Performa Fotokatalitik dan Antibakteri Tingkat Tinggi Nanostruktur Oksida Timbul yang Di-anil: Studi Docking Molekuler
Abstrak
Oksida timbul ukuran nano dibuat dengan teknik presipitasi sederhana dan hemat biaya dan dianalisis dengan melakukan difraksi sinar X serbuk (XRD), spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FT-IR), mikroskopi transmisi elektron resolusi tinggi (HR-TEM), sinar X dispersif energi (EDX) dan spektroskopi UV–Vis. Hasil XRD menunjukkan bahwa partikel oksida timbul memiliki struktur ortorombik khas dan menunjukkan kristalinitas yang ditingkatkan dengan penganilan. Kalinasi pada 250 °C menghasilkan terutama SnO ortorombik yang bertransformasi menjadi SnO2 pada suhu yang lebih tinggi 500 dan 750 °C. Citra HRTEM dan FESEM menunjukkan keberadaan aglomerasi di dalam partikel oksida timbul. Absorpsi ditemukan meningkat hingga suhu penganilan tertentu kemudian berkurang, yang dicatat melalui spektroskopi UV–Vis. Pengaruh suhu penganilan terhadap perilaku dekomposisi cat dari fotokatalis yang disintesis telah diteliti. Catatan bahwa suhu penganilan mempengaruhi ukuran partikel yang disintesis, lebar bandgap, dan fotoaktivitas oksida timbul. Sampel yang disiapkan pada 500 °C mengikuti kinetika orde pertama dan menunjukkan reaktivitas fotokatalitik maksimum terhadap metilen biru. Hasil eksperimen yang diperoleh dari studi saat ini menunjukkan bahwa SnO2 adalah katalis yang menjanjikan dan bermanfaat untuk menghilangkan kontaminan dari limbah cair dan lingkungan. Evaluasi antimikroba SnO yang dianil pada 500 °C terhadap target terpilih seperti E. coli dan S. aureus menggambarkan zona inhibisi yang signifikan dibandingkan dengan sampel 250 dan 750 °C. Selain itu, prediksi docking molekuler nanopartikel (NP) SnO2 dilakukan terhadap saku aktif enzim β-laktamase dan girase DNA yang masing-masing terhubung dengan jalur biosintesis dinding sel dan asam nukleat. NP yang dibuat menunjukkan skor binding yang baik terhadap β-laktamase baik dari E. coli (−5,71 kcal/mol) dan S. aureus (−11,83 kcal/mol) serta girase DNA (−9,57 kcal/mol; E. coli dan −8,61 kcal/mol; S. aureus). Prediksi in silico ini menyarankan NP SnO2 sebagai potensi inhibitor untuk target protein terpilih dan akan memfasilitasi pemahaman yang jelas tentang mekanisme kerjanya yang dapat berkontribusi pada penemuan antibiotik baru.
Pendahuluan
Properti ekstraordiner dan aplikasi teknologi yang luas yang terkait dengan oksida logam konvensional memberikan dorongan untuk mengeksplorasi materi ini dalam bentuk nanostruktur. Di antara ini, oksida timbul (SnO2) dianggap sebagai oksida logam penting [1] yang menunjukkan bandgap 3,6 eV pada suhu kamar [2]. Ini adalah materi semikonduktor tipe n yang memiliki cacat intrinsik dalam bentuk rongga oksigen dengan atom timbul interstisial yang berinteraksi dengan donan (pembawa tipe n). Peningkatan jumlah elektron bebas dalam bandas konduksi menghasilkan peningkatan konduktivitas materi [3].
Penggunaan SnO2 sebagai katalis oksidasi, fotokatalis, sensor gas, dan konduktor transparan memberikan dasar untuk menyelidiki materi ini lebih lanjut [4,5,6,7,8,9]. Ia memiliki kemampuan untuk mendeteksi gas yang mudah terbakar, meledak, dan beracun [10]. Industriasi telah menyebabkan peningkatan pembuang polutan udara dan air yang berbahaya seperti CO dan SO2 ke dalam atmosfer dan cat azo yang berbahaya dalam limbah cair. Diperkirakan sekitar 500 ton berbagai cat dibuang ke dalam limbah cair industri dan sebagian besar (~80%) dari mereka berasal dari industri tekstil. Toxin kimia dan bahan bakar organik membentuk bagian dari polusi udara sementara cat berbahaya dari tubuh air mempengaruhi ekosistem bumi, sehingga meningkatkan pentingnya teknologi yang digunakan untuk mendeteksi dan mencegah polutan tersebut dari merusak lingkungan. Karena properti fisikokimia uniknya, SnO2 memiliki kemampuan untuk beroperasi pada suhu rendah. Karena non-stoikiometri yang inherent, ia mengurangi gas berbahaya dengan memungkinkan adsorpsi oksigen yang mudah pada permukaannya. Selain itu, ia membutuhkan biaya lebih rendah dibandingkan dengan materi lain yang tersedia untuk aplikasi serupa. Ia juga memiliki transparansi optik yang signifikan dan konduktivitas listrik yang membuatnya cocok untuk digunakan dalam komponen optoelektronik [12]. Ia digunakan dalam pembuatan elektroda transparan dan sel surya untuk digunakan dalam panel dan beberapa perangkat elektro-kromik [13,14,15,16,17].
