Dopagem de Mg em Nanorods ZnO demonstrou Degradação Fotocatalítica Melhorada e Potencial Antimicrobiano com Análise de Docking Molecular

Resumo

Várias concentrações de nanobastões de ZnO dopados com Mg (NRs) foram preparadas usando a técnica de co-precipitação. O objetivo deste estudo foi melhorar as propriedades fotocatalíticas do ZnO. O efeito da dopagem com Mg na estrutura, constituição de fases, presença de grupos funcionais, propriedades ópticas, composição elementar, morfologia de superfície e microestrutura do ZnO foi avaliada com XRD, FTIR, espectrofotômetro UV-Vis, EDS e HR-TEM, respectivamente. Os espectros de absorção óptica obtidos a partir das amostras preparadas mostraram evidências de blueshift após dopagem. Os resultados de XRD revelaram a fase wurtzita hexagonal do nanocompósito com uma diminuição gradual do tamanho do cristalito com a adição de Mg. A espectroscopia PL mostrou eficiência de captura e migração de portadores de carga com comportamento de recombinação elétron-buraco, enquanto HR-TEM estimou o espaçamento d entre camadas. 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 de NRs preparados foi sistematicamente investigado pela degradação de uma mistura de azul de metileno e ciprofloxacina (MBCF). Os resultados experimentais sugeriram que o desempenho de degradação melhorado foi mostrado por ZnO NRs dopado com Mg. Acreditamos que o produto sintetizado neste estudo provará ser um fotocatalisador benéfico e promissor para o tratamento de águas residuais. Conclusivamente, o ZnO dopado com Mg exibiu um valor substancial ( p <0,05) eficácia contra bactérias gram-negativas (G-ve) em comparação com bactérias gram-positivas (G + ve). Estudos de docking in silico molecular de ZnO NRs 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 inibição prevista de determinadas enzimas como possível mecanismo por trás de sua atividade bactericida.

Introdução

Efluentes poluentes orgânicos na água e contaminantes bacterianos infecciosos em alimentos estão se tornando os principais desafios que precisam ser superados a fim de sustentar um ambiente saudável em nosso entorno [1, 2]. Por exemplo, infecções causadas por Shigellaflexneri bactérias causam cerca de 1,5 milhão de mortes por ano devido à contaminação de alimentos e bebidas [3]. Os agentes tóxicos e carcinogênicos presentes nos corantes liberados no ambiente aquático representam sérios riscos 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 têm sido realizados para desenvolver métodos físicos, biológicos e químicos, bem como novas tecnologias para a remoção de corantes de águas residuárias. Até agora, métodos físicos incluindo membrana de ultrafiltração, adsorção e precipitação [6] e abordagens biológicas foram estudados. Além disso, os procedimentos de biodegradação têm sido usados ​​para a degradação da matéria orgânica solúvel para erradicar as bactérias que existem nas descargas, enquanto os métodos químicos são compostos de descoloração fotoquímica, cloração e ozonização [7]. Métodos convencionais de tratamento de efluentes, 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, os pesquisadores estão procurando tecnologias de tratamento ecologicamente corretas que envolvam a degradação direta de poluentes orgânicos em compostos inofensivos [9].

