Desempenho Fotocatalítico e Antimicrobiano Aprimorado de Nanobastões de ZnO Dopados com Mg: Caracterização Estrutural e Insights de Acoplamento Molecular

Resumo

Diversas concentrações de nanobastões (NRs) de ZnO dopados com Mg foram preparadas utilizando a técnica de coprecipitação. O objetivo deste estudo foi melhorar as propriedades fotocatalíticas do ZnO. O efeito da dopagem com Mg na estrutura, constituição de fase, presença de grupos funcionais, propriedades ópticas, composição elementar, morfologia de superfície e microestrutura do ZnO foi avaliado por meio de XRD, FTIR, espectrofotometria UV-Vis, EDS e HR-TEM, respectivamente. Os espectros de absorção óptica das amostras preparadas mostraram evidência de deslocamento para o azul (blueshift) após a dopagem. Os resultados de XRD revelaram fase wurtzita hexagonal do nanocompósito com diminuição gradual do tamanho de cristalito com a adição de Mg. A espectroscopia de fotoluminescência (PL) mostrou eficiência de aprisionamento e migração de portadores de carga com comportamento de recombinação elétron-buraco, enquanto o HR-TEM estimou o espaçamento intercamadas d. A presença de ligações químicas, modos de vibração e grupos funcionais na interface do ZnO foi revelada por espectros de FTIR e Raman. Neste estudo, o desempenho fotocatalítico, sonocatalítico e sonofotocatalítico dos NRs preparados foi investigado sistematicamente pela degradação de uma mistura de azul de metileno e ciprofloxacino (MBCF). Os resultados experimentais sugeriram que os NRs de ZnO dopados com Mg apresentaram desempenho de degradação aprimorado. Acreditamos que o produto sintetizado neste estudo se provará um fotocatalisador benéfico e promissor para tratamento de águas residuais. Conclusivamente, o ZnO dopado com Mg exibiu eficácia substancial (p < 0,05) contra bactérias gram-negativas (G-) em comparação com gram-positivas (G+). Estudos in silico de acoplamento molecular de NRs de ZnO dopados com Mg contra DHFR (pontuação de ligação: -7,518 kcal/mol), DHPS (pontuação de ligação: -6,973 kcal/mol) e FabH (-6,548 kcal/mol) de E. coli preveram a inibição das enzimas dadas como possível mecanismo por trás de sua atividade bactericida.

Introdução

Efluentes de poluentes orgânicos na água e contaminantes bacterianos infecciosos em alimentos estão se tornando desafios principais que precisam ser superados para sustentar um ambiente saudável [1, 2]. Como exemplo, infecções causadas pela bactéria Shigella flexneri causam cerca de 1,5 milhão de mortes por ano devido à contaminação de alimentos e bebidas [3]. Agentes tóxicos e carcinogênicos presentes em corantes liberados no ambiente aquático representam riscos sérios ao meio ambiente e à saúde pública [4]. Esses corantes também afetam a atividade fotossintética de formas de vida aquáticas, como cianobactérias e algas, que servem para diminuir a transparência da água doce [5].

Inúmeros estudos experimentais foram realizados para desenvolver métodos físicos, biológicos e químicos, bem como novas tecnologias para remoção de corantes de águas residuais. Até agora, métodos físicos incluindo ultrafiltração por membrana, adsorção e precipitação [6] e abordagens biológicas foram estudados. Além disso, procedimentos de biodegradação têm sido usados para degradação de matéria orgânica solúvel para erradicar bactérias que existem em descargas, enquanto métodos químicos compreendem descoloração fotoquímica, cloração e ozonização [7]. Métodos convencionais de tratamento de águas residuais, incluindo precipitação química, adsorção, coagulação e separação, não são técnicas adequadas, pois requerem a transferência de corantes de um ponto a outro e causam contaminação secundária [8]. Portanto, pesquisadores buscam tecnologias de tratamento ecológicas que envolvam degradação direta de poluentes orgânicos em compostos inofensivos [9].

