Doping Mg pada ZnO Nanorods Menunjukkan Peningkatan Degradasi Fotokatalitik dan Potensi Antimikroba dengan Analisis Molecular Docking

Hasil dan Diskusi

Sifat struktural dan konstitusi fase ZnO bebas dopan dan doping dinilai dengan menggunakan difraksi sinar-x (Gbr. 2a). Puncak yang diamati pada 31,7°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,6°, 62,9° dan 68,0° dapat ditetapkan untuk bidang difraksi (100), (002), (101), (102), (110), ( 103) dan (112) yang menegaskan ZnO memiliki struktur heksagonal (JCPDS No. 361451) dengan grup ruang P63mc. Dua puncak mencerminkan ketidakmurnian senyawa yang terdiri dari seng-karboksil (ditandai dengan panah hitam). Jejak seng-karboksil ini mungkin muncul karena reaksi prekursor Zn dengan reaktan lain selama sintesis [28]. Ukuran kristal ZnO adalah 26 nm diperkirakan menggunakan rumus Scherrer, yang berkurang secara bertahap hingga 23 nm dengan peningkatan jumlah dopan (pada 8% berat). Untuk memastikan keberhasilan penambahan 'Mg' ke dalam kisi inang, tiga posisi puncak yang menonjol (100), (002) dan (101) dilacak [23]. Diyakini bahwa puncak ZnO bergeser ke arah 2θ tinggi setelah doping dengan Mg, sementara beberapa penelitian melaporkan pengurangan bertahap dalam ukuran kristal dengan penambahan dopan seperti Mg, Fe dan Al ke ZnO [29, 30]. Beberapa faktor, termasuk tekanan kompresi yang disebabkan oleh perbedaan jari-jari ion Zn dan ion dopan, hambatan pertumbuhan kristal dan/atau pembentukan cacat pada kristal pada doping dapat menekan pertumbuhan ZnO. Pergeseran puncak yang diamati untuk ZnO NR yang didoping dapat dikaitkan dengan ion Mg yang menggantikan ion Zn karena perbedaan jari-jari ionik antara Mg ²⁺ (0,57 ) dan Zn ²⁺ (0,60 ) [23, 29].

a Pola XRD ZnO yang didoping Mg, b–d Pola SAED ZnO, 4%, 8% ZnO yang didoping Mg dan e Spektrum FTIR, masing-masing

Pola SAED dari ZnO yang didoping menunjukkan titik terang karena difraksi elektron. Setiap titik berasal dari satu set bidang paralel yang ditemukan dalam struktur kristal produk sintesis yang mempengaruhi kondisi difraksi Bragg. Indeks Miller telah dialokasikan sesuai seperti yang terlihat pada Gambar. 2b-d. Pola telah diindeks dengan bidang (002), (100), (101) dan (102) terhubung ke struktur heksagonal ZnO dengan berkas elektron memproyeksikan sepanjang [101] sumbu zona [31]. Secara umum, arah pertumbuhan anisotropik ZnO ditentukan oleh energi bebas antarmuka dan potensial disolusi air. Kecepatan relatif dari pertumbuhan bidang yang berbeda juga mengontrol pertumbuhan. Pertumbuhan juga dikendalikan oleh kecepatan pertumbuhan relatif dari berbagai bidang [32].

