Analisis Docking Fotokatalitik, Bakterisida, dan Molekuler dari Struktur Nano Anil Tin Oksida

Hasil dan diskusi

Gambar 5(a) menyajikan spektrum XRD yang diperoleh dari sampel oksida timah yang disintesis dan dianil pada berbagai suhu. Untuk analisis komposisi fasa, radiasi CuKα digunakan saat 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 dari material. Pada suhu 250 °C, pola XRD menunjukkan puncak dengan nilai 2θ yaitu 29.12° (112), 31.60° (020), 33.57° (113), 40.15° (023), 45.54° (024), 51.35° (222) dan 64.57 ° (225) yang semuanya dianggap berasal dari fase ortorombik SnO (JCPDS:01–077-2296). Hanya satu puncak yang tercatat pada 26,66° (112) milik SnO₂ struktur ortorombik (JCPDS:01–078-1063). Saat sampel dianil pada 500 dan 750 °C, puncak difraksi yang terkait dengan SnO menghilang dan produk yang dihasilkan diidentifikasi sebagai SnO ortorombik₂ dengan bidang kristalografi 24,81° (110), 29,12° (113), 31,23° (020), 41,59° (211), 46,90° (117), 59,57° (135) yang cocok dengan file JCPDS No. 01-078- 1063 [49]. Hasil XRD yang diamati menunjukkan bahwa bahan yang disiapkan pertama kali dioksidasi menjadi SnO pada 250 °C. Kemudian, pada dan di atas 500 °C, sepenuhnya berubah menjadi SnO₂ [50]. Hasil juga menunjukkan bahwa kristalinitas sampel meningkat dengan meningkatnya suhu. Selanjutnya, pola SAED yang diperoleh dari sampel yang dianil pada 250 dan 750 °C menggambarkan cincin titik terang masing-masing seperti yang diilustrasikan pada Gambar 5b, c. Pola yang dianalisis dengan bidang kisi (020), (023), (024) dan (112) ditetapkan ke bidang difraksi SnO ortorombik (Gbr. 5b) dan (020), (110), (117) dan (135) adalah dikaitkan dengan SnO₂ nanomaterial (Gbr. 5c) untuk sampel yang dianil pada 250 dan 750 °C, masing-masing. Sifat kristal produk juga dikonfirmasi melalui gambar SAED yang konsisten dengan pengamatan XRD.

a Spektrum XRD 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 bahan nano oksida timah fabrikasi yang dipanaskan pada 250, 500 dan 750 °C disajikan pada Gambar 5d. Puncak serapan berpusat di sekitar 3580 cm ⁻¹ ditambah dengan hampir 1602 cm ⁻¹ pita dikaitkan dengan peregangan / pembengkokan gugus O-H dan ikatan Sn-OH karena fakta bahwa oksida timah menyerap sejumlah air dari atmosfer sekitar [51]. Puncak serapan rendah berkisar antara 2300 hingga 2400 cm ⁻¹ ditugaskan untuk karbon dioksida yang dibuat dalam produk setelah terpapar ke atmosfer [52]. Ikatan muncul pada 1174 cm ⁻¹ sesuai dengan getaran berbagai jenis gugus hidroksil permukaan saat mencapai puncaknya pada 1401 cm ⁻¹ disebabkan oleh getaran tekuk C-H [53, 54]. Puncak karakteristik berkisar pada 500–700 cm ⁻¹ dikaitkan dengan getaran lapisan permukaan Sn-O [55]. Peningkatan suhu anil menyebabkan pergeseran biru di puncak sementara puncak karakteristik tampak kuat dan lebih intens. Hal ini mungkin disebabkan oleh proses annealing dimana atom nanomaterial memperoleh energi yang cukup untuk mengubah posisi atom nanopartikel sehingga terjadi rekristalisasi [56].