Recentemente, processos de oxidação avançada (POAs) fotocatalíticos e sonocatalíticos, na presença de nanopartículas semicondutoras (NPs), ganharam muita consideração devido à sua estabilidade química, custo-efetividade e não toxicidade [10,11,12]. A fotocatálise é um método de oxidação aprimorado, que envolve geração de portadores de carga em fotocatalisador semicondutor sob irradiação de luz. Portadores de carga fotogerados participam de reações redox e removem poluentes da água [13, 14]. Vários estudos mostraram que espécies radicais OH^· se acumulam na superfície do fotocatalisador durante reações fotoquímicas e levam à degradação de vários corantes orgânicos. Atualmente, como consequência do aumento na produção de íons OH^·, a sinergia entre fotocatálise (PCA) e irradiação ultrassônica, chamada sonofotocatálise (SPCA), parece aumentar a eficiência de degradação do nanocatalisador. De fato, a SPCA mostrou ter impacto benéfico na taxa de degradação de compostos químicos na água que são tóxicos, perigosos e venenosos [15]. Atualmente, o uso de NPs de óxidos metálicos para tratamento de água poluída, devido ao seu benefício de custo, amigabilidade ambiental, estabilidade e reciclabilidade, atraiu o interesse dos pesquisadores [16, 17]. Além disso, semicondutores inorgânicos de banda larga como TiO₂, WO₃, ZrO₂ e ZnO provaram ser bem-sucedidos em processos redox catalíticos induzidos por luz para degradação de corantes [18, 19]. O ZnO, um semicondutor de banda larga bem conhecido (Eg=3,37 eV), exibe potencial extraordinário devido a sítios de defeito de superfície ativos em aplicações de PCA, estabilidade físico-química excepcional, alto potencial de oxidação-redução, grande energia de ligação de éxcitons (~60 meV), além de ser barato e livre de toxicidade [20,21,22,23]. Entre vários metais, o magnésio (Mg) é o dopante mais fascinante para sintetizar nanomateriais de ZnO com banda óptica Eg-engineered. A substituição de Mg no ZnO é favorecida pelos seguintes fatores: (i) constantes de rede invariantes, (ii) raios iônicos muito próximos (Mg⁺²= 0,72 Å e Zn⁺²= 0,74 Å), (iii) alta solubilidade de Mg no ZnO, (iv) ZnO dopado fornece aumento no Eg e intensidade de luminescência UV-Vis, útil para aplicações optoeletrônicas. Além disso, ZnO dopado com Mg pode servir como fotocatalisador eficaz para degradação de corantes e agente antibacteriano encorajador como resultado de sua ampla banda óptica [23].

Neste trabalho de pesquisa, a rota de coprecipitação foi adotada para sintetizar nanocompósitos eficientes de ZnO dopado com Mg para atividades catalíticas e bactericidas. As amostras preparadas foram caracterizadas através de XRD, HR-TEM, EDS, FTIR, UV-Vis e espectroscopia Raman para análise detalhada. A atividade catalítica das amostras preparadas foi estudada para degradação de uma mistura de azul de metileno e ciprofloxacino (MBCF), enquanto a atividade antibacteriana foi testada contra bactérias G+ e G-. Além disso, estudos de acoplamento molecular foram realizados contra diidrofolato redutase (DHFR) e diidropteroato sintase (DHPS) da via biossintética do folato e β-cetoacil-proteína transportadora de acil sintase III (FabH) da via biossintética de ácidos graxos.

Métodos

O estudo atual visou melhorar a degradação fotocatalítica e o potencial antimicrobiano com análise de acoplamento molecular de nanobastões de ZnO dopados com Mg.

Materiais

Nitrato de zinco tetrahidratado (Zn(NO₃)·4H₂O, 99,0%), cloreto de magnésio hexahidratado (MgCl₂·6H₂O, 99,0%) e hidróxido de sódio (NaOH, 99,0%) foram adquiridos da Sigma-Aldrich.

Síntese de Óxido de Zinco (ZnO) Dopado com Mg

Diversas concentrações de Mg dopadas em uma quantidade fixa de nanomateriais de ZnO foram sintetizadas pelo método de coprecipitação. Solução 0,5 M de Zn(NO₃)·4H₂O foi usada como precursor de Zn, e a quantidade desejada (2, 4, 6 e 8% em peso) de dopante foi adicionada vertendo MgCl₂ na solução. As soluções preparadas foram agitadas em água desionizada (água DI) por 90 min a 80 °C, enquanto o pH foi mantido em torno de 12 pela adição lenta de NaOH (0,1 M) na solução agitada. Os precipitados obtidos foram centrifugados a 4000 rpm (20 min), secos a 100 °C por 24 horas e depois moídos para obter pó fino (Fig. 1).

Ilustração esquemática da estratégia de síntese de nanobastões de ZnO dopados com Mg

Caracterização dos Materiais

Para identificar a constituição de fase e estrutura dos produtos, o difratômetro de raios X PANanalytical X-pert PRO equipado com radiação CuK alfa (λ = 1,541874 Å) foi operado na faixa de 2θ° (20°–80°). A existência de grupos funcionais usando o espectrômetro PerkinElmer foi verificada via FTIR. Com o espectrofotômetro UV-Vis, as propriedades ópticas foram observadas (espectrofotômetro Genesys 10S). Para adquirir espectros de emissão de fotoluminescência (PL) na faixa de 300–500 nm, o espectrofluorômetro JASCO FP-8200 foi empregado. Com espectroscopia de raios X dispersiva em energia (EDS) usando software INCA EDS, a composição elementar foi estimada. O microscópio eletrônico de varredura (SEM modelo JEOL JSM 6460LV) e o microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HR-TEM modelo JEOL JEM 2100F) foram usados para determinar a morfologia e microestrutura das amostras sintetizadas.