Analisis FTIR dilakukan untuk menyelidiki keberadaan gugus fungsi, kimia permukaan dan mode getaran untuk ikatan kimia yang ada dalam sampel (Gbr. 2e). Pita dari 400 hingga 560 cm ^-1 ditunjuk untuk peregangan mode vibrasi Zn-O-Zn yang telah mengkonfirmasi pembentukan ZnO. Pita wilayah frekuensi rendah/sidik jari dianggap berasal dari getaran translasi M–O (590, 670 cm ⁻¹ ) dan O–M–O (430 cm ⁻¹ ) [33]. Dengan meningkatnya konsentrasi Mg, tidak ada perubahan signifikan yang diamati pada pita serapan dan intensitas Zn-O. Pita pada 1651 cm ^-1 sesuai dengan mode peregangan C=O simetris yang sangat intensif dengan meningkatnya persentase pemuatan magnesium nitrat, sementara ~ 1362 cm ^-1 pita sesuai dengan mode peregangan C–O asimetris. Karbon dari bahan awal dapat dimasukkan ke dalam NR secara tidak sengaja, sedangkan munculnya pita transmisi lebar pada 3456 cm ^-1 sesuai dengan peregangan O–H molekul air yang teradsorpsi di permukaan [34].

Untuk memeriksa perubahan perilaku penyerapan pada doping, spektrometri UV-Vis digunakan untuk sampel yang didoping dan tidak didoping. Spektrum serapan UV-Vis dari NR yang disintesis dicatat dalam kisaran 250 hingga 600 nm sebagai fungsi panjang gelombang (Gbr. 3a). Sampel menunjukkan serapan maksimum sekitar 370-395 nm, dengan pergeseran tepi serapan menuju panjang gelombang yang lebih rendah pada konsentrasi doping yang berbeda. Peningkatan penyerapan dan pergeseran pada doping dimanifestasikan pada defisiensi oksigen, efek ukuran partikel dan cacat struktur butir [35]. Nilai yang diekstraksi dari Gambar 3a digunakan untuk menghitung celah pita optik (Misalnya) dari ZnO (menggunakan plot Tauc), yang meningkat dari 3,32 menjadi 3,72 eV pada doping Mg (Gbr. 3b) [36, 37]. Pergeseran biru dalam Eg ini dapat didukung oleh fenomena efek Burstein–Moss. Dalam metode oksida logam, pengurangan ukuran partikel dilaporkan menghasilkan pergeseran biru dari celah pita karena efek kurungan kuantum (QCE). Namun, QCE bukan satu-satunya alasan; doping juga dapat mempengaruhi simetri lokal dan menghasilkan pusat cacat kisi yang mengubah struktur pita dan menginduksi perubahan signifikan dalam sifat optik [38]. Seperti dijelaskan sebelumnya dalam analisis XRD, Mg yang didoping ke ZnO menghasilkan kekosongan oksigen dalam kristal inang, yang bertindak sebagai donor dalam sistem dan berperilaku sebagai ion bermuatan positif dengan melepaskan elektron ke CB. Karena konsentrasi pembawa elektron melebihi kerapatan keadaan di CB, tingkat energi Fermi didorong ke dalam CB. Zn ²⁺ substitusikan ke Mg ²⁺ mengarah pada peningkatan konsentrasi elektron dan kekosongan oksigen karena jari-jari ionik dan perbedaan keelektronegatifan kedua bahan, dan dengan demikian, peningkatan kepadatan pembawa mengarah pada pengangkatan tingkat Fermi ke semikonduktor yang merosot CB karena ZnO adalah salah satu semikonduktor yang paling merosot . Karena aksi ini, level Fermi serta posisinya bergantung pada konsentrasi elektron bebas dan eksitasi elektron dari VB ke level Fermi, yang mengakibatkan peningkatan kerapatan elektron bebas dan pelebaran celah pita [39]. Pergeseran Burstein–Moss ini berkontribusi pada pelebaran Eg yang diamati dari ZnO NR yang didoping Mg.

a Spektrum serapan sampel ZnO yang didoping Mg, b Plot tauc, c Spektrum PL dan d Spektrum Raman dari nanorod ZnO yang didoping Mg

Analisis PL adalah alat yang berharga untuk mendapatkan informasi yang lebih baik mengenai pengotor, transisi dan dopan dengan mempelajari spektrum emisi. Efek ukuran kuantum mempengaruhi sifat fisik bahan semikonduktor pada skala nano, seperti ZnO mengubah perilaku optiknya dengan peningkatan kurungan kuantum yang diamati dari PL [40]. Spektrum PL dari berbagai konsentrasi Mg yang dimasukkan ke dalam ZnO diukur dengan eksitasi ~325 nm pada suhu kamar (Gbr. 3c). Untuk ZnO yang tidak didoping dan yang didoping, tingkat kedalaman yang luas dan emisi pita dekat terdeteksi. Semua sampel menunjukkan puncak emisi di wilayah UV, yang dianggap berasal dari rekombinasi eksiton. Puncak yang diamati di wilayah yang terlihat muncul karena keadaan cacat (donor), seperti O₂ lowongan-V_o , Zn pengantara-Zn_i , status cacat (akseptor) dari kekosongan seng-V_z dan interstisial oksigen-O_i [39]. Rasio intensitas puncak di daerah UV dan tampak sebagian besar dipengaruhi oleh kualitas kristal bahan yang didoping, karena densitas cacat menurun dengan amplifikasi kristalinitas. Sampel menunjukkan puncak emisi sekitar 408 nm yang berasal dari transisi ZnO tepi-tepi-band dekat [39]. Puncak yang ditemukan pada 408, 442, 467, 488 nm menyebabkan emisi biru dan disebabkan oleh interstisial Zn memiliki emisi ungu utama pada 408 nm. Emisi lemah yang diamati pada 442, 467, dan 488 nm dimasukkan ke rekombinasi pasangan donor-akseptor (D/A) yang melibatkan tingkat cacat yang berbeda dalam sampel. Emisi pada 488 nm disebabkan elektron dalam O₂ . yang terionisasi tunggal kekosongan dengan lubang foto-excited di VB [41]. Intensitas emisi tingkat dalam yang luas meningkat setelah doping, sementara puncak emisi NBE dipindahkan ke wilayah energi yang lebih tinggi. Pergeseran biru emisi NBE ini dapat diinterpretasikan berdasarkan efek Burstein-Moss. ZnO adalah material tipe-n, dan pada doping berat, level Fermi-nya bergeser di dalam pita konduksi. Dengan demikian, penyerapan harus menampilkan pergeseran biru seperti yang diusulkan oleh Burstein; daerah diisi akan memblokir eksitasi optik atau termal [42]. Peningkatan intensitas PL diamati untuk sampel yang didoping yang menyiratkan pengurangan efisiensi transfer elektron.

Hamburan Raman adalah teknik yang sensitif dan tidak merusak untuk melihat struktur mikro dan menganalisis sifat yang terkait dengan keadaan vibrasi bahan nano. Seng oksida wurtzite dengan sel primitif yang mengandung dua unit formula ditempatkan dalam grup ruang C6ν. Fonon optik yang ada pada sel primitif dalam ruang timbal balik dibenarkan dari hubungan tak tereduksi:opt =1A₁ +2B₁ + E₁ +2E₂ di mana B₁ mewakili mode diam Raman, sedangkan A₁ dan E₁ adalah mode kutub (gaya Coulomb jarak jauh), yang dibagi menjadi fonon optik longitudinal (LO) dan optik transversal (TO). Selanjutnya, mode fonon frekuensi ganda E₂ (nonpolar), memiliki E₂ (rendah) dan E₂ (tinggi), sesuai dengan sub-kisi Zn dan O₂ atom [43]. Dalam spektrum Raman, puncak yang bergeser ke arah bilangan gelombang yang lebih tinggi dan lebih rendah bergantung pada panjang ikatan yang bervariasi antar molekul. Peningkatan panjang ikatan mengatur pergeseran ke arah bilangan gelombang rendah dan sebaliknya. Tidak ada puncak orde tinggi lebih lanjut yang diamati di atas 1300 cm ^-1 (Gbr. 3d). Puncak dominan diamati pada ~ 1069 cm ^-1 mewakili E₂ H (karakteristik) mode heksagonal ZnO [44]. Selain itu, tiga puncak minor juga diamati sekitar 436, 723 dan 1386 cm ⁻¹ yang berasal karena latar belakang florescent tinggi. Selain itu, spektrum Raman dari 8% berat ZnO yang didoping mengalami pergeseran biru, yang dikaitkan dengan substitusi Mg ²⁺ dengan Zn ²⁺ dalam kisi ZnO yang diyakini berperan dalam dinamika kisi [45]. Biasanya, pergeseran puncak Raman terjadi karena tiga alasan:efek kurungan fonon, regangan kisi, dan kekosongan oksigen. Spektrum yang diperoleh dari XRD dan spektroskopi Raman menegaskan bahwa struktur wurtzite-ZnO tidak terpengaruh oleh penggabungan Mg; namun, kualitas kristal berkurang secara signifikan.

Untuk konfirmasi morfologi ZnO yang tidak didoping dan yang didoping, HR-TEM dilakukan (Gbr. 4a-e) untuk menggambarkan morfologi seperti batang heksagonal ZnO:Mg. Tampaknya Mg menunjukkan peran nukleasi saat tumbuh dengan doping [39]. Nilai jarak d antar lapisan untuk ZnO yang tidak didoping dan yang didoping dihitung ~ 0.464, 0.183, 0.333, 0.27 dan 0.232 nm gambar HR-TEM (Gbr. 4a′–e′). Nilai d-spacing sangat sesuai dengan bidang yang diperoleh dengan analisis XRD. Tidak adanya pengotor/fase sekunder menunjukkan penggabungan atom dopan yang memadai ke dalam nanorod ZnO tanpa pengelompokan [46]. Selanjutnya, perubahan d-spacing dikaitkan dengan penggabungan Mg dalam kisi ZnO.

a–e Gambar HR-TEM dari berbagai konsentrasi ZnO dan d-spacing yang didoping Mg dihitung menggunakan gambar HR-TEM Mg-ZnO a –e dengan kandungan Mg (2, 4, 6 dan 8% berat)

Analisis unsur dilakukan dengan menggunakan EDS untuk mengkonfirmasi keberadaan seng dan oksigen dalam bubuk nano ZnO (Gbr. 5a-e). Rasio atom rata-rata (67,6:23,6) secara kuantitatif mengkonfirmasi pembentukan ZnO bersama dengan dopan. Puncak emas (Au) muncul dalam spektrum karena lapisan emas tergagap di atas sampel untuk mengurangi efek pengisian. Puncak Cu mungkin berasal dari pita Cu yang digunakan dengan pemegang sampel. Beberapa puncak tambahan (Cl, Si) dapat mengindikasikan kontaminasi. Puncak Na mungkin berasal dari NaOH yang digunakan untuk mempertahankan pH basa selama sintesis. Namun, puncak Na tumpang tindih dengan Zn, sehingga keberadaannya dalam sampel tidak dapat dipastikan.

a Analisis EDS ZnO dan berbagai konsentrasi (2, 4, 6 dan 8% berat) ZnO yang didoping Mg (b–e ), masing-masing

Proses fotokatalitik melibatkan generasi pasangan elektron-lubang (e-, h +) dengan pemisahan dan rekombinasi elektron dan hole (Gbr. 6), menunjukkan reaksi redoks berikut [35].

Ilustrasi skema mekanisme fotokatalisis nanorod ZnO yang didoping-Mg

Semua sampel yang disiapkan dievaluasi untuk aktivitas fotokatalitik, sonokatalitik, dan sonofotokatalitiknya terhadap MBCF sebagai kontaminan yang ditargetkan. Profil degradasi MBCF dye-photocatalyzed di bawah iradiasi sinar UV oleh nanocatalysts disintesis ditampilkan pada Gambar. 7a-c.

a Fotokatalisis, b sonokatalisis dan c kinetika reaksi sonofotokatalisis degradasi pewarna MBCF untuk nanorod ZnO yang didoping-Mg

K (konstanta laju) pseudo-orde pertama berbasis kinetika ditentukan dengan memplot kurva linier ln(Ct/Co), terhadap waktu pemaparan t. Konstanta laju degradasi k untuk ZnO yang tidak didoping dan didoping (2, 4, 6 dan 8% berat) dihitung menjadi 0,00546, 0,00948, 0,00274, 0,00353 dan 0,00336 menit ⁻¹ , masing-masing (Gbr. 7a). ZnO yang didoping ditemukan memiliki efisiensi fotokatalitik yang lebih baik daripada ZnO murni dengan degradasi maksimum 26% untuk ZnO yang didoping (8 wt%) (Gbr. 8a-c). Karena adanya kekosongan oksigen permukaan, peningkatan luas permukaan adalah penjelasan di balik peningkatan aktivitas fotokatalitik dari ZnO yang didoping [35]. Transfer elektron yang diinduksi foto dalam CB semikonduktor dengan lubang positif yang tersisa di VB adalah mekanisme dasar fotokatalisis [15]. Sampai eksiton dimusnahkan, mereka mengambil bagian dalam reaksi redoks dengan molekul pewarna di sekitarnya pada permukaan katalis, menghasilkan produk yang terdegradasi. Elektron yang diinduksi foto bertindak sebagai zat pereduksi kuat, yang berinteraksi dengan O₂ surrounding di sekitarnya molekul untuk menghasilkan O₂ reactive reaktif ^·− jenis. Di sisi lain, lubang yang diinduksi foto bertindak sebagai oksidator kuat yang menghasilkan OH yang sangat reaktif ^· spesies dari gugus hidroksil. Spesies radikal yang dihasilkan (O₂ ^·− dan OH ^· ) berinteraksi dengan molekul pewarna di sekitarnya untuk mendegradasinya menjadi produk atau mineral yang tidak beracun.

a Fotokatalisis, b sonokatalisis dan c sonophotocatalysis fotodegradasi MBCF untuk nanorod ZnO yang didoping-Mg

Pendekatan alternatif untuk degradasi limbah organik yang efisien dalam air adalah sonocatalysis (SC) [15]. Pengaruh gelombang ultrasonik terhadap degradasi MBCF dipelajari dengan ZnO yang tidak didoping dan yang didoping. (Gbr. 7b). Dalam hal konsentrasi pewarna MBCF, degradasi SC MBCF oleh ZnO yang didoping mengikuti kinetika orde pertama semu. Konstanta laju degradasi ZnO yang tidak didoping dan yang didoping (2, 4, 6 dan 8% berat) adalah 0,02062, 0,01332, 0,00456, 0,00653 dan 0,00204 menit ⁻¹ , masing-masing. Beberapa penelitian baru-baru ini dilaporkan pada degradasi pewarna SC, berdasarkan mekanisme hot-spot dan sonoluminescence, dengan adanya berbagai katalis. Pembentukan gelembung kavitasi dalam larutan dapat ditingkatkan dengan menciptakan titik panas melalui nukleasi gelembung yang asimetris. Titik panas ini dapat memicu pembentukan OH oleh H₂ molekul O untuk pirolisis. Mekanisme sonokimia biasanya membutuhkan sonolisis air, yang merupakan pelarut di bawah tekanan dan suhu tinggi di dalam gelembung kavitasi yang runtuh. In MBCF and nanocatalyst solution, ultrasonic waves not only cause water sonolysis, but also catalyst couple to create charge carriers. OH radicals and superoxide anions ^· 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. koli 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. koli , respectively, while ZnO showed negligible efficacy for E. koli as compared to S. aureus . Moreover, control + ve depicted inhibition zone (9.00 mm) against E. koli dan 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⁺ dan 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. koli . 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. koli

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. koli

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. koli 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.