단련된 산화주석 나노구조의 광촉매, 살균 및 분자 도킹 분석

결과 및 토론

그림 5(a)는 다양한 온도에서 합성되고 어닐링된 산화주석 샘플에서 얻은 XRD 스펙트럼을 보여줍니다. 위상 구성 분석을 위해 CuKα 방사선이 사용되었으며 Debye-Scherer 관계, \(D =K\lambda /\beta {\mathrm{Cos}}\theta\) 여기서 λ =1.54 Å 및 k =0.9는 재료의 결정자 크기를 계산하는 데 사용되었습니다. 250°C에서 XRD 패턴은 2θ 값이 29.12°(112), 31.60°(020), 33.57°(113), 40.15°(023), 45.54°(024), 51.35°(024), 64.55°(222)인 피크를 보여줍니다. ° (225) 모두 SnO 사방정계 상으로 간주됩니다(JCPDS:01–077-2296). 26.66°(112)에서 기록된 하나의 피크만 SnO₂에 속합니다. 사방정계 구조(JCPDS:01–078-1063). 샘플이 500 및 750°C에서 어닐링됨에 따라 SnO와 관련된 회절 피크가 사라지고 생성된 생성물이 사방정계 SnO₂로 확인되었습니다. JCPDS 파일 No. 1063 [49]. 관찰된 XRD 결과는 준비된 물질이 250°C에서 먼저 SnO로 산화되었음을 나타냅니다. 나중에 500°C 이상에서 SnO₂로 완전히 변했습니다. [50]. 결과는 또한 온도가 증가함에 따라 샘플의 결정성이 향상되었음을 보여줍니다. 또한 250 및 750°C에서 어닐링된 샘플에서 얻은 SAED 패턴은 각각 그림 5b, c에 표시된 것처럼 밝은 점 고리를 나타냅니다. 격자 평면 (020), (023), (024) 및 (112)로 분석된 패턴은 사방정계 SnO(그림 5b) 및 (020), (110), (117) 및 (135) 회절 평면에 할당됩니다. SnO₂에 기인 각각 250 및 750°C에서 열처리된 샘플에 대한 나노물질(그림 5c). XRD 관찰과 일치하는 SAED 이미지를 통해 제품의 결정 특성도 확인되었습니다.

아 250, 500 및 750°C에서 열처리된 SnO에서 얻은 XRD 스펙트럼 b , ㄷ 각각 250°C 및 750°C 샘플의 SAED 링 및 d FTIR 패턴

250, 500 및 750°C에서 가열된 제조된 산화주석 나노물질의 FTIR 스펙트럼이 그림 5d에 나와 있습니다. 약 3580cm ⁻¹ 를 중심으로 하는 흡수 피크 거의 1602cm ⁻¹ 와 결합 밴드는 주석 산화물이 주변 대기로부터 일정량의 물을 흡수한다는 사실로 인해 OH 그룹 및 Sn-OH 결합의 신축/굽힘에 기인한다[51]. 낮은 흡수 피크 범위는 2300~2400cm ⁻¹ 입니다. 대기에 노출될 때 제품에서 생성되는 이산화탄소에 할당됩니다[52]. 1174cm ⁻¹ 에서 나타나는 채권 다양한 종류의 표면 수산기 진동에 해당하며 1401cm ⁻¹ 에서 피크 이는 CH 굽힘 진동으로 인한 것입니다[53, 54]. 특징적인 피크 범위는 500~700cm ⁻¹ 입니다. 표면층 Sn-O 진동에 기인한다[55]. 어닐링된 온도의 증가는 피크의 청색 편이를 유발하는 반면 특성 피크는 더 강하고 강렬하게 나타납니다. 이는 나노물질의 원자가 재결정화를 초래하는 나노입자 원자의 위치를 ​​변경하기에 충분한 에너지를 획득하는 어닐링 프로세스 때문일 수 있습니다[56].

FESEM 및 HRTEM 분석을 수행하여 제조된 제품의 형태 및 나노구조에 대한 자세한 정보를 수집했습니다. 250, 500 및 750°C에서 어닐링된 산화주석의 HRTEM 이미지가 그림 6a-c에 표시된 대로 기록되었습니다. 이미지는 거의 구형 모양과 입자 크기의 무작위 분포를 가진 나노입자 내에서 덩어리가 형성된다는 증거를 제공합니다(그림 6a, c 참조). 도 6b에서, 큰 크기, 약간 투명하고 응집이 거의 없는 단분산 입자를 관찰할 수 있었다. 고배율의 삽입 이미지에서 동일한 입자 분포 거동을 관찰할 수 있습니다. 500°C에서 형태학적 거동의 급격한 변화가 눈에 띕니다. 이 온도는 산화 과정에서 특징적인 특징일 수 있습니다[22]. 또한, 그림 6d-f는 면간 거리를 감지하기 위해 각각 250, 500 및 750°C에서 어닐링된 샘플에서 얻은 HRTEM 현미경 사진을 표시합니다. 결정자에서 격자 무늬의 간격은 SnO(JCPDS:01-077-2296)의 사방정계 상의 (023) 회절 평면에 해당하는 그림 6d의 삽입된 IFFT 프로필 이미지에 표시된 대로 ~ 0.225 nm입니다. 500 및 750°C에서 처리된 샘플의 격자 무늬에서 계산된 d-간격은 SnO₂의 (110) 평면에 기인한 약 0.364 및 0.367nm입니다. JCPDS NO.에 따른 사방정계 구조. 01-078-1063. 이러한 결과는 XRD 결과와 잘 일치합니다[49, 57, 58]. 제공된 IFFT 이미지는 온도가 증가함에 따라 d-spacing의 증가를 명확하게 보여줍니다.

아 –ㄷ HR-TEM 및 d –f 각각 250, 500 및 750°C의 어닐링 온도에서 얻은 나노구조의 격자 무늬

250°C(그림 7a) 및 750°C(그림 7b)에서 어닐링된 산화주석의 FESEM 이미지는 덩어리와 함께 크고 작은 개별 입자를 갖는 입자의 불균일하거나 임의의 모양과 같은 격자 구조의 모양 및 크기 변화를 나타냅니다. . 그림 7b는 750°C에서 열처리된 샘플의 FESEM 현미경 사진으로, 입자가 무작위로 분포된 저온에서 열처리된 샘플과 비교하여 작은 덩어리 입자와 잘 성장한 구조를 나타냅니다. 입자의 응집은 입자 크기의 증가로 인해 표면적의 감소를 초래하는 표면 자유 에너지의 감소를 초래합니다. 나노 입자의 응집은 (서브) 마이크론 크기의 개체로 이어지는 약한 힘에 의해 입자가 서로 접착되기 때문입니다. [59].

a에서 열처리된 샘플의 FESEM 현미경 사진 250 및 b 750°C 및 c 750°C에서 열처리된 샘플의 EDX 스펙트럼

750°C에서 열처리된 제조된 산화주석의 조성은 그림 7c와 같이 EDX 기법으로 분석되었습니다. 샘플 스펙트럼은 각각 53.7, 42.2 및 4.0%의 중량%로 Sn, O 및 C의 존재를 분명히 나타내었습니다. SnO₂의 고순도를 나타내는 제품에 불순물 성분이 존재하지 않았습니다. C 함량은 샘플을 보관하는 데 사용되는 탄소 탭에서 유래할 수 있습니다.

비파괴 흡수 분광법 기술은 전도성 및 반도체 나노 물질의 광학적 특성을 연구하는 데 사용되었습니다. 다양한 온도에서 열처리된 산화주석에서 얻은 흡수 스펙트럼은 그림 8a에 나와 있습니다. 산소 결핍, 에너지 밴드 갭, 불순물 특성 및 표면 거칠기와 같은 여러 요인이 예상되는 흡광도에 영향을 미칩니다. 열처리된 주석 산화물에서 얻은 스펙트럼은 300–365 nm에서 자외선 차단을 나타냈으며[60], 이는 원자가에서 전도대로 전자의 광 여기로 인한 것일 수 있습니다. 흡수 스펙트럼은 그림 8a와 같이 온도가 증가함에 따라 300~365nm 사이에서 약간 감소했습니다. 밴드 갭을 계산하려면 Tauc 관계 \(\alpha h\nu =A {(h\nu -{E}_{\mathrm{g}})}^{n}\) 여기서 α 흡수 계수, A를 나타냅니다. 상수를 나타내는 동안 n =직접 밴드 갭의 경우 1/2. \({(\alpha h\nu )}^{2}\) 대 hν 플롯의 외삽은 광학 밴드 갭 값 E를 제공합니다. _g (그림 8b). 측정된 밴드 에너지는 250, 500, 750°C에서 열처리된 샘플에 대해 각각 3.51, 3.32, 3.71eV였습니다[61, 62]. 제품의 밴드 갭은 문헌[61]에 보고된 값과 일치합니다. 전반적으로 온도가 증가함에 따라 나노 입자의 원자는 형태를 변경하고 입자 크기를 줄이는 재결정을 위해 위치를 변경하기 위해 더 많은 에너지를 얻습니다(HRTEM 데이터에서 분석 가능). 입자 크기가 감소함에 따라 정상적인 양자 구속 효과에 기인하는 밴드 갭 값이 증가합니다. Malik et al.에서도 유사한 경향이 관찰되었습니다. [63]. 500°C에서 열처리된 나노물질에 의해 나타나는 가장 낮은 밴드 갭은 독특한 나노구조 또는 다결정질 산화주석의 비정질 합성 및 적색편이를 생성하는 산소 결손의 생성에 기인합니다. Tauc 모델은 비정질 또는 무질서한 표면 반도체가 더 낮은 대역 에너지를 갖는 국부적 대역 꼬리 상태를 갖는다고 말합니다[64].

아 UV-Vis 흡광도 스펙트럼 및 b 각각 250, 500 및 750°C에서 열처리된 샘플에서 얻은 에너지 갭 값

다양한 온도에서 어닐링된 산화주석 제품의 광활성은 광조사에서 MB 염료의 광분해를 수행하여 조사되었습니다(그림 9). λ에서 MB 용액 광흡수의 변화 _최대 =665 nm의 광분해가 그림 9a에 나와 있습니다. 제작된 샘플을 추가하면 시간이 지남에 따라 MB 흡수 밴드가 감소합니다. 최대 광촉매 성능은 500°C(E _g =3.32 eV) 특정 형태와 낮은 전자-정공 재결합 속도에 기인합니다. 우리는 각각 250, 500, 750°C에서 80분 동안 열처리하여 제조한 산화주석 광촉매에 의해 86.0, 92.4, 71.6% MB 분해를 관찰했습니다(그림 9b). 반도체 재료의 광활성은 또한 MB 분해 과정에서 광 생성된 전자-정공 쌍의 산화환원 전위에 영향을 미치는 밴드 갭 에너지와 관련이 있습니다. 여기에서 테스트한 3개의 샘플 중에서 500°C에서 어닐링된 광촉매는 가장 낮은 밴드 갭 에너지(3.32eV)를 나타냈으며 이 제품이 나타내는 상당히 향상된 분해 %는 그림 9b에 표시된 고유한 구조와 높은 응집도에 기인합니다. 유사 1차 염료 분해는 ln(C _오 /C ) 대 조사 시간 플롯:ln(C _오 /C ) =kt k에서 그림 9c에 표시된 것처럼 속도 상수를 나타냅니다. C _오 C는 각각 초기 및 최종 염료 농도(MB)를 나타냅니다[63, 65,66,67]. 500°C에서 제조된 나노물질을 사용한 k 값은 0.59min ⁻¹ 입니다. 250 및 750°C에서 합성된 샘플의 상당한 감소가 약 0.50 및 0.31분에서 관찰되었습니다. ⁻¹ , 각각(그림 9d).

아 제작된 광촉매에 의한 MB 분해 결과 b 성능 저하 % 막대 그래프 c ln (C_o /C) 대 조사 시간 플롯 및 d 계산된 분해율 상수 그래프

오염된 물의 처리를 위해 광촉매는 공정을 경제적으로 실현하기 위해 장기간 동안 안정성과 재사용성을 나타내야 합니다. 본 연구에서는 안정성을 결정하기 위해 제작된 주석 산화물 광촉매를 사용하여 MB를 제거하기 위해 4주기의 테스트를 수행했습니다. 4개의 연속적인 염료 분해 주기의 관찰은 그림 10a, b에 나와 있습니다. 500°C에서 열처리된 나노물질은 4주기(6% 감소) 후 MB 광분해가 약간 감소하는 것으로 나타났습니다. 이 연구에서 보고된 물에서 오염 물질 제거 결과는 Prakash et al. [65].

아 500°C 및 b에서 열처리된 산화주석 광촉매의 재사용 가능성 열화 % 막대 그래프

다양한 온도 처리에서 제조된 SnO 나노구조체는 비교 효능 % 연령과 함께 억제 영역(mm) 측면에서 측정된 시험관 내 항균 활성을 그림 11a-d 및 표 1에 표시합니다. 그래프는 나노구조 농도와 억제 영역 사이의 정비례를 나타냅니다. 형성. Significant zones of inhibition recorded for SnO (250, 500 and 750 °C) samples for E. 대장균 and S. 구균 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. 대장균 and similarly, 45.4–66.4% and 63.6–74.8% for S. 구균 , 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. 대장균 and S. 구균 , 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. 대장균 compared with gram-positive (G +ve) S. 구균 .

아 In vitro bactericidal action of SnO annealed at different temperatures for E. 대장균 ㄴ S. 구균 ㄷ In vitro bactericidal efficacy %age of fabricated NPs for E. 대장균 (d) and S. 구균 , 각각

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]. SnO₂ generate more efficiently ROS including hydrogen peroxide (H₂ O₂ ), OH groups and superoxide ions [72]. The increased antibacterial efficacy of fabricated SnO at various temperature treatments for E. 대장균 compared to S. 구균 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. 대장균 and S. 구균 , 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. 대장균 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. 대장균 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.

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

The best binding score obtained for β -lactamase of S. 구균 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. 구균 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).

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