Atividade Fotocatalítica, Sonocatalítica e Sonofotocatalítica

A atividade sonocatalítica (SCA) e sonofotocatalítica (SPCA) da degradação do MBCF foi testada em banhos ultrassônicos para catalisadores ZnO e Mg:ZnO operando a frequência fixa ~ 35 kHz. Similarmente, sob irradiação de luz visível, a degradação fotocatalítica foi testada para nanocatalisadores ZnO e Mg:ZnO contra MBCF. Em cada experimento, em 50 mL de corante modelo, fotocatalisador (10 mg) foi suspenso e a solução foi colocada no escuro por 10–15 min para alcançar o equilíbrio de adsorção-desorção. Luz visível (fotocatálise—PCA), ultrassonicador (sonocatálise—SCA) e irradiação de luz visível combinada com ultrassonificação (sonofotocatálise—SPCA) foram metodicamente colocados sob soluções suspensas. A suspensão de 3 mL foi coletada durante a exposição para análise de absorção em intervalos de tempo regulares. O constituinte de corante resultante foi observado determinando a diferença no λ max = 670 nm do MBCF. A solução de cor azul desbotou ao longo do tempo devido à degradação do MBCF na presença de nanocatalisadores. Finalmente, o grau de degradação (Ct/Co), onde Ct é a concentração temporal do corante e Co é a concentração inicial do corante, foi avaliado. A porcentagem de degradação para cada amostra também foi calculada usando a equação: % Degradação = \(\frac{{\left( {Co - Ct} \right)}}{Co}\) × 100.

Isolamento e Identificação de S. aureus e E. coli

Amostras de leite bovino testadas com mastite de campo surf foram coletadas de diferentes fazendas. As amostras incubadas (crescidas em ágar sangue de ovelha a 5%) foram estriadas com MSA (ágar sal manitol) e MA (ágar MacConkey) para S. aureus G+ e E. coli G-, respectivamente (pH ~ 7). Colônias características foram identificadas via análise bioquímica (teste de catalase e coagulase) e morfológica (coloração de Gram).

Atividade Antibacteriana

O desempenho bactericida dos NRs sintetizados foi examinado em cepas bacterianas G- e G+ empregando a abordagem de difusão em poços em ágar, semeando 1,5 × 10⁸ UFC/mL de isolados de S. aureus e E. coli com MSA e MA, respectivamente. Poços com diâmetro de 6 mm foram formados usando um perfurador de rolha estéril em placas de Petri MSA e MA semeadas. Em comparação com controle negativo (água DI) e controle positivo (ciprofloxacino), diferentes concentrações de NRs Mg:ZnO (0,5 mg/50 μl) e (1,0 mg/50 μl) foram usadas. As placas de Petri contendo as doses foram incubadas (37 °C) durante a noite, e o desempenho antibacteriano dos NRs foi registrado medindo o diâmetro das zonas de inibição com paquímetro. Por meio de análise de variância unidirecional (ANOVA) usando SPSS 20, a eficácia medida estatisticamente em termos de zonas de inibição foi considerada significativa.

Estudos de Acoplamento Molecular

Estudos in silico de acoplamento molecular, sendo uma abordagem eficaz para identificação de características estruturais-chave por trás da atividade antibacteriana de NRs de ZnO dopados, foram empregados para predição de seu possível mecanismo. As enzimas-chave da via biossintética do folato, nomeadamente diidrofolato redutase (DHFR) e diidropteroato sintase (DHPS), juntamente com a enzima β-cetoacil-proteína transportadora de acil sintase III (FabH) da via biossintética de ácidos graxos, foram relatadas como alvos atrativos para descoberta de antibióticos. As características estruturais 3D das enzimas selecionadas foram recuperadas do Protein Data Bank e preparadas usando ferramenta de preparação de proteína para acoplamento de NRs de ZnO dopados com Mg no sítio ativo.

O código de acesso para os alvos selecionados foi: 2ANQ (DHFR_E.coli) [24], 5U0V (DHPS_E.coli) [25] e 4Z8D (FabH_E.coli) [26]. Estudos de acoplamento molecular foram realizados usando software ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [27], onde as estruturas proteicas foram otimizadas através de ferramenta de minimização de energia. As moléculas de água da estrutura cristalina juntamente com ligante co-cristalizado foram removidas, seguidas pela adição de átomos de H polares para preparação da estrutura proteica, e caixa de grade foi usada para identificar o bolsão ativo. Finalmente, os melhores complexos acoplados foram selecionados para análise de interação de ligação para observar aminoácidos-chave envolvidos na ligação do ligante. Discovery Studio Visualizer e Pymol foram usados para análise dos complexos acoplados.

