어닐링된 산화 주석 나노구조의 향상된 광촉매 및 항균 성능: 분자 도킹 연구

요약

나노 크기 산화 주석을 단순하고 비용 효율적인 침전 기술로 제조하고 X선 분말 회절(XRD), 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 분광법, 고분해능 투과전자(HR-TEM) 현미경, 에너지 분산형 X선(EDX) 및 UV-Vis 분광법으로 분석하였다. XRD 결과 산화 주석 입자가 전형적인 사방정계 구조를 가지며 어닐링에 따라 결정성이 향상됨을 보였다. 250°C 소성에서 주로 사방정계 SnO가 생성되었으나 500°C와 750°C 고온에서 SnO₂로 전환되었다. HRTEM과 FESEM 이미지에서 산화 주석 입자 내 응집 존재 확인. UV-Vis 분광법 기록에 따르면 흡수가 특정 어닐링 온도까지 증가하다 감소. 합성된 광촉매의 염료 분해 거동에 어닐링 온도 영향 연구. 어닐링 온도가 합성 입자 크기, 밴드갭 폭, 산화 주석 광활성에 영향 미침 확인. 500°C 제조 시료가 1차 반응 속도론 따르며 메틸렌 블루 향 최대 광촉매 반응성 보임. 실험 결과 SnO₂가 폐수와 환경 오염 물질 제거에 유망하고 유익한 촉매임을 나타냄. 500°C 어닐링된 SnO의 E. coli와 S. aureus 대상 항균 평가는 250°C와 750°C 시료 대비 유의미한 억제 구역 나타냄. 또한 SnO₂ 나노입자(NPs)의 분자 도킹 예측을 세포벽 생합성 경로 속하는 β-락타마제와 핵산 생합성 경로 속하는 DNA 자이라제 효소 활성 포켓 대상으로 수행. 제조 NPs가 E. coli (−5.71 kcal/mol)와 S. aureus (−11.83 kcal/mol) β-락타마제, DNA 자이라제(−9.57 kcal/mol; E. coli 및 −8.61 kcal/mol; S. aureus)에 좋은 결합 점수 보임. 이 실리코 예측은 SnO₂ NPs가 선택된 단백질 표적에 잠재적 억제제임을 시사하며 작용 메커니즘 명확한 이해 도움되어 신규 항생제 발견 기여 가능.

서론

기존 금속 산화물과 연관된 예외적 특성과 광범위한 기술적 응용은 이 소재들을 나노구조 형태로 탐구하는 동기 부여[1]. 이 중 산화 주석(SnO₂)은 중요한 금속 산화물로 실온에서 3.6 eV 넓은 밴드갭 가짐[2]. 본질적 결함인 산소 공공과 격자간 주석 원자가 도너(n형 캐리어)와 상호작용하는 n형 반도체 소재[3]. 전도대 자유 전자 수 증가는 소재 전도도 증가시킴.

SnO₂를 산화 촉매, 광촉매, 가스 센서, 투명 도체로 사용함으로써 이 소재 추가 조사 기반 마련[4,5,6,7,8,9]. 인화성, 폭발성, 유독 가스 검출 능력[10]. 산업화로 CO, SO₂ 등 유해 대기 및 수질 오염물질 배출 증가, 폐수 내 유해 아조 염료 배출. 약 500톤 다양한 염료가 산업 폐수로 배출되며 주요 부분(~80%)은 섬유 산업[11]. 화학 독소와 유기 연료는 대기 오염 구성, 수체 위험 염료는 지구 생태계 영향, 이러한 오염물질 감지 및 방지 기술 중요성 증가. 독특한 물리화학적 특성으로 SnO₂ 저온 작동 가능. 본질적 비화학량론으로 표면 산소 쉬운 흡착 허용해 유해 가스 감소. 또한 유사 응용 타 소재 대비 저비용. 상당한 광학 투명도와 전기 전도도 가져 광전자 소자 적합[12]. 투명 전극과 패널용 태양전지, 다수 전기변색 소자 제조에 사용[13,14,15,16,17].