Untuk mencegah penyakit yang ditularkan melalui air, penghapusan bakteri dari limbah cair penting untuk sistem minum dan sanitasi. Antara 2003 dan 2005 di USA, empat penyakit yang ditularkan melalui air dilaporkan, yang manifes kepada patogen dalam air minum yang mempengaruhi sekitar 282 orang. Teknik konvensional untuk desinfeksi tubuh air bergantung pada agen kimia yang kurang efektif terhadap protozoa yang membentuk sit (Giardia dan Cryptosporidium). Juga, terkadang teknik ini menghasilkan produk samping yang berbahaya. Teknologi nano adalah teknologi generasi baru yang dapat mempengaruhi perekonomian dunia melalui produk konsumen baru, penggunaan materi dan metode manufaktur [18]. Nanostruktur oksida logam menunjukkan properti antimikroba yang ditingkatkan yang dikaitkan dengan rasio permukaan terhadap volume yang tinggi, stabilitas dan biokompatibilitas. Mereka memiliki kemampuan unik untuk menembus struktur membran sel dan menghancurkan bagian selular bakteri [19].
Dua oksida timbul dasar yang banyak diteliti adalah SnO dan SnO2, dan keberadaan oksida ini dikaitkan dengan dua derajat valensi timbul (dengan oksidasi) + 2 dan + 4. Kedua oksida ini juga disebut materi semikonduktor bandgap lebar dengan struktur PbO untuk oksida timbul dan jaringan tetragonal (struktur rutile) untuk SnO2 [20]. Ia memiliki energi bandgap lebar dari 3,6 hingga 4,0 eV, materi semikonduktor tipe n dan transparansi lebih dari 85% [21]. SnO adalah materi tipe p dengan bandgap berkisar dari 2,7 hingga 3,4 eV tetapi bandgap yang dicapai secara eksperimen mungkin mencapai 3,6 eV. Selain itu, properti struktural, optik dan elektronik oksida timbul menunjukkan bahwa peningkatan tekanan menyebabkan formasi ortorombik nonstruktural SnO dan transmansi di wilayah UV–visible dan near-infrared. Peningkatan suhu juga menghasilkan struktur SnO ortorombik dan formasi SnO2 tetragonal. Jadi, peningkatan tekanan atau suhu menggeser tepi absorpsi dan meningkatkan energi bandgap. Oksida timbul polikristal yang dibuat dapat dikonversi menjadi fase SnO2 dengan meningkatkan suhu dari 400 hingga 700 °C [22]. Karena pengaturan bandgap, oksida timbul telah digunakan dalam industri elektronik.
Materi SnO dan SnO2 juga telah digunakan dalam baterai Li-ion [23,24,25]. Literatur yang dilaporkan menunjukkan bahwa performa elektrokimia nanomaterial dapat ditingkatkan dengan mengontrol ukurannya [26]. Kida et al. melaporkan bahwa penurunan ukuran partikel menyebabkan peningkatan respons sensor untuk deteksi H2; namun, respons terhadap H2S dan CO meningkat dengan peningkatan ukuran partikel [27]. Berbagai metode untuk menghasilkan SnO2 telah dilaporkan dalam literatur. Merlin [28] memproduksi nanopartikelnya dengan rentang ukuran 20–30 nm melalui sintesis hijau menggunakan ekstrak tanaman ethanolic-stevia rebaudiana yang bertindak sebagai agen capping dan pengurang. Janardhan et al. [29] mempersiapkan nanopartikel SnO dengan ukuran rata-rata 50 nm dengan menggunakan HCl cair dan SnCl2·2H2O. Selvakumari et al. [30] memproduksi partikel SnO2 dengan ukuran kristal rata-rata 13–40 nm dengan menggunakan membran cakel telur ayam.
Secara umum, nanomaterial dapat disintesis dengan menggunakan berbagai metode termasuk reduksi elektrokimia [31], sol–gel [32], hidrotermal [33] dan co-precipitation [34]. Dalam karya saat ini, metode presipitasi dipilih karena merupakan teknik yang nyaman dan hemat biaya untuk menyintesis nanostruktur. Tujuan studi ini adalah untuk mengamati efek berbagai suhu (250, 500 dan 750 °C) yang digunakan selama sintesis pada ukuran kristal, morfologi dan energi bandgap dari materi nonstruktural yang disiapkan. Selanjutnya, perilaku fotokatalitik produk yang disintesis diteliti dengan menggunakannya untuk degradasi cat metilen biru yang merupakan polutan yang sering ditemui di industri di seluruh dunia. Prediksi docking molekuler in silico dilakukan untuk mengungkap mekanisme yang terlibat dalam aktivitas bakterisida SnO2 terhadap β-laktamase yang termasuk dalam jalur biosintesis dinding sel dan girase DNA dari jalur biosintesis asam nukleat dari E. coli dan S. aureus.