Resultados e Discussão

As propriedades estruturais e constituição de fase do ZnO livre de dopante e dopado foram avaliadas usando difração de raios X (Fig. 2a). Picos observados em 31,7°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,6°, 62,9° e 68,0° podem ser atribuídos a planos de difração (100), (002), (101), (102), (110), (103) e (112) que confirmaram que o ZnO tem estrutura hexagonal (JCPDS No. 361451) com grupo espacial P63mc. Dois picos refletem impurezas de compostos compreendendo zinco-carboxil (marcados por setas pretas). Esses vestígios de zinco-carboxil podem ter aparecido devido à reação do precursor de Zn com outros reagentes durante a síntese [28]. O tamanho de cristalito do ZnO foi 26 nm estimado usando a fórmula de Scherrer, que reduziu gradualmente para 23 nm com quantidade crescente de dopante (a 8% em peso). Para garantir adição bem-sucedida de 'Mg' na rede hospedeira, três posições de pico proeminentes (100), (002) e (101) foram rastreadas [23]. Acredita-se que picos de ZnO se desloquem para 2θ alto após dopagem com Mg, enquanto vários estudos relatam redução gradual no tamanho de cristalito com adição de dopantes como Mg, Fe e Al ao ZnO [29, 30]. Vários fatores, incluindo tensão de compressão causada pela diferença nos raios iônicos de Zn e íon dopante, obstrução do crescimento cristalino e/ou geração de defeitos nos cristais após dopagem poderiam suprimir o crescimento do ZnO. O deslocamento de picos observado para NRs de ZnO dopados poderia ser atribuído a íons Mg que substituíram íons Zn devido à diferença de raios iônicos entre Mg²⁺ (0,57 Å) e Zn²⁺ (0,60 Å) [23, 29].

a Padrão XRD de ZnO dopado com Mg, b–d padrão SAED de ZnO, 4%, 8% de ZnO dopado com Mg e e espectros FTIR, respectivamente

Padrões SAED de ZnO dopado exibiram pontos brilhantes devido à difração de elétrons. Cada ponto originou-se de um conjunto de planos paralelos encontrados na estrutura cristalina do produto sintetizado que afetou a condição de difração de Bragg. Índices de Miller foram alocados conforme visto na Fig. 2b–d. Padrões foram indexados com planos (002), (100), (101) e (102) conectados à estrutura hexagonal do ZnO com feixe de elétrons projetando ao longo do eixo de zona [101] [31]. Em geral, a direção anisotrópica de crescimento do ZnO é determinada tanto pela energia livre interfacial quanto pelo potencial de dissolução em água. A velocidade relativa de crescimento de diferentes planos também controla o crescimento.

A análise FTIR foi realizada para investigar a presença de grupos funcionais, química de superfície e modos de vibração para ligações químicas existentes nas amostras (Fig. 2e). Bandas de 400 a 560 cm^-1 são designadas ao alongamento de modos vibracionais Zn–O–Zn que confirmaram a formação de ZnO. Bandas de região de baixa frequência/impressão digital foram atribuídas a vibrações translacionais M–O (590, 670 cm⁻¹) e O–M–O (430 cm⁻¹) [33]. Com o aumento da concentração de Mg, nenhuma mudança significativa foi observada na banda de absorção de Zn-O e intensidade. Banda em 1651 cm^-1 corresponde a modo de alongamento simétrico C=O que é altamente intensificado com o aumento da porcentagem de carregamento de nitrato de magnésio, enquanto banda ~ 1362 cm^-1 corresponde a modo de alongamento assimétrico C–O. Carbono dos materiais iniciais poderia ter sido incorporado nos NRs inadvertidamente, enquanto o aparecimento de banda de transmissão ampla em 3456 cm^-1 corresponde a alongamento O–H de moléculas de água adsorvidas na superfície [34].

Para verificar a mudança no comportamento de absorção após dopagem, a espectrometria UV-Vis foi implantada para amostras dopadas e não dopadas. Espectros de absorção UV-Vis dos NRs sintetizados foram registrados na faixa de 250 a 600 nm como função do comprimento de onda (Fig. 3a). As amostras mostraram absorção máxima em torno de 370–395 nm, com deslocamento da borda de absorção para comprimento de onda menor após diferentes concentrações de dopagem. Este aumento na absorção e deslocamento após dopagem é manifestado à deficiência de oxigênio, efeito de tamanho de partícula e defeitos de estrutura de grão [35]. Valores extraídos da Fig. 3a foram usados para calcular a banda óptica (Eg) do ZnO (usando gráfico de Tauc), que aumentou de 3,32 para 3,72 eV após dopagem com Mg (Fig. 3b) [36, 37]. Este blueshift no Eg pode ser endossado ao fenômeno do efeito Burstein-Moss. No método de óxido metálico, a redução do tamanho de partícula é relatada como resultando em blueshift da banda devido ao efeito de confinamento quântico (ECQ). No entanto, ECQ não é a única razão; a dopagem também pode afetar a simetria local e gerar centros de defeito de rede que mudam a estrutura da banda e induzem deslocamentos significativos nas propriedades ópticas [38]. Como descrito anteriormente na análise XRD, Mg dopado no ZnO gera vacâncias de oxigênio no cristal hospedeiro, que atuam como doadores no sistema e se comportam como íons carregados positivamente liberando elétrons para CB. Como a concentração de portadores de elétrons excede a densidade de estados em CB, o nível de energia de Fermi é empurrado para dentro do CB. A substituição de Zn²⁺ por Mg²⁺ leva ao incremento na concentração de elétrons e vacância de oxigênio devido à diferença de raios iônicos e eletronegatividade de ambos os materiais, e assim, o aumento da densidade de portadores leva ao levantamento do nível de Fermi para o CB de semicondutor degenerado, pois o ZnO é um dos semicondutores mais degenerados. Devido a esta ação, o nível de Fermi bem como sua posição dependem da concentração de elétrons livres e excitação de elétrons de VB para nível de Fermi, resultando no incremento da densidade de elétrons livres e alargamento da banda. Este deslocamento Burstein-Moss contribui para o alargamento observado do Eg dos NRs de ZnO dopados com Mg.

a Espectros de absorção de amostras de ZnO dopado com Mg, b gráfico de Tauc, c espectros PL e d espectros Raman de nanobastões de ZnO dopados com Mg

A análise PL é uma ferramenta valiosa para obter melhor informação sobre impurezas, transições e dopantes estudando espectros de emissão. Efeitos de tamanho quântico afetam as propriedades físicas de materiais semicondutores em nanoescala, como ZnO que mudou seu comportamento óptico pelo aumento no confinamento quântico observado da PL [40]. Espectros PL de diversas concentrações de Mg incorporadas no ZnO foram medidos com excitação λ~325 nm à temperatura ambiente (Fig. 3c). Para ZnO não dopado e dopado, uma emissão de nível profundo ampla e emissões próximas à banda foram detectadas. Todas as amostras mostraram um pico de emissão na região UV, que é atribuído à recombinação de éxcitons. Picos observados na região visível aparecem devido a estados de defeito (doador), como vacâncias de O₂-V_o, intersticiais de Zn-Zn_i, estados de defeito (aceitador) de vacâncias de Zn-V_z e intersticiais de oxigênio-O_i [39]. A razão de intensidade dos picos nas regiões UV e visível é afetada principalmente pela qualidade cristalina dos materiais dopados, pois a densidade de defeitos diminui com amplificação da cristalinidade. As amostras demonstraram picos de emissão em torno de 408 nm atribuídos à transição de borda de banda próxima-NBE do ZnO [39]. Os picos encontrados em 408, 442, 467, 488 nm levam à emissão azul e atribuíveis a intersticiais de Zn têm emissão violeta principal em 408 nm. Emissões fracas observadas em 442, 467 e 488 nm são endossadas à recombinação de par doador-aceitador (D/A) que envolve diferentes níveis de defeito nas amostras. Emissão em 488 nm é devida a elétrons em vacância O₂ simplesmente ionizada com buracos fotoexcitados em VB [41]. A intensidade de emissão ampla de nível profundo aumentou após dopagem, enquanto picos de emissão NBE foram transferidos para região de energia mais alta. Este deslocamento azul da emissão NBE poderia ser interpretado com base no efeito Burstein-Moss. O ZnO é um material tipo n, e após dopagem pesada, seu nível de Fermi se desloca dentro da banda de condução. Assim, a absorção deve exibir deslocamento azul como proposto por Burstein; regiões preenchidas bloqueariam excitações ópticas ou térmicas [42]. Aumento na intensidade de PL foi observado para amostras dopadas implicando eficiência reduzida de transferência de elétrons.

A dispersão Raman é uma técnica sensível e não destrutiva para investigar microestrutura e analisar propriedades relacionadas a estados vibracionais de nanomateriais. Óxido de zinco wurtzita com célula primitiva contendo duas unidades de fórmula é colocado no grupo espacial C6ν. Fônons ópticos presentes na célula primitiva no espaço recíproco são justificados da relação irredutível: Гopt = 1A₁+2B₁+ E₁+2E₂ onde B₁ representa modos silenciosos de Raman, enquanto A₁ e E₁ são modos polares (forças de Coulomb de longo alcance), que se dividem em fônons ópticos longitudinais (LO) e transversais (TO). Além disso, um modo de fônon de dupla frequência E₂ (não polar), tendo E₂ (baixo) e E₂ (alto), correspondeu à sub-rede de Zn e átomos de O₂ [43]. Nos espectros Raman, os picos que se deslocam para número de onda mais alto e mais baixo dependem dos comprimentos de ligação variáveis entre moléculas. Aumento no comprimento de ligação governa deslocamento para número de onda baixo e vice-versa. Nenhum pico de alta ordem adicional foi observado acima de 1300 cm^-1 (Fig. 3d). Pico dominante observado em ~ 1069 cm^-1 representa modo E₂H (característico) de ZnO hexagonal [44]. Além disso, três picos menores também foram observados em torno de 436, 723 e 1386 cm⁻¹ que se originaram devido a alto fundo fluorescente. Além disso, espectro Raman de 8% em peso de ZnO dopado foi deslocado para o azul, o que é atribuído à substituição de Mg²⁺ por Zn²⁺ na rede de ZnO que se acredita desempenhar papel na dinâmica de rede [45]. Geralmente, deslocamentos de pico Raman ocorrem por três razões: efeitos de confinamento de fônon, tensão de rede e vacâncias de oxigênio. Espectros adquiridos de XRD e espectroscopia Raman confirmaram que a estrutura wurtzita-ZnO não é afetada pela incorporação de Mg; no entanto, a qualidade do cristal é reduzida significativamente.

Para confirmação morfológica de ZnO não dopado e dopado, HR-TEM foi realizado (Fig. 4a–e) para delinear morfologia tipo bastão hexagonal de ZnO:Mg. Parece que Mg mostrou papel de nucleação pois cresce com dopagem [39]. Valores de espaçamento intercamadas d para ZnO não dopado e dopado foram calculados ~ 0,464, 0,183, 0,333, 0,27 e 0,232 nm imagens HR-TEM (Fig. 4a′–e′). Os valores de espaçamento d estão em bom acordo com planos obtidos com análise XRD. Nenhuma presença de impurezas/fases secundárias sugere incorporação adequada de átomos de dopante nos nanobastões de ZnO sem agrupamento [46]. Além disso, mudança no espaçamento d foi atribuída à incorporação de Mg em redes de ZnO.

a–e Imagens HR-TEM de diversas concentrações de ZnO dopado com Mg e espaçamento d calculado usando imagens HR-TEM de Mg-ZnO a′–e′ com teor de Mg (2, 4, 6 e 8% em peso)

A análise elementar foi realizada usando EDS para confirmar a presença de zinco e oxigênio em nanopós de ZnO (Fig. 5a–e). A razão atômica média (67,6:23,6) confirmou quantitativamente a formação de ZnO junto com o dopante. Picos de Ouro (Au) aparecem nos espectros devido ao revestimento de ouro pulverizado sobre a amostra para reduzir efeito de carregamento. Picos de Cu podem originar da fita de Cu usada com o suporte de amostra. Alguns picos adicionais (Cl, Si) podem indicar contaminação. Pico de Na pode ter se originado do NaOH usado para manter pH básico durante síntese. No entanto, pico de Na se sobrepõe com Zn, então sua presença na amostra não pode ser assegurada.

a Análise EDS de ZnO e diversas concentrações (2, 4, 6 e 8% em peso) de ZnO dopado com Mg (b–e), respectivamente

O processo fotocatalítico envolve geração de pares elétron-buraco (e-, h+) com subsequente separação e recombinação de elétrons e buracos (Fig. 6), demonstrando a seguinte reação redox [35].

$$\begin{aligned} & {\text{ZnO}} + h\nu \to {\text{ZnO}}\,({\text{e}}_{{{\text{CB}}}} + {\text{h}}_{{{\text{VB}}}} ) \\ & {\text{e}}_{{{\text{CB}}}} + {\text{O}}_{2} \to {\text{O}}_{2}^{\cdot - } \\ & {\text{O}}_{2}^{\cdot - \,} + {\text{dye}}\,{\text{degraded}}\,{\text{products}} + {\text{CO}}_{2} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ & {\text{OH}}^{\cdot} + {\text{dye}}\,{\text{degraded}}\,{\text{products}} + {\text{CO}}_{2} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ \end{aligned}$$

Ilustração esquemática do mecanismo de fotocatálise de nanobastões de ZnO dopados com Mg

Todas as amostras preparadas foram avaliadas para suas atividades fotocatalítica, sonocatalítica e sonofotocatalítica contra MBCF como contaminante alvo. Os perfis de degradação do corante MBCF fotocatalisado sob irradiação de luz UV por nanocatalisadores sintetizados são exibidos na Fig. 7a–c.

a Fotocatálise, b sonocatálise e c cinética de reação sonofotocatalítica de degradação do corante MBCF para nanobastões de ZnO dopados com Mg

A constante de taxa k baseada em pseudo-primeira ordem foi determinada traçando curvas lineares de ln(Ct/Co) contra tempo de exposição t. Constante de taxa de degradação k para ZnO não dopado e dopado (2, 4, 6 e 8% em peso) foi calculada como 0,00546, 0,00948, 0,00274, 0,00353 e 0,00336 min⁻¹, respectivamente (Fig. 7a). ZnO dopado mostrou melhor eficiência fotocatalítica que ZnO puro com degradação máxima de 26% para ZnO dopado (8% em peso) (Fig. 8a–c). Devido à presença de vacâncias de oxigênio de superfície, o aumento da área de superfície foi a explicação por trás da atividade fotocatalítica aumentada do ZnO dopado [35]. A transferência fotoinduzida de elétrons na banda de condução de um semicondutor com buracos positivos deixados em VB é o mecanismo fundamental da fotocatálise [15]. Até que os éxcitons sejam aniquilados, eles participam de reações redox com moléculas de corante circundantes na superfície dos catalisadores, resultando em produtos degradados. Os elétrons fotoinduzidos atuam como agente redutor forte, que interagem com moléculas de O₂ circundantes para gerar espécies reativas O₂^·−. Por outro lado, buracos fotoinduzidos atuam como agente oxidante forte que gera espécies OH^· altamente reativas de grupos hidroxila. As espécies radicais resultantes (O₂^·− e OH^·) interagem com moléculas de corante circundantes para degradá-las em produtos não tóxicos ou minerais.

a Fotocatálise, b sonocatálise e c fotodegradação sonofotocatalítica do MBCF para nanobastões de ZnO dopados com Mg

Uma abordagem alternativa para degradação eficiente de resíduos orgânicos na água é a sonocatálise (SC) [15]. A influência de ondas ultrassônicas na degradação do MBCF foi estudada com ZnO não dopado e dopado (Fig. 7b). Em termos de concentração do corante MBCF, a degradação SC do MBCF por ZnO dopado seguiu cinética de pseudo-primeira ordem. Constantes de taxa de degradação de ZnO não dopado e dopado (2, 4, 6 e 8% em peso) foram 0,02062, 0,01332, 0,00456, 0,00653 e 0,00204 min⁻¹, respectivamente. Vários estudos foram recentemente relatados sobre degradação de corantes SC, baseados em mecanismo de ponto quente e sonoluminescência, na presença de vários catalisadores. A formação de bolhas de cavitação na solução pode ser aumentada criando pontos quentes através de nucleação assimétrica de bolhas. Esses pontos quentes podem desencadear a formação de OH por moléculas de H₂O para pirólise. O mecanismo sonquímico tipicamente requer sonólise da água, que é o solvente sob alta pressão e temperatura dentro das bolhas de cavitação em colapso. Na solução de MBCF e nanocatalisador, ondas ultrassônicas não apenas causam sonólise da água, mas também catalisador acoplado para criar portadores de carga. Radicais OH e ânions superóxido ^·O²⁻ podem ser gerados por pares elétron-buraco, que decompõem corantes em espécies não tóxicas [15, 47]. A sonofotocatálise (SPC) também parece seguir cinética de pseudo-primeira ordem, similar à fotocatálise e sonocatálise. Constantes de taxa de degradação para ZnO não dopado e dopado (2, 4, 6 e 8% em peso) foram 0,00242, 0,04493, 0,1776, 0,01903 e 0,01883 min⁻¹, respectivamente (Fig. 7c). Desempenho de degradação do ZnO dopado foi 12, 29, 53, 58 e 87%, respectivamente (Fig. 8c).

Estes resultados sugerem que a dopagem desempenha papel crucial na eficiência fotocatalítica do ZnO. Em condições operacionais idênticas, SPC tem taxa de degradação maior que os mecanismos individuais correspondentes. A constante de taxa de reação do processo combinado é maior que a soma das constantes de taxa dos processos individuais, ou seja, foto de Ksono > Kphoto + Ksono, o que pode ser atribuído a (i) aumento na produção de OH na mistura, (ii) transferência de massa elevada entre solução e superfície do catalisador, e (iii) atividade aprimorada relacionada à desagregação por ultrassom, consequentemente aumentando a área de superfície [15, 48]. Para estimar a reutilização e estabilidade da amostra, Fig. 9a indica que a fotocatálise desliga a degradação do corante MBCF sob condições similares após experimentos de ciclagem consecutivos (quatro). Dessa forma, a eficiência de degradação da amostra reduziu de 82 para 75%. Aqui (Fig. 9b), há algum esgotamento de nanomaterial por centrifugação ou lavagem durante experimento de reciclagem. Seguindo os resultados de reciclagem, concluiu-se que o produto permanece estável e possui habilidade notável e aceitação para tratamento de águas residuais perigosas. De qualquer forma, Tabela 2 mostra a comparação da eficiência de degradação fotocatalítica do presente trabalho com outros materiais relatados.

a Desempenho de reutilização fotocatalítica de ZnO dopado com Mg e b gráfico de barras %degradação

A ação bactericida in vitro de NRs de ZnO não dopado e dopado para bactérias G- e G+ é dada na Tabela 1. Resultados mostram sinergismo e ação bactericida aprimorados do ZnO dopado contra E. coli em contraste com S. aureus. Zonas de inibição foram registradas como (1,05–2,05 mm) e (2,10–4,15 mm) para S. aureus e (0–6,15 mm) a (0–8,65 mm) para E. coli, respectivamente, enquanto ZnO mostrou eficácia desprezível para E. coli em comparação com S. aureus. Além disso, controle +ve mostrou zona de inibição (9,00 mm) contra E. coli e S. aureus paralelo ao controle -ve (0 mm). No geral, ZnO dopado com Mg exibiu eficácia substancial (P < 0,05) contra G- em comparação com G+.

Estresse oxidativo induzido pelo ZnO dopado preparado depende de concentração, forma e tamanho dos NRs, enquanto o incremento no tamanho dos NRs reduz atividade antibacteriana. Bastões nano geram espécies de oxigênio (ROS) para produzir membrana de célula bacteriana como resultado de extrusão de conteúdo citoplasmático, que causa morte bacteriana como mostrado na Fig. 10. Outro fenômeno possível envolve forte interação entre membrana celular carregada negativamente e cátions (Mg²⁺ e Zn²⁺) que resulta em desmoronamento de micro-patógenos [49].

Ilustração esquemática do mecanismo bactericida de nanobastões de ZnO dopados com Mg

Resistência a fármacos tem sido considerada ameaça maior à humanidade, e há necessidade contínua de descoberta de antibióticos mais compatíveis. Atividade bactericida de NRs metálicos é bem documentada, e seu papel como possível candidato para descoberta de novos antibióticos foi sugerido anteriormente [50]. Estudos in silico de acoplamento molecular facilitam obter insight no mecanismo por trás de sua atividade antibacteriana. Dihidrofolato redutase (DHFR) e diidropteroato sintase (DHPS) pertencentes à via biossintética do folato foram relatados como alvos bem conhecidos para fármacos trimetoprima e sulfonamida, respectivamente [51, 52]. Aqui, avaliamos a tendência de ligação de NRs de ZnO dopados com Mg contra enzimas DHFR, DHPS e FabH de E. coli. Complexos acoplados revelaram seu padrão de ligação dentro do sítio ativo e sugeriram-nos como possíveis inibidores contra alvos enzimáticos selecionados.

Para DHFR_E.coli, o melhor complexo acoplado revelou interação de ligação H com Ile94 (3,1 Å), Tyr100 (3,1 Å) e interação de contato metálico com Met20 e Ala7 com pontuação de ligação geral -7,518 kcal/mol. Interações de ligação com aminoácidos-chave do bolsão ativo e orientação de NP de ZnO dopado com Mg são representadas na Fig. 11a.

Padrão de interação de ligação de NRs de ZnO dopados com Mg dentro do bolsão ativo a Dihidrofolato redutase (DHFR), b Diidropteroato sintase (DHPS) de E. coli

Para DHPS_E.coli, complexos de acoplamento mostraram ligação H com Leu21 (3,1 Å), Asp56 (3,4 Å), Gly59 (2,9 Å), Thr62 (2,8 Å) e Arg255 (2,8 Å). Além disso, Asn22 e Ile20 interagiram com NRs através de contato metálico dentro do sítio ativo como mostrado na Fig. 11b. Esses NPs de ZnO dopados com Mg bloquearam o sítio ativo (pontuação de ligação: -6,973 kcal/mol) e são sugeridos como possíveis inibidores contra enzima DHPS.

Similarmente, acoplamento de NRs de ZnO dopados com Mg contra a enzima β-cetoacil-proteína transportadora de acil sintase III (FabH) da via biossintética de ácidos graxos mostrou interação de ligação H com Glu302 (3,3 Å), Leu220 (2,9 Å), Thr254 (3,2 Å) e Gln245 (2,7 Å) tendo pontuação de ligação -6,548 kcal/mol (Fig. 12). Além disso, NPs de ZnO dopados com Mg envolveram interação de contato metálico com Ile250 e His241.

Padrão de interação de ligação de NRs de ZnO dopados com Mg dentro do bolsão ativo β-cetoacil-proteína transportadora de acil sintase III (FabH) de E. coli

Bloqueio do sítio ativo através de ligação de ligantes previne entrada de substrato e assim leva à perda de atividade enzimática. Devido à melhor atividade antibacteriana de NRs de ZnO dopados com Mg contra E. coli em comparação com S. aureus, previsões in silico contra alvos enzimáticos selecionados revelaram seus possíveis padrões de ligação dentro do bolsão ativo e sugeriram-nos inibidores potenciais das enzimas dadas.

Uma comparação do presente estudo sonofotocatalítico com a literatura é mostrada na Tabela 2.

Conclusão

Usando técnica de coprecipitação, NRs de ZnO dopados com Mg foram sintetizados com sucesso, e a influência da dopagem com Mg na constituição de fase, composição elementar, morfologia e propriedades ópticas do ZnO foi investigada. Usando análise XRD, o ZnO tem fase wurtzita hexagonal, enquanto o tamanho de cristalito estimado foi menor que 100 nm. A estrutura cristalina do ZnO também foi melhorada pela dopagem com Mg, o que por sua vez levou a aumento de luminescência e aumento da banda. Espectros de absorção UV-Vis revelaram blueshift indicando alargamento da banda, enquanto a formação de bastões de ZnO foi confirmada por estudo EDS, onde uma razão atômica média de 67,6:23,6 foi observada. Espectro Raman foi deslocado para o azul para valores maiores de dopagem (8% em peso) causado pela substituição de Mg²⁺ por Zn²⁺ na rede de ZnO. Resultados de PL indicaram emissões visíveis aumentadas com Mg, levando a aumento na deslocalização de par elétron-buraco. Desempenho de degradação de corante dos NRs sintetizados foi avaliado contra MBCF, e melhores resultados foram obtidos via sonofotocatálise com eficiência máxima de degradação de 87% para ZnO dopado com Mg. Zonas de inibição foram registradas como (1,05–2,05 mm) e (2,10–4,15 mm) para S. aureus e (0–6,15 mm) a (0–8,65 mm) para E. coli, respectivamente. Portanto, nanobastões dopados podem ser impostos como material de controle para minimizar resistência a antibióticos. Além disso, estudos in silico de acoplamento molecular previram NRs de ZnO dopados com Mg como inibidor potencial de enzimas DHFR, DHPS e FabH. A inibição das enzimas dadas é sugerida como possível mecanismo por trás da atividade bactericida de NRs de ZnO dopados com Mg contra E. coli.