Recentemente, os processos de oxidação avançada fotocatalítico e sonocatalítico (AOPs), na presença de nanopartículas semicondutoras (NPs), têm ganhado muita consideração devido à sua estabilidade química, custo-benefício e não toxicidade [10,11,12]. A fotocatálise é um método de oxidação aprimorado, que envolve a geração de portadores de carga em fotocatalisador semicondutor após irradiação de luz. Os portadores de carga foto-gerados participam de reações redox e removem poluentes da água [13, 14]. Vários estudos mostraram que OH ^· espécies radicais se acumulam na superfície do fotocatalisador durante as reações fotoquímicas e levam à degradação de vários corantes orgânicos. Hoje em dia, como consequência do aumento da produção de OH ^· íons, o sinergismo da irradiação fotocatalítica (PCA) e ultrassônica, chamada de sonofotocatálise (SPCA), parece aumentar a eficiência de degradação do nanocatalisador. Na verdade, o SPCA demonstrou ter um impacto benéfico na taxa de degradação de compostos químicos tóxicos, perigosos e venenosos na água [15]. Atualmente, o uso de NPs de óxidos metálicos para o tratamento de águas poluídas, devido ao seu custo benefício, respeito ao meio ambiente, estabilidade e reciclabilidade, tem despertado o interesse de pesquisadores [16, 17]. Além disso, semicondutores inorgânicos de amplo bandgap, como TiO ₂ , WO _3, ZrO ₂ e o ZnO provou ser bem-sucedido em processos redox catalíticos induzidos pela luz para degradar o corante [18, 19]. ZnO, um semicondutor de banda larga bem conhecido (Eg =3,37eV), exibe um potencial extraordinário devido aos locais de defeito de superfície ativa em aplicações de PCA, excelente estabilidade físico-química, alto potencial de oxidação-redução, grande energia de ligação de excitons (∼60 meV), além de ser barato e livre de tóxicos [20,21,22,23]. Entre vários metais, o magnésio (Mg) é o dopante mais fascinante para sintetizar nanomateriais óticos de ZnO projetados por Eg. A substituição de Mg em ZnO é favorecida devido aos seguintes fatores; (i) constantes de rede invariantes, (ii) raios iônicos são muito próximos (Mg ⁺² =0,72 Å e Zn ⁺² =0,74 Å), (iii) alta solubilidade de Mg em ZnO, (iv) ZnO dopado fornece um aumento na intensidade de luminescência Eg e UV-Vis, que é útil para aplicações optoeletrônicas. Além disso, o ZnO dopado com Mg pode servir como um fotocatalisador eficaz para a degradação de corantes e encorajando o agente antibacteriano como resultado de seu amplo gap óptico [23].

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

Métodos

O presente estudo teve como objetivo melhorar a degradação fotocatalítica e o potencial antimicrobiano com a análise de docking molecular de nanobastões de ZnO dopados com Mg.

Materiais

Nitrato de zinco tetra-hidratado (Zn (NO ₃ ) .4H ₂ O, 99,0%), cloreto de magnésio hexa-hidratado (MgCl _2. 6H ₂ O, 99,0%) e hidróxido de sódio (NaOH, 99,0%) foram recebidos da Sigma-Aldrich.

Síntese de óxido de zinco dopado com magnésio (ZnO)

Várias concentrações de Mg-dopado em uma quantidade fixa de nanomateriais de ZnO foram sintetizadas com o método de co-precipitação. 0,5 M de Zn (NO ₃ ) .4H ₂ A solução O foi usada como precursor de Zn, e a quantidade desejada (2, 4, 6 e 8% em peso) de dopante foi adicionada vertendo MgCl ₂ na solução. As soluções preparadas foram agitadas em água desionizada (água DI) durante 90 min a 80 ° C, enquanto o pH foi mantido em torno de 12 pela adição lenta de NaOH (0,1 M) em solução agitada. Os precipitados obtidos foram centrifugados a 4000 rpm (20 min), secos a 100 ° C por 24 horas e, em seguida, moídos para obter um pó fino (Fig. 1).

Ilustração esquemática do estratagema de síntese de nanobastões de ZnO dopados com Mg

Caracterização dos materiais

A fim de identificar a constituição de fase e estrutura dos produtos, o difratômetro de raios-X PANanalytical X-pert PRO-XRD equipado com radiação alfa CuK (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 banda de 300–500 nm, o espectrofluorômetro JASCO FP-8200 foi empregado. Com a espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) usando o 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 a 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 em uma frequência fixa de ~ 35 kHz. Da mesma forma, sob irradiação de luz visível, a degradação fotocatalítica foi testada para nanocatalisadores de ZnO e Mg:ZnO contra MBCF. Em cada experimento, em 50 mL de corante modelo, o fotocatalisador (10 mg) foi suspenso e a solução foi colocada no escuro por 10-15 min para atingir o equilíbrio de adsorção-dessorção. A luz visível (fotocatálise - PCA), ultra-sonicador (sonocatálise - SCA) e irradiação de luz visível combinada com ultra-som (sonofotocatálise - SPCA) foram metodicamente colocados em soluções suspensas. A suspensão de 3 mL foi coletada durante a exposição para análise de absorção em intervalos de tempo regulares. O constituinte do corante resultante foi observado determinando a diferença em λ max =670 nm de MBCF. A solução de cor azul desbotou com o 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 degradação percentual 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 surf field foram coletadas em diferentes fazendas. As amostras incubadas (cultivadas em ágar sangue de carneiro a 5%) foram semeadas com MSA (ágar sal de manitol) e MA (ágar MacConkey) para G + ve S. aureus e G-ve E. coli , respectivamente (pH ~ 7). As colônias características foram identificadas por meio de análises bioquímicas (teste de catalase e coagulase) e morfológicas (coloração de Gram).