Metode
Studi saat ini bertujuan untuk menyintesis nanopartikel SnO2 dengan proses presipitasi yang mudah dan sederhana dan dianil pada berbagai suhu. SnO2 yang dianil digunakan untuk menghilangkan polutan organik dari limbah cair dan potensi antibakteri.
Bahan Kimia
Klorida timbul(II) dihidrat (SnCl2·2H2O) dan etanol grade analitik diperoleh langsung dari Sigma-Aldrich (Jerman). Natrium hidroksida (NaOH) dan metilen biru (MB) diperoleh dari Merk (Jerman) dan BDH (UK), masing-masing. Air tisu dibeli dari pasar lokal untuk membuat nanostruktur oksida timbul. Struktur kimia polutan (yaitu, cat MB) yang digunakan dalam studi ini digambarkan dalam Fig. 1.
Struktur kimia kontaminan MB
Persiapan Nanostruktur Oksida Timbul
Dalam studi ini, bahan kimia komersial grade analitik dengan kemurnian tinggi digunakan untuk mempersiapkan nanomaterial oksida timbul menggunakan prosedur presipitasi (lihat Fig. 2). Larutan air SnCl2·2H2O (19 g) dan NaOH (8 g) disiapkan dalam 50 mL air tisu secara terpisah. Larutan air NaOH ditambahkan secara titik-titik ke dalam larutan SnCl2.2H2O (~10 titik/menit) dengan pengadukan konstan pada 70 °C menggunakan kolong 400-mL. Presipitasi putih muncul setelah penambahan titik-titik larutan. Produk yang didapat dicuci beberapa kali menggunakan air tisu dan etanol dengan mesin sentrifuga. Bahan yang dihasilkan kemudian dikeringkan pada suhu kamar selama 48 jam untuk mengeluarkan kandungan air. Akhirnya, padatan kering yang dihasilkan digiling menjadi serbuk halus menggunakan alu dan penumbuk. Tiga sampel dianil dalam furnace muffle pada berbagai suhu (250, 500 dan 750 °C) selama tiga jam dengan laju pemanasan 0,5 °C/min [35].
Representasi skematis sintesis sampel oksida timbul
Proses Aktivitas Fotokatalitik
Potensi fotoaktivitas sampel oksida timbul yang dianil dievaluasi dengan memantau fotodegradasi larutan air metilen biru di bawah sumber cahaya; mekanisme diilustrasikan dalam Fig. 3 [36,37,38]. Untuk setiap eksperimen fotoaktivitas, massa yang diketahui nanomaterial (10 mg) ditambahkan ke dalam 60 mL larutan air cat (10 mg/L). Sebelum paparan cahaya, suspensi diaduk secara magnetik dalam gelap selama 5 menit [38] untuk mendapatkan keseimbangan adsorpsi/desorpsi cat pada permukaan fotokatalis. Suspensi dilunturkan selama 80 menit dengan lampu merkuri (400 W dan λ = 400–700 nm) di bawah pengadukan (220 rpm). Sampel MB sekitar 5 mL diambil dari larutan ujian untuk memantau sisa jumlah MB menggunakan spektrofotometer UV–Vis yang berkisar 300–750 nm. Variasi panjang gelombang absorpsi maksimum MB (~665 nm) terhadap waktu radiasi dicatat untuk mempelajari fotodegradasi cat MB. Aktivitas produk yang disintesis dievaluasi dengan menghitung % degradasi cat menggunakan hubungan berikut:
di mana C0 menandakan konsentrasi MB awal dan C menunjukkan konsentrasi setelah radiasi. Tanpa fotokatalis, eksperimen kontrol juga dilakukan dalam kondisi yang sama. Untuk memeriksa kegunaan ulang nanomaterial, larutan MB yang terdegradasi disentrifuga (6000 rpm/menit) selama 10 menit untuk memulihkan fotokatalis. Kemudian, produk yang dipulihkan dikeringkan pada 80 °C (2 jam) untuk digunakan kembali dalam eksperimen degradasi MB. Untuk menguji ketahanan katalis, eksperimen fotoaktivitas daur ulang dilakukan hingga empat siklus. Setelah setiap siklus, produk diisentrifuga, dikeringkan dan digunakan untuk foto-eksperimen berikutnya.
Ilustrasi degradasi metilen biru MB oleh fotokatalis
Aktivitas Antimikroba
Tindakan antibakteri in vitro dari SnO yang dibuat pada berbagai perlakuan suhu dinilai terhadap bakteri patogen paling prevalen E. coli dan S. aureus yang diisolasi dari mastitis kambing menggunakan uji difusi lubang. Petrishi yang berisi pertumbuhan bakteri yang diaktifkan (standar 0,5 Mc-Farland) pada agar Macconkey dan agar garam manitol yang telah membeku diinkubasi pada 37 °C setelah membuat lubang dengan diameter 6 mm menggunakan bor korek steril. Berbagai konsentrasi nanostruktur yang disintesis (500 dan 1000 μg/50 μl) diterapkan sebagai dosis rendah dan tinggi dibandingkan dengan siprofloxacin (5 μg/50 μl) dan DIW (50 μl) sebagai kontrol positif dan negatif, masing-masing. Petrishi yang diinkubasi selama malam pada 37 °C menyatakan zona inhibisi (mm) yang diukur menggunakan kaliper vernier. Aktivitas antibakteri yang diukur dalam hal zona inhibisi (mm) dinyatakan secara signifikan menggunakan analisis variansi satu arah (ANOVA) dengan SPSS 20.0.
Studi Docking Molekuler
Sintesis dinding sel telah dianggap target yang efektif untuk penemuan berbagai antibiotik dengan berbagai mode kerja, seperti antibiotik beta-laktam dan glikopeptida. Antibiotik beta-laktam dilaporkan sebagai obat yang paling banyak dipasaran dan mewakili perawatan yang paling umum untuk infeksi bakteri [39, 40]. Mereka menghambat biosintesis dinding sel dengan berikatan dengan protein penangkap penicilin (PBP) dan β-laktamase [41]. Demikian pula, enzim (yaitu, girase DNA) yang termasuk dalam sintesis asam nukleat juga telah dianggap sebagai target yang efektif untuk penemuan antibiotik [42]. Di sini, kami melakukan studi docking molekuler NP SnO2 terhadap β-laktamase dan enzim girase DNA dari E. coli dan S. aureus untuk mendapatkan wawasan tentang mode kerja yang mungkin mereka miliki.
Struktur kristal 3D dari target protein terpilih yang termasuk dalam E. coli dan S. aureus diperoleh dari bank data protein dengan kode akses: 4KZ9; Res: 1,72 Å [43], 1MWU; Res: 2,6 Å [44] untuk β-laktamase, sementara 6KZX; Res: 2,1 Å [45] dan 5CTU; Res: 1,45 Å [46] untuk girase DNA seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 4.
Struktur 3D dari a beta lactamase (PDB: 4KZ9), b girase DNA (PDB: 6KZX) dari E. coli, c beta lactamase (PDB: 1MWU) dan d girase DNA (PDB: 5CTU) dari S. aureus
Studi docking molekuler dilakukan menggunakan perangkat lunak ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [47]. Alat persiapan reseptor ICM digunakan untuk struktur protein yang melibatkan penambahan atom hidrogen polar, penghapusan molekul air dan ligan kristalisasi. Struktur protein dioptimalkan menggunakan alat minimisasi energi dengan parameter default sedangkan kotak grid digunakan untuk mengidentifikasi saku aktif di sekitar ligan kristalisasi. Kemudian, 10 konformasi terbaik yang menentukan orientasi NP SnO2 di dalam saku aktif enzim dihasilkan dalam setiap kasus. Konformasi dengan skor binding terendah dipilih untuk analisis lebih lanjut yang mengungkap pola ikatan dan kecenderungan inhibisi NP yang dibuat terhadap enzim terpilih ini.
Struktur SnO2 dihasilkan menggunakan alat ligedit ICM sementara tampilan 3D dari konformasi yang di-dock dihasilkan melalui ICM dan discovery studio visualizer [48].
Karakterisasi Material
Difraksi sinar X (XRD) BRUKER D2 Phaser dengan rentang 2θ = 10°–70° dengan Cu Kα (λ = 1,540 Å) digunakan untuk memeriksa struktur jaringan dan mengambil data tentang komposisi fase. Grup fungsi produk yang disintesis dievaluasi melalui spektrometer inframerah transformasi Fourier (FTIR) PerkinElmer. Mikroskop emisi lapangan (FESEM) JEOL JSM-6610LV bersama dengan detektor EDS Oxford XMax dengan perangkat lunak INCA digunakan untuk menganalisis morfologi dan komposisi elemen sampel yang disiapkan. Mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi (HR-TEM) Philips CM30 bersama dengan JEOL JEM 2100F digunakan untuk mencitrakan SAED, citra HRTEM dan pola jerat latak. Properti optik sampel oksida timbul yang disiapkan direkam dari 300 hingga 800 nm melalui spektrometer UV–vis GENESYS-10S.
Hasil dan Diskusi
Gambar 5(a) menyajikan spektrum XRD yang diperoleh dari sampel oksida timbul yang disintesis dan dianil pada berbagai suhu. Untuk analisis komposisi fase, radiasi CuKα digunakan sementara hubungan Debye–Scherer, \(D = K\lambda /\beta {\mathrm{Cos}}\theta\) di mana λ = 1,54 Å dan k = 0,9 digunakan untuk menghitung ukuran kristal materi. Pada 250 °C, pola XRD menunjukkan puncak dengan nilai 2θ sebesar 29,12° (112), 31,60° (020), 33,57° (113), 40,15° (023), 45,54° (024), 51,35° (222) dan 64,57° (225) yang semuanya ditetapkan pada fase SnO ortorombik (JCPDS: 01–077-2296). Hanya satu puncak yang dicatat pada 26,66° (112) termasuk struktur SnO2 ortorombik (JCPDS: 01–078-1063). Seiring sampel dianil pada 500 dan 750 °C, puncak difraksi yang terkait dengan SnO hilang dan produk yang dihasilkan diidentifikasi sebagai SnO2 ortorombik dengan bidang kristalografi 24,81° (110), 29,12° (113), 31,23° (020), 41,59° (211), 46,90° (117), 59,57° (135) yang cocok dengan berkas JCPDS No. 01-078-1063 [49]. Hasil XRD yang diamati menunjukkan bahwa materi yang disiapkan pertama kali dioksidasi menjadi SnO pada 250 °C. Kemudian, pada dan di atas 500 °C, ia sepenuhnya bertransformasi menjadi SnO2 [50]. Hasil juga menunjukkan bahwa kristalitas sampel meningkat seiring peningkatan suhu. Selain itu, pola SAED yang diperoleh dari sampel yang dianil pada 250 dan 750 °C menggambarkan cincin bercahaya terang seperti yang diilustrasikan dalam Fig. 5b, c, masing-masing. Pola yang dianalisis dengan bidang latak (020), (023), (024) dan (112) ditetapkan pada SnO ortorombik (Fig. 5b) dan bidang difraksi (020), (110), (117) dan (135) ditetapkan pada nanomaterial SnO2 (Fig. 5c) untuk sampel yang dianil pada 250 dan 750 °C, masing-masing. Kristalitas produk juga dikonfirmasi melalui citra SAED yang konsisten dengan pengamatan XRD.
a Spektrum XRD yang diperoleh dari SnO yang dianil pada 250, 500 dan 750 °C b, c Cincin SAED dari sampel 250 dan 750 °C, masing-masing, dan d pola FTIR
Spektrum FTIR dari nanomaterial oksida timbul yang dipanaskan pada 250, 500 dan 750 °C disajikan dalam Fig. 5d. Puncak absorpsi yang berpusat sekitar 3580 cm−1 bersama dengan pita hampir 1602 cm−1 ditetapkan pada peregangan/penurunan grup O–H dan ikatan Sn-OH karena fakta bahwa oksida timbul menyerap sejumlah udara dari atmosfer sekitar [51]. Puncak absorpsi rendah berkisar dari 2300 hingga 2400 cm−1 ditetapkan pada dioksida karbon yang dibuat dalam produk saat paparan ke atmosfer [52]. Ikon yang muncul pada 1174 cm−1 sesuai dengan getaran berbagai jenis grup hidroksil permukaan sementara puncak pada 1401 cm−1 disebabkan oleh getaran penurunan C–H [53, 54]. Puncak karakteristik berkisar pada 500–700 cm−1 ditetapkan pada getaran lapisan permukaan Sn–O [55]. Peningkatan suhu penganilan menyebabkan blueshift pada puncak sementara puncak karakteristik muncul kuat dan lebih intens. Ini mungkin disebabkan oleh proses penganilan di mana atom nanomaterial mendapat cukup energi untuk mengubah posisi atom nanopartikel yang mengakibatkan rekristalisasi [56].
Analisis FESEM dan HRTEM dilakukan untuk mengumpulkan informasi terperinci tentang morfologi dan nanostruktur produk yang dibuat. Citra HRTEM oksida timbul yang dianil pada 250, 500 dan 750 °C direkam, seperti yang digambarkan dalam Fig. 6a–c. Citra memberikan bukti untuk terbentuknya aglomerasi di dalam nanopartikel dengan bentuk hampir bola dan distribusi ukuran partikel secara acak (lihat Fig. 6a, c). Dalam Fig. 6b, partikel ukuran besar, sedikit transparan dan monodisperse dengan sedikit aglomerasi dapat diamati. Perilaku yang sama dari distribusi partikel dapat diamati dari citra inset pada pembesaran tinggi. Perubahan tajam dalam perilaku morfologis pada 500 °C terlihat. Suhu ini mungkin merupakan ciri khas selama proses oksidasi [22]. Selanjutnya, Fig. 6d–f menampilkan mikrogram HRTEM yang diperoleh dari sampel yang dianil pada 250, 500 dan 750 °C, masing-masing, untuk mendeteksi jarak antar bidang. Dalam kristal, jarak jerat latak sekitar 0,225 nm seperti yang digambarkan dalam profil citra IFFT inset dalam Fig. 6d yang sesuai dengan bidang difraksi (023) fase ortorombik SnO (JCPDS: 01-077-2296). Jarak d yang dihitung dari jerat latak dalam sampel yang dirawat pada 500 dan 750 °C sekitar 0,364 dan 0,367 nm, yang ditetapkan pada bidang (110) struktur ortorombik SnO2 menurut JCPDS NO. 01-078-1063. Hasil ini sesuai dengan temuan XRD [49, 57, 58]. Citra IFFT yang disediakan jelas menunjukkan peningkatan jarak d seiring peningkatan suhu.
a–c HR-TEM dan d–f jerat latak nanostruktur yang diperoleh pada suhu penganilan 250, 500 dan 750 °C, masing-masing
Citra FESEM oksida timbul yang dianil pada 250 (Fig. 7a) dan 750 °C (Fig. 7b) menggambarkan variasi bentuk dan ukuran struktur jaringan seperti bentuk partikel yang tidak seragam atau acak dengan biji individu besar dan kecil bersama dengan aglomerasi. Gambar 7b menunjukkan mikrogram FESEM dari sampel yang dianil pada 750 °C yang menunjukkan partikel kecil yang teraglomerasi dan struktur yang tumbuh dengan baik dibandingkan dengan sampel yang dianil pada suhu rendah dengan distribusi partikel secara acak. Aglomerasi partikel menghasilkan pengurangan energi bebas permukaan karena peningkatan ukurannya yang mengakibatkan penurunan luas permukaannya. Aglomerasi nanopartikel terjadi karena adhesi partikel satu sama lain oleh gaya lemah yang menghasilkan entitas (sub) mikron-berukuran. [59].
Mikrogram FESEM dari sampel yang dianil pada a 250 dan b 750 °C dan c spektrum EDX dari sampel yang dianil pada 750 °C
Komposisi oksida timbul yang dibuat yang dianil pada 750 °C dianalisis dengan teknik EDX seperti yang digambarkan dalam Fig. 7c. Spektrum sampel jelas menunjukkan keberadaan Sn, O dan C dengan berat % sebesar 53,7, 42,2 dan 4,0%, masing-masing. Tidak ada konstituen kotoran yang hadir dalam produk yang menunjukkan kemurnian tinggi nanomaterial SnO2 sementara konten C mungkin berasal dari tab karbon yang digunakan untuk memegang sampel.
Teknik spektroskopi absorpsi non-destruktif digunakan untuk mempelajari properti optik nanomaterial konduktif dan semikonduktor. Spektrum absorpsi yang diperoleh dari oksida timbul yang dianil pada berbagai suhu diilustrasikan dalam Fig. 8a. Beberapa faktor mempengaruhi absorbansi yang diharapkan seperti kekurangan oksigen, energi bandgap, sifat kotoran dan kekasaran permukaan. Spektrum yang diperoleh dari oksida timbul yang dianil menunjukkan potongan ultra-violet pada 300–365 nm [60], yang mungkin disebabkan oleh foto-excitasi elektron dari bandas valensi ke bandas konduksi. Spektrum absorpsi berkurang sedikit antara 300 dan 365 nm dengan peningkatan suhu seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 8a. Untuk menghitung bandgap, hubungan Tauc \(\alpha h\nu =A {(h\nu -{E}_{\mathrm{g}})}^{n}\) di mana α berfungsi untuk koefisien absorpsi, A mewakili konstanta sementara n = 1/2 untuk bandgap langsung. Ekstrapolasi plot \({(\alpha h\nu )}^{2}\) versus hν memberikan nilai bandgap optik Eg (Fig. 8b). Energi band yang diukur adalah 3,51, 3,32 dan 3,71 eV untuk sampel yang dianil pada 250, 500 dan 750 °C, masing-masing [61, 62]. Bandgap produk konsisten dengan nilai yang dilaporkan dalam literatur [61]. Secara keseluruhan, seiring peningkatan suhu, atom nanopartikel mendapat lebih banyak energi untuk mengubah posisinya untuk rekristalisasi yang mengubah morfologinya dan mengurangi ukuran biji (dapat dianalisis dari data HRTEM). Seiring berkurangnya ukuran partikel, nilai bandgap meningkat yang dikaitkan dengan efek pembatasan kuantum normal. Tren yang sama diamati oleh Malik et al. [63]. Bandgap terendah yang ditampilkan oleh nanomaterial yang dianil pada 500 °C dikaitkan dengan nanostruktur unik atau sintetisasi polisikristal oksida timbul yang amorf dan pembentukan rongga oksigen yang menghasilkan redshift. Model Tauc menyatakan bahwa semikonduktor permukaan amorf atau tidak teratur memiliki status ekor band yang terlokalisir dengan energi band yang lebih rendah [64].
a Spektrum absorpsi UV–Vis dan b nilai jarak energi yang diperoleh dari sampel yang dianil pada 250, 500 dan 750 °C, masing-masing
Fotoaktivitas produk oksida timbul yang dianil pada berbagai suhu diperiksa dengan melakukan fotodegradasi cat MB di bawah iradiasi cahaya (Fig. 9). Variasi absorpsi optik larutan MB pada λmax = 665 nm selama dekomposisi foto-nya digambarkan dalam Fig. 9a. Penambahan sampel yang dibuat menghasilkan penurunan pita absorpsi MB seiring waktu. Performa fotokatalitik maksimum ditampilkan oleh sampel yang dianil pada 500 °C (Eg = 3,32 eV) yang dikaitkan dengan morfologi spesifik dan laju rekombinasi elektron-lubang yang rendah. Kami mengamati degradasi MB sebesar 86,0, 92,4 dan 71,6% oleh fotokatalis oksida timbul yang disiapkan dengan penganilan pada 250, 500 dan 750 °C dalam 80 menit, masing-masing (Fig. 9b). Fotoaktivitas materi semikonduktor juga terkait dengan energi bandgap mereka yang mempengaruhi potensi redoks pasangan elektron-lubang yang dihasilkan selama proses degradasi MB. Di antara tiga sampel yang diuji di sini, fotokatalis yang dianil pada 500 °C menunjukkan energi bandgap terendah (3,32 eV) sementara peningkatan % degradasi yang cukup signifikan yang ditampilkan oleh produk ini dikaitkan dengan struktur uniknya dan tingkat aglomerasi yang tinggi seperti yang digambarkan dalam Fig. 9b. Degradasi cat pseudo-orde pertama diilustrasikan menggunakan plot ln (Co/C) vs. waktu iradiasi: ln (Co/C) = kt seperti yang ditampilkan dalam Fig. 9c di mana k menunjukkan konstanta laju, Co dan C menunjukkan konsentrasi awal dan akhir cat (MB), masing-masing [63, 65,66,67]. Nilai k menggunakan nanomaterial yang disiapkan pada 500 °C adalah 0,59 min−1 dan penurunan yang signifikan dalam sampel yang disintesis pada 250 dan 750 °C diamati sekitar 0,50 dan 0,31 min−1, masing-masing (Fig. 9d).
a Hasil degradasi MB yang ditampilkan oleh fotokatalis yang dibuat b grafik batang % degradasi c plot ln (Co/C) vs. waktu iradiasi dan d grafik konstanta laju degradasi yang dihitung
Untuk pengolahan air yang tercemar, fotokatalis perlu menunjukkan stabilitas dan kegunaan ulang untuk jangka waktu yang lama untuk membuat proses secara ekonomis feasible. Dalam studi saat ini, empat siklus uji dilakukan untuk menghilangkan MB menggunakan fotokatalis oksida timbul yang dibuat untuk menentukan stabilitasnya. Pengamatan empat siklus berurutan dari degradasi cat disajikan dalam Fig. 10a, b. Nanomaterial yang dianil pada 500 °C menunjukkan penurunan kecil dalam foto-dekomposisi MB setelah empat siklus (penurunan 6%). Hasil penghapusan kontaminan dari air yang dilaporkan dalam studi ini dapat dibandingkan dengan yang dilaporkan oleh Prakash et al. [65].
a Kegunaan ulang fotokatalis oksida timbul yang dianil pada 500 °C dan b grafik batang % degradasi
Grafik dan Tabel 1 menunjukkan struktur SnO nanostruktur yang dibuat pada berbagai perlakuan suhu aktivitas antibakteri in vitro yang diukur dalam hal zona inhibisi (mm) bersama dengan keefektifan % banding. Grafik menunjukkan proporsi langsung antara konsentrasi nanostruktur dan zona inhibisi yang terbentuk. Zona inhibisi yang signifikan dicatat untuk sampel SnO (250, 500 dan 750 °C) untuk E. coli dan S. aureus berkisar antara 2,85–3,5 mm, 3,35–3,75 mm dan 3,25–4,75 mm dan 4,55–5,35 mm pada konsentrasi rendah dan tinggi, masing-masing, Fig. 11a, b dan Tabel 1. Keefektifan % dari nanomaterial yang disintesis meningkat dari 67,0–82,3 ke 78,8–88,2% untuk E. coli dan demikian, 45,4–66,4% dan 63,6–74,8% untuk S. aureus, masing-masing, Fig. 11c, d. Semua hasil pengukuran dibandingkan dengan DIW (0 mm). Kontrol positif menunjukkan zona inhibisi 4,25 mm dan 7,15 mm untuk E. coli dan S. aureus, masing-masing, Fig. 11a, b. Secara keseluruhan, nanostruktur SnO2 yang dioptimalkan pada 500 °C ditemukan lebih efektif pada kedua konsentrasi dan lebih luas lagi, SnO2 ditemukan lebih efektif terhadap bakteri gram-negatif (G –ve) E. coli dibandingkan dengan bakteri gram-positif (G +ve) S. aureus.
a Tindakan bakterisida in vitro dari SnO yang dianil pada berbagai suhu untuk E. colibS. aureusc Keefektifan % bakterisida in vitro dari NP yang dibuat untuk E. coli(d) dan S. aureus, masing-masing
Ukuran, konsentrasi dan morfologi nanostruktur secara langsung mempengaruhi stres oksidatif yang dihasilkan. Aktivitas antibakteri yang membahayakan ukuran dan konsentrasi menggambarkan hubungan terbalik dengan ukuran [68,69,70]. Nanostruktur lebih efisien menghasilkan spesies reaktif oksigen (ROS) yang ada dalam membran sel bakteri yang mengakibatkan ekstrusi organel seluler dan kematian bakteri [71]. SnO2 menghasilkan ROS yang lebih efisien termasuk peroksida hidrogen (H2O2), grup OH dan ion superoxide [72]. Peningkatan keefektifan antibakteri SnO yang dibuat pada berbagai perlakuan suhu untuk E. coli dibandingkan dengan S. aureus dapat dikaitkan dengan perbedaan struktur dinding sel bakteri. Dinding sel bakteri G –ve terdiri dari lapisan peptidoglikan tipis dengan membran luar yang berisi protein dan fosfolipid sementara dinding sel G +ve mengandung lapisan peptidoglikan yang tebal dengan asam lipoteikok dan teikok. Perbedaan utama ini dalam struktur dinding sel kedua bakteri mengarah pada keefektifan maksimum dari nanostruktur yang dibuat terhadap bakteri G −ve dibandingkan dengan bakteri G +ve [18].
Resistensi yang diperoleh oleh patogen mikroba terhadap berbagai obat antibiotik terutama resistensi multidrug menimbulkan ancaman besar bagi kesehatan masyarakat di seluruh dunia dan terdapat kebutuhan mendesak akan lebih banyak obat antibiotik dengan mode kerja yang baru [73]. Antibiotik yang termasuk dalam berbagai kelas mengikuti mekanisme yang berbeda untuk aktivitas mereka dan menargetkan jalur yang vital untuk kelangsungan bakteri. Misalnya, antibiotik Beta-laktam seperti penicilin menargetkan enzim yang terlibat dalam sintesis peptidoglikan (yaitu, prekursor penting untuk sintesis dinding sel) [74] sementara Rifampicin, antibiotik yang terkenal, menargetkan enzim yang termasuk dalam jalur biosintesis asam nukleat [42] yang menunjukkan pentingnya baik dinding sel dan jalur biosintesis asam nukleat sebagai target untuk penemuan antibiotik baru [75]. Meskipun aktivitas bakterisida berbagai nanopartikel telah dilaporkan sebelumnya dalam beberapa tahun terakhir, mekanisme kerja yang tepat masih tidak diketahui [76, 77]. Dengan mempertimbangkan aktivitas antibakteri yang baik SnO2 terhadap E. coli dan S. aureus, kami melakukan studi docking molekuler untuk mengidentifikasi mekanisme kerja yang mungkin mereka miliki terhadap enzim β-laktamase dan girase DNA sebagai target potensial.
Dalam kasus β-laktamase dari E. coli skor binding terbaik yang diamati adalah −5,71 kcal/mol yang menunjukkan interaksi ikatan H dengan Lys239 (1,80 Å) dan Gly235 (1,66 Å) bersama dengan interaksi kontak logam dengan Gln35 seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 12a, b. Demikian pula, skor binding terbaik yang diperoleh untuk girase DNA dari E. coli adalah −9,57 kcal/mol yang memiliki interaksi ikatan H dengan Thr163 (1,46 Å), Gly77 (1,43 Å) dan Glu50 (3,36 Å) bersama dengan interaksi kontak logam dengan Gly75 seperti yang digambarkan dalam Fig. 12c, d.
a, b Pola interaksi ikatan NP SnO2 dengan sisa situs aktif β-laktamase dan c, d girase DNA dari E. coli
Skor binding terbaik yang diperoleh untuk β-laktamase dari S. aureus adalah −11,83 kcal/mol. Pola ikatan SnO2 di dalam saku aktif melibatkan interaksi ikatan H dengan Ser400 (2,16 Å), Gly522 (1,99 Å) dan Ileu524 (1,90 Å). Selain itu, interaksi kontak logam diamati antara SnO2 dan Gln521 seperti yang digambarkan dalam Fig. 13a, b. Untuk girase DNA dari S. aureus konformasi terbaik yang diperoleh menunjukkan interaksi ikatan H dengan Gly85 (2,55 Å) dan Thr173 (1,54 Å) yang memiliki skor binding −8,61 kcal/mol (Fig. 13c, d).
a, b Pola interaksi ikatan NP SnO2 dengan sisa situs aktif β-laktamase dan c, d girase DNA dari S. aureus
Kesimpulan
Secara ringkasan, nanopartikel oksida timbul yang dianil pada berbagai suhu disintesis dengan proses presipitasi yang mudah dan sederhana. Penganilan sampel pada 250 °C selama sintesis menghasilkan terutama SnO ortorombik yang bertransformasi menjadi SnO2 pada 500 dan 750 °C. Analisis XRD dan HRTEM menunjukkan bahwa nanopartikel memiliki struktur ortorombik sementara ukuran partikel meningkat awalnya seiring peningkatan suhu hingga 500 °C diikuti oleh penurunan pada 750 °C. Ukuran partikel yang besar pada 500 °C dikaitkan dengan struktur unik yang ditampilkan oleh sampel yang dianil pada suhu tersebut. Nanostruktur yang dibuat menunjukkan perilaku terkristal dengan baik bersama dengan aglomerasi. Fotoaktivitas nanomaterial oksida timbul yang dianil dievaluasi dengan dekomposisi cat MB yang digunakan sebagai kontaminan organik model dan perbandingan antara sampel yang dianil dilakukan. Produk yang disintesis pada 500 °C menunjukkan aktivitas 6% lebih tinggi dibandingkan dengan sampel yang dianil pada 250 °C selama degradasi MB. Degradasi MB maksimum yang dicapai dalam studi ini adalah 92% setelah 80 meni waktu iradiasi oleh sampel 500 °C. Disarankan bahwa radikal (*OH1− dan *O2−) dan lubang adalah entitas aktif utama dalam proses fotokatalisis. Prediksi in silico sesuai dengan aktivitas bakterisida in vitro dari NP SnO2. Studi docking molekuler NP SnO2 terhadap enzim terpilih, yaitu beta lactamase dan girase DNA, menunjukkan kecenderungan mereka untuk menghambat aktivitas enzim ini yang perlu dieksplorasi dan dikonfirmasi lebih lanjut melalui studi uji inhibisi enzim.