수인성 질병 예방을 위해 폐수 박테리아 제거는 식수 및 위생 시스템 중요. 2003-2005 미국에서 네 수인성 질병 보고, 병원체 든 식수로 약 282명 영향. 기존 수체 소독 기술은 화학제 의존하나 포낭 형성 원충(지알디아, 크립토스포리디움) 덜 효과적. 때때로 유해 부산물 생성. 나노기술은 신소비자 제품, 소재 사용, 제조 방법 통해 세계 경제 영향 줄 신세대 기술[18]. 금속 산화물 나노구조는 높은 표면적-부피 비, 안정성, 생체적합성으로 향상된 항균 특성 묘사[19]. 세포막 구조 관통해 박테리아 세포 부분 파괴 독특 능력 가짐.

주로 연구되는 두 기본 산화 주석은 SnO, SnO₂로 이중 주석 원자가(산화 시) +2, +4 존재 기인. 두 산화물도 넓은 밴드갭 반도체 소재로 SnO는 PbO 구조, SnO₂는 사방정계 격자(금홍석 구조)[20]. 3.6-4.0 eV 넓은 밴드갭 에너지, n형 반도체, 85% 이상 투명도 가짐[21]. SnO는 2.7-3.4 eV 밴드갭 p형 소재이나 실험적 밴드갭 3.6 eV 도달 가능. 산화 주석 구조적, 광학적, 전자적 특성에서 압력 증가는 비구조적 사방정계 SnO 형성과 UV-가시광 및 근적외선 영역 투과도 이끔. 온도 증가도 사방정계 SnO 구조와 사방정계 SnO₂ 형성 유도. 압력이나 온도 증가는 흡수 가장자리 이동시키고 밴드갭 에너지 증가. 제조된 다결정 SnO는 400-700°C 온도 증가로 SnO₂ 상 전환 가능[22]. 밴드갭 조절로 산화 주석 전자 산업 사용.

SnO, SnO₂ 소재는 리튬 이온 배터리에도 사용[23,24,25]. 문헌은 나노소재 크기 제어로 전기화학 성능 개선 가능 보고[26]. Kida 등은 입자 크기 감소가 H₂ 검출 센서 반응 증가시킨 반면, H₂S와 CO 반응은 입자 크기 증가 시 증가 보고[27]. SnO₂ 제조 다양한 방법 문헌 보고. Merlin[28]은 에탄올-스테비아 레바우디아나 식물 추출물로 캡핑 및 환원제 역할하는 그린 합성으로 20-30 nm 크기 나노입자 합성. Janardhan 등[29]은 묽은 HCl과 SnCl₂·2H₂O로 평균 50 nm SnO 나노입자 제조. Selvakumari 등[30]은 닭 달걀 껍질 막으로 평균 결정 크기 13-40 nm SnO₂ 입자 제조.

일반적으로 나노소재는 전기화학적 환원[31], 졸-겔[32], 수열[33], 공동침전[34] 등 다양한 방법으로 합성 가능. 본 연구에서는 침전법 선호했는데 편리하고 비용 효율적 나노구조 합성 기술이기 때문. 본 연구 목적은 합성 시 사용된 다양한 온도(250, 500, 750°C)가 제조된 비구조적 소재 결정립 크기, 형태, 밴드갭 에너지에 미치는 영향 관찰. 또한 합성 생성물 광촉매 거동 연구 위해 세계 산업계 흔한 오염물질 메틸렌 블루 염료 분해에 활용. 실리코 분자 도킹 예측 수행해 E. coli와 S. aureus 유래 세포벽 생합성 경로 속 β-락타마제와 핵산 생합성 경로 속 DNA 자이라제 대상 SnO₂ 살균 활성 메커니즘 규명.

방법

본 연구는 단순하고 쉬운 침전 공정으로 SnO₂ 나노입자 합성 후 다양한 온도 어닐링 목표. 어닐링된 SnO₂로 폐수 유기 오염물질 제거 및 항균 잠재력 평가.

시약

주석(II) 염화물 이수화물(SnCl₂·2H₂O)과 분석급 에탄올을 Sigma-Aldrich(독일)에서 직접 구입. 수산화나트륨(NaOH)과 메틸렌 블루(MB)는 Merk(독일)와 BDH(영국)에서 조달. 산화 주석 나노구조 제조용 증류수 지역 시장 구매. 본 연구 사용 오염물질(MB 염료) 화학 구조 그림 1에 도시.

MB 오염물질 화학 구조

산화 주석 나노구조 제조

본 연구에서 고순도 분석급 상용 화학약품으로 침전 절차(그림 2 참조) 이용해 산화 주석 나노소재 제조. SnCl₂·2H₂O(19 g)와 NaOH(8 g) 수용액을 50 mL 증류수에 각각 제조. NaOH 수용액을 70°C에서 400-mL 플라스크로 일정 교반 하 SnCl₂·2H₂O 용액에 방울wise(~10 방울/분) 첨가. 용액 방울wise 첨가 시 백색 침전물 생성. 획득물 증류수와 에탄올로 원심분리기 사용해 여러 번 세척. 획득 소재 실온에서 48시간 건조해 수분 제거. 최종 건조 고체 분말 형태로 절구와 공이로 분쇄. 세 시료를 머플로에서 다양한 온도(250, 500, 750°C)로 3시간 어닐링, 승온 속도 0.5°C/분[35].

산화 주석 시료 합성 도식 표현

광촉매 활성 공정

어닐링된 산화 주석 시료 광활성 잠재력 평가 위해 광원 하 MB 수용액 광분해 모니터링으로 평가; 메커니즘 그림 3[36,37,38]에 도시. 각 광활성 실험마다 알려진 질량 나노소재(10 mg)를 염료(10 mg/L) 수용액 60 mL에 첨가. 광 노출 전 현탁액 자석 교반기로 암실에서 5분 교반[38]해 광촉매 표면 염료 흡착/탈착 평형 획득. 현탁액을 수은 램프(400 W, λ = 400-700 nm)로 80분 조사하며 교반(220 rpm). 테스트 용액에서 ~5 mL MB 시료 채취해 UV-Vis 분광광도계(300-750 nm)로 MB 잔량 모니터링. MB 최대 흡수 파장(~665 nm) 조사 시간 따른 변화 기록해 MB 염료 광분해 연구. 합성 생성물 활성 평가 위해 다음 관계로 염료 분해 % 계산:

$$\hbox{Degradation}\, \% = [{({C}}_{0}-{C})/{{C}}_{0}]\times 100$$ (1)

여기서 C₀는 초기 MB 농도, C는 조사 후 농도. 광촉매 없이 대조 실험 동일 조건 수행. 나노소재 재사용성 검토 위해 분해된 MB 용액 원심분리(6000 rpm/분) 10분해 광촉매 회수. 회수물 80°C(2시간) 건조해 MB 분해 실험 재사용. 촉매 내구성 테스트 위해 재활용 광활성 실험 4사이클까지 수행. 각 사이클 후 원심분리, 건조, 다음 광실험 사용.

광촉매에 의한 메틸렌 블루 MB 분해 그림

항균 활성

제조된 SnO 다양한 온도 처리 in vitro 항균 작용을 젖소 유방염에서 분리된 가장 빈번한 병원성 박테리아 E. coli와 S. aureus 대상 웰 확산법으로 평가. 고형 Macconkey 한천과 만니톨 염 한천에 0.5 Mc-Farland 표준으로 활성화된 박테리아 성장 든 페트리 접시 멸균 코르크 보러로 6 mm 직경 웰 제조 후 37°C 배양. 합성 나노구조 다른 농도(500, 1000 μg/50 μl) 저용량, 고용량으로 시프로플록사신(5 μg/50 μl)과 DIW(50 μl) 양성, 음성 대조군 비교. 37°C 하룻밤 배양 페트리 접시 억제 구역(mm) 선언, 버니어 캘리퍼로 측정. 억제 구역(mm) 단위 항균 활성 일원분산분석(ANOVA) SPSS 20.0으로 통계적 유의성 선언.

분자 도킹 연구

세포벽 합성은 다양한 작용 기전 항생제 발견에 효과적 표적 고려. 베타-락탐 항생제 가장 높은 시장 점유율 약물로 박테리아 감염 가장 흔한 치료[39, 40]. 페니실린 결합 단백질(PBP)과 β-락타마제 결합해 세포벽 생합성 억제[41]. 유사하게 핵산 합성 속 효소(DNA 자이라제)도 항생제 발견 효과적 표적 고려[42]. 여기선 SnO₂ NPs E. coli와 S. aureus β-락타마제와 DNA 자이라제 효소 대상 분자 도킹 연구 수행해 작용 기전 통찰 획득.

선택된 단백질 표적 3D 결정 구조를 단백질 데이터 뱅크에서 획득: 4KZ9; Res: 1.72 Å[43], 1MWU; Res: 2.6 Å[44] β-락타마제, 6KZX; Res: 2.1 Å[45], 5CTU; Res: 1.45 Å[46] DNA 자이라제(그림 4).

3D 구조: a 베타 락타마제 (PDB: 4KZ9), b DNA 자이라제 (PDB: 6KZX) E. coli 유래, c 베타 락타마제 (PDB: 1MWU), d DNA 자이라제 (PDB: 5CTU) S. aureus 유래

분자 도킹 연구 ICM Molsoft 소프트웨어(Molsoft L.L.C., La Jolla, CA)[47] 사용. ICM 수용체 준비 도구로 단백질 구조 극성 수소 원자 추가, 물 분자와 공결정 리간드 제거. 단백질 구조 기본 매개변수 에너지 최소화 도구로 최적화, 그리드 박스로 공결정 리간드 주변 활성 포켓 식별. 이후 각 경우 효소 활성 포켓 내 SnO₂ NPs 방향 지정 10개 최적 컨포메이션 생성. 추가 분석 위해 최저 결합 점수 컨포메이션 선택해 제조 NPs 선택된 효소 대상 결합 패턴과 억제 경향 공개.

SnO₂ 구조 ICM ligedit 도구로 생성, 도킹된 컨포메이션 3D 뷰 ICM과 Discovery Studio Visualizer[48]로 생성.

소재 특성 분석

BRUKER D2 Phaser X선 회절(XRD) 2θ = 10°-70°, Cu Kα(λ = 1.540 Å)로 격자 구조 조사 및 상 구성 데이터 검색. 합성 생성물 작용기 PerkinElmer 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광계로 평가. JEOL JSM-6610LV 전계 방출 주사전자현미경(FESEM)과 Oxford XMax EDS 검출기 INCA 소프트웨어로 제조 시료 형태와 원소 조성 분석. Philips CM30과 JEOL JEM 2100F 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)으로 SAED, HRTEM 이미지, 격자 무늬 패턴 기록. 제조 산화 주석 시료 광학 특성 GENESYS-10S UV-vis 분광계로 300-800 nm 기록.

결과 및 토의

그림 5(a) 다양한 온도 합성 및 어닐링된 산화 주석 시료 XRD 스펙트럼. 상 구성 분석 위해 CuKα 방사 사용, Debye-Scherer 관계 \(D = K\lambda /\beta {\mathrm{Cos}}\theta\)에서 λ = 1.54 Å, k = 0.9로 소재 결정립 크기 계산. 250°C에서 XRD 패턴 29.12°(112), 31.60°(020), 33.57°(113), 40.15°(023), 45.54°(024), 51.35°(222), 64.57°(225) 2θ 값 피크 보이며 모두 SnO 사방정계 상(JCPDS: 01-077-2296) 귀속. 26.66°(112) 한 피크만 SnO₂ 사방정계 구조(JCPDS: 01-078-1063) 속함. 시료 500, 750°C 어닐링 시 SnO 관련 회절 피크 사라지고 결과물 사방정계 SnO₂로 식별, 결정면 24.81°(110), 29.12°(113), 31.23°(020), 41.59°(211), 46.90°(117), 59.57°(135) JCPDS 파일 No. 01-078-1063[49]과 잘 일치. XRD 결과 제조 소재 250°C에서 먼저 SnO 산화, 500°C 이상에서 완전 SnO₂ 전환[50] 나타냄. 결과는 또한 시료 결정성 온도 증가 따라 향상됨 보임. 게다가 250, 750°C 어닐링 시료 SAED 패턴 밝은 점 링 묘사(그림 5b, c). 분석 패턴 격자면 (020), (023), (024), (112) 사방정계 SnO 할당(그림 5b), (020), (110), (117), (135) 회절면 SnO₂ 나노소재 귀속(그림 5c) 각각 250, 750°C 어닐링 시료. 결정 성질 SAED 이미지로도 확인되어 XRD 관찰과 일치.

a 250, 500, 750°C 어닐링 SnO XRD 스펙트럼 b, c 250, 750°C 시료 SAED 링, d FTIR 패턴

250, 500, 750°C 가열 제조 산화 주석 나노소재 FTIR 스펙트럼 그림 5d. 약 3580 cm⁻¹ 중심 흡수 피크와 ~1602 cm⁻¹ 대역은 주변 대기서 수분 흡수 사실로 O-H 기 신축/굴곡과 Sn-OH 결합 귀속[51]. 2300-2400 cm⁻¹ 낮은 흡수 피크는 대기 노출 시 생성 이산화탄소 할당[52]. 1174 cm⁻¹ 결합들 다양한 표면 수산기 진동 대응, 1401 cm⁻¹ 피크 C-H 굴곡 진동 때문[53, 54]. 500-700 cm⁻¹ 특성 피크들 표면층 Sn-O 진동 귀속[55]. 어닐링 온도 증가로 피크 청색 이동, 특성 피크 강하고 강렬해짐. 나노소재 원자 어닐링 과정서 충분 에너지 얻어 나노입자 원자 위치 변경해 재결정화 때문일 수 있음[56].

제조 생성물 형태와 나노구조 상세 정보 수집 위해 FESEM, HRTEM 분석 수행. 250, 500, 750°C 어닐링 산화 주석 HRTEM 이미지 기록, 그림 6a-c. 이미지들 구형에 가까운 형상과 입자 크기 무작위 분포로 나노입자 내 응집 형성 증거 제공(그림 6a, c). 그림 6b에서 큰 크기, 약간 투명, 단분산 입자들로 약간 응집 관찰. 인셋 고배율 이미지서도 같은 입자 분포 거동 관찰. 500°C에서 형태적 거동 급격한 변화 주목. 이 온도 산화 과정 중 특징적 특징일 수 있음[22]. 또한 그림 6d-f 250, 500, 750°C 어닐링 시료 HRTEM 미세사진으로 격자 간거리 검출. 결정립에서 격자 무늬 간격 ~0.225 nm 그림 6d 인셋 IFFT 프로파일 이미지 묘사되며 사방정계 SnO (JCPDS: 01-077-2296) (023) 회절면 대응. 500, 750°C 처리 시료 격자 무늬 d-간격 약 0.364, 0.367 nm로 JCPDS NO. 01-078-1063 따라 SnO₂ 사방정계 구조 (110)면 귀속. 이 결과들 XRD 발견과 좋은 일치[49, 57, 58]. 제공된 IFFT 이미지 온도 증가 따른 d-간격 증가 명확히 보임.

a~c HR-TEM, d~f 250, 500, 750°C 어닐링 온도 나노구조 격자 무늬

250°C(그림 7a), 750°C(그림 7b) 어닐링 산화 주석 FESEM 이미지 격자 구조 형상과 크기 변이 묘사: 크고 작은 개별 입자들 무작위/비균일 형상과 응집. 그림 7b 750°C 어닐링 시료 FESEM 미세사진 저온 어닐링 무작위 분포 입자 대비 작은 응집 입자들과 잘 성장 구조 의미. 입자 응집은 크기 증가로 표면 자유 에너지 감소시켜 표면적 감소 유도. 나노입자 응집은 약한 힘으로 입자들 서로 부착해 (서브) 미크론 크기 개체 형성 때문[59].