Analisis FESEM dan HRTEM dilakukan untuk mengumpulkan informasi detail morfologi dan struktur nano produk fabrikasi. Gambar HRTEM dari oksida timah yang dianil pada 250, 500 dan 750 °C direkam, seperti yang digambarkan pada Gambar. 6a–c. Gambar memberikan bukti untuk pembentukan aglomerasi dalam nanopartikel dengan bentuk hampir bulat dan distribusi ukuran partikel acak (lihat Gambar 6a, c). Pada Gambar. 6b, partikel berukuran besar, sedikit transparan dan monodispersi dengan sedikit aglomerasi dapat diamati. Perilaku yang sama dari distribusi partikel dapat diamati dari gambar sisipan pada perbesaran tinggi. Perubahan tajam dalam perilaku morfologi pada 500 °C terlihat. Suhu ini mungkin menjadi ciri khas selama proses oksidasi [22]. Selanjutnya, Gambar 6d-f menampilkan mikrograf HRTEM yang diperoleh dari sampel yang dianil pada 250, 500 dan 750 °C, masing-masing, untuk mendeteksi jarak antarplanar. Dalam kristalit, jarak pinggiran kisi adalah ~ 0.225 nm seperti yang digambarkan dalam gambar profil IFFT sisipan pada Gambar. 6d yang sesuai dengan (023) bidang difraksi fase ortorombik SnO (JCPDS:01-077-2296). Jarak d yang dihitung dari pinggiran kisi dalam sampel yang diperlakukan pada 500 dan 750 °C adalah sekitar 0,364 dan 0,367 nm, yang dikaitkan dengan bidang (110) SnO₂ struktur ortorombik menurut JCPDS NO. 01-078-1063. Hasil ini sesuai dengan temuan XRD [49, 57, 58]. Gambar IFFT yang disediakan dengan jelas menunjukkan peningkatan d-spacing dengan meningkatnya suhu.

a –c HR-TEM dan d –f pinggiran kisi struktur nano yang diperoleh pada suhu anil masing-masing 250, 500, dan 750 °C

Gambar FESEM dari oksida timah yang dianil pada 250 (Gbr. 7a) dan 750 °C (Gbr. 7b) menggambarkan variasi dalam bentuk dan ukuran struktur kisi seperti bentuk partikel yang tidak seragam atau acak dengan butir individu besar dan kecil bersama dengan aglomerasi . Gambar 7b menunjukkan mikrograf FESEM dari sampel yang dianil pada 750 °C yang menandakan partikel kecil yang diaglomerasi dan struktur yang tumbuh dengan baik dibandingkan dengan sampel yang dianil pada suhu rendah dengan distribusi partikel yang acak. Aglomerasi partikel menghasilkan pengurangan energi bebas permukaan karena peningkatan ukurannya yang mengakibatkan penurunan luas permukaannya. Aglomerasi nanopartikel adalah karena adhesi partikel satu sama lain oleh kekuatan lemah yang mengarah ke entitas berukuran (sub) mikron. [59].

Mikrograf 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 timah fabrikasi yang dianil pada 750 °C dianalisis dengan teknik EDX seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7c. Spektrum sampel secara jelas menunjukkan adanya Sn, O dan C dengan % berat masing-masing 53,7, 42,2 dan 4,0%. Tidak ada konstituen pengotor dalam produk yang menunjukkan kemurnian tinggi SnO₂ nanomaterial sedangkan kandungan C mungkin berasal dari tab karbon yang digunakan untuk menampung sampel.

Sebuah teknik spektroskopi penyerapan non-destruktif digunakan untuk mempelajari sifat optik bahan nano melakukan dan semikonduktor. Spektrum serapan diperoleh dari oksida timah anil pada berbagai suhu diilustrasikan pada Gambar. 8a. Beberapa faktor mempengaruhi absorbansi yang diharapkan seperti kekurangan oksigen, celah pita energi, sifat pengotor dan kekasaran permukaan. Spektrum yang diperoleh dari oksida timah anil menunjukkan cut-off ultra-violet pada 300–365 nm [60], yang mungkin disebabkan oleh foto-eksitasi elektron dari valensi ke pita konduksi. Spektrum penyerapan sedikit menurun antara 300 dan 365 nm dengan meningkatnya suhu seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a. Untuk menghitung celah pita, relasi Tauc \(\alpha h\nu =A {(h\nu -{E}_{\mathrm{g}})}^{n}\) di mana α singkatan dari koefisien penyerapan, A mewakili konstan sementara n = 1/2 untuk celah pita langsung. Ekstrapolasi plot \({(\alpha h\nu )}^{2}\) versus hν memberikan nilai celah pita optik E _g (Gbr. 8b). Energi pita terukur adalah 3,51, 3,32 dan 3,71 eV untuk sampel yang dianil pada 250, 500, dan 750 °C, masing-masing [61, 62]. Celah pita produk konsisten dengan nilai yang dilaporkan dalam literatur [61]. Secara keseluruhan, dengan meningkatnya suhu, atom nanopartikel mencapai lebih banyak energi untuk mengubah posisi mereka untuk rekristalisasi yang mengubah morfologi mereka dan mengurangi ukuran butir (dapat dianalisis dari data HRTEM). Saat ukuran partikel berkurang, nilai celah pita meningkat yang dikaitkan dengan efek kurungan kuantum normal. Tren serupa diamati oleh Malik et al. [63]. Celah pita terendah yang ditunjukkan oleh bahan nano yang dianil pada 500 °C dianggap berasal dari struktur nano yang unik atau sintesis amorf oksida timah polikristalin dan pembentukan kekosongan oksigen yang menghasilkan pergeseran merah. Model Tauc menyatakan bahwa semikonduktor permukaan amorf atau tidak beraturan memiliki keadaan ekor pita yang terlokalisasi dengan energi pita yang lebih rendah [64].

a Spektrum absorbansi UV–Vis dan b nilai celah energi yang diperoleh dari sampel yang dianil masing-masing pada 250, 500, dan 750 °C

Fotoaktivitas produk oksida timah yang dianil pada berbagai suhu diperiksa dengan melakukan fotodegradasi pewarna MB di bawah iradiasi cahaya (Gbr. 9). Variasi dalam penyerapan optik solusi MB di λ _maks = 665 nm selama foto-dekomposisi digambarkan pada Gambar. 9a. Penambahan sampel fabrikasi menghasilkan penurunan pita serapan MB seiring waktu. Performa fotokatalitik maksimum ditunjukkan oleh sampel yang dianil pada 500 °C (E _g = 3.32 eV) yang dikaitkan dengan morfologi spesifik dan tingkat rekombinasi elektron-lubang yang rendah. Kami mengamati degradasi 86,0, 92,4 dan 71,6% MB oleh fotokatalis oksida timah yang disiapkan dengan anil pada 250, 500 dan 750 °C masing-masing dalam 80 menit (Gbr. 9b). Fotoaktivitas bahan semikonduktor juga terkait dengan energi celah pitanya yang mempengaruhi potensial redoks pasangan elektron-lubang fotogenerasi selama proses degradasi MB. Di antara tiga sampel yang diuji di sini, fotokatalis yang dianil pada 500 °C menunjukkan energi celah pita terendah (3,32 eV) sementara peningkatan % degradasi yang ditunjukkan oleh produk ini disebabkan oleh strukturnya yang unik dan tingkat aglomerasi yang tinggi seperti yang digambarkan pada Gambar 9b. Degradasi pewarna orde satu semu diilustrasikan menggunakan ln (C _o /C ) vs. plot waktu penyinaran:ln (C _o /C ) = kt seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9c di mana k menunjukkan konstanta laju, C _o dan C singkatan konsentrasi awal dan akhir pewarna (MB), masing-masing [63, 65,66,67]. Nilai k menggunakan nanomaterial yang disiapkan pada 500 °C adalah 0,59 menit ⁻¹ dan penurunan signifikan pada sampel yang disintesis pada 250 dan 750 °C diamati pada sekitar 0,50 dan 0,31 menit ⁻¹ , masing-masing (Gbr. 9d).

a Hasil degradasi MB ditunjukkan oleh fotokatalis buatan b grafik batang % penurunan c ln (C_o /C) vs. plot waktu iradiasi dan d grafik konstanta laju degradasi yang dihitung

Untuk pengolahan air yang tercemar, fotokatalis perlu menunjukkan stabilitas dan dapat digunakan kembali untuk jangka waktu yang lama untuk membuat proses tersebut layak secara ekonomi. Dalam penelitian ini, empat siklus pengujian dilakukan untuk menghilangkan MB menggunakan fotokatalis oksida timah fabrikasi untuk menentukan stabilitasnya. Pengamatan empat siklus berturut-turut degradasi pewarna disajikan pada Gambar 10a, b. Nanomaterial yang dianil pada 500 °C menunjukkan sedikit penurunan dekomposisi foto MB setelah empat siklus (penurunan 6%). Hasil penghilangan kontaminan dari air yang dilaporkan dalam penelitian ini sebanding dengan yang dilaporkan oleh Prakash et al. [65].

a Dapat digunakan kembali fotokatalis timah oksida yang dianil pada 500 °C dan b grafik batang % degradasi

Struktur nano SnO yang dibuat pada berbagai perlakuan suhu aktivitas antibakteri in vitro diukur dalam zona penghambatan (mm) bersama dengan kemanjuran komparatif% usia ditunjukkan pada Gambar. 11a–d dan Tabel 1. Grafik menyajikan proporsi langsung antara konsentrasi struktur nano dan zona penghambatan terbentuk. Zona penghambatan signifikan yang dicatat untuk sampel SnO (250, 500, dan 750 °C) untuk E. koli dan S. aureus ranged between 2.85–3.5 mm, 3.35–3.75 mm and 3.25–4.75 mm and 4.55–5.35 mm at low and high concentrations, respectively, Fig. 11a, b and Table 1. The efficacy %age of synthesized nanomaterials increased from 67.0–82.3 to 78.8–88.2% for E. koli and similarly, 45.4–66.4% and 63.6–74.8% for S. aureus , respectively, Fig. 11c, d. All measured results were compared with DIW (0 mm). Positive control depicted 4.25 mm and 7.15 mm inhibition zones for E. koli dan S. aureus , respectively, Fig. 11a, b. Overall SnO₂ nanostructures optimized at 500 °C found more potent at both concentrations and more broadly, SnO₂ found more potent against gram-negative (G –ve) E. koli compared with gram-positive (G +ve) S. aureus .

a In vitro bactericidal action of SnO annealed at different temperatures for E. koli b S. aureus c In vitro bactericidal efficacy %age of fabricated NPs for E. koli (d) dan S. aureus , masing-masing

Size, concentration and morphology of nanostructures directly affects oxidative stress produced. Antibacterial activity imperiling size and concentration portrays inverse relation to size [68,69,70]. Nanostructures more efficiently produce reactive oxygen species (ROS) which exist in bacterial membrane resulting cellular organelles extrusion and bacteria death [71]. SnO₂ generate more efficiently ROS including hydrogen peroxide (H₂ O₂ ), OH groups and superoxide ions [72]. The increased antibacterial efficacy of fabricated SnO at various temperature treatments for E. koli compared to S. aureus could be attributed to difference in cell wall structures of bacteria. G –ve bacteria cell wall consists of peptidoglycan thin layer with an outer membrane containing proteins and phospholipids while G  +ve cell wall contains thick layer of peptidoglycan with lipoteichoic and teichoic acids. This major difference in cell wall structure of both bacteria leads toward maximum efficacy of fabricated nanostructures toward G −ve compared to G  +ve bacteria [18].

Resistance acquired by microbial pathogens against various antibiotic drugs especially multidrug resistance pose huge threat to public health around the globe and there is an urgent need of more antibiotic drugs with novel mode of action [73]. Antibiotics belonging to various classes follow different mechanisms for their activity and target pathways vital for bacterial survival. For instance, Beta-lactam antibiotics such as penicillin target enzymes involved in peptidoglycan synthesis (i.e., important precursor for cell wall synthesis) [74] while Rifampicin a well-known antibiotic target enzyme belongs to nucleic acid biosynthetic pathways [42] suggesting importance of both cell wall and nucleic acid biosynthetic pathways as target for new antibiotic discovery [75]. Although bactericidal activity of various nanoparticles has been reported previously in recent years still exact mechanism of their action is not known [76, 77]. Keeping in view good antibacterial activity of SnO₂ against E. koli dan S. aureus , we performed molecular docking studies to identify their possible mechanism of action against β -lactamase and DNA gyrase enzymes as potential target.

In case of β -lactamase from E. koli the best binding score observed was − 5.71 kcal/mol showing H-bonding interaction with Lys239 (1.80 Å) and Gly235 (1.66 Å) alongside metal contact interaction with Gln35 as shown in Fig. 12a, b. Similarly, the top binding score obtained for DNA gyrase from E. koli was − 9.57 kcal/mol having H-bonding interaction with Thr163 (1.46 Å), Gly77 (1.43 Å) and Glu50 (3.36 Å) along with metal contact interaction with Gly75 as depicted in Fig. 12c, d.

a , b Binding interaction pattern of SnO₂ nanoparticle with active site residues of β -lactamase and c , d DNA gyrase from E. koli

The best binding score obtained for β -lactamase of S. aureus was − 11.83 kcal/mol. The binding patterns of SnO₂ inside active pocket involved H-bonding interaction with Ser400 (2.16 Å), Gly522 (1.99 Å) and Ileu524 (1.90 Å). In addition, metal contact interaction was observed between SnO₂ and Gln521 as depicted in Fig. 13a, b. For DNA gyrase from S. aureus the best conformation obtained showed H-bonding interaction with Gly85 (2.55 Å) and Thr173 (1.54 Å) having binding score − 8.61 kcal/mol (Fig. 13c, d).

a , b Binding interaction pattern of SnO₂ nanoparticle with active site residues of β -lactamase and c , d DNA gyrase from S. aureus