Atividade antibacteriana

O desempenho bactericida de NRs sintetizados foi examinado em cepas bacterianas G-ve e G + ve empregando abordagem de difusão em poço de ágar por esfregaço de 1,5 × 108 CFU / mL de S. aureus e E. coli isolados com MSA e MA, respectivamente. Poços com um diâmetro de 6 mm foram formados usando uma broca de cortiça estéril em placas de petri MSA e MA com esfregaço. Em comparação com o controle negativo (água DI) e o controle positivo (ciprofloxacina), foram utilizadas diferentes concentrações de Mg:ZnO NRs (0,5 mg / 50 μl) e (1,0 mg / 50 μl). As placas de petri contidas na dose foram incubadas (37 ° C) durante a noite, e o desempenho antibacteriano dos NRs foi registrado medindo o diâmetro das zonas de inibição com calibrador Vernier. Por meio de análise de variância unilateral (ANOVA) usando SPSS 20, a eficácia medida estatisticamente em termos de zonas de inibição foi considerada significativa.

Estudos de acoplamento molecular

Estudos de docking molecular in silico sendo uma abordagem eficaz para a identificação da característica estrutural chave por trás da atividade antibacteriana de NRs de ZnO dopados foram empregados para a previsão de seu possível mecanismo. As principais enzimas da via biossintética do folato, nomeadamente dihidrofolato redutase (DHFR) e dihidropteroato sintetase (DHPS) juntamente com β A enzima da proteína carreadora sintase III (FabH) -cetoacil-acila da via biossintética de ácidos graxos foi relatada como um alvo atraente para a descoberta de antibióticos. As características estruturais 3D das enzimas selecionadas foram recuperadas do Protein Data Bank e preparadas usando a ferramenta de preparação de proteínas para encaixe de NRs de ZnO dopados com Mg dentro do 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 docking molecular foram realizados usando o software ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [27], onde as estruturas de proteínas foram otimizadas através de uma ferramenta de minimização de energia. As moléculas de água da estrutura cristalina ao lado do ligante co-cristalizado foram removidas, seguido pela adição de átomos H polares para a preparação da estrutura da proteína, e a caixa de grade foi usada para identificar a bolsa ativa. Finalmente, os melhores complexos acoplados foram selecionados para análise de interação de ligação para observar os aminoácidos principais envolvidos na ligação do ligante. O visualizador do estúdio Discovery e o Pymol foram usados ​​para a análise dos complexos acoplados.

Resultados e discussão

As propriedades estruturais e a constituição de fase de ZnO dopado e livre de dopante foram avaliadas por meio de difração de raios-X (Fig. 2a). Os picos observados a 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 confirmou que ZnO tem estrutura hexagonal (JCPDS No. 361451) com grupo espacial P63mc. Dois picos refletem as impurezas de compostos compreendendo zinco-carboxila (marcados por setas pretas). Esses traços de zinco-carboxila podem ter surgido devido à reação do precursor Zn com outros reagentes durante a síntese [28]. O tamanho do cristalito de ZnO foi estimado em 26 nm usando a fórmula de Scherrer, que foi reduzida gradualmente até 23 nm com uma quantidade crescente de dopante (a 8% em peso). Para garantir a adição bem-sucedida de 'Mg' na rede hospedeira, três posições de pico proeminentes (100), (002) e (101) planos foram rastreados [23]. Acredita-se que os picos de ZnO mudam para 2θ elevados após dopagem com Mg, enquanto vários estudos relatam uma redução gradual no tamanho do cristalito com a adição de dopantes como Mg, Fe e Al ao ZnO [29, 30]. Vários fatores, incluindo estresse de compressão causado pela diferença nos raios iônicos de Zn e íon dopante, obstrução do crescimento do cristal e / ou geração de defeito nos cristais após dopagem podem suprimir o crescimento de ZnO. O deslocamento de picos observado para NRs de ZnO dopado pode ser atribuído a íons de Mg que substituíram íons de Zn devido à diferença de raio iônico entre Mg ²⁺ (0,57 Å) e Zn ²⁺ (0,60 Å) [23, 29].

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

Os padrões SAED de ZnO dopado exibiram pontos brilhantes devido à difração de elétrons. Cada ponto originado de um conjunto de planos paralelos encontrados dentro da estrutura cristalina do produto sintetizado que afetou a condição de difração de Bragg. Os índices de Miller foram alocados de acordo, conforme visto na Fig. 2b – d. Os padrões foram indexados com os planos (002), (100), (101) e (102) conectados à estrutura hexagonal de ZnO com feixe de elétrons projetando-se ao longo [101] do eixo da zona [31]. Em geral, a direção de crescimento anisotrópica do ZnO é determinada tanto pela energia livre interfacial quanto pelo potencial de dissolução da água. A velocidade relativa do crescimento de diferentes planos também controla o crescimento. O crescimento também é controlado pela velocidade de crescimento relativo de diferentes planos [32].

A análise de FTIR foi realizada para investigar a presença de grupos funcionais, química de superfície e modos de vibrações para ligações químicas existentes nas amostras (Fig. 2e). Bandas de 400 a 560 cm ^-1 são designados para alongamento dos 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 na intensidade. Banda em 1651 cm ^-1 corresponde ao modo de alongamento simétrico C =O que é altamente intensificado com o aumento da porcentagem de carregamento de nitrato de magnésio, enquanto ~ 1362 cm ^-1 banda corresponde ao modo de alongamento C – O assimétrico. O carbono dos materiais de partida poderia ter sido incorporado aos NRs inadvertidamente, enquanto o aparecimento de uma banda larga de transmissão a 3456 cm ^-1 corresponde ao alongamento O – H das moléculas de água adsorvidas na superfície [34].

A fim de verificar a mudança no comportamento de absorção após a dopagem, a espectrometria UV-Vis foi implantada para amostras dopadas e não dopadas. Os espectros de absorção de UV-Vis de NRs sintetizados foram registrados na faixa de 250 a 600 nm em função do comprimento de onda (Fig. 3a). As amostras mostraram uma absorção máxima em torno de 370–395 nm, com uma mudança na borda de absorção em direção ao comprimento de onda mais baixo em diferentes concentrações de dopagem. Este aumento na absorção e deslocamento após dopagem é manifestado por deficiência de oxigênio, efeito do tamanho de partícula e defeitos na estrutura do grão [35]. Os valores extraídos da Fig. 3a foram usados ​​para calcular o gap óptico (Eg) de ZnO (usando o gráfico Tauc), que aumentou de 3,32 para 3,72 eV após dopagem com Mg (Fig. 3b) [36, 37]. Este blueshift em Eg pode ser endossado para o fenômeno de efeito Burstein-Moss. No método de óxido de metal, a redução do tamanho de partícula é relatada como resultando em um blueshift do gap devido ao efeito de confinamento quântico (QCE). No entanto, QCE não é o único motivo; o doping também pode afetar a simetria local e gerar centros de defeitos de rede que mudam a estrutura da banda e induzem mudanças significativas nas propriedades ópticas [38]. Conforme descrito anteriormente na análise de XRD, Mg dopado em ZnO gera vacâncias de oxigênio no cristal hospedeiro, que atuam como doadores no sistema e se comportam como íons carregados positivamente, liberando elétrons para o CB. Como a concentração dos portadores de elétrons excede a densidade dos estados no CB, o nível de energia de Fermi é empurrado para o CB. Zn ²⁺ substituir em Mg ²⁺ leva ao incremento na concentração de elétrons e vacância de oxigênio por causa dos raios iônicos e da diferença de eletronegatividade de ambos os materiais e, portanto, o aumento da densidade do portador leva ao aumento do nível de Fermi para o semicondutor degenerado CB visto que ZnO é um dos semicondutores mais degenerados . Devido a esta ação, o nível de Fermi, bem como sua posição, depende da concentração de elétrons livres e da excitação de elétrons de VB para o nível de Fermi, resultando no incremento da densidade do elétron livre e no alargamento do gap [39]. Esta mudança de Burstein-Moss contribui para o aumento eg observado de NRs de ZnO dopados com Mg.

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

A análise PL é uma ferramenta valiosa para obter melhores informações sobre impurezas, transições e dopantes por meio do estudo de espectros de emissão. Os efeitos do tamanho quântico afetam as propriedades físicas dos materiais semicondutores em nanoescala, como ZnO mudou seu comportamento óptico pelo aumento no confinamento quântico observado a partir de PL [40]. Os espectros de PL de várias concentrações de Mg incorporados em ZnO foram medidos com excitação λ ~ 325 nm à temperatura ambiente (Fig. 3c). Para ZnO não dopado e dopado, um nível amplo de profundidade e emissões de banda próxima foram detectados. Todas as amostras mostraram um pico de emissão na região do UV, que é atribuído à recombinação de excitons. Os picos observados na região visível aparecem devido aos estados de defeito (doador), como O ₂ vagas-V _o , Zn intersticiais-Zn _i , estados de defeito (aceitador) de vacâncias de zinco-V _z e intersticiais de oxigênio-O _i [39]. A razão de intensidade de picos na região do UV e visível é principalmente afetada pela qualidade do cristal dos materiais dopados, visto que a densidade dos defeitos diminui com a amplificação da cristalinidade. As amostras demonstraram picos de emissão em torno de 408 nm atribuindo a transição de ZnO perto da borda da banda [39]. Os picos encontrados em 408, 442, 467, 488 nm levam à emissão de azul e atribuíveis aos intersticiais de Zn têm uma grande emissão de violeta em 408 nm. Emissões fracas observadas em 442, 467 e 488 nm são endossadas para recombinação do par doador-aceitador (D / A) que envolve diferentes níveis de defeito nas amostras. A emissão a 488 nm é devida aos elétrons em O ₂ ionizado isoladamente vaga com furos fotoexcitados no VB [41]. A intensidade da emissão de amplo nível profundo aumentou com a dopagem, enquanto os picos de emissão de NBE foram transferidos para uma região de maior energia. Esta mudança para o azul da emissão NBE pode ser interpretada com base no efeito Burstein-Moss. O ZnO é um material do tipo n e, após dopagem pesada, seu nível de Fermi muda dentro da banda de condução. Assim, a absorção deve apresentar deslocamento para o azul, conforme proposto por Burstein; regiões preenchidas bloqueariam excitações ópticas ou térmicas [42]. O aumento na intensidade de PL foi observado para amostras dopadas, implicando em redução da eficiência de transferência de elétrons.

O espalhamento Raman é uma técnica sensível e não destrutiva para examinar a microestrutura e analisar propriedades relacionadas aos estados vibracionais dos nanomateriais. O óxido de zinco Wurtzite 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 a partir da relação irredutível:Гopt =1A ₁ + 2B ₁ + E ₁ + 2E ₂ onde B ₁ representa modos silenciosos Raman, enquanto A ₁ e E ₁ são modos polares (forças de Coulomb de longo alcance), que são divididos em fônons ópticos longitudinais (LO) e ópticos transversais (TO). Além disso, um modo de fonon de dupla frequência E ₂ (não polar), tendo E ₂ (baixo) e E ₂ (alto), correspondeu à sub-rede Zn e O ₂ átomos [43]. Em espectros Raman, os picos que mudam em direção ao maior e ao menor número de onda dependem dos comprimentos de ligação variáveis ​​entre as moléculas. O aumento no comprimento do vínculo governa a mudança em direção ao baixo número de onda e vice-versa. Nenhum outro pico de alta ordem foi observado acima de 1300 cm ^-1 (Fig. 3d). Pico dominante observado em ~ 1069 cm ^-1 representa E ₂ Modo H (característico) do ZnO hexagonal [44]. Além disso, três picos menores também foram observados em torno de 436, 723 e 1386 cm ⁻¹ que se originou devido ao fundo altamente fluorescente. Além disso, o espectro Raman de 8% em peso de ZnO dopado foi alterado para o azul, o que é atribuído à substituição de Mg ²⁺ com Zn ²⁺ na rede ZnO que se acredita desempenhar um papel na dinâmica da rede [45]. Normalmente, as mudanças de pico Raman ocorrem por três razões:efeitos de confinamento de fônons, tensão de rede e vacâncias de oxigênio. Os espectros adquiridos de XRD e espectroscopia Raman confirmaram que a estrutura wurtzite-ZnO não é afetada pela incorporação de Mg; no entanto, a qualidade do cristal é reduzida significativamente.

Para a confirmação morfológica de ZnO não dopado e dopado, HR-TEM foi realizado (Fig. 4a-e) para delinear a morfologia tipo bastonete hexagonal de ZnO:Mg. Parece que o Mg mostrou o papel da nucleação à medida que cresce com o doping [39]. Os valores de espaçamento d entre camadas para ZnO não dopado e dopado foram calculados em ~ 0,464, 0,183, 0,333, 0,27 e 0,232 nm HR-TEM imagens (Fig. 4a′-e ′). Os valores de espaçamento d estão bem de acordo com os planos obtidos com a análise de XRD. A ausência de impurezas / fases secundárias sugere incorporação adequada de átomos dopantes em nanobastões de ZnO sem agrupamento [46]. Além disso, a mudança no espaçamento d foi atribuída à incorporação de Mg em redes de ZnO.

a – e Imagens HR-TEM de várias 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 o efeito de carga. Os picos de cobre podem se originar da fita de cobre usada com o porta-amostras. Alguns picos adicionais (Cl, Si) podem indicar contaminação. O pico de Na pode ter se originado do NaOH que foi usado para manter o pH básico durante a síntese. No entanto, o pico de Na se sobrepõe ao Zn, de modo que sua presença na amostra não pode ser verificada.

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

O processo fotocatalítico envolve a geração de pares elétron-buraco (e-, h +) com separação e recombinação sucessivas de elétrons e buracos (Fig. 6), demonstrando a seguinte reação redox [35].
$$ \ begin {align} &{\ text {ZnO}} + h \ nu \ to {\ text {ZnO}} \, ({\ text {e}} _ {{{\ text {CB}}}} + {\ text {h}} _ {{{\ text {VB}}}}) \\ &{\ text {e}} _ {{{\ text {CB}}}} + {\ text {O} } _ {2} \ to {\ text {O}} _ {2} ^ {\ cdot -} \\ &{\ text {O}} _ {2} ^ {\ cdot - \,} + {\ text {dye}} \, {\ text {degraded}} \, {\ text {produtos}} + {\ text {CO}} _ {2} + {\ text {H}} _ {2} {\ text { O}} \\ &{\ text {OH}} ^ {\ cdot} + {\ text {dye}} \, {\ text {degradado}} \, {\ text {produtos}} + {\ text {CO }} _ {2} + {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} \\ \ end {alinhados} $$
Ilustração esquemática do mecanismo de fotocatálise de nanobastões de ZnO dopados com Mg

Todas as amostras preparadas foram avaliadas quanto às suas atividades fotocatalítica, sonocatalítica e sonofotocatalítica contra MBCF como contaminante direcionado. 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 da reação de sonofotocatálise da degradação do corante MBCF para nanobastões de ZnO dopados com Mg

O k baseado na cinética de pseudo-primeira ordem (constante de taxa) foi determinado traçando curvas lineares de ln (Ct / Co), em relação ao tempo de exposição t. A constante de taxa de degradação k para ZnO não dopado e dopado (2, 4, 6 e 8% em peso) foi calculada como sendo 0,00546, 0,00948, 0,00274, 0,00353 e 0,00336 min ⁻¹ , respectivamente (Fig. 7a). Verificou-se que o ZnO dopado tem melhor eficiência fotocatalítica do que o ZnO puro, com uma degradação máxima de 26% para o ZnO dopado (8% em peso) (Fig. 8a-c). Devido à presença de vacâncias de oxigênio na superfície, o aumento da área de superfície foi a explicação por trás do aumento da atividade fotocatalítica do ZnO dopado [35]. A transferência foto-induzida de elétrons em um CB de semicondutor com buracos positivos deixados no VB é o mecanismo fundamental da fotocatálise [15]. Até que os excitons sejam aniquilados, eles participam de reações redox com as moléculas de corante circundantes na superfície dos catalisadores, resultando em produtos degradados. Os elétrons fotoinduzidos atuam como um forte agente redutor, que interage com o O ₂ circundante moléculas para gerar O ₂ reativo ^{· -} espécies. Por outro lado, os orifícios fotoinduzidos atuam como um forte agente oxidante que gera OH altamente reativo ^· espécies de grupos hidroxila. As espécies radicais resultantes (O ₂ ^{· -} e OH ^· ) interagem com as moléculas de corante circundantes para degradá-las em produtos ou minerais não tóxicos.

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

Uma abordagem alternativa para a degradação eficiente de resíduos orgânicos na água é a sonocatálise (SC) [15]. A influência das ondas ultrassônicas na degradação do MBCF foi estudada com ZnO não dopado e dopado. (Fig. 7b). Em termos de concentração de corante MBCF, a degradação SC de MBCF por ZnO dopado seguiu uma cinética de pseudo-primeira ordem. As 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 relatados recentemente sobre a degradação do corante SC, com base no mecanismo de hot-spot e sonoluminescência, na presença de vários catalisadores. A formação de bolhas de cavitação em solução pode ser impulsionada pela criação de pontos quentes por meio da nucleação assimétrica de bolhas. Esses pontos quentes podem fazer com que o OH seja formado por H ₂ Moléculas O para pirolisar. O mecanismo sonoquímico normalmente requer sonólise de água, que é o solvente sob alta pressão e temperatura dentro das bolhas de cavitação em colapso. No MBCF e na solução de nanocatalisador, as ondas ultrassônicas não só causam a sonólise da água, mas também o acoplamento do catalisador para criar portadores de carga. Radicais OH e ânions superóxidos ^· O ²⁻ can be generated by electron–hole pairs, which decompose dyes into non-toxic species [15, 47]. Sonophotocatalysis (SPC) also appears to follow pseudo-first-order kinetics, similar to photocatalysis and sonocatalysis. Degradation rate constants for undoped and doped ZnO (2, 4, 6 and 8 wt %) were 0.00242, 0.04493, 0.1776, 0.01903 and 0.01883 min ⁻¹ , respectively (Fig. 7c). Degradation performance of doped ZnO was 12, 29, 53, 58 and 87%, respectively (Fig. 8c).

These results suggest that doping plays a crucial role in the efficiency of ZnO photocatalytic. At identical operating conditions, SPC has a higher degradation rate than the corresponding individual mechanisms. The combined process reaction rate constant is greater than the sum of individual processes' rate constants, i.e., photo of Ksono > Kphoto + Ksono, which can be attributed to (i) increase in OH production in mixture, (ii) raised transfer of mass between solution and catalyst surface, and (iii) enhanced activity related to ultrasound disaggregation, consequently enhancing the area of surface [15, 48]. In order to estimate the reusability as well as sample steadiness, Fig. 9a indicates that photocatalytic switches off MBCF colorant degradation under similar conditions after back to back (four cycling experiments). In this way, sample’s degradation efficiency reduced from to 82 to 75%. Herein (Fig. 9b), there is some depletion of nanomaterial by centrifugation or washing while doing recycling experiment. Following the recycling results, it was concluded that the product lasts stable and possesses remarkable ability and acceptance for dangerous wastewater treatment. Anyhow, Table 2 shows the comparison of photocatalytic degradation efficiency of present work with other reported materials.

a Photocatalysis reusability performance of Mg-doped ZnO and b %degradation bar graph

In vitro bactericidal action of undoped and doped ZnO NRs for G-ve and G+ve bacteria is given in Table 1. Results depict improved bactericidal synergism and action of doped ZnO against E. coli in contrast to S. aureus . Inhibition zones were recorded as (1.05–2.05 mm) and (2.10–4.15 mm) for S. aureus and (0–6.15 mm) to (0–8.65 mm) for E. coli , respectively, while ZnO showed negligible efficacy for E. coli as compared to S. aureus . Moreover, control + ve depicted inhibition zone (9.00 mm) against E. coli e S. aureus parallel to control -ve (0 mm). Overall, Mg-doped ZnO exhibited substantial (P < 0.05) efficacy against G-ve as compared to G+ve bacteria.

Oxidative stress induced by prepared doped ZnO depends upon concentration, shape and size of NRs, while increment in NRs size reduces antibacterial activity. Nanosized rods generate oxygen species (ROS) to produce bacterial cell membrane as a result of extrusion of cytoplasmic content, which cause bacteria death as shown in Fig. 10. Another possible phenomenon involves strong interaction between negatively charged cell membrane and cations (Mg ²⁺ e Zn ²⁺ ) that results in crumbling of micro-pathogens [49].

Schematic illustration of bactericidal mechanism of Mg-doped ZnO nanorods

Drug resistance has been considered as major threat to mankind, and there is continuous need for discovery of more compatible antibiotics. Bactericidal activity of metal NRs is well documented, and their role as possible candidate for new antibiotic discovery has been suggested previously [50]. In silico molecular docking studies facilitate to get insight into mechanism behind their antibacterial activity. Dihydrofolate reductase (DHFR) and dihydropteroate synthase (DHPS) enzyme belonging to folate biosynthetic pathway have been reported as well-known target for trimethoprim and sulfonamide drugs, respectively [51, 52]. Here, we evaluated binding tendency of Mg-doped ZnO NRs against DHFR, DHPS and FabH enzymes from E. coli . Docked complexes revealed their binding pattern inside active site and suggested them as possible inhibitor against selected enzyme targets.

For DHFR_E.coli , the best docked complex revealed H-bonding interaction with Ile94 (3.1 Å), Tyr100 (3.1 Å) and metal–contact interaction with Met20 and Ala7 with overall binding score -7.518 kcal/mol. Binding interactions with key amino acids of active pocket and orientation of Mg-doped ZnO NP are depicted in Fig. 11a.

Binding interaction pattern of Mg-doped ZnO NRs inside active pocket a Dihydrofolate reductase (DHFR), b Dihydropteroate synthase (DHPS) from E. coli

For DHPS_E.coli , docking complexes showed H-bonding with Leu21 (3.1 Å), Asp56 (3.4 Å), Gly59 (2.9 Å), Thr62 (2.8 Å) and Arg255 (2.8 Å). In addition, the Asn22 and Ile20 interacted with NRs through metal contact inside active site as shown in Fig. 11b. These Mg-doped ZnO NPs blocked active site (binding score:-6.973 kcal/mol) and are suggested to be possible inhibitors against DHPS enzyme.

Similarly, docking of Mg-doped ZnO NRs against the β -ketoacyl-acyl carrier protein synthase III (FabH) enzyme of fatty acid biosynthetic pathway showed H-bonding interaction with Glu302 (3.3 Å), Leu220 (2.9 Å), Thr254 (3.2 Å), and Gln245 (2.7 Å) having binding score -6.548 kcal/mol (Fig. 12). Furthermore, Mg-doped ZnO NPs involved metal contact interaction with Ile250 and His241.

Binding interaction pattern of Mg-doped ZnO NRs inside active pocket β -ketoacyl-acyl carrier protein synthase III (FabH) from E. coli

Blockage of active site through binding of ligands prevents entry of substrate and thus leads to loss of enzyme activity. Owing to better antibacterial activity of Mg-doped ZnO NRs against E. coli as compared to S. aureus , in silico predictions against selected enzyme targets revealed their possible binding patterns inside active pocket and suggested them potential inhibitors of given enzymes.

A comparison of present sonophotocatalytic study with the literature is shown in Table 2.

Conclusão

Using co-precipitation technique, Mg-doped ZnO NRs were successfully synthesized, and the influence of Mg doping on the phase constitution, elemental composition, morphology and optical properties of ZnO was investigated. Using XRD analysis, the ZnO has hexagonal wurtzite phase, while the estimated crystallite size was less than 100 nm. Crystalline structure of ZnO was also improved by Mg doping, which in turn led to increased luminescence and an increase in the band gap. UV–Vis absorption spectra revealed blueshift indicating band gap widening, while ZnO rod formation was confirmed by EDS study, where an average atomic ratio of 67.6:23.6 was observed. Raman spectrum was blueshifted for higher values of doping (8 wt%) caused by substitution of Mg ²⁺ for Zn ²⁺ in ZnO lattice. PL results indicated increased visible emissions with Mg, leading to an increase in electron hole pair delocalization. Dye degradation performance of synthesized NRs was evaluated against MBCF, and best results were obtained via sonophotocatalysis with maximum degradation efficiency of 87% for Mg-doped ZnO. Inhibition zones were recorded as (1.05–2.05 mm) and (2.10–4.15 mm) for S. aureus and (0–6.15 mm) to (0–8.65 mm) for E. coli , respectivamente. Therefore, doped nanorods may be imposed as a control material to minimize antibiotic resistance. Furthermore, in silico molecular docking studies predicted Mg-doped ZnO NRs as potential inhibitor of DHFR, DHPS and FabH enzyme. The inhibition of given enzymes is suggested as possible mechanism behind bactericidal activity of Mg-doped ZnO NRs against E. coli .

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

DHFR:

Dihydrofolate reductase

DHPS:

Dihydropteroate synthase

EDS:

Espectroscopia de raios-X de dispersão de energia

FTIR:

Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier

FESEM:

Microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo

G+ve:

Gram-positive

G-ve:

Gram-negative

HR-TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução

JCPDS:

Comitê Conjunto de Padrões de Difração de Pó

Mg:

Magnésio

UV – Vis:

Ultraviolet–visible spectroscopy

XRD:

Difração de raios X

ZnO:

Óxido de zinco

Estudos sobre os efeitos eletrostáticos de filmes PVDF alongados e nanofibras Comutação de rotação controlável em uma junção de túnel magnético de molécula única