FESEM 미세사진: a 250°C, b 750°C 어닐링 시료, c 750°C 시료 EDX 스펙트럼

750°C 어닐링 제조 산화 주석 조성 EDX 기술로 분석(그림 7c). 시료 스펙트럼 Sn, O, C 명확히 존재, 중량% 각각 53.7, 42.2, 4.0%. 생성물 불순물 성분 없어 SnO₂ 나노소재 고순도 시사, C 함량 시료 고정용 카본 탭 기원 가능.

비파괴 흡수 분광법으로 도체 및 반도체 나노소재 광학 특성 연구. 다양한 온도 어닐링 산화 주석 흡수 스펙트럼 그림 8a. 산소 결핍, 에너지 밴드갭, 불순물 성질, 표면 거칠기 등 여러 요인 기대 흡광도 영향. 어닐링 산화 주석 스펙트럼 300-365 nm 자외선 차단 보임[60], 원자가대에서 전도대 전자 광여기 때문일 수 있음. 흡수 스펙트럼 300-365 nm 사이 온도 증가 따라 약간 감소(그림 8a). 밴드갭 계산 위해 Tauc 관계 \(\alpha h\nu =A {(h\nu -{E}_{\mathrm{g}})}^{n}\)에서 α 흡수 계수, A 상수, n = 1/2 직접 밴드갭. \({(\alpha h\nu )}^{2}\) 대 hν 플롯 외삽으로 광학 밴드갭 E_g 값 제공(그림 8b). 측정된 밴드 에너지 250, 500, 750°C 어닐링 시료 각각 3.51, 3.32, 3.71 eV[61, 62]. 생성물 밴드갭 문헌 보고값과 일관[61]. 전반적 온도 증가 시 나노입자 원자 더 많은 에너지 얻어 재결정화 위해 위치 변경해 형태 변화, 입자 크기 감소(HRTEM 데이터 분석 가능). 입자 크기 감소 시 밴드갭 값 증가, 정상 양자 구속 효과 귀속. Malik 등[63]서 유사 경향 관찰. 500°C 어닐링 나노소재 최저 밴드갭 독특 나노구조나 다결정 산화 주석 비정질 합성, 산소 공공 생성 적색 이동 때문. Tauc 모델에 따르면 비정질 또는 무질서 표면 반도체 국소 밴드 테일 상태 가져 더 낮은 밴드 에너지[64].

a UV-Vis 흡수 스펙트럼, b 250, 500, 750°C 어닐링 시료 에너지갭 값

다양한 온도 어닐링 산화 주석 생성물 광활성 MB 염료 광분해로 조사(그림 9). MB 용액 광분해 중 λ_max = 665 nm 광학 흡수 변이 그림 9a. 제조 시료 첨가 시 MB 흡수 대역 시간 따라 감소. 500°C 어닐링 시료(E_g = 3.32 eV) 최대 광촉매 성능 보임, 특정 형태와 낮은 전자-정공 재결합률 귀속. 250, 500, 750°C 어닐링 산화 주석 광촉매 80분 내 MB 분해율 각각 86.0, 92.4, 71.6% 관찰(그림 9b). 반도체 소재 광활성 밴드갭 에너지와도 관련, MB 분해 과정 중 광생성 전자-정공 쌍 산화환원 전위 영향. 세 시료 중 500°C 광촉매 최저 밴드갭 에너지(3.32 eV) 보이나 이 생성물 상당히 향상된 분해율 독특 구조와 높은 응집도 귀속(그림 9b). 의사 1차 염료 분해 ln (C_o/C) 대 조사 시간 플롯으로 그림: ln (C_o/C) = kt 그림 9c, k 속도 상수, C_o, C 초기, 최종 염료(MB) 농도[63, 65,66,67]. 500°C 나노소재 k 값 0.59 min⁻¹, 250, 750°C 합성 시료 각각 ~0.50, 0.31 min⁻¹ 유의미 감소 관찰(그림 9d).

a 제조 광촉매 MB 분해 결과 b 분해율 막대 그래프 c ln (C_o/C) 대 조사 시간 플롯, d 계산된 분해 속도 상수 그래프

오염수 처리 위해 광촉매 장기간 안정성, 재사용성 보여야 경제적 실행 가능. 본 연구 4사이클 테스트 수행해 제조 산화 주석 광촉매로 MB 제거 안정성 확인. 4연속 염료 분해 사이클 관찰 그림 10a, b. 500°C 어닐링 나노소재 4사이클 후 MB 광분해 약간 감소(6% 감소). 본 연구 보고된 수중 오염물질 제거 결과 Prakash 등[65] 보고와 비교 가능.

a 500°C 어닐링 산화 주석 광촉매 재사용성, b 분해율 막대 그래프

다양한 온도 처리 제조 SnO 나노구조 in vitro 항균 활성 억제 구역(mm) 단위와 비교 효능 % 그림 11a-d, 표 1. 그래프 나노구조 농도와 형성 억제 구역 직접 비례. E. coli, S. aureus 대상 SnO(250, 500, 750°C) 시료 유의미 억제 구역 저농도, 고농도 각각 2.85-3.5 mm, 3.35-3.75 mm, 3.25-4.75 mm, 4.55-5.35 mm 범위(그림 11a, b, 표 1). 합성 나노소재 효능 % E. coli 67.0-82.3에서 78.8-88.2% 증가, 유사하게 S. aureus 45.4-66.4%, 63.6-74.8%(그림 11c, d). 모든 측정 결과 DIW(0 mm) 비교. 양성 대조 E. coli, S. aureus 각각 4.25 mm, 7.15 mm 억제 구역(그림 11a, b). 전반적 500°C 최적화 SnO₂ 나노구조 두 농도서 더 강력, 광범위 SnO₂ 그람음성(G -ve) E. coli 그람양성(G +ve) S. aureus 대비 더 강력.

a 다양한 온도 어닐링 SnO E. coli in vitro 살균 작용 b S. aureus c 제조 NPs E. coli in vitro 살균 효능 % (d) S. aureus

나노구조 크기, 농도, 형태 직접 산화 스트레스 영향. 크기, 농도 관련 항균 활성은 크기와 역관계[68,69,70]. 나노구조 더 효율적으로 반응성 산소종(ROS) 생성해 박테리아 막 존재 세포 소기관 돌출, 박테리아 사멸 유도[71]. SnO₂ 과산화수소(H₂O₂), OH 기, 초산화 이온 등 ROS 더 효율적 생성[72]. 제조 SnO 다양한 온도 처리 E. coli 향상된 항균 효능 S. aureus 대비 박테리아 세포벽 구조 차이 기인 가능. G -ve 박테리아 세포벽 단백질, 인지질 함유 외막과 얇은 펩티도글리칸 층, G +ve 두꺼운 펩티도글리칸 층과 리포테이코산, 테이코산. 이 주요 세포벽 구조 차이 제조 나노구조 G -ve 대비 G +ve 박테리아 최대 효능 이끔[18].

다양한 항생제 특히 다제내성 미생물 병원체 획득 저항은 전 세계 공중보건 큰 위협, 새로운 작용 기전 항생제 시급[73]. 다양한 클래스 항생제 다른 메커니즘으로 활동, 박테리아 생존 필수 경로 표적. 예: 페니실린 등 베타-락탐 항생제 펩티도글리칸 합성 관여 효소 표적(세포벽 합성 중요 전구체)[74], 리팜피신 잘 알려진 항생제 핵산 생합성 경로 속 효소 표적[42]로 세포벽, 핵산 생합성 경로 모두 신규 항생제 발견 표적 중요성 시사[75]. 최근 몇 년 다양한 나노입자 살균 활성 보고됐으나 정확한 작용 메커니즘 아직 모름[76, 77]. E. coli, S. aureus 대상 SnO₂ 좋은 항균 활성 고려해 분자 도킹 연구 수행해 β-락타마제, DNA 자이라제 효소 잠재 표적 대상 작용 메커니즘 식별.

E. coli 유래 β-락타마제 경우 최적 결합 점수 -5.71 kcal/mol 관찰, Lys239(1.80 Å), Gly235(1.66 Å) H-결합 상호작용, Gln35 금속 접촉 상호작용(그림 12a, b). 유사하게 E. coli DNA 자이라제 최고 결합 점수 -9.57 kcal/mol, Thr163(1.46 Å), Gly77(1.43 Å), Glu50(3.36 Å) H-결합, Gly75 금속 접촉 상호작용(그림 12c, d).

a, b SnO₂ 나노입자 E. coli 유래 β-락타마제, c, d DNA 자이라제 활성 부위 잔기 결합 상호작용 패턴

S. aureus β-락타마제 최고 결합 점수 -11.83 kcal/mol. SnO₂ 활성 포켓 내 결합 패턴 Ser400(2.16 Å), Gly522(1.99 Å), Ileu524(1.90 Å) H-결합 상호작용. 추가로 SnO₂와 Gln521 금속 접촉 상호작용 관찰(그림 13a, b). S. aureus DNA 자이라제 최고 컨포메이션 Gly85(2.55 Å), Thr173(1.54 Å) H-결합 상호작용, 결합 점수 -8.61 kcal/mol(그림 13c, d).

a, b SnO₂ 나노입자 S. aureus 유래 β-락타마제, c, d DNA 자이라제 활성 부위 잔기 결합 상호작용 패턴

결론

요약하면 다양한 온도 어닐링 산화 주석 나노입자 단순하고 쉬운 침전 공정으로 합성. 합성 중 250°C 어닐링 주로 사방정계 SnO 생성, 500, 750°C에서 SnO₂ 전환. XRD, HRTEM 분석 나노입자 사방정계 구조 가짐, 입자 크기 초기 500°C까지 온도 증가 따라 증가 후 750°C 감소. 500°C 큰 입자 크기 해당 온도 어닐링 시료 독특 구조 귀속. 제조 나노구조 우수 결정화 거동과 응집 나타냄. 어닐링 산화 주석 나노소재 광활성 모델 유기 오염물질 MB 염료 분해 평가, 어닐링 시료 간 비교 실현. 500°C 합성 생성물 250°C 어닐링 시료 대비 MB 분해 6% 더 높은 활성. 본 연구 최대 MB 분해 80분 조사 후 500°C 시료 92% 달성. 라디칼(*OH¹⁻, *O₂⁻)과 정공이 광촉매 공정 주요 활성 개체 제안. 실리코 예측 in vitro SnO₂ NPs 항균 활성과 좋은 일치. 선택된 효소 즉 베타 락타마제, DNA 자이라제 대상 SnO₂ NPs 분자 도킹 연구 이 효소들 활성 저해 경향 시사, 효소 저해 분석 연구로 추가 탐구 확인 필요.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터 제한 없이 완전히 이용 가능.

약어

EDS:

에너지 분산형 X선 분광법 (Energy-dispersive x-ray spectroscopy)

FTIR:

푸리에 변환 적외선 분광법 (Fourier-transform infrared spectroscopy)

G +ve:

그람양성 (Gram-positive)

G −ve:

그람음성 (Gram-negative)

HR-TEM:

고분해능 투과전자현미경 (High-resolution transmission electron microscopy)

JCPDS:

분말 회절 표준 공동위원회 (Joint Committee on Powder Diffraction Standards)

NPs:

나노입자 (Nanoparticles)

SnO:

산화 주석 (Tin oxide)

UV–Vis:

자외선-가시광 분광법 (Ultra-violet visible spectroscopy)

XRD:

X선 회절 (X-ray diffraction)