Фотокаталитический, бактерицидный и молекулярный докинг-анализ наноструктур отожженного оксида олова

Введение

Исключительные свойства и широкий диапазон технологических применений, связанных с обычными оксидами металлов, послужили стимулом для исследования этих материалов в их наноструктурированной форме. Среди них оксид олова (SnO ₂ ) считается важным оксидом металла [1], который имеет ширину запрещенной зоны 3,6 эВ при комнатной температуре [2]. Это полупроводниковый материал n-типа, который имеет собственные дефекты в виде кислородных вакансий с межузельными атомами олова, которые взаимодействуют с донорами (носителями n-типа). Увеличение количества свободных электронов в зоне проводимости приводит к увеличению проводимости материала [3].

Использование SnO ₂ как катализатор окисления, фотокатализатор, датчик газа и прозрачный проводник представляют собой основу для дальнейшего исследования этого материала [4,5,6,7,8,9]. Он способен обнаруживать легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и токсичные газы [10]. Индустриализация привела к увеличению выбросов вредных веществ, загрязняющих воздух и воду, таких как CO и SO ₂ в атмосферу и вредные азокрасители в сточные воды. Было подсчитано, что около 500 тонн различных красителей сбрасывается в промышленные сточные воды, и большая часть (~ 80%) из них поступает от текстильной промышленности [11]. Химические токсины и органическое топливо являются частью загрязнения воздуха, в то время как опасные красители из водоемов влияют на экосистемы Земли, тем самым повышая важность технологий, используемых для обнаружения и предотвращения вреда окружающей среде такими загрязнителями. Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам SnO ₂ имеет способность работать при низких температурах. Благодаря присущей ему нестехиометрии, он уменьшает количество вредных газов, позволяя легко адсорбировать кислород на своей поверхности. Более того, это влечет за собой более низкую стоимость по сравнению с другими доступными материалами, используемыми для аналогичных приложений. Он также обладает значительной оптической прозрачностью и электропроводностью, что делает его пригодным для использования в оптоэлектронных компонентах [12]. Он используется в производстве прозрачных электродов и солнечных элементов для использования в панелях и некоторых электрохромных устройствах [13,14,15,16,17].

Для предотвращения болезней, передающихся через воду, удаление бактерий из сточных вод важно для питьевых и санитарных систем. В период с 2003 по 2005 год в США было зарегистрировано четыре заболевания, передающихся через воду, которые были проявлены патогенами в питьевой воде, и затронули около 282 человек. Обычные методы дезинфекции водоемов зависят от химических агентов, которые менее эффективны против цистообразующих простейших (Giardia и Cryptosporidium). Кроме того, иногда эти методы производят вредные побочные продукты. Нанотехнологии - это технология нового поколения, которая может влиять на мировую экономику с помощью новых потребительских товаров, использования материалов и методов производства [18]. Наноструктуры оксидов металлов демонстрируют улучшенные антимикробные свойства, связанные с их высоким отношением поверхности к объему, стабильностью и биосовместимостью. Они обладают уникальной способностью проникать через структуру клеточной мембраны и разрушать клеточные части бактерий [19].

В основном изучаются два основных оксида олова, такие как SnO и SnO ₂ . , и существование этих оксидов приписывается двойной степени валентности Sn (с окислением) + 2 и +4. Эти два оксида также называют широкозонными полупроводниковыми материалами со структурой PbO для оксида олова и тетрагональной решеткой (структурой рутила) для SnO ₂ [20]. Он обладает широкой запрещенной зоной от 3,6 до 4,0 эВ, полупроводником n-типа и прозрачностью более 85% [21]. SnO представляет собой материал p-типа с шириной запрещенной зоны от 2,7 до 3,4 эВ, но экспериментально достигнутая ширина запрещенной зоны может достигать 3,6 эВ. Кроме того, структурные, оптические и электронные свойства оксида олова показывают, что увеличение давления приводит к неструктурному орторомбическому образованию SnO и пропусканию в УФ-видимой и ближней инфракрасной областях. Повышение температуры также приводит к ромбической структуре SnO и тетрагональной SnO ₂ формирование. Таким образом, увеличение давления или температуры приводит к смещению края поглощения и увеличению энергии запрещенной зоны. Изготовленный поликристаллический SnO можно превратить в SnO ₂ фазы за счет увеличения температуры от 400 до 700 ° C [22]. Из-за настройки ширины запрещенной зоны оксиды олова нашли применение в электронной промышленности.

SnO и SnO ₂ материалы также использовались в литий-ионных батареях [23,24,25]. Опубликованная литература демонстрирует, что электрохимические характеристики наноматериалов можно улучшить, контролируя их размер [26]. Кида и др. сообщил, что уменьшение размера частиц привело к увеличению реакции датчика на H ₂ обнаружение; однако ответ на H ₂ S и CO увеличиваются с увеличением размера частиц [27]. Различные методы производства SnO ₂ сообщалось в литературе. Мерлин [28] синтезировал свои наночастицы с диапазоном размеров 20-30 нм посредством зеленого синтеза с использованием экстракта растения этаноловой стевии ребаудиана, который действовал как покрывающий и восстанавливающий агент. Джанардхан и др. [29] получили наночастицы SnO со средним размером 50 нм, используя разбавленную HCl и SnCl ₂ . · 2H ₂ О. Сельвакумари и др. [30] сфабриковано SnO ₂ частицы со средним размером кристаллов 13–40 нм при использовании мембраны из куриной яичной скорлупы.

Как правило, наноматериалы могут быть синтезированы с использованием различных методов, включая электрохимическое восстановление [31], золь-гель [32], гидротермальный [33] и соосаждение [34]. В настоящей работе предпочтение отдается методу осаждения, поскольку он представляет собой удобный и экономичный метод синтеза наноструктур. Целью данного исследования было наблюдение за влиянием различных температур (250, 500 и 750 ° C), используемых во время синтеза, на размер кристаллитов, морфологию и ширину запрещенной зоны полученных неструктурных материалов. Кроме того, фотокаталитическое поведение синтезированного продукта было изучено с использованием его для разложения красителя метиленового синего, который является часто встречающимся загрязнителем в промышленности во всем мире. Для выявления механизма, участвующего в бактерицидной активности SnO ₂ , были выполнены предсказания in silico молекулярного докинга. против β- лактамаза, принадлежащая к пути биосинтеза клеточной стенки, и ДНК-гираза пути биосинтеза нуклеиновых кислот из E. coli и С. золотистый .

Методы

Настоящее исследование было направлено на синтез SnO ₂ наночастицы путем легкого и простого процесса осаждения и отжига при различных температурах. Отожженный SnO ₂ использовался для удаления органических загрязнителей из сточных вод и обладал антибактериальным потенциалом.

Химические вещества

Дигидрат хлорида олова (II) (SnCl ₂ · 2H ₂ O) и этанол аналитической чистоты были приобретены непосредственно у Sigma-Aldrich (Германия). Гидроксид натрия (NaOH) и метиленовый синий (МБ) были закуплены у Merk (Германия) и BDH (Великобритания) соответственно. Дистиллированная вода была куплена на местном рынке для изготовления наноструктур оксида олова. Химическая структура загрязнителя (т. Е. Красителя МБ), использованного в этом исследовании, показана на рис. 1.

Химическая структура загрязнителя МБ

Подготовка наноструктур оксида олова

В этом исследовании для приготовления наноматериала оксида олова с использованием процедуры осаждения использовались коммерческие химические вещества аналитической чистоты высокой чистоты (см. Рис. 2). Водные растворы SnCl ₂ · 2H ₂ О (19 г) и NaOH (8 г) получали отдельно в 50 мл дистиллированной воды. Водный раствор NaOH по каплям приливали к SnCl ₂ . .2H ₂ О (~ 10 капель / мин) при постоянном перемешивании при 70 ° C в колбе на 400 мл. При добавлении раствора по каплям появлялись белые осадки. Полученный продукт промывали несколько раз дистиллированной водой и этанолом на центрифуге. Полученный материал дополнительно сушили при комнатной температуре в течение 48 ч для удаления воды. Наконец, высушенный твердый продукт измельчали ​​в тонкодисперсный порошок, используя ступку и пестик. Три образца были отожжены в муфельной печи при различных температурах (250, 500 и 750 ° C) в течение трех часов со скоростью нагрева 0,5 ° C / мин [35].

Схематическое изображение синтеза образцов оксида олова

Процесс фотокаталитической активности

Потенциал фотоактивности отожженных образцов оксида олова оценивали путем мониторинга фотодеградации водного раствора МБ под источником света; механизм показан на рис. 3 [36,37,38]. Для каждого эксперимента по фотоактивности известную массу наноматериала (10 мг) добавляли в 60 мл водного раствора красителя (10 мг / л). Перед световой экспозицией суспензию перемешивали на магнитной мешалке в темноте в течение 5 мин [38] для получения адсорбционного / десорбционного равновесия красителя на поверхности фотокатализатора. Раствор суспензии облучали в течение 80 мин ртутной лампой (400 Вт и λ =400–700 нм) при перемешивании (220 об / мин). Образцы МБ объемом ~ 5 мл были взяты из исследуемого раствора для контроля остаточного количества МБ с использованием спектрофотометра UV – Vis в диапазоне 300–750 нм. Для исследования фотодеградации красителя МБ регистрировали изменение длины волны максимального поглощения МБ (~ 665 нм) от времени облучения. Активность синтезированных продуктов оценивали путем расчета% разложения красителя с использованием следующего соотношения:

где C ₀ обозначает начальную концентрацию МБ и C представляет концентрацию после облучения. Без фотокатализатора контрольный эксперимент также проводился в тех же условиях. Чтобы проверить возможность повторного использования наноматериалов, раствор деградированного МБ центрифугировали (6000 об / мин) в течение 10 минут для восстановления фотокатализатора. Позже извлеченный продукт сушили при 80 ° C (2 ч) для повторного использования в экспериментах по деградации МБ. Для проверки долговечности катализатора эксперименты по рециркуляции фотоактивности проводили до четырех циклов. После каждого цикла продукт центрифугировали, сушили и использовали в следующем фотоэксперименте.

Иллюстрация разложения МБ метиленового синего фотокатализатором

Противомикробное действие

Антибактериальное действие искусственного SnO при различных температурах in vitro оценивалось в отношении наиболее распространенных патогенных бактерий E. coli и С. золотистый выделен от мастита коз с помощью хорошо диффузионного анализа. Чашки Петри, содержащие активированный рост бактерий (0,5 стандарта Mc-Farland) на затвердевшем агаре Макконки и агаре с маннитовой солью, инкубировали при 37 ° C после подготовки лунки диаметром 6 мм с использованием стерильного пробкового сверла. Различные концентрации синтезированных наноструктур (500 и 1000 мкг / 50 мкл) применялись как низкая и высокая доза по сравнению с ципрофлоксацином (5 мкг / 50 мкл) и DIW (50 мкл) в качестве положительного и отрицательного контроля соответственно. В чашках Петри, инкубированных в течение ночи при 37 ° C, были объявлены зоны ингибирования (мм), которые измеряли штангенциркулем. Антибактериальная активность, измеренная по зонам ингибирования (мм), была объявлена ​​статистически значимой с использованием однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с SPSS 20.0.

Исследования молекулярного докинга

Синтез клеточной стенки считается эффективной мишенью для открытия различных антибиотиков, имеющих разный механизм действия, таких как бета-лактамные и гликопептидные антибиотики. Бета-лактамные антибиотики считаются наиболее продаваемыми лекарствами и представляют собой наиболее распространенное лечение бактериальных инфекций [39, 40]. Они подавляют биосинтез клеточной стенки, связываясь с пенициллин-связывающим белком (PBP) и β -лактамазы [41]. Точно так же ферменты (например, ДНК-гираза), принадлежащие к синтезу нуклеиновых кислот, также считались эффективной мишенью для открытия антибиотиков [42]. Здесь мы провели исследования молекулярного докинга SnO ₂ НП против β -лактамаза и фермент ДНК-гираза обоих E. coli и С. золотистый чтобы получить представление об их возможном образе действий.

3D-кристаллические структуры выбранных белков-мишеней, принадлежащих E. coli и С. золотистый были получены из банка данных белков с кодом доступа:4KZ9; Res:1,72 Å [43], 1MWU; Res:2,6 Å [44] для β -лактамаза, при этом 6KZX; Res:2,1 Å [45] и 5CTU; Res:1,45 Å [46] для ДНК-гиразы, как показано на рис. 4.

3D-структура а бета-лактамаза (PDB:4KZ9), b ДНК-гираза (PDB:6KZX) из E. coli , c бета-лактамаза (PDB:1MWU) и d ДНК-гираза (PDB:5CTU) из S. золотистый

Исследования молекулярного докинга проводили с использованием программного обеспечения ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [47]. Инструмент приготовления рецептора ICM был использован для структуры белка, включающей добавление полярных атомов водорода, удаление молекул воды и сокристаллизованного лиганда. Белковые структуры были оптимизированы с использованием инструмента минимизации энергии с параметрами по умолчанию, в то время как сетка была использована для идентификации активного кармана вокруг кристаллизованного лиганда. Позже 10 лучших конформаций, определяющих ориентацию SnO ₂ В каждом случае генерировались НЧ внутри активного кармана фермента. Конформация с наименьшей оценкой связывания была выбрана для дальнейшего анализа, который выявил характер связывания и тенденцию к ингибированию изготовленных НЧ в отношении этих выбранных ферментов.

SnO ₂ структура была сгенерирована с помощью инструмента ligedit ICM, в то время как трехмерное изображение стыкованной конформации было сгенерировано с помощью ICM и визуализатора Discovery Studio [48].

Характеристики материалов

Диапазон дифракции рентгеновских лучей (XRD) BRUKER D2 Phaser:2 θ =10 ° –70 ° с Cu Kα ( λ =1,540 Å) была использована для исследования структуры решетки и получения данных о фазовом составе. Функциональные группы синтезированных продуктов оценивали с помощью инфракрасного спектрометра PerkinElmer с преобразованием Фурье (FTIR). Для анализа морфологии и элементного состава приготовленных образцов использовался автоэмиссионный сканирующий электронный микроскоп JEOL JSM-6610LV вместе с детектором Oxford XMax EDS с программным обеспечением INCA. Philips CM30 вместе с просвечивающим электронным микроскопом высокого разрешения (HR-TEM) JEOL JEM 2100F использовался для записи изображений SAED, HRTEM и решетчатых полос. Оптические свойства приготовленных образцов оксида олова регистрировали в диапазоне от 300 до 800 нм с помощью УФ-видимого спектрометра GENESYS-10S.

Результат и обсуждение

На рис. 5 (а) представлены спектры XRD, полученные для образцов оксида олова, синтезированных и отожженных при различных температурах. Для анализа фазового состава использовалось излучение CuKα, а соотношение Дебая – Шерера, \ (D =K \ lambda / \ beta {\ mathrm {Cos}} \ theta \), где λ =1,54 Å и k =0,9 использовали для расчета размера кристаллитов материала. При 250 ° C рентгенограмма показывает пики со значениями 2θ 29,12 ° (112), 31,60 ° (020), 33,57 ° (113), 40,15 ° (023), 45,54 ° (024), 51,35 ° (222) и 64,57. ° (225), которые все приписываются орторомбической фазе SnO (JCPDS:01–077-2296). Только один пик, зарегистрированный при 26,66 ° (112), принадлежит SnO ₂ . орторомбическая структура (JCPDS:01–078-1063). После отжига образцов при 500 и 750 ° C дифракционные пики, относящиеся к SnO, исчезли, и полученный продукт был идентифицирован как ромбический SnO ₂ с кристаллографическими плоскостями 24,81 ° (110), 29,12 ° (113), 31,23 ° (020), 41,59 ° (211), 46,90 ° (117), 59,57 ° (135), что хорошо согласуется с файлом JCPDS № 01-078- 1063 [49]. Наблюдаемые результаты XRD показывают, что приготовленный материал сначала окислился до SnO при 250 ° C. Позже, при 500 ° C и выше, он полностью превратился в SnO ₂ [50]. Результаты также показывают, что кристалличность образцов увеличивается с увеличением температуры. Кроме того, образцы SAED, полученные из образцов, отожженных при 250 и 750 ° C, отображали кольца ярких пятен, как показано на рис. 5b, c, соответственно. Анализируемые картины с плоскостями решетки (020), (023), (024) и (112) отнесены к орторомбическому SnO (рис. 5б), а плоскости дифракции (020), (110), (117) и (135) - приписывается SnO ₂ наноматериал (рис. 5в) для образцов, отожженных при 250 и 750 ° C соответственно. Кристаллическая природа продуктов была также подтверждена с помощью изображений SAED, которые согласуются с наблюдениями XRD.

а Спектры XRD, полученные для SnO, отожженного при 250, 500 и 750 ° C b , c Кольца SAED для образцов 250 и 750 ° C соответственно, и d Диаграммы FTIR

FTIR-спектры изготовленных наноматериалов оксида олова, нагретых до 250, 500 и 750 ° C, представлены на рис. 5d. Пик поглощения с центром примерно при 3580 см ^-1 в сочетании с почти 1602 см ⁻¹ Полоса была отнесена к растяжению / изгибу группы O – H и связи Sn-OH из-за того, что оксид олова поглощает определенное количество воды из окружающей атмосферы [51]. Пик низкого поглощения колеблется от 2300 до 2400 см ⁻¹ . относится к диоксиду углерода, который образовался в продуктах при воздействии атмосферы [52]. Связи, появляющиеся при 1174 см ⁻¹ соответствуют колебаниям различных типов поверхностных гидроксильных групп с пиком при 1401 см ^-1 обусловлено деформационными колебаниями C – H [53, 54]. Характерные пики находятся в диапазоне 500–700 см ⁻¹ . приписываются колебаниям поверхностного слоя Sn – O [55]. Повышение температуры отжига приводит к синему сдвигу пиков, в то время как характерные пики выглядят более сильными и интенсивными. Это может быть связано с процессом отжига, когда атомы наноматериала приобретают достаточно энергии для изменения положения атомов наночастиц, что приводит к рекристаллизации [56].

Анализ FESEM и HRTEM был проведен для сбора подробной информации о морфологии и наноструктуре изготовленных изделий. Были записаны изображения HRTEM оксида олова, отожженного при 250, 500 и 750 ° C, как показано на рис. 6a – c. Изображения свидетельствуют об образовании агломерации внутри наночастиц с почти сферической формой и случайным распределением частиц по размерам (см. Рис. 6a, c). На рис. 6б можно наблюдать крупные, слегка прозрачные и монодисперсные частицы с небольшой агломерацией. Такое же поведение распределения частиц можно наблюдать на вставленных изображениях при большом увеличении. Заметно резкое изменение морфологического поведения при 500 ° С. Эта температура может быть характерной особенностью процесса окисления [22]. Кроме того, на рис. 6d – f представлены микрофотографии ПЭМВР, полученные для образца, отожженного при 250, 500 и 750 ° C, соответственно, для определения межплоскостного расстояния. В кристаллитах расстояние между полосами решетки составляет ~ 0,225 нм, как показано на вставке изображения профиля IFFT на фиг. 6d, которое соответствует плоскости дифракции (023) орторомбической фазы SnO (JCPDS:01-077-2296). Расстояние d, рассчитанное по полосам решетки в образцах, обработанных при 500 и 750 ° C, составляет примерно 0,364 и 0,367 нм, что относится к плоскости (110) SnO ₂ орторомбическая структура согласно JCPDS NO. 01-078-1063. Эти результаты хорошо согласуются с данными XRD [49, 57, 58]. Предоставленные изображения IFFT ясно показывают увеличение расстояния d с повышением температуры.

а - c HR-TEM и d - е полосы решетки наноструктур, полученных при температурах отжига 250, 500 и 750 ° C соответственно

FESEM-изображения оксида олова, отожженного при 250 (рис. 7a) и 750 ° C (рис. 7b), демонстрируют изменение формы и размера решетчатых структур, таких как неоднородная или случайная форма частиц с крупными и мелкими отдельными зернами, а также агломерация. . На рис. 7b показана микрофотография FESEM образца, отожженного при 750 ° C, что означает небольшие агломерированные частицы и хорошо выращенную структуру по сравнению с образцом, отожженным при низкой температуре со случайным распределением частиц. Агломерация частиц приводит к уменьшению свободной поверхностной энергии из-за увеличения их размера, что приводит к уменьшению их площади поверхности. Агломерация наночастиц происходит из-за адгезии частиц друг к другу под действием слабых сил, приводящих к образованиям (суб) микронных размеров. [59].

Микрофотографии FESEM от образцов, отожженных при a 250 и b 750 ° C и c EDX-спектр образца, отожженного при 750 ° C

Состав изготовленного оксида олова, отожженного при 750 ° C, был проанализирован методом EDX, как показано на рис. 7c. Спектры образцов ясно показали присутствие Sn, O и C с масс.% 53,7, 42,2 и 4,0% соответственно. В продукте не было примесных компонентов, что свидетельствует о высокой чистоте SnO ₂ . наноматериал, в то время как содержание C может происходить из углеродных вкладок, используемых для хранения образцов.

Метод неразрушающей абсорбционной спектроскопии был использован для исследования оптических свойств проводящих и полупроводниковых наноматериалов. Спектры поглощения, полученные для оксида олова, отожженного при различных температурах, показаны на рис. 8а. На ожидаемое поглощение влияют несколько факторов, таких как дефицит кислорода, запрещенная зона, природа примесей и шероховатость поверхности. Спектры, полученные от отожженного оксида олова, показали обрезание ультрафиолетового излучения в области 300–365 нм [60], что может быть связано с фотовозбуждением электронов из валанса в зону проводимости. Спектры поглощения незначительно уменьшались между 300 и 365 нм с повышением температуры, как показано на рис. 8а. Для вычисления ширины запрещенной зоны используется соотношение Таука \ (\ alpha h \ nu =A {(h \ nu - {E} _ {\ mathrm {g}})} ^ {n} \), где α обозначает коэффициент поглощения, A представляет собой константу, а n =1/2 для прямой запрещенной зоны. Экстраполяция графика \ ({(\ alpha h \ nu)} ^ {2} \) в зависимости от hν дает значение оптической ширины запрещенной зоны E _g (Рис. 8б). Измеренные энергии полос составили 3,51, 3,32 и 3,71 эВ для образцов, отожженных при 250, 500 и 750 ° C соответственно [61, 62]. Ширина запрещенной зоны продуктов соответствует значениям, приведенным в литературе [61]. В целом, при повышении температуры атомы наночастиц получают больше энергии, чтобы изменить свое положение для рекристаллизации, что изменяет их морфологию и уменьшает размер зерна (можно проанализировать по данным ПЭМ ВР). По мере уменьшения размера частиц величина запрещенной зоны увеличивается, что объясняется эффектом нормального квантового ограничения. Аналогичную тенденцию наблюдали Malik et al. [63]. Самая низкая ширина запрещенной зоны, демонстрируемая наноматериалом, отожженным при 500 ° C, была приписана уникальным наноструктурам или аморфному синтезу поликристаллического оксида олова и образованию кислородных вакансий, вызывающих красное смещение. Модель Таука утверждает, что аморфные или неупорядоченные поверхностные полупроводники имеют локализованные состояния хвоста зоны с более низкой зонной энергией [64].

а Спектры поглощения UV – Vis и b значения запрещенной зоны, полученные для образцов, отожженных при 250, 500 и 750 ° C соответственно

Фотоактивность продуктов оксида олова, отожженных при различных температурах, была исследована путем фотодеструкции красителя MB под действием света (рис. 9). Изменение оптического поглощения раствора МБ при λ _макс =665 нм при его фоторазложении изображено на рис. 9а. Добавление изготовленных образцов приводит к уменьшению полосы поглощения МБ со временем. Максимальные фотокаталитические характеристики продемонстрировал образец, отожженный при 500 ° C ( E _g =3.32 эВ), что связано с особенностями морфологии и низкой скоростью электронно-дырочной рекомбинации. Мы наблюдали деградацию МБ на 86,0, 92,4 и 71,6% фотокатализаторами на основе оксида олова, полученными отжигом при 250, 500 и 750 ° C в течение 80 минут, соответственно (рис. 9b). Фотоактивность полупроводниковых материалов также связана с их шириной запрещенной зоны, которая влияет на окислительно-восстановительный потенциал фотогенерированной электронно-дырочной пары в процессе деградации МБ. Среди трех испытанных здесь образцов фотокатализатор, отожженный при 500 ° C, показал самую низкую ширину запрещенной зоны (3,32 эВ), в то время как значительно увеличенный% деградации, демонстрируемый этим продуктом, был обусловлен его уникальной структурой и высокой степенью агломерации, как показано на рис. 9b. Деградация красителя псевдопервого порядка проиллюстрирована с помощью ln ( C _о / C ) от времени облучения:ln ( C _о / C ) = тыс. Тонн как показано на рис. 9c, где k обозначает константу скорости, C _о и C обозначает начальную и конечную концентрации красителя (MB) соответственно [63, 65,66,67]. Значение k с использованием наноматериала, полученного при 500 ° C, составляло 0,59 мин ^-1 . и значительное уменьшение в образцах, синтезированных при 250 и 750 ° C, наблюдалось примерно при 0,50 и 0,31 мин ^-1 соответственно (рис. 9г).

а Результаты разложения МБ, продемонстрированные изготовленными фотокатализаторами b гистограмма% деградации c ln (C _o / C) от времени облучения и d график расчетной константы скорости разложения

Для очистки загрязненной воды фотокатализаторы должны демонстрировать стабильность и возможность многократного использования в течение длительных периодов времени, чтобы сделать процесс экономически целесообразным. В настоящем исследовании было проведено четыре цикла испытаний по удалению МБ с использованием изготовленных фотокатализаторов на основе оксида олова для определения их стабильности. Наблюдение за четырьмя последовательными циклами разложения красителя представлено на рис. 10a, b. Наноматериал, отожженный при 500 ° C, показал небольшое уменьшение фоторазложения МБ после четырех циклов (уменьшение на 6%). Результаты удаления загрязняющих веществ из воды, представленные в этом исследовании, сопоставимы с результатами, полученными Prakash et al. [65].

а Возможность повторного использования фотокатализатора на основе оксида олова, отожженного при 500 ° C и b гистограмма% деградации

Наноструктуры SnO, изготовленные при различных температурах обработки in vitro, антибактериальная активность, измеренная в терминах зон ингибирования (мм), наряду со сравнительной эффективностью,% возраста, показаны на рис. 11a – d и в таблице 1. Графики представляют прямую зависимость между концентрацией наноструктур и зонами ингибирования. сформирован. Значительные зоны ингибирования, зарегистрированные для образцов SnO (250, 500 и 750 ° C) для E. coli и С. золотистый ranged between 2.85–3.5 mm, 3.35–3.75 mm and 3.25–4.75 mm and 4.55–5.35 mm at low and high concentrations, respectively, Fig. 11a, b and Table 1. The efficacy %age of synthesized nanomaterials increased from 67.0–82.3 to 78.8–88.2% for E. coli and similarly, 45.4–66.4% and 63.6–74.8% for S. золотистый , respectively, Fig. 11c, d. All measured results were compared with DIW (0 mm). Positive control depicted 4.25 mm and 7.15 mm inhibition zones for E. coli и С. золотистый , respectively, Fig. 11a, b. Overall SnO₂ nanostructures optimized at 500 °C found more potent at both concentrations and more broadly, SnO₂ found more potent against gram-negative (G –ve) E. coli compared with gram-positive (G +ve) S. золотистый .

а In vitro bactericidal action of SnO annealed at different temperatures for E. coli б С. золотистый c In vitro bactericidal efficacy %age of fabricated NPs for E. coli (d) и С. золотистый соответственно

Size, concentration and morphology of nanostructures directly affects oxidative stress produced. Antibacterial activity imperiling size and concentration portrays inverse relation to size [68,69,70]. Nanostructures more efficiently produce reactive oxygen species (ROS) which exist in bacterial membrane resulting cellular organelles extrusion and bacteria death [71]. SnO ₂ generate more efficiently ROS including hydrogen peroxide (H₂ О ₂ ), OH groups and superoxide ions [72]. The increased antibacterial efficacy of fabricated SnO at various temperature treatments for E. coli compared to S. золотистый could be attributed to difference in cell wall structures of bacteria. G –ve bacteria cell wall consists of peptidoglycan thin layer with an outer membrane containing proteins and phospholipids while G  +ve cell wall contains thick layer of peptidoglycan with lipoteichoic and teichoic acids. This major difference in cell wall structure of both bacteria leads toward maximum efficacy of fabricated nanostructures toward G −ve compared to G  +ve bacteria [18].

Resistance acquired by microbial pathogens against various antibiotic drugs especially multidrug resistance pose huge threat to public health around the globe and there is an urgent need of more antibiotic drugs with novel mode of action [73]. Antibiotics belonging to various classes follow different mechanisms for their activity and target pathways vital for bacterial survival. For instance, Beta-lactam antibiotics such as penicillin target enzymes involved in peptidoglycan synthesis (i.e., important precursor for cell wall synthesis) [74] while Rifampicin a well-known antibiotic target enzyme belongs to nucleic acid biosynthetic pathways [42] suggesting importance of both cell wall and nucleic acid biosynthetic pathways as target for new antibiotic discovery [75]. Although bactericidal activity of various nanoparticles has been reported previously in recent years still exact mechanism of their action is not known [76, 77]. Keeping in view good antibacterial activity of SnO₂ against E. coli и С. золотистый , we performed molecular docking studies to identify their possible mechanism of action against β -lactamase and DNA gyrase enzymes as potential target.

In case of β -lactamase from E. coli the best binding score observed was − 5.71 kcal/mol showing H-bonding interaction with Lys239 (1.80 Å) and Gly235 (1.66 Å) alongside metal contact interaction with Gln35 as shown in Fig. 12a, b. Similarly, the top binding score obtained for DNA gyrase from E. coli was − 9.57 kcal/mol having H-bonding interaction with Thr163 (1.46 Å), Gly77 (1.43 Å) and Glu50 (3.36 Å) along with metal contact interaction with Gly75 as depicted in Fig. 12c, d.

а , b Binding interaction pattern of SnO₂ nanoparticle with active site residues of β -lactamase and c , d DNA gyrase from E. coli

The best binding score obtained for β -lactamase of S. золотистый was − 11.83 kcal/mol. The binding patterns of SnO₂ inside active pocket involved H-bonding interaction with Ser400 (2.16 Å), Gly522 (1.99 Å) and Ileu524 (1.90 Å). In addition, metal contact interaction was observed between SnO₂ and Gln521 as depicted in Fig. 13a, b. For DNA gyrase from S. золотистый the best conformation obtained showed H-bonding interaction with Gly85 (2.55 Å) and Thr173 (1.54 Å) having binding score − 8.61 kcal/mol (Fig. 13c, d).

а , b Binding interaction pattern of SnO₂ nanoparticle with active site residues of β -lactamase and c , d DNA gyrase from S. золотистый

Заключение

In summary, tin oxide nanoparticles annealed at various temperatures were synthesized by a facile and simple precipitation process. Annealing of samples at 250 °C during synthesis produced predominantly orthorhombic SnO which transformed to SnO₂ at 500 and 750 °C. The XRD and HRTEM analyzes revealed that nanoparticles possessed orthorhombic structure while particle size increased initially with an increase in temperature to 500 °C followed by a decrease at 750 °C. Large particle size at 500 °C was attributed to unique structure exhibited by the sample annealed at that temperature. Fabricated nanostructures demonstrated well-crystallized behavior along with agglomeration. Photoactivity of annealed tin oxide nanomaterials was evaluated by decomposing MB dye that was used as a model organic contaminant and a comparison between annealed samples was realized. Product synthesized at 500 °C exhibited 6% higher activity compared to sample annealed at 250 °C during degradation of MB. Maximum MB degradation attained in this study was 92% after 80 min irradiation time by 500 °C sample. It is suggested that radical (*OH ¹⁻ and *O₂ ^- ) and holes are major active entities in photocatalysis process. In silico predictions are in good agreement with in vitro bactericidal activity of SnO₂ НП. Molecular docking studies of SnO₂ NPs against selected enzymes, i.e., beta lactamase and DNA gyrase, suggested their tendency to impede activity of these enzymes that need to be further explored and confirmed through enzyme inhibition assay studies.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

EDS:

Energy-dispersive x-ray spectroscopy

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

G  +ve:

Gram-positive

G −ve:

Gram-negative

HR-TEM:

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

JCPDS:

Joint Committee on Powder Diffraction Standards

НП:

Наночастицы

SnO:

Tin oxide

UV–Vis:

Ультрафиолетовая видимая спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция