Улучшенные фото каталитические и антибактериальные свойства отожженных наноструктур оксида олова: молекулярное 도킹-исследование

Введение

Исключительные свойства и широкий спектр технологических применений, связанных с традиционными оксидами металлов, стимулировали изучение этих материалов в их наноструктурированной форме. Среди них оксид олова (SnO₂) считается важным оксидом металла [1], обладающим широкой запрещенной зоной 3,6 эВ при комнатной температуре [2]. Это n-тип полупроводник с внутренними дефектами в виде кислородных вакансий с интерстициальными атимами олова, взаимодействующими с донорами (n-тип носителей). Увеличение числа свободных электронов в зоне проводимости приводит к увеличению проводимости материала [3].

Использование SnO₂ как окислительного катализатора, фото катализатора, газового сенсора и прозрачного проводника составляет основу для дальнейшего изучения этого материала [4–9]. Он способен детектировать легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и токсичные газы [10]. Индустриализация привела к увеличению сброса вредных загрязнителей воздуха и воды, таких как CO и SO₂, в атмосферу и вредных азо-источников красителей в сточные воды. По оценкам, примерно 500 тонн различных красителей сбрасываются в промышленные сточные воды, и основная часть (~80%) приходится на текстильную промышленность [11]. Химические токсины и органическое топливо составляют загрязнение воздуха, а опасные красители из водных объектов влияют на экосистемы Земли, повышая важность технологий детектирования и предотвращения таких загрязнителей. Благодаря уникальным физико-химическим свойствам SnO₂ способен работать при низких температурах. Благодаря своей внутренней нестехиометрии он восстанавливает вредные газы, позволяя легкую адсорбцию кислорода на поверхности. Кроме того, он дешевле по сравнению с другими материалами для аналогичных применений. Он также обладает существенной оптической прозрачностью и электрической проводимостью, делая его подходящим для оптоэлектронных компонентов [12]. Применяется в производстве прозрачных электродов и солнечных элементов для панелей и нескольких электрохромных устройств [13–17].

Для предотвращения водных заболеваний удаление бактерий из сточных вод важно для систем питьевой воды и санитарии. Между 2003 и 2005 гг. в США сообщали о четырех водных заболеваниях, вызванных патогенами в питьевой воде, пострадало около 282 человек. Конвенциональные методы дезинфекции водных объектов зависят от химических реагентов, менее эффективных против цистообразующих простейших (Giardia и Cryptosporidium). Иногда эти методы дают вредные побочные продукты. Нанотехнологии — новое поколение технологий, способное влиять на мировую экономику через новые потребительские продукты, использование материалов и методы производства [18]. Наноструктуры оксидов металлов демонстрируют усиленные антимикробные свойства, обусловленные их высоким отношением поверхности к объему, стабильностью и биосовместимостью. Они обладают уникальной способностью проникать через структуру клеточной мембраны и разрушать клеточные части бактерий [19].

Два основных оксида олова изучаются: SnO и SnO₂, их существование обусловлено двойными степенями окисления олова +2 и +4. Эти оксиды также называют широко запрещенными полупроводниками с PbO-структурой для оксида олова и тетрагональной решеткой (рутиловая структура) для SnO₂ [20]. Широкий диапазон энергии запрещенной зоны 3,6–4,0 эВ, n-тип проводимости и более 85% прозрачности [21]. SnO — p-тип материал с запрещенной зоной 2,7–3,4 эВ, но экспериментально достигнутая запрещенная зона может достигать 3,6 эВ. Кроме того, структурные, оптические и электронные свойства оксида олова указывают, что увеличение давления приводит к неструктурной орторомбческой форме SnO и прохождению в UV-видимых и ближнем ИК областях. Повышение температуры также дает орторомбческую структуру SnO и тетрагональное SnO₂ образование. Так, увеличение давления или температуры сдвигает поглощение и увеличивает энергии запрещенной зоны. Поликристаллический SnO можно превратить в SnO₂ фазу повышением температуры от 400 до 700 °C [22]. Благодаря настройке запрещенной зоны оксиды олова используются в электронике.

SnO и SnO₂ материалы также применялись в Li-ионных батареях [23–25]. Литература показывает, что электрохимическая производительность наноматериалов может быть улучшена контролем их размера [26]. Kida et al. сообщали, что уменьшение размера частиц вызывало увеличение отклика сенсора для H₂ детекции; однако отклик на H₂S и CO увеличивался с увеличением размера частиц [27]. Различные методы производства SnO₂ описаны в литературе. Merlin [28] синтезировал наночастицы размером 20–30 нм зеленым синтезом с использованием этанолического экстракта stevia rebaudiana, действовавшего как каппирующее и восстанавливающее вещество. Janardhan et al. [29] приготовили SnO наночастицы среднего размера 50 нм с использованием разбавленного HCl и SnCl₂·2H₂O. Selvakumari et al. [30] изготовили SnO₂ частицы со средним кристаллическим размером 13–40 нм с использованием оболочки яйца курицы.

Обычно наноматериалы синтезируют различными методами: электрохимическим восстановлением [31], sol-gel [32], гидротермальным [33] и ко-осаждением [34]. В настоящей работе предпочли метод осаждения, так как он удобен и дешев для синтеза наноструктур. Цель исследования — наблюдать влияние различных температур (250, 500, 750 °C), используемых при синтезе, на кристаллитный размер, морфологию и энергию запрещенной зоны подготовленных неструктурных материалов. Далее изучалось фото каталитическое поведение синтезированного продукта путем деградации красителя метиленового синего — распространенного промышленного загрязнителя во всем мире. In silico молекулярные докинг-предсказания выполнялись для раскрытия механизма бактерицидной активности SnO₂ против β-лактамазы пути биосинтеза клеточной стенки и ДНК-гиразы пути биосинтеза нуклеиновых кислот от E. coli и S. aureus.

Методы

Текущее исследование направлено на синтез SnO₂ наночастиц простым и легким осадочным процессом и отжиг при различных температурах. Отожженный SnO₂ использовался для удаления органических загрязнителей из сточных вод и антибактериального потенциала.

Химикаты

Хлорид олова(II) дигидрат (SnCl₂·2H₂O) и этанол аналитического чистоты приобрели у Sigma-Aldrich (Германия). Гидроксид натрия (NaOH) и метиленовый синий (MB) закупили у Merk (Германия) и BDH (Великобритания) соответственно. Дистиллированную воду покупали на местном рынке для изготовления наноструктур оксида олова. Химическая структура загрязнителя (MB красителя) показана на рис. 1.

Приготовление наноструктур оксида олова

В этом исследовании использовались коммерческие химикаты аналитического чистоты высокой чистоты для приготовления наноматериала оксида олова осадочной процедурой (см. рис. 2). Водные растворы SnCl₂·2H₂O (19 г) и NaOH (8 г) готовили отдельно в 50 мл дистиллированной воды. Водной раствор NaOH капали в раствор SnCl₂·2H₂O (~10 капель/мин) под постоянным перемешиванием при 70 °C в 400-мм колбе. При капельном добавлении выпадал белый осадок. Полученный продукт несколько раз промывали дистиллированной водой и этанолом в центрифуге. Материал сушили при комнатной температуре 48 ч для удаления влаги. Наконец, сухой твердый продукт размалывали в тонкий порошок в ступке. Три пробы отжигали в муфельной печи при 250, 500 и 750 °C в течение трех часов со скоростью нагрева 0,5 °C/мин [35].

Процесс фото каталитической активности

Фотоактивный потенциал отожженных проб оксида олова оценивали мониторингом фотодеградации водного раствора MB под источником света; механизм проиллюстрирован на рис. 3 [36–38]. Для каждого эксперимента известная масса наноматериала (10 мг) добавляли в 60 мл водного раствора красителя (10 мг/л). Перед освещением суспензию магнитно перемешивали в темноте 5 мин [38] для достижения адсорбционно-десорбционного равновесия красителя на поверхности фото катализатора. Суспензию облучали 80 мин ртутной лампой (400 Вт, λ = 400–700 нм) под перемешиванием (200 об/мин). Образцы MB ~5 мл забирали из тестового раствора для контроля остаточного количества MB с помощью UV-Vis спектрофотометра в диапазоне 300–750 нм. Изменение максимальной длины волны поглощения MB (~665 нм) во времени облучения записывали для изучения фотодеградации MB. Активность синтезированных продуктов оценивали расчетом процента деградации красителя формулой:

$$\text{Деградация}\% = \frac{C_0 - C}{C_0} \times 100$$ (1)

где C₀ — начальная концентрация MB, C — концентрация после облучения. Без фото катализатора контрольный эксперимент также проводился при тех же условиях. Для проверки повторного использования наноматериалов деградированный раствор MB центрифугировали (6000 об/мин) 10 мин для восстановления фото катализатора. Восстановленный продукт сушили при 80 °C (2 ч) для повторного использования в экспериментах по деградации MB. Для проверки долговечности катализатора рециклирующие фотоактивные эксперименты проводили до четырех циклов. После каждого цикла продукт центрифугировали, сушили и использовали для следующего фото-эксперимента.

Антимикробная активность

In vitro антибактериальное действие изготовленного SnO при различных температурных обработках оценивали против наиболее распространенных патогенных бактерий E. coli и S. aureus, выделенных из козьего мастита, методом диффузии в колбах. Петриевы чаши с активированным ростом бактерий (стандарт 0,5 Макфарленда) на застывшем Макконки агаре и маннитол-солевом агаре инкубировали при 37 °C после подготовки колба диаметром 6 мм стерильным пробником. Различные концентрации синтезированных наноструктур (500 и 1000 мкг/50 мкл) применяли как низкую и высокую дозу по сравнению с ципрофлоксацином (5 мкг/50 мкл) и ДИВ (50 мкл) как положительным и отрицательным контролем соответственно. Инкубированные на ночь Петриевы чаши при 37 °C декларировализоны ингибирования (мм), измеряемые штангенциркулем. Антибактериальная активность в терминах зон ингибирования (мм) была статистически значимой по однофакторному дисперсионному анализу (ANOVA) с SPSS 20.0.

Молекулярные докинг-исследования

Синтез клеточной стенки считается эффективной мишенью для открытия различных антибиотиков с разными механизмами действия, как β-лактам и гликопептид антибиотики. β-лактам антибиотики сообщались как наиболее продаваемые препараты и представляют наиболее частое лечение бактериальных инфекций [39, 40]. Они ингибируют биосинтез клеточной стенки, связываясь с пенициллин-связывающим белком (PBP) и β-лактамазами [41]. Аналогично ферменты (ДНК-гираза), принадлежащие нуклеиновокислотному синтезу, также рассматриваются как эффективная мишень для открытия антибиотиков [42]. Здесь выполнили молекулярные докинг-исследования SnO₂ НП против β-лактамазы и ДНК-гиразы обоих E. coli и S. aureus для понимания их возможного механизма действия.

3D-кристаллические структуры выбранных белковых мишеней E. coli и S. aureus получены из банка данных белков с кодами доступа: 4KZ9; Res: 1,72 Å [43], 1MWU; Res: 2,6 Å [44] для β-лактамазы, а 6KZX; Res: 2,1 Å [45] и 5CTU; Res: 1,45 Å [46] для ДНК-гиразы, как показано на рис. 4.

Молекулярные докинг-исследования проводили с помощью ПО ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [47]. Инструмент подготовки рецептора ICM использовали для белковой структуры: добавление полярных атомов водорода, удаление молекул воды и ко-кристаллизованного лиганда. Белковые структуры оптимизировали инструментом энергетической минимизации с параметрами по умолчанию, а коробка-сетка использовалась для идентификации активного кармана вокруг кристаллизованного лиганда. Позже генерировали 10 лучших конформаций, определяющих ориентацию SnO₂ НП внутри активного кармана фермента в каждом случае. Конформация с наименьшей оценкой связывания выбиралась для дальнейшего анализа, раскрывающего паттерн связывания и тенденцию к ингибированию изготовленных НП против выбранных ферментов.

Структура SnO₂ генерировалась инструментом ligedit ICM, а 3D-вид докированной конформации генерировался через ICM и Discovery Studio Visualizer [48].

Характеризация материалов

BRUKER D2 Phaser рентгеновская дифракция (XRD) в диапазоне 2θ = 10°–70° с Cu Kα (λ = 1,540 Å) использовалась для изучения решетчатой структуры и получения данных о фазовом составе. Функциональные группы синтезированных продуктов оценивали через перкинелмеровский Фурье-ИК спектрометр (FTIR). JEOL JSM-6610LV полевой электронной сканирующей микроскоп (FESEM) вместе с Oxford XMax EDS детектором с ПО INCA применяли для анализа морфологии и элементного состава подготовленных проб. Philips CM30 вместе с JEOL JEM 2100F высокоразрешающей передаточной электронной микроскоп (HR-TEM) использовали для записи SAED, HRTEM изображений и решетчатых периодичностей. Оптические свойства подготовленных проб оксида олова записывали от 300 до 800 нм с помощью GENESYS-10S UV-Vis спектрометра.

Результаты и обсуждение

Рис. 5(а) показывает XRD спектры оксида олова, синтезированного и отожженного при различных температурах. Для фазового составного анализа использовалось CuKα излучение, а соотношение Дебая-Шеррера, \(D = K\lambda / \beta \cos\theta\), где λ = 1,54 Å и k = 0,9, применялось для расчета кристаллитного размера. При 250 °C XRD картина показывает пики с 2θ значениями 29,12° (112), 31,60° (020), 33,57° (113), 40,15° (023), 45,54° (024), 51,35° (222) и 64,57° (225), все приписываемые орторомбческой фазе SnO (JCPDS: 01–077-2296). Только один пик зафиксирован при 26,66° (112) принадлежит орторомбческой структуре SnO₂ (JCPDS: 01–078-1063). При отжиге 500 и 750 °C дифракционные пики, связанные с SnO, исчезали, и получившийся продукт идентифицировался как орторомбческий SnO₂ с кристаллитографическими плоскостями 24,81° (110), 29,12° (113), 31,23° (020), 41,59° (211), 46,90° (117), 59,57° (135), хорошо согласующимися с JCPDS файлом № 01-078-1063 [49]. Наблюденные XRD результаты указывают, что подготовленный материал сначала окислялся к SnO при 250 °C. Позже, при 500 °C и выше, он полностью превращался в SnO₂ [50]. Результаты также показывают, что кристалличность проб улучшалась с повышением температуры. Кроме того, SAED образцы от проб, отожженных при 250 и 750 °C, изображали яркие кольцевые пятна как показано на рис. 5б, в. Проанализированные образцы с решетчатыми плоскостями (020), (023), (024) и (112) приписываются орторомбическому SnO (рис. 5б) и (020), (110), (117) и (135) дифракционные плоскости атрибутируются SnO₂ наноматериалу (рис. 5в) для проб, отожженных при 250 и 750 °C соответственно. Кристаллическая природа продуктов также подтверждалась SAED изображениями, что согласуется с XRD наблюдениями.

FTIR спектры изготовленных наноматериалов оксида олова, нагретых при 250, 500 и 750 °C, представлены на рис. 5г. Поглощение пика в области 3580 см⁻¹, связанное с почти 1602 см⁻¹ полосой, атрибутировалось растяжению/сгибанию O–H группы и Sn-OH связи из-за того, что оксид олова поглощает определенное количество воды из окружающей атмосферы [51]. Низкий пик поглощения в диапазоне 2300–2400 см⁻¹ приписывается углекислому газу, образующемуся в продуктах при воздействии атмосферы [52]. Связи при 1174 см⁻¹ соответствуют вибрациям различных видов поверхностных гидроксильных групп, а пик при 1401 см⁻¹ — из-за сгибательных вибраций C–H [53, 54]. Характерные пики в диапазоне 500–700 см⁻¹ атрибутируются поверхностным вибрациям Sn–O [55]. Увеличение температуры отжига вызывает синий сдвиг пиков, в то время как характерные пики становятся сильнее и интенсивнее. Это может быть связано с процессом отжига, где атомы наноматериала приобретают достаточно энергии для изменения позиции атомов наночастиц, приводя к рекристаллизации [56].

FESEM и HRTEM анализ проводился для получения детальной информации о морфологии и наноструктуре изготовленных продуктов. HRTEM изображения оксида олова, отожженного при 250, 500 и 750 °C, записаны, как изображено на рис. 6а–в. Изображения дают доказательства формирования агломерации внутри наночастиц с почти сферической формой и случайным распределением размера частиц (см. рис. 6а, в). На рис. 6б видны частицы большого размера, слегка прозрачные и монодисперсные с малой агломерацией. То же поведение распределения частиц видно на вставках с высоким увеличением. Резкая смена морфологического поведения при 500 °C заметна. Эта температура может быть характерной особенностью в процессе окисления [22]. Далее, рис. 6г–и показывают HRTEM микрографии от проб, отожженных при 250, 500 и 750 °C соответственно, для определения межплоскостного расстояния. В кристаллитах расстояние решетчатых периодичностей ~0,225 нм, как показано на вставке IFFT профиля на рис. 6г, что соответствует (023) дифракционной плоскости орторомбческой фазы SnO (JCPDS: 01-077-2296). d-расстояние, расчетное из решетчатых периодичностей в пробах, обработанных при 500 и 750 °C, составляет ~0,364 и 0,367 нм, приписываемые (110) плоскости SnO₂ орторомбческой структуры по JCPDS № 01-078-1063. Эти результаты в хорошем согласии с XRD находками [49, 57, 58]. Предоставленные IFFT изображения четко показывают увеличение d-расстояния с повышением температуры.

FESEM изображения оксида олова, отожженного при 250 °C (рис. 7а) и 750 °C (рис. 7б) изображают вариацию формы и размера решетчатых структур: неравномерная или случайная форма частиц с крупными и мелкими отдельными зернами вместе с агломерацией. Рис. 7б показывает FESEM микрографию пробы, отожженной при 750 °C, что означает мелкие агломерированные частицы и хорошо выросшую структуру по сравнению с пробой при низкой температуре со случайным распределением частиц. Агломерация частиц приводит к снижению свободной поверхностной энергии из-за увеличения их размера, что ведет к уменьшению поверхности. Агломерация наночастиц обусловлена адгезией частиц друг к другу слабыми силами, ведущей к (суб)микронным сущностям [59].

Состав изготовленного оксида олова, отожженного при 750 °C, анализировался EDX техникой как показано на рис. 7в. Спектры пробы четко демонстрировали наличие Sn, O и C с массовыми % 53,7, 42,2 и 4,0% соответственно. Примесные компоненты в продукте отсутствовали, что указывало на высокую чистоту SnO₂ наноматериала, тогда как содержание C могло исходить от углеродных таблеток для удержания проб.

Недеструктивная абсорбционная спектроскопия использовалась для изучения оптических свойств проводящих и полупроводниковых наноматериалов. Абсорбционные спектры оксида олова, отожженного при различных температурах, иллюстрированы на рис. 8а. Несколько факторов влияют на ожидаемое поглощение: кислородная дефицитность, энергия запрещенной зоны, природа примеси и шероховатость поверхности. Спектры от отожженного оксида олова демонстрировали ультрафиолетовый отсечение при 300–365 нм [60], что может быть связано с фото-возбуждением электронов из валентной зоны в зону проводимости. Абсорбционные спектры слегка уменьшались между 300 и 365 нм с повышением температуры, как показано на рис. 8а. Для расчета запрещенной зоны использовали соотношение Таука \(\alpha h\nu = A (h\nu - E_g)^n\), где α — коэффициент поглощения, A — константа, n = 1/2 для прямой запрещенной зоны. Экстраполяция \((\alpha h\nu)^2\) против \(h\nu\) графика дает оптическое значение запрещенной зоны E_g (рис. 8б). Измеренные энергии зон составляли 3,51, 3,32 и 3,71 эВ для проб, отожженных при 250, 500 и 750 °C соответственно [61, 62]. Энергии зон продуктов согласуются с литературными значениями [61]. В целом, при повышении температуры атомы наночастиц получают больше энергии для смены позиции и рекристаллизации, что меняет их морфологию и уменьшает размер зерна (анализируется из HRTEM данных). При уменьшении размера частиц значение запрещенной зоны увеличивается, что приписывается нормальному квантовому эффекту размерного квантования. Аналогичная тенденция наблюдалась Malik et al. [63]. Наименьшая запрещенная зона, продемонстрированная наноматериалом, отожженным при 500 °C, приписывалась уникальным наноструктурам или аморфному синтезу поликристаллического оксида олова и генерации кислородных вакансий, дающих красный сдвиг. Модель Таука утверждает, что аморфные или неупорядоченные поверхностные полупроводники имеют локализованные хвостовые состояния зоны с более низкой энергией зоны [64].

Фотоактивность продуктов оксида олова, отожженных при различных температурах, изучалась фотодеградацией MB красителя под облучением (рис. 9). Вариация оптического поглощения MB раствора при λ_max = 665 нм во время его фото-разложения изображенна на рис. 9а. Добавление изготовленных проб дает уменьшение поглощения MB со временем. Максимальная фото каталитическая производительность продемонстрировала проба, отожженная при 500 °C (E_g = 3,32 эВ), что приписывается специфической морфологии и низкой скорости электрон-дырочной рекомбинации. Наблюдалось 86,0, 92,4 и 71,6% деградации MB фото катализаторами оксида олова, приготовленными отжигом при 250, 500 и 750 °C за 80 мин соответственно (рис. 9б). Фотоактивность полупроводниковых материалов также связана с их энергией запрещенной зоны, влияющей на окислительно-восстановительный потенциал фотосгенерированных электрон-дырочных пар в процессе деградации MB. Среди трех протестированных проб фото катализатор, отожженный при 500 °C, показал наименьшую энергию запрещенной зоны (3,32 эВ), в то время как значительно усиленная деградация % этим продуктом зачитывалась его уникальной структуре и высокой степени агломерации, как показано на рис. 9б. Псевдо-первого порядка деградация красителя иллюстрируется графиком ln(C_o/C) против времени облучения: ln(C_o/C) = kt, показан на рис. 9в, где k — константа скорости, C_o и C — начальная и конечная концентрация красителя (MB) соответственно [63, 65–67]. Значение k для наноматериала, приготовленного при 500 °C, составляло 0,59 мин⁻¹, и значительное уменьшение для проб, синтезированных при 250 и 750 °C, наблюдалось около 0,50 и 0,31 мин⁻¹ соответственно (рис. 9г).

Для очистки загрязненной воды фото катализаторы должны демонстрировать стабильность и повторное использование длительные периоды для экономической целесообразности процесса. В настоящем исследовании проводили четыре цикла тестов для удаления MB с использованием изготовленных фото катализаторов оксида олова для определения их стабильности. Наблюдения четырех последовательных циклов деградации красителя представлены на рис. 10а, б. Наноматериал, отожженный при 500 °C, показал незначительное уменьшение фотодекомпозиции MB после четырех циклов (6% снижение). Результаты удаления загрязнителей из воды, сообщенные в этом исследовании, сопоставимы с результатами Prakash et al. [65].

SnO наноструктуры, изготовленные при различных температурных обработках, in vitro антибактериальная активность, измеренная в терминах зон ингибирования (мм) вместе с сравнительной эффективностью % показаны на рис. 11а–г и Таблице 1. Графики показывают прямую пропорцию между концентрацией наноструктур и зонами ингибирования. Значительные зоны ингибирования, зафиксированные для SnO (250, 500 и 750 °C) проб для E. coli и S. aureus колебались между 2,85–3,5 мм, 3,35–3,75 мм и 3,25–4,75 мм и 4,55–5,35 мм при низких и высоких концентрациях соответственно, рис. 11а, б и Таблица 1. Эффективность % синтезированных наноматериалов увеличивалась от 67,0–82,3 до 78,8–88,2% для E. coli и аналогично 45,4–66,4% и 63,6–74,8% для S. aureus соответственно, рис. 11в, г. Все измеренные результаты сравнивались с ДИВ (0 мм). Положительный контроль показывал 4,25 мм и 7,15 мм зоны ингибирования для E. coli и S. aureus соответственно, рис. 11а, б. В целом SnO₂ наноструктуры, оптимизированные при 500 °C, оказались более мощными при обеих концентрациях и шире, SnO₂ оказался более мощным против грамотрицательных (G-ве) E. coli по сравнению с грамопозитивными (G+ве) S. aureus.

Размер, концентрация и морфология наноструктур напрямую влияют на окислительный стресс. Антибактериальная активность, угрожающая размеру и концентрации, изображает обратную связь с размером [68–70]. Наноструктуры эффективнее производят реактивные формы кислорода (РФК), существующие в бактериальной мембране, вызывающие выдавливание клеточных органелл и смерть бактерий [71]. SnO₂ эффективнее генерирует РФК, включая перекись водорода (H₂O₂), OH-группы и супероксидные ионы [72]. Увеличенная антибактериальная эффективность изготовленного SnO при различных температурных обработках для E. coli по сравнению с S. aureus может быть обусловлена разницей в структурах клеточной стенки бактерий. G-ве бактерии имеют тонкий слой пептидогликана с внешней мембраной, содержащей белки и фосфолипиды, в то время как G+ве клеточная стенка содержит толстый слой пептидогликана с липотехойновыми и техойновыми кислотами. Эта главная разница в структуре клеточной стенки ведет к максимальной эффективности изготовленных наноструктур к G-ве по сравнению с G+ве бактериями [18].

Сопротивление, приобретенное микробными патогенами против различных антибиотических препаратов, особенно множественная лекарственная устойчивость, представляет огромную угрозу общественному здоровью во всем мире и существует острая необходимость в больших антибиотических препаратах с новым механизмом действия [73]. Антибиотики различных классов следуют разным механизмам для своей активности и нацелены на пути, жизненно важные для выживания бактерий. Например, β-лактам антибиотики, такие как пенициллин, нацелены на ферменты, вовлеченные в синтез пептидогликана (важный предшественник для синтеза клеточной стенки) [74], в то время как рифампицин, хорошо известный антибиотик, нацелен на фермент, принадлежащий нуклеиновокислотным биосинтетическим путям [42], указывая на важность путей биосинтеза клеточной стенки и нуклеиновых кислот как мишени для открытия новых антибиотиков [75]. Хотя бактерицидная активность различных наночастиц сообщалась в последние годы, точный механизм их действия все еще неизвестен [76, 77]. Учитывая хорошую антибактериальную активность SnO₂ против E. coli и S. aureus, мы выполнили молекулярные докинг-исследования для идентификации их возможного механизма действия против β-лактамазы и ДНК-гиразы как потенциальных мишеней.

В случае β-лактамазы от E. coli лучшая оценка связывания составила −5,71 ккал/моль, показывая водородные связи с Lys239 (1,80 Å) и Gly235 (1,66 Å) вместе с металлическим контактным взаимодействием с Gln35, как показано на рис. 12а, б. Аналогично, лучшая оценка связывания для ДНК-гиразы от E. coli составила −9,57 ккал/моль с водородными связями с Thr163 (1,46 Å), Gly77 (1,43 Å) и Glu50 (3,36 Å) вместе с металлическим контактным взаимодействием с Gly75, как изображено на рис. 12в, г.

Лучшая оценка связывания для β-лактамазы S. aureus составила −11,83 ккал/моль. Паттерны связи SnO₂ внутри активного кармана включали водородные связи с Ser400 (2,16 Å), Gly522 (1,99 Å) и Ile524 (1,90 Å). Кроме того, металлическое контактное взаимодействие наблюдалось между SnO₂ и Gln521, как показано на рис. 13а, б. Для ДНК-гиразы от S. aureus лучшая конформация показывала водородные связи с Gly85 (2,55 Å) и Thr173 (1,54 Å) с оценкой связывания −8,61 ккал/моль (рис. 13в, г).

Заключение

Подводя итог: наночастицы оксида олова, отожженные при различных температурах, синтезированы простым и легким осадочным процессом. Отжиг проб при 250 °C во время синтеза давал преимущественно орторомбческий SnO, который превращался в SnO₂ при 500 и 750 °C. XRD и HRTEM анализы показали, что наночастицы обладают орторомбческой структурой, в то время как размер частиц сначала увеличивался с повышением температуры до 500 °C, а затем уменьшался при 750 °C. Большой размер частиц при 500 °C приписывался уникальной структуре пробы, отожженной при этой температуре. Изготовленные наноструктуры демонстрировали хорошо кристаллизованное поведение вместе с агломерацией. Фотоактивность отожженных наноматериалов оксида олова оценивалась декомпозицией MB красителя как модели органического загрязнителя и сравнением между отожженными пробы. Продукт, синтезированный при 500 °C, демонстрировал на 6% более высокую активность по сравнению с пробой, отожженной при 250 °C при деградации MB. Максимальная деградация MB, достигнутая в этом исследовании, составила 92% после 80 мин облучения пробой 500 °C. Предлагается, что радикалы (*OH⁻ и *O₂⁻) и дырки являются основными активными сущностями в фото каталитическом процессе. In silico предсказания в хорошем согласии с in vitro бактерицидной активностью SnO₂ НП. Молекулярные докинг-исследования SnO₂ НП против выбранных ферментов, β-лактамазы и ДНК-гиразы, указали на их тенденцию препятствовать активности этих ферментов, что требует дальнейшего изучения и подтверждения через исследования ферментативного ингибирования.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

FTIR:

Фурье-спектроскопия в ИК-области

G+ве:

Грам-положительные

G-ве:

Грам-отрицательные

HR-TEM:

Высокоразрешающая передаточная электронная микроскопия

JCPDS:

Объединенный комитет по стандартам порошковой дифракции

NPs:

Наночастицы

SnO:

Оксид олова

UV-Vis:

Ультрафиолетово-видимая спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция