대장균에 대한 산화구리 나노입자의 생물학적 합성, 특성화 및 항균 가능성 평가

결과 및 토론

도핑된 CuO NP와 ZO 및 AS의 수성 추출물의 UV-Vis 분광법을 수행하여 그림 2a, b와 같이 광학 거동을 조사했습니다. CuO NPs의 후속 형성을 위해, 아치형 음향 추출물을 통해 합성 NPs의 최적화가 수행되는 동안 와인에서 석탄 블랙으로의 점진적인 색상 이동이 관찰되었습니다. 수성 추출물 ZO 및 AS 흡수 피크는 275 및 280nm에서 관찰되었습니다. 표시된 결과 λ _최대 각각 특징적인 적색편이와 청색편이가 있는 비율 6mL:1을 나타내는 250nm에서 ZO- 및 AS-도핑된 CuO의 경우 [35]. 넓은 피크는 강한 흡수 밴드에 의해 밝혀진 CuO에 농축된 추출물과 함께 원자가 상에서 전도 밴드로의 전자의 전이 및 입자 클러스터를 지정했습니다[36]. 녹색 합성 CuO 나노입자에서 최적화된 값(6mL:1) 외에 추출물 부피를 늘리거나 줄이면 흡수가 감소하는 것으로 나타났습니다.

a로 도핑된 CuO NP의 흡수 스펙트럼 ZO b c가 있는 AS 추출물 및 PL 스펙트럼 CuO NP ZO 및 d AS 추출, 각각

또한, 반도체 구조가 기존의 나노미터 양자 크기 효과에 대해 물리적 특성을 확인했다는 점을 관찰할 수 있었습니다. 여기 UV 파장이 300nm인 ZO 및 AS 도핑된 CuO NP의 PL 스펙트럼은 그림 2c, d에 나와 있습니다. 418, 561 및 664 nm에서 3개의 방출 피크가 CuO(UV 영역)의 순수 및 도핑된 각각의 PL 그래프에 표시되었습니다[37]. 418nm에서 발견되는 보라색-청색 빛 밴드는 밴드 가장자리 근처에서 표준 CuO 방출 피크입니다[38, 39]. 430nm에서 숄더 에지는 p형 반도체인 CuO 공석으로 인한 것일 수 있습니다. 황록색 가장자리는 561nm의 저온에서 깊이 결함을 유발합니다. 664nm에서 적색 방출 피크는 다양한 구리 조건 또는 개별 이온화된 산소 결손의 존재를 담당합니다[40, 41]. 보라색-파란색, 노란색-녹색 및 빨간색 스펙트럼에서 가시적 방출의 다양한 존재는 연구된 CuO 입자가 높은 부피-표면 비율과 다양한 표면 대 부피 조건 및 트랩 투 방출 범위 [40, 42].

XRD는 각각 ZO 및 AS로 도핑된 그림 3a, d에 제시된 CuO NP의 결정 구조, 조성 및 규모를 평가하기 위해 수행되었습니다. 결정도의 증가는 2θ에서 검출된 피크에 의해 입증되었습니다. =38.7°, 48.6°, 53.5°, 58.3°, 61.7° 및 66.2°(각각 대응하는 결정 평면(111), (-202), (020), (202), (-113) 및 (022)). 검출된 피크는 JCPDS 카드 번호:00–002–1040[43]과 동기화된 CuO 단사정상의 존재를 보장합니다. D를 사용하여 측정한 특성 결정자 크기 =0.9λ /β cosθ ZO- 및 AS-도핑된 CuO의 경우 각각 24.7 및 47.6nm인 것으로 밝혀졌으며 원시 샘플 결정자 크기는 27.4nm였습니다. AS 및 ZO 추출물의 평균 결정자 크기에 대한 캡핑 및 환원제로 여러 천연물이 확인되었습니다[44].

a 도핑이 있거나 없는 CuO NP의 XRD 패턴 그대로 b ZO

AS 및 ZO 추출물 도핑된 CuO NP의 기능 그룹은 그림 4a, b에 표시된 대로 FTIR로 조사되었습니다. 3314cm의 넓은 피크 ⁻¹ 하이드록실 그룹의 존재를 지지하고 피크 폭은 (N–H) 아민과의 직접적인 C=O를 나타냅니다[45]. 1638cm의 강렬한 피크 ⁻¹ CH₂에 해당 –OCH₃ ZO의 6-snogal과 6-gingerol에 존재하는 그룹은 CuO의 상당한 감소를 발견했습니다. 478.8cm ⁻¹ 에서 볼 수 있는 Cu–O의 일반적인 단일 결합 비틀림 방식은 강한 진동 모드로 인한 것입니다[46]. 모든 피크는 알코올, 아민 및 케톤 그룹이 플라보노이드, 식물 화학 물질 및 단백질의 킬레이트화 및 캡핑을 초래했음을 시사합니다[47].

a의 FTIR 스펙트럼 그대로 b ZO 도핑된 CuO NPs

FE-SEM은 그림 5a-d'와 같이 ZO 및 AS 추출물로 도핑된 CuO NP의 표면 특성 및 규모를 연구하는 데 사용되었습니다. FE-SEM 이미지는 CuO NP가 구형 형태에서 극도로 응집되어 있음을 보여줍니다. 입자간 고분자의 자기 간섭과 정합성은 입자간 덩어리를 나타낼 수 있다[48]. CuO를 사용한 ZO 및 AS 도핑은 클러스터 형성을 보여주는 이미지에서 분명했으며 입자 크기는 그림 5b–d'에 표시된 것처럼 <1 μm로 보입니다.

FESEM a로 촬영한 이미지 CuO NP CuO, b –d ZO 도핑된 CuO 및 b' –d′ 각각 AS 도핑된 CuO NPs

Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS)는 그림 6a-d'와 같이 순수한 CuO 단계에 의해 ZO 및 AS 뿌리 추출물로 도핑된 CuO NP와 원시 샘플의 원소 조사를 통해 화학 조성을 보여줍니다. 1~10keV 사이의 전구체 산소와 비교하여 테스트한 샘플의 EDS에 의해 확인된 Cu의 고순도에 해당하는 3개의 피크. CuO NPs 표면 플라즈몬 공명(SPR)은 흡수 피크를 초래했습니다[49]. 83.7%, 15.2% 및 0.6%가 스펙트럼을 통해 원자량에 대해 대조 샘플에 대해 각각 Cu, O 및 Ca에 대해 관찰된 반면 ZO 도핑 및 최적화된 샘플에 대해 82.8%, 14.8% 및 2.4%(6mL:1) Cu, O 및 Zn에 대한 스펙트럼을 통해 관찰되었습니다. 유사하게, AS 도핑된 Cu, O 및 S에 대해 각각 65.3, 29.6 및 4.6이 발견되었습니다. EDS에 나타나는 보충 원자 화합물은 분석 중에 사용된 SEM 샘플 홀더에 반응했습니다[50].

CuO NP a의 EDS 스펙트럼 순수한 CuO b –d ZO 도핑된 CuO 및 b' –d′ 각각 AS 도핑된 CuO NPs

CuO NP의 독점적이고 특징적인 구조는 그림 7a-l에 표시된 것처럼 50nm에서 HR-TEM을 사용하여 추가로 평가되었습니다. HR-TEM 사진은 FE-SEM 이미지와 유사한 장식된 나노입자와 50nm 미만의 크기를 측정하는 동안 더 높은 덩어리를 나타냈습니다. ZO 및 AS가 도핑된 CuO 나노입자에 파이토케미칼의 존재는 HR-TEM 이미지로도 확인되었습니다[51]. ZO 및 AS가 도핑된 CuO NPs의 통합 격자 구조에서는 결함이나 변형이 관찰되지 않았습니다[52]. 필터링된 현미경 사진은 고해상도 구조 및 원자 특성을 나타내는 그림 7b, d, f, h, j, l에서 노란색 사각형으로 표시된 특정 영역의 고속 푸리에 변환[FFT]과 함께 HR-TEM 결과로 표시되었습니다. HR-TEM 평균 입자 크기는 XRD 및 SEM 분석 중 관찰된 결정자 크기와 정확하게 일치합니다[53].

아 , b HR-TEM, a –f 3mL, 6mL 및 12mL ZO 도핑 CuO g의 격자 무늬 –나 각각 3mL, 6mL 및 12mL AS 도핑된 CuO NP의 격자 무늬

C 1s을 나타내는 Gi 및 Ga CAE가 있는 도핑된 CuO의 XPS 분석 및 Cu 2p 스펙트럼은 그림 8a, b에 나와 있습니다. C1s 범위는 4개의 별개 피크의 존재를 나타냄 -C(288.75eV) [54,55,56]. 주로 그림 8b는 Cu 2p를 나타냅니다. Cu 2p에 해당하는 933.3 및 953.3 eV 결합 에너지에서 피크를 갖는 도핑된 CuO 패턴 _3/2 및 Cu 2p _1/2 스핀 궤도는 준비된 샘플의 2가 산화 상태를 나타냅니다. 942.2 및 962eV의 관련 피크는 Cu 2p의 위성 피크와 관련이 있습니다. _3/2 및 Cu 2p _1/2 주로 부분적으로 채워진 3d ⁹ 2가 산화 상태의 궤도 [57].

아 , b 도핑된 CuO NP의 XPS 분석 a C1 b Cu 2p

ZO 및 AS 수성 추출물의 살균 가능성 평가를 위해 Well 확산 방법을 적용했으며 그림 9a-d, 추가 파일 1:그림 S1과 같이 페트리 플레이트를 24시간 동안 배양한 후 억제 영역을 측정하여 CuO NPs 합성 결과는 NP 농도와 억제 영역이 상승적으로 반응하는 것으로 나타났습니다. 샘플 1(3mL:1), 샘플 2(6mL:1) 및 샘플 3(12mL:1)에서 발견된 상당한 억제 영역은 감소(↓)를 사용하여 (1.05–1.85 mm) 및 (1.85–2.30 mm)였습니다. ZO 도핑된 CuO 나노입자에 대해 각각 증가된(↑) 농도(p <0.05), 그림 9a. 유사하게, AS-도핑된 NP는 최대 농도에서만 (0.65-1.00mm) 억제 영역을 나타냈다(그림 9b). AS-도핑된 NP는 병원성 E에 대해 제로 효능을 입증했습니다. 대장균 최소 농도에서. ZO 추출물은 1.55mm 영역을 나타내는 증가된(↑) 농도와 비교하여 감소된(↓) 농도에서 효과를 나타냈고, 유사하게 AS 추출물의 항균 효과는 감소된(↓) 및 증가된(↑) 농도 모두에서 발견되지 않았습니다. 시프로플록사신으로 처리한 양성 대조군은 4.25mm 영역을 보였고 DIW로 처리한 음성 ​​대조군은 0mm를 나타냈습니다. 최소 및 최대 농도에서 ZO 도핑된 NP의 살균 효능 % 연령은 각각 24.7에서 43.5% 및 43.5-54.1%로 증가했습니다(그림 9c). 유사하게, 15.3-23.5% 효능은 AS가 도핑된 NP에 대해서만 최대 농도로 나타났습니다(그림 9d). 요약하면 ZO 추출물로 도핑되고 6mL:1로 최적화된 CuO는 병원성 E에 대해 더 높은 살균 가능성을 나타냈습니다. 대장균 소 유방염 기원(p <0.05) 그림 9a, b와 같이

아 –d CuO 나노입자의 시험관내 항균 활성 a ↓ 및 ↑ 용량에서 ZO로 도핑됨, b 각각 ↓ 및 ↑ 용량에서 AS로 도핑됨, c ZO 및 d로 도핑된 %age의 효능 AS로 도핑된 %age의 효능

나노 입자의 살균 가능성은 NP의 크기, 형태학적 구조 및 표면 대 질량 비율에 따라 달라집니다. 활성 산소 종(ROS)은 CuO 나노 입자에 의한 억제 영역 형성에 책임이 있는 것으로 생각됩니다[58, 59]. 세포 단백질의 변성은 유해한 활성산소종(ROS)의 생성을 통해 발생합니다[60]. 일부 반응성 종은 하이드록실 및 슈퍼옥사이드 라디칼 및 정공과 같은 광촉매에서 중요한 역할을 나타냈습니다[61]. 활성 산소 종(ROS)의 합성과 금속 이온의 방출은 효소와 단백질의 구조적 변화를 나타내는 주요 특징이며 결과적으로 DNA에 돌이킬 수 없는 손상과 세균의 죽음을 초래합니다[62]. 유사하게, 반응성 산소 종(ROS)에 의해 생성된 산화 스트레스는 광촉매의 주요 기여자로 간주됩니다[63]. ROS 생성은 나노입자의 크기에 반비례합니다. 즉, NP의 크기가 작을수록 ROS 생성이 높아져 결과적으로 박테리아 막을 손상시켜 세포질 내용물의 압출과 DNA 분해를 초래하여 그림 10과 같이 박테리아 파열을 유발합니다. 동시에 양전하를 띤 Cu는 음전하를 띤 박테리아 막과 정전기적으로 상호작용하여 세포가 분해되고 결국에는 박테리아가 파괴됩니다[58, 64, 65]. 나노구조의 살균 메커니즘에 대한 가능성으로 두 가지 반응이 제안되었습니다. 하나는 양이온 Cu ²⁺ 간의 더 나은 결합을 포함합니다. 및 박테리아 세포로 인해 음성화된 섹션이 형성되고 결국 붕괴됩니다. 다른 하나는 여기를 통한 CuO 가전자대 표면의 전자 여기를 포함합니다. 또한 전기 O₂ 반응은 O ²⁻ 를 생성합니다. H₂의 형성으로 이어지는 라디칼 O₂ . 생성된 O ²⁻ 종은 박테리아의 외부 세포막에 있는 지질 또는 단백질 분자의 분해에 필수적입니다[58, 66].

CuO NPs의 살균 작용 예시