge oppervlakte-volumeverhouding, stabiliteit en biocompatibiliteit. Ze hebben de unieke capaciteit om door celmembraanstructuur te penetreren en cellulaire delen van bacteriën te vernietigen.

Twee basale tin-oxiden worden voornamelijk bestudeerd zoals SnO en SnO₂, en het bestaan van deze oxiden wordt toegeschreven aan dubbele Sn-valentiegraden (met oxidatie) +2 en +4. Deze twee oxiden worden ook wijd bandgap halfgeleider materialen genoemd met PbO-structuur voor tin-oxide en tetragonaal rooster (rutielstructuur) voor SnO₂. Het bezit wijd bandgap energie van 3,6 tot 4,0 eV, n-type halfgeleider materiaal en meer dan 85% transparantie. SnO is een p-type materiaal met bandgap variërend van 2,7 tot 3,4 eV maar experimenteel bereikte bandgap kan bereikt worden tot 3,6 eV. Verder wijzen structurele, optische en elektronische eigenschappen van tin-oxide erop dat toename in druk leidt tot niet-structurele orthorombische vorming van SnO en transmissie in UV-zichtbare en nabij-infrarood gebieden. De toename in temperatuur resulteert ook in orthorombische SnO-structuur en tetragonaal SnO₂ vorming. Dus, toename in druk of temperatuur verschuift absorptierand en verhoogt bandgap-energieën. De geproduceerde polykristallijne SnO kan geconverteerd worden naar SnO₂ fase door temperatuur te verhogen van 400 tot 700 °C. Vanwege afstelling in bandgap zijn tin-oxiden gebruikt in elektronica-industrie.

SnO en SnO₂ materialen zijn ook gebruikt in Li-ion batterijen. De gerapporteerde literatuur demonstreert dat elektrochemische prestaties van nanomaterialen verbeterd kunnen worden door de grootte te controleren. Kida et al. rapporteerden dat een afname in deeltjesgrootte een toename in respons van de sensor voor H₂ detectie veroorzaakte; echter, de respons op H₂S en CO nam toe met toenemende deeltjesgrootte. Verschillende methoden om SnO₂ te produceren zijn gerapporteerd in de literatuur. Merlin gesynthetiseerde de nanopartikels met een groottebereik van 20–30 nm via groene synthese met behulp van ethanolic-stevia rebaudiana plantenextract die fungeerde als capping en reducerend agent. Janardhan et al. bereidden SnO nanopartikels met een gemiddelde grootte van 50 nm door gebruik te maken van verdunnde HCl en SnCl₂·2H₂O. Selvakumari et al. geproduceerden SnO₂ deeltjes met een gemiddelde kristalgrootte van 13–40 nm door gebruik te maken van kippeie-schelmembraan.

Over het algemeen kunnen nanomaterialen gesynthetiseerd worden door verschillende methoden te gebruiken inclusief elektrochemische reductie, sol–gel, hydrothermale en co-precipitatie. In het huidige werk werd de neerslagmethode bevorzugd aangezien het een handige en kosteneffectieve techniek vormt om nanostructuren te synthetiseren. Het doel van deze studie was om het effect van diverse temperaturen (250, 500 en 750 °C) gebruikt tijdens synthese te observeren op kristallijngrootte, morfologie en bandgap-energie van bereide niet-structurele materialen. Verder werd het fotokatalytische gedrag van het gesynthetiseerde product bestudeerd door het in te zetten voor afbraak van methylene blauw kleurstof die een veelvoorkomende verontreiniging in de industrie wereldwijd is. In silico moleculaire docking voorspellingen werden uitgevoerd om het mechanisme betrokken bij de bactericide activiteit van SnO₂ tegen β-lactamase behorend tot celwandsyntheseweg en DNA-gyrase van nucleïnezuursyntheseweg van E. coli en S. aureus onthullen.

Methoden

De huidige studie had tot doel SnO₂ nanopartikels te synthetiseren door een gemakkelijke en eenvoudige neerslagproces en geanneald bij diverse temperaturen. Geannealde SnO₂ werd gebruikt om organische verontreinigingen uit afvalwater te verwijderen en antibacterieel potentieel.

Chemicaliën

Tin(II) chloride dihydraat (SnCl₂·2H₂O) en ethanol van analytische graad werden direct verkregen van Sigma-Aldrich (Duitsland). Natriumhydroxide (NaOH) en methylene blauw (MB) werden verworven van Merk (Duitsland) en BDH (VK) respectievelijk. Gedestilleerd water werd gekocht van lokale markt om tin-oxide nanostructuren te fabriceren. Chemische structuur van de verontreiniging (MB kleurstof) gebruikt in deze studie is afgebeeld in Fig. 1.

Bereiding van tin-oxide nanostructuren

In deze studie werden commerciële chemicaliën van analytische graad met hoge zuiverheid gebruikt om tin-oxide nanomateriaal te bereiden met neerslagprocedure (zie Fig. 2). Waterige oplossingen van SnCl₂·2H₂O (19 g) en NaOH (8 g) werden bereid in 50 ml gedestilleerd water apart. Waterige oplossing van NaOH werd druppelgewijs in SnCl₂.2H₂O oplossing (~10 druppels/min) onder constant roeren bij 70 °C met 400-ml fles. Witte neerslag verscheen bij druppelgewijze toevoeging van oplossing. Het verkregen product werd meerdere keren gewassen met gedestilleerd water en ethanol met centrifuugmachine. Verkregen materiaal werd verder gedroogd bij kamertemperatuur gedurende 48 uur om watergehalte te verwijderen. Ten slotte werd gedroogd vast product vermalen tot fijn poedervorm met mortel en pestel. Drie monsters werden geanneald in muffeloven bij diverse temperaturen (250, 500 en 750 °C) gedurende drie uur met verhittingsgraad 0,5 °C/min.

Fotokatalytische activiteitsproces

De fotoactiviteitspotentieel van geannealde tin-oxide monsters werd geëvalueerd door fotodegradatie van MB waterige oplossing onder lichtbron te monitoren; mechanisme geïllustreerd in Fig. 3. Voor elk fotoactiviteitsexperiment, bekende massa van nanomateriaal (10 mg) werd toegevoegd aan 60 ml waterige oplossing van kleurstof (10 mg/L). Voor lichtblootstelling, werd suspensie magnetisch gerold in het donker gedurende 5 min om adsorptie/desorptie evenwicht van kleurstof op het oppervlak van fotokatalysator te verkrijgen. De suspensieoplossing werd bestraald gedurende 80 min met een kwikklamp (400 W en λ = 400–700 nm) onder roeren (220 rpm). MB monsters van ~5 ml werden getrokken uit testoplossing om MB resterende hoeveelheid te monitoren met UV–Vis spectrophotometer bereik 300–750 nm. Variatie in MB maximaal absorptiegolflengte (~665 nm) tot bestralingstijd werd geregistreerd om fotodegradatie van MB kleurstof te bestuderen. De activiteiten van gesynthetiseerde producten werden geëvalueerd door kleurstofdegradatie % te berekenen met de volgende relatie:

waarbij C₀ initiële MB concentratie aanduidt en C concentratie na bestraling presenteert. Zonder fotokatalysator werd controle-experiment ook uitgevoerd onder dezelfde condities. Om herbruikbaarheid van nanomaterialen te onderzoeken, werd gedegradeerde MB oplossing gecentrifugeerd (6000 rpm/min) gedurende 10 min om fotokatalysator te herwinnen. Later werd herwonnen product gedroogd bij 80 °C (2 uur) om het te hergebruiken voor MB degradatie experimenten. Om duurzaamheid van de katalysator te testen, werden herbruik fotoactiviteitsexperimenten uitgevoerd tot vier cycli. Na elke cyclus werd product gecentrifugeerd, gedroogd en gebruikt voor volgende foto-experiment.

Antimicrobiële activiteit

In vitro antibacteriële actie van geproduceerde SnO bij diverse temperatuurbehandelingen werd gewaardeerd tegen meest voorkomende pathogene bacteriën E. coli en S. aureus geïsoleerd van geitenmastitis met behulp van putdiffusie-assay. Petrischalen met bacteriën geactiveerde groei (0,5 Mc-Farland standaard) op verfijde Macconkey-agar en mannitol-zoutagar werden geïnculeerd bij 37 °C na bereiding van put van 6 mm diameter met steriele kurkboor. Verschillende concentraties van gesynthetiseerde nanostructuren (500 en 1000 μg/50 μl) werden toegepast als lage en hoge dosis vergeleken met ciprofloxacine (5 μg/50 μl) en DIW (50 μl) als positieve en negatieve controle respectievelijk. De overnacht geïnculeerde petrischalen bij 37 °C verklaarden inhibitie-zones (mm) die gemeten werden met schuifmaat. De antibacteriële activiteit gemeten in termen van inhibitie-zones (mm) werd statistisch significant verklaard met eenrichtings variantie-analyse (ANOVA) met SPSS 20.0.

Moleculaire docking studies

Celwandsynthese is beschouwd als een effectief doel voor ontdekking van diverse antibiotica met verschillende werkingsmechanismen, zoals bètalactam- en glycopeptide-antibiotica. Bètalactam-antibiotica zijn gerapporteerd als de meest verkochte geneesmiddelen en vertegenwoordigen de meest voorkomende behandeling voor bacteriële infecties. Ze remmen celwandsynthese door binding met penicilline-bindend eiwit (PBP) en β-lactamases. Op dezelfde manier zijn enzymen (DNA-gyrase) behorend tot nucleïnezuursynthese ook overwogen als effectief doel voor antibiotica-ontdekking. Hier voerden we moleculaire docking studies uit van SnO₂ NP's tegen β-lactamase en DNA-gyrase enzym van zowel E. coli als S. aureus om inzicht te krijgen in hun mogelijke werkingsmechanisme.

De 3D-kristalstructuren van geselecteerde proteïne-doelen behorend tot E. coli en S. aureus werden verkregen van protein databank met toegangscode: 4KZ9; Res: 1,72 Å, 1MWU; Res: 2,6 Å voor β-lactamase, terwijl 6KZX; Res: 2,1 Å en 5CTU; Res: 1,45 Å voor DNA-gyrase zoals getoond in Fig. 4.

Moleculaire docking studies werden uitgevoerd met ICM Molsoft software (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) software. Receptor voorbereidingstool van ICM werd gebruikt voor proteïne-structuur met betrekking tot toevoeging van polaire waterstofatomen, verwijdering van watermoleculen en co-gekristalliseerde ligand. Proteïne-structuren werden geoptimaliseerd met energie-minimalisatietool met standaardparameters terwijl grid-box gebruikt werd om actieve zak rond gekristalliseerde ligand te identificeren. Later werden 10 beste conformaties specificerende oriëntatie van SnO₂ NP's binnen actieve zak van enzym gegenereerd in elk geval. Laagst gebonden gescoorde conformatie werd geselecteerd voor verdere analyse die bindingspatroon en inhibitieneiging van geproduceerde NP's tegen deze geselecteerde enzymen onthulde.

De SnO₂ structuur werd gegenereerd met ligedit tool van ICM terwijl 3D-weergave van gedokte conformatie gegenereerd werd door ICM en discovery studio visualizer.

Materialen karakterisatie

BRUKER D2 Phaser röntgendiffractie (XRD) bereik 2θ = 10°–70° met Cu Kα (λ = 1,540 Å) werd gebruikt om roosterstructuur te onderzoeken en data over faseconstitutie op te halen. Functionele groepen van de gesynthetiseerde producten werden geëvalueerd door PerkinElmer Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectrometer. JEOL JSM-6610LV veldemissie scannende elektronenmicroscoop (FESEM) samen met Oxford XMax EDS detector met INCA software werd gebruikt om morfologie en elementaire samenstelling van bereide monsters te analyseren. Philips CM30 samen met JEOL JEM 2100F hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscoop (HR-TEM) werd gebruikt om SAED, HRTEM-beelden en roosterfranjepatronen op te nemen. De optische eigenschappen van bereide tin-oxide monsters werden geregistreerd van 300 tot 800 nm via GENESYS-10S UV–vis spectrometer.

Resultaat en discussie

Figuur 5(a) presenteert XRD-spectra verkregen van tin-oxide monsters gesynthetiseerd en geanneald bij diverse temperaturen. Voor fase-compositionele analyse werd CuKα-straling gebruikt terwijl Debye–Scherer relatie, \(D = K\lambda /\beta {\mathrm{Cos}}\theta\) waar λ = 1,54 Å en k = 0,9 werd gebruikt om kristallijngrootte van het materiaal te berekenen. Bij 250 °C toont XRD-patroon pieken met 2θ waarden van 29,12° (112), 31,60° (020), 33,57° (113), 40,15° (023), 45,54° (024), 51,35° (222) en 64,57° (225) die alle toegeschreven worden aan SnO orthorombische fase (JCPDS: 01–077-2296). Alleen één piek geregistreerd bij 26,66° (112) behoort tot SnO₂ orthorombische structuur (JCPDS: 01–078-1063). Toen monsters geanneald werden bij 500 en 750 °C, verdwenen de diffractiepieken gerelateerd aan SnO en het resulterende product werd geïdentificeerd als orthorombisch SnO₂ met kristallografische vlakken 24,81° (110), 29,12° (113), 31,23° (020), 41,59° (211), 46,90° (117), 59,57° (135) die goed overeenkamen met JCPDS bestand Nr. 01-078-1063. De waargenomen XRD-resultaten geven aan dat het bereide materiaal eerst geoxideerd werd naar SnO bij 250 °C. Later, bij en boven 500 °C, transformeerde het volledig naar SnO₂. De resultaten tonen ook aan dat kristallijnheid van monsters verbeterde met toenemende temperatuur. Verder, SAED-patronen verkregen van monsters geanneald bij 250 en 750 °C toonden heldere stippenringen zoals geïllustreerd in Fig. 5b, c respectievelijk. De geanalyseerde patronen met roostervlakken (020), (023), (024) en (112) zijn toegewezen aan orthorombisch SnO (Fig. 5b) en (020), (110), (117) en (135) diffractievlakken worden toegeschreven aan SnO₂ nanomateriaal (Fig. 5c) voor monsters geanneald bij 250 en 750 °C respectievelijk. Kristallijne aard van producten werd ook bevestigd via SAED-beelden wat consistent is met waarnemingen van XRD.

FTIR-spectra van geproduceerde tin-oxide nanomaterialen verwarmd bij 250, 500 en 750 °C worden gepresenteerd in Fig. 5d. Het absorptiepiek gecentreerd op ongeveer 3580 cm⁻¹ gekoppeld met bijna 1602 cm⁻¹ band werd toegeschreven aan rekken/buigen van O–H groep en Sn-OH binding vanwege het feit dat tin-oxide bepaalde hoeveelheid water uit omgevingsatmosfeer absorbeert. Laag absorptiepiek variërend van 2300 tot 2400 cm⁻¹ wordt toegewezen aan kooldioxide die in producten gecreëerd werd bij blootstelling aan de atmosfeer. De bindingen verschijnend bij 1174 cm⁻¹ corresponderen met trillingen van diverse soorten oppervlakte hydroxyle groepen terwijl piek bij 1401 cm⁻¹ komt door C–H buigtrillingen. De karakteristieke pieken variërend bij 500–700 cm⁻¹ worden toegeschreven aan oppervlaktelaag Sn–O trillingen. Een toename in de geannealde temperatuur veroorzaakt blauwverschuiving in pieken terwijl de karakteristieke pieken sterk en intenser verschijnen. Dit kan zijn vanwege het aanlasproces waar atomen van nanomateriaal voldoende energie verkrijgen om positie van nanopartikel atomen te veranderen resulterend in herkristallisatie.

FESEM- en HRTEM-analyse werd uitgevoerd om gedetailleerde informatie van morfologie en nanostructuur van geproduceerde producten te verzamelen. HRTEM-beelden van tin-oxide geanneald bij 250, 500 en 750 °C werden geregistreerd, zoals afgebeeld in Fig. 6a–c. De beelden leveren bewijs voor de vorming van agglomeratie binnen nanopartikels met bijna sferische vorm en willekeurige verdeling van deeltjesgrootte (zie Fig. 6a, c). In Fig. 6b kon grote grootte, licht transparante en monodisperse deeltjes met weinig agglomeratie waargenomen worden. Hetzelfde gedrag van deeltjesverdeling kan waargenomen worden van inset-beelden bij hoge vergroting. De scherpe verandering in morfologisch gedrag bij 500 °C is opvallend. Deze temperatuur kan een kenmerkend kenmerk zijn tijdens het oxidatieproces. Verder toont Fig. 6d–f HRTEM-micrografies verkregen van monster geanneald bij 250, 500 en 750 °C respectievelijk om interplanaire afstand te detecteren. In kristallieten is afstanding van roosterfranjes ~0,225 nm zoals afgebeeld in inset IFFT-profielafbeelding in Fig. 6d wat correspondeert met (023) diffractievlak van orthorombische fase van SnO (JCPDS: 01-077-2296). De d-afstand berekend uit roosterfranjes in monsters behandeld bij 500 en 750 °C is ongeveer 0,364 en 0,367 nm, wat toegeschreven wordt aan (110) vlak van SnO₂ orthorombische structuur volgens JCPDS NO. 01-078-1063. Deze resultaten zijn in goede overeenstemming met de XRD-bevindingen. De verstrekte IFFT-beelden tonen duidelijk toename in d-afstand met toenemende temperatuur.

FESEM-beelden van tin-oxide geanneald bij 250 (Fig. 7a) en 750 °C (Fig. 7b) tonen variatie in vorm en grootte van roosterstructuren zoals non-uniforme of willekeurige vorm van deeltjes met grote en kleine individuele korrels samen met agglomeratie. Figuur 7b toont FESEM-micrografie van het monster geanneald bij 750 °C wat kleine geagglomereerde deeltjes en een goed gegroeide structuur betekent in vergelijking met het monster geanneald bij lage temperatuur met willekeurige verdeling van deeltjes. Agglomeratie van deeltjes resulteert in een reductie van vrije oppervlakte-energie door een toename in hun grootte resulterend in een afname in hun oppervlakte. Agglomeratie van nanopartikels is door hechting van deeltjes aan elkaar door zwakke krachten leidend tot (sub) micron-grootte entiteiten.

De samenstelling van geproduceerde tin-oxide geanneald bij 750 °C werd geanalyseerd met EDX-techniek zoals afgebeeld in Fig. 7c. Monsterspectra toonden duidelijk de aanwezigheid van Sn, O en C met gewichts% van 53,7, 42,2 en 4,0% respectievelijk. Geen onzuiverheidsbestanddelen waren aanwezig in het product wat hoge zuiverheid van SnO₂ nanomateriaal suggereerde terwijl C-gehalte kan afkomstig zijn van koolstof-tabbladen gebruikt om monsters te houden.

Een non-destructieve absorptiespectroscopietechniek werd gebruikt om optische eigenschappen van geleidende en halfgeleidende nanomaterialen te bestuderen. Absorptiespectra verkregen van tin-oxide geanneald bij diverse temperaturen zijn geïllustreerd in Fig. 8a. Verschillende factoren beïnvloeden verwachte absorptie zoals zuurstoftekort, energie bandgap, onzuiverheid aard en oppervlakte ruwheid. Spectra verkregen van geannealde tin-oxide vertoonden ultra-violet afsnij bij 300–365 nm, wat kan zijn door foto-excitatie van elektronen van valentieband naar geleidingsband. De absorptiespectra nam licht af tussen 300 en 365 nm met toenemende temperatuur zoals getoond in Fig. 8a. Om bandgap te berekenen, Tauc-relatie \(\alpha h\nu =A {(h\nu -{E}_{\mathrm{g}})}^{n}\) waar α staat voor absorptiecoëfficiënt, A vertegenwoordigt constante terwijl n = 1/2 voor direct bandgap. Een extrapolatie van \({(\alpha h\nu )}^{2}\) versus hν plot levert optische bandgap waarde E_g op (Fig. 8b). Gemeten bandenergieën waren 3,51, 3,32 en 3,71 eV voor monsters geanneald bij 250, 500 en 750 °C respectievelijk. De bandgap van producten is consistent met gerapporteerde waarden in de literatuur. Over het algemeen, naarmate temperatuur toeneemt, verkrijgen atomen van nanopartikels meer energie om hun positie te veranderen voor herkristallisatie wat hun morfologie wijzigt en korrelgrootte vermindert (kan geanalyseerd worden uit HRTEM-data). Naarmate deeltjesgrootte afneemt, neemt bandgap-waarde toe wat toegeschreven wordt aan normaal quantum-confinement effect. Een vergelijkbare trend werd waargenomen door Malik et al. De laagste bandgap vertonde door nanomateriaal geanneald bij 500 °C werd toegeschreven aan unieke nanostructuren of amorfe synthetisatie van polykristallijne tin-oxide en generatie van zuurstofvacatures die rode verschuiving produceren. Tauc-model stelt dat amorfe of ongestructureerde halfgeleiders gelokaliseerde bandstaarttoestanden hebben met lagere bandenergie.

De fotoactiviteit van tin-oxide producten geanneald bij diverse temperaturen werd onderzocht door fotodegradatie van MB kleurstof onder lichte bestraling te ondernemen (Fig. 9). Variatie in MB oplossing optische absorptie bij λ_max = 665 nm tijdens foto-decompositie is afgebeeld in Fig. 9a. Toevoeging van geproduceerde monsters produceert een afname in MB absorptieband met tijd. De maximale fotokatalytische prestatie werd vertoond door het monster geanneald bij 500 °C (E_g = 3,32 eV) wat toegeschreven wordt aan specifieke morfologie en lage elektronen-gaten recombinatiesnelheid. We observeerden 86,0, 92,4 en 71,6% MB degradatie door tin-oxide fotokatalysatoren bereid door aanlassen bij 250, 500 en 750 °C in 80 min respectievelijk (Fig. 9b). De fotoactiviteit van halfgeleider materialen is ook gerelateerd aan hun bandgap-energie wat de redox-potentieel van fotogegenereerde elektronen-gaten paar beïnvloedt tijdens MB degradatieproces. Onder drie monsters getest hier, presenteerde fotokatalysator geanneald bij 500 °C de laagste bandgap-energie (3,32 eV) terwijl aanzienlijk verbeterde degradatie% vertoond door dit product werd gekrediteerd aan de unieke structuur en hoge graad van agglomeratie zoals afgebeeld in Fig. 9b. Een pseudo-eerste-orde kleurstofdegradatie is geïllustreerd met ln (C_o/C) vs. bestralingstijd plot: ln (C_o/C) = kt zoals getoond in Fig. 9c waar k snelheidsconstante aanduid, C_o en C staan voor initiële en finale concentratie van kleurstof (MB) respectievelijk. De waarde van k met nanomateriaal bereid bij 500 °C was 0,59 min⁻¹ en significante afname in monsters gesynthetiseerd bij 250 en 750 °C werd waargenomen bij ongeveer 0,50 en 0,31 min⁻¹ respectievelijk (Fig. 9d).

Voor behandeling van vervuild water, vereisen fotokatalysatoren stabiliteit en herbruikbaarheid voor lange periodes om het proces economisch haalbaar te maken. In de huidige studie werden vier cycli van tests uitgevoerd om MB te verwijderen met geproduceerde tin-oxide fotokatalysatoren om hun stabiliteit te bepalen. De waarneming van vier opeenvolgende cycli van kleurstofdegradatie worden gepresenteerd in Fig. 10a, b. Nanomateriaal geanneald bij 500 °C toonde een lichte afname in MB foto-decompositie na vier cycli (6% afname). De resultaten van verontreinigingsverwijdering uit water gerapporteerd in deze studie zijn vergelijkbaar met die gerapporteerd door Prakash et al.

SnO nanostructuren geproduceerd bij diverse temperatuurbehandelingen in vitro antibacteriële activiteit gemeten in termen van inhibitie-zones (mm) samen met comparatieve efficiëntie % zijn getoond in Fig. 11a–d en Tabel 1. De grafieken tonen directe proportionele relatie tussen nanostructuren concentratie en zones van inhibitie gevormd. Significante inhibitie-zones geregistreerd voor SnO (250, 500 en 750 °C) monsters voor E. coli en S. aureus varieerden tussen 2,85–3,5 mm, 3,35–3,75 mm en 3,25–4,75 mm en 4,55–5,35 mm bij lage en hoge concentraties respectievelijk, Fig. 11a, b en Tabel 1. De efficiëntie % van gesynthetiseerde nanomaterialen nam toe van 67,0–82,3 tot 78,8–88,2% voor E. coli en vergelijkbaar 45,4–66,4% en 63,6–74,8% voor S. aureus respectievelijk, Fig. 11c, d. Alle gemeten resultaten werden vergeleken met DIW (0 mm). Positieve controle toonde 4,25 mm en 7,15 mm inhibitie-zones voor E. coli en S. aureus respectievelijk, Fig. 11a, b. Over het algemeen SnO₂ nanostructuren geoptimaliseerd bij 500 °C vonden krachtiger bij beide concentraties en breder, SnO₂ vonden krachtiger tegen gram-negatief (G –ve) E. coli vergeleken met gram-positief (G +ve) S. aureus.

Grootte, concentratie en morfologie van nanostructuren beïnvloeden direct oxidatieve stress geproduceerd. Antibacteriële activiteit bedreigende grootte en concentratie vertoont inverse relatie tot grootte. Nanostructuren produceren efficiënter reactieve zuurstofsoorten (ROS) die bestaan in bacteriële membraan resulterend in cellulair organellen extrusie en bacteriële dood. SnO₂ genereren efficiënter ROS inclusief waterstofperoxide (H₂O₂), OH-groepen en superoxide-ionen. De verhoogde antibacteriële efficiëntie van geproduceerde SnO bij diverse temperatuurbehandelingen voor E. coli vergeleken met S. aureus kan toegeschreven worden aan verschil in celwandstructuren van bacteriën. G –ve bacteriën celwand bestaat uit peptidoglycaan dunne laag met een buitens membraan bevattende eiwitten en fosfolipiden terwijl G +ve celwand dikke laag peptidoglycaan bevat met lipoteichoïne en teichoïne zuren. Dit grote verschil in celwandstructuur van beide bacteriën leidt tot maximale efficiëntie van geproduceerde nanostructuren naar G −ve vergeleken met G +ve bacteriën.

Resistentie verworven door microbiele pathogenen tegen diverse antibiotica geneesmiddelen met name multidrug resistentie vormt enorme dreiging voor volksgezondheid over de hele wereld en er is een dringende behoefte aan meer antibiotica geneesmiddelen met nieuwe werkingsmechanismen. Antibiotica behorende tot diverse klassen volgen verschillende mechanismen voor hun activiteit en richten pathways vitale voor bacteriële overleving. Bijvoorbeeld, bètalactam-antibiotica zoals penicilline richten enzymen betrokken bij peptidoglycaansynthese (belangrijke precursor voor celwandsynthese) terwijl Rifampicine een bekend antibiotica doelwit enzym behorend tot nucleïnezuursynthese pathways suggereert belang van zowel celwand- als nucleïnezuursynthese pathways als doel voor nieuwe antibiotica-ontdekking. Hoewel bactericide activiteit van diverse nanopartikels eerder gerapporteerd is in recente jaren is nog steeds exact mechanisme van hun actie niet bekend. In het licht van goede antibacteriële activiteit van SnO₂ tegen E. coli en S. aureus, voerden we moleculaire docking studies uit om hun mogelijke werkingsmechanisme te identificeren tegen β-lactamase en DNA-gyrase enzymen als potentiële doelwitten.

In het geval van β-lactamase van E. coli was de beste bindingsscore waargenomen −5,71 kcal/mol met H-binding interactie met Lys239 (1,80 Å) en Gly235 (1,66 Å) naast metaalcontact interactie met Gln35 zoals getoond in Fig. 12a, b. Op dezelfde manier was de top bindingsscore verkregen voor DNA-gyrase van E. coli −9,57 kcal/mol met H-binding interactie met Thr163 (1,46 Å), Gly77 (1,43 Å) en Glu50 (3,36 Å) samen met metaalcontact interactie met Gly75 zoals afgebeeld in Fig. 12c, d.

De beste bindingsscore verkregen voor β-lactamase van S. aureus was −11,83 kcal/mol. De bindingspatronen van SnO₂ binnen actieve zak betrokken H-binding interactie met Ser400 (2,16 Å), Gly522 (1,99 Å) en Ileu524 (1,90 Å). Daarnaast werd metaalcontact interactie waargenomen tussen SnO₂ en Gln521 zoals afgebeeld in Fig. 13a, b. Voor DNA-gyrase van S. aureus de beste conformatie verkregen toonde H-binding interactie met Gly85 (2,55 Å) en Thr173 (1,54 Å) met bindingsscore −8,61 kcal/mol (Fig. 13c, d).

Conclusie

Samenvattend, tin-oxide nanopartikels geanneald bij diverse temperaturen werden gesynthetiseerd door een gemakkelijk en eenvoudig neerslagproces. Aanlassen van monsters bij 250 °C tijdens synthese produceerde voornamelijk orthorombisch SnO wat transformeerde naar SnO₂ bij 500 en 750 °C. De XRD- en HRTEM-analyses onthulden dat nanopartikels orthorombische structuur bezaten terwijl deeltjesgrootte initieel toename met een toename in temperatuur tot 500 °C gevolgd door een afname bij 750 °C. Grote deeltjesgrootte bij 500 °C werd toegeschreven aan unieke structuur vertoond door het monster geanneald bij die temperatuur. Geproduceerde nanostructuren demonstreerden goed-gekristalliseerd gedrag samen met agglomeratie. Fotoactiviteit van geannealde tin-oxide nanomaterialen werd geëvalueerd door MB kleurstof te decomponeren die gebruikt werd als model organische verontreiniging en een vergelijking tussen geannealde monsters werd gerealiseerd. Product gesynthetiseerd bij 500 °C vertoonde 6% hogere activiteit vergeleken met monster geanneald bij 250 °C tijdens degradatie van MB. Maximale MB degradatie behaald in deze studie was 92% na 80 min bestralingstijd door 500 °C monster. Het wordt gesuggereerd dat radicaal (*OH¹⁻ en *O₂⁻) en gaten de belangrijkste actieve entiteiten zijn in fotokatalyseproces. In silico voorspellingen zijn in goede overeenstemming met in vitro bactericide activiteit van SnO₂ NP's. Moleculaire docking studies van SnO₂ NP's tegen geselecteerde enzymen, nl. bètalactamase en DNA-gyrase, suggereerden hun neiging om activiteit van deze enzymen te belemmeren die verder verkend en bevestigd moeten worden door enzym-inhibitie assay studies.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder restricties.

Afkortingen

EDS:

Energie-dispersieve röntgenspectroscopie

FTIR:

Fourier-transformatie infrarood spectroscopie

G +ve:

Gram-positief

G −ve:

Gram-negatief

HR-TEM:

Hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie

JCPDS:

Gezamenlijke Commissie voor Poederdiffractie Standaarden

NP's:

Nanopartikels

SnO:

Tin-oxide

UV–Vis:

Ultra-violet zichtbare spectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie