Performa Fotokatalitik dan Antimikroba Tingkat Nanorod ZnO Dotasi Mg: Karakterisasi Struktural dan Wawasan Docking Molekuler
Abstrak
Berbagai konsentrasi nanorod (NR) ZnO dotasi Mg disiapkan menggunakan teknik co-precipitation. Tujuan studi ini adalah untuk meningkatkan properti fotokatalitik ZnO. Efek dotasi Mg terhadap struktur, konstitusi fase, keberadaan kelompok fungsi, properti optik, komposisi elemen, morfologi permukaan, dan mikrostruktur ZnO dievaluasi dengan XRD, FTIR, spectrophotometer UV–Vis, EDS, dan HR-TEM, masing-masing. Spektra absorpsi optik yang diperoleh dari sampel yang disiapkan menunjukkan bukti blueshift saat dotasi. Hasil XRD mengungkapkan fase hexagonale wurtzite nanocompositenya dengan penurunan bertahap dalam ukuran kristalit dengan penambahan Mg. Spektroskopi PL menunjukkan efisien tangkap dan migrasi pembawa muatan dengan perilaku rekombinasi elektron-lubang, sementara HR-TEM memperkirakan jarak spasi lapisan. Keberadaan ikatan kimia, mode getaran, dan kelompok fungsi pada antarmuka ZnO terungkap oleh spektra FTIR dan Raman. Dalam studi ini, performa fotokatalitik, sonokatalitik, dan sonofotokatalitik NR yang disiapkan secara sistematis diteliti dengan mengdegradasi campuran metilen biru dan siprofloksasin (MBCF). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa performa degradasi yang ditingkatkan ditunjukkan oleh NR ZnO dotasi Mg. Kami percaya bahwa produk yang disintesis dalam studi ini akan terbukti merupakan fotokatalis yang bermanfaat dan menjanjikan untuk pengolahan air limbah. Secara kesimpulan, ZnO dotasi Mg menunjukkan efektivitas yang signifikan (p < 0,05) terhadap bakteri gram-negatif (G-ve) dibandingkan dengan bakteri gram-positif (G+ve). Studi docking molekuler in silico NR ZnO dotasi Mg terhadap DHFR (binding score: −7,518 kcal/mol), DHPS (binding score: −6,973 kcal/mol) dan FabH (−6,548 kcal/mol) dari E. coli memprediksi inhibisi enzim yang diberikan sebagai mekanisme yang mungkin di balik aktivitas bakterisidanya.
Pendahuluan
Efluen polutan organik dalam air dan kontaminan bakteri infeksious dalam produk makanan menjadi tantangan utama yang perlu diatasi untuk mempertahankan lingkungan yang sehat di sekitar kita [1, 2]. Sebagai contoh, infeksi yang disebabkan oleh bakteri Shigellaflexneri mengklaim sekitar 1,5 juta kematian per tahun karena kontaminasi makanan dan minuman [3]. Agen toksik dan karsinogenik yang ada dalam pewarna yang dilepaskan ke lingkungan akuatik menimbulkan risiko serius bagi lingkungan dan kesehatan masyarakat [4]. Pewarna ini juga mempengaruhi aktivitas fotosintesis organisme akuatik seperti sianobakteri dan alga yang berfungsi untuk mengurangi transparansi air tawar [5].
Banyak studi eksperimental telah dilakukan untuk mengembangkan metode fisik, biologis, dan kimiawi serta teknologi baru untuk pengapusan pewarna dari air limbah. Hingga saat ini, metode fisik termasuk ultra-filtrasi membran, adsorpsi, dan presipitasi [6] serta pendekatan biologis telah dipelajari. Selanjutnya, prosedur biodegradasi telah digunakan untuk degradasi materi organik terlarut untuk membasmi bakteri yang ada dalam efluen, sedangkan metode kimia terdiri dari dekolorasi fotokimia, klorinasi, dan ozonasi [7]. Metode konvensional pengolahan air limbah, termasuk presipitasi kimia, adsorpsi, koagulasi, dan pemisahan, bukan teknik yang cocok karena mereka memerlukan transfer pewarna dari satu titik ke titik lain dan menyebabkan pencemaran sekunder [8]. Oleh karena itu, peneliti mencari teknologi pengolahan yang ramah lingkungan yang melibatkan degradasi langsung polutan organik menjadi kombinasi yang tidak berbahaya [9].
Terakhir, proses oksidasi lanjutan (AOPs) fotokatalitik dan sonokatalitik, dalam kehadiran nanopartikel (NP) semiconductor, telah mendapat banyak perhatian karena stabilitas kimia, kehematan biaya, dan non-toksisitasnya [10,11,12]. Fotokatalisis adalah metode oksidasi yang ditingkatkan, yang melibatkan pembuatan pembawa muatan dalam fotokatalis semiconductor pada iradiasi cahaya. Pembawa muatan yang dihasilkan cahaya berpartisipasi dalam reaksi redoks dan menghapus polutan dari air [13, 14]. Beberapa studi telah menunjukkan bahwa spesies radikal OH· terakumulasi pada permukaan fotokatalis selama reaksi fotokimia dan mengarah pada degradasi berbagai pewarna organik. Kini, sebagai akibat dari peningkatan produksi ion OH·, sinergisme dari fotokatalisis (PCA) dan iradiasi ultrasonik, yang disebut sonofotokatalisis (SPCA), tampaknya meningkatkan efisiensi degradasi nanokatalis. Faktanya, SPCA telah menunjukkan dampak yang bermanfaat pada tingkat degradasi senyawa kimia dalam air yang beracun, berbahaya, dan beracun [15]. Saat ini, penggunaan NP logam oksida untuk pengolahan air tercemar, karena manfaat biaya, ramah lingkungan, stabilitas, dan daur ulangnya, telah menarik minat peneliti [16, 17]. Selain itu, semiconductor anorganik bandgap lebar seperti TiO2, WO3, ZrO2 dan ZnO telah terbukti sukses dalam proses redoks katalitik yang diinduksi cahaya untuk mengdegradasi pewarna [18, 19]. ZnO, semiconductor bandgap lebar yang terkenal (Eg=3.37eV), menunjukkan potensi luar biasa karena situs defek permukaan yang aktif dalam aplikasi PCA, stabilitas fisiokimia yang luar biasa, potensi oksidasi-reduksi yang tinggi, energi ikatan eksiton yang besar (~60 meV), selain murah dan bebas racun [20,21,22,23]. Di antara berbagai logam, magnesium (Mg) adalah dopant yang paling menarik untuk sintetis nanomaterial ZnO yang diengineer Eg optik. Substitusi Mg dalam ZnO dipersembahkan karena faktor-faktor berikut; (i) konstanta jaringan tidak berubah, (ii) jari-jari ion sangat dekat (Mg+2= 0,72 Å dan Zn+2= 0,74 Å), (iii) keberlanjutan Mg yang tinggi dalam ZnO, (iv) ZnO yang didotasi memberikan peningkatan Eg dan intensitas luminesensi UV–Vis, yang berguna untuk aplikasi optoelektronik. Selain itu, ZnO dotasi Mg dapat berfungsi sebagai fotokatalis yang efektif untuk degradasi pewarna dan agen antibakteri yang menjanjikan sebagai hasil dari band gap optik yang lebar [23].
Dalam karya penelitian ini, rute co-precipitation diadopsi untuk sintetis nanokomposit ZnO dotasi Mg yang efisien untuk aktivitas katalitik dan bakterisidal. Sampel yang disiapkan dikarakterisasi melalui XRD, HR-TEM, EDS, FTIR, UV–Vis dan spektroskopi Raman untuk analisis terperinci. Aktivitas katalitik sampel yang disiapkan diteliti untuk degradasi campuran metilen biru dan siprofloksasin (MBCF), sedangkan aktivitas antibakteri diuji terhadap bakteri G +ve dan G -ve. Selain itu, studi docking molekuler dilakukan terhadap dihidrofolat reduktase (DHFR) dan dihidropteroid sintase (DHPS) dari jalur biosintesis folat serta β-ketoasil-aset karrier protein sintase III (FabH) dari jalur biosintesis asam lemak.
Metode
Studi saat ini bertujuan untuk meningkatkan degradasi fotokatalitik dan potensi antimikroba dengan analisis docking molekuler nanorod ZnO dotasi Mg.
Bahan
Nitrat seng tetrahidrat (Zn(NO3).4H2O, 99,0%), klorida magnesium heksahidrat (MgCl2.6H2O, 99,0 %) dan natrium hidroksida (NaOH, 99,0 %) diterima dari Sigma-Aldrich.
Sintesis Oksida Seng (ZnO) Dotasi Mg
Berbagai konsentrasi Mg dotasi pada jumlah tetap nanomaterial ZnO disintesis dengan metode co-precipitation. Larutan 0,5 M Zn(NO3).4H2O digunakan sebagai precursur Zn, dan jumlah dopant yang diinginkan (2, 4, 6 dan 8 wt %) ditambahkan dengan menuang MgCl2 ke dalam larutan. Larutan yang disiapkan diaduk dalam air deionisasi (DI air) selama 90 menit pada 80 °C, sementara pH dipertahankan sekitar 12 dengan menambahkan NaOH (0,1 M) secara perlahan ke dalam larutan yang diaduk. Hasil endapan dikentrifuga pada 4000 rpm (20 menit), dikeringkan pada 100 °C selama 24 jam, dan kemudian digiling untuk mendapatkan serbuk halus (Gambar 1).
Untuk mengidentifikasi konstitusi fase dan struktur produk, difraktometer sinar-X PANanalytical X-pert PRO-XRD yang dilengkapi dengan radiasi CuK alpha (λ = 1,541874 Å) dioperasikan dalam rentang 2θ° (20°–80°). Keberadaan kelompok fungsi menggunakan spectrometer PerkinElmer diverifikasi melalui FTIR. Dengan spectrophotometer UV–Vis, properti optik diamati (Genesys 10S spectrophotometer). Untuk memperoleh spektrum emisi fotoluminesensi (PL) pada rentang 300–500 nm, spektrofluorometer JASCO FP-8200 digunakan. Dengan spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS) menggunakan perangkat lunak INCA EDS, komposisi elemen telah diperkirakan. Mikroskop elektron pemindai (SEM model JEOL JSM 6460LV) dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HR-TEM model JEOL JEM 2100F) digunakan untuk menentukan morfologi dan mikrostruktur sampel yang disintesis.
Aktivitas Fotokatalitik, Sonokatalitik dan Sonofotokatalitik
Aktivitas sonokatalitik (SCA) dan sonofotokatalitik (SPCA) degradasi MBCF diuji dalam kolam ultrasonik untuk katalis ZnO dan Mg:ZnO yang beroperasi pada frekuensi tetap ~ 35 kHz. Secara serupa, di bawah iradiasi cahaya terlihat, degradasi fotokatalitik telah diuji untuk nanokatalis ZnO dan Mg:ZnO terhadap MBCF. Dalam setiap eksperimen, dalam 50 mL pewarna model, fotokatalis (10 mg) ditangguhkan dan larutan ditempatkan dalam gelap selama 10–15 menit untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi-desorpsi. Cahaya terlihat (fotokatalisis—PCA), ultrasonikator (sonokatalisis—SCA) dan kombinasi iradiasi cahaya terlihat dengan ultrasonikasi (sonofotokatalisis—SPCA) ditempatkan secara metodis di bawah larutan yang ditangguhkan. Suspensi 3 mL dikumpulkan selama paparan untuk analisis absorpsi pada interval waktu teratur. Konstituen pewarna yang dihasilkan diamati dengan menentukan perbedaan λ max = 670 nm dari MBCF. Solusi warna biru pudar seiring waktu karena degradasi MBCF ke hadirnan nanokatalis. Akhirnya, tingkat degradasi (Ct/Co), di mana Ct adalah konsentrasi pewarna temporal dan Co adalah konsentrasi pewarna awal, dievaluasi. Persentase degradasi untuk setiap sampel juga dihitung menggunakan persamaan, % Degradasi = \(\frac{{\left( {Co - Ct} \right)}}{Co}\) × 100.
Isolasi dan Identifikasi S. aureus dan E. coli
Sampel susu sapi (bovine) yang diuji dengan surf field mastitis dikumpulkan dari berbagai peternakan. Sampel yang diinkubasi (ditumbuhkan pada agar darah domba 5%) di-streak dengan MSA (Mannitol salt agar) dan MA (MacConkey agar) untuk G+ve S. aureus dan G-ve E. coli, masing-masing (pH ~ 7). Koloni karakteristik diidentifikasi melalui analisis biokimia (tes katalase dan koagulase) dan morfologi (pengwarnaan Gram).
Aktivitas Antibakteri
Performa bakterisidal NR yang disintesis diperiksa pada strain bakteri G-ve dan G+ve menggunakan pendekatan difusi sumur agar dengan mengswab 1,5 × 108 CFU/mL isolat S. aureus dan E. coli dengan MSA dan MA, masing-masing. Sumur dengan diameter 6 mm dibentuk menggunakan bor korek steril pada piring petri MSA dan MA yang di-swab. Dibandingkan dengan kontrol negatif (DI air) dan kontrol positif (siprofloksasin), konsentrasi berbeda NR Mg:ZnO (0,5 mg/50 μl) dan (1,0 mg/50 μl) digunakan. Piring petri yang terkandung dosis diinkubasi (37 °C) selama semalam, dan performa antibakteri NR dicatat dengan mengukur diameter zona inhibi dengan kaliper Vernier. Dengan analisis variansi satu arah (ANOVA) menggunakan SPSS 20, efektivitas yang diukur secara statistik dalam hal zona inhibi dianggap signifikan.
Studi Docking Molekuler
Studi docking molekuler in silico sebagai pendekatan efektif untuk identifikasi fitur struktural utama di balik aktivitas antibakteri NR ZnO yang didotasi telah digunakan untuk prediksi mekanisme yang mungkin. Enzim utama jalur biosintesis folat, yaitu dihidrofolat reduktase (DHFR) dan dihidropteroid sintase (DHPS) bersama enzim β-ketoasil-aset karrier protein sintase III (FabH) dari jalur biosintesis asam lemak, telah dilaporkan sebagai target yang menarik untuk penemuan antibiotik. Karakteristik struktural 3D enzim yang dipilih diambil dari Protein Data Bank dan disiapkan menggunakan alat persiapan protein untuk docking NR ZnO dotasi Mg di dalam situs aktif.
Kode aksesi untuk target yang dipilih adalah sebagai berikut: 2ANQ (DHFRE.coli) [24], 5U0V (DHPSE.coli) [25] dan 4Z8D (FabHE.coli) [26]. Studi docking molekuler dilakukan menggunakan perangkat lunak ICM Molsoft (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [27] di mana struktur protein dioptimalkan melalui alat minimasi energi. Molekul air dari struktur kristal bersama ligan yang kristal bersama dihapus diikuti dengan penambahan atom H polar untuk persiapan struktur protein, dan kotak grid digunakan untuk mengidentifikasi saku aktif. Akhirnya, kompleks docking terbaik dipilih untuk analisis interaksi binding untuk mengamati asam amino kunci yang terlibat dalam binding ligan. Discovery studio visualizer dan Pymol digunakan untuk analisis kompleks docking.
Hasil dan Pembahasan
Properti struktural dan konstitusi fase ZnO bebas dopant dan didopasi dievaluasi dengan menggunakan difraksi sinar-X (Gambar 2a). Puncak yang diamati pada 31,7°, 34,5°, 36,3°, 47,5°, 56,6°, 62,9° dan 68,0° dapat ditetapkan pada bidang difraksi (100), (002), (101), (102), (110), (103) dan (112) yang mengonfirmasi bahwa ZnO memiliki struktur heksagonal (JCPDS No. 361451) dengan grup ruang P63mc. Dua puncak mencerminkan impurity dari senyawa yang terdiri dari zinc-karboxil (ditandai dengan panah hitam). Jejak zinc-karboxil ini mungkin telah muncul karena reaksi precursur Zn dengan reaktan lain selama sintesis [28]. Ukuran kristalit ZnO adalah 26 nm diperkirakan menggunakan rumus Scherrer, yang menurun bertahap hingga 23 nm dengan peningkatan jumlah dopant (pada 8 wt%). Untuk memastikan penambahan 'Mg' yang sukses ke dalam jaringan tuan rumah, tiga posisi puncak yang menonjol (100), (002) dan (101) bidang diacak [23]. Dipercaya bahwa puncak ZnO bergerak ke arah 2θ yang lebih tinggi saat dotasi dengan Mg, sementara beberapa studi melaporkan penurunan bertahap dalam ukuran kristalit dengan penambahan dopant seperti Mg, Fe dan Al ke ZnO [29, 30]. Beberapa faktor, termasuk stres kompresi yang disebabkan oleh perbedaan jari-jari ion Zn dan ion dopant, penghambatan pertumbuhan kristal dan/atau pembentukan defek dalam kristal saat dotasi dapat menekan pertumbuhan ZnO. Pergeseran puncak yang diamati untuk NR ZnO didopasi dapat disebabkan oleh ion Mg yang menggantikan ion Zn karena perbedaan jari-jari ion antara Mg2+ (0,57 Å) dan Zn2+ (0,60 Å) [23, 29].
a Pola XRD ZnO dotasi Mg, b–d Pola SAED ZnO, 4%, 8% ZnO dotasi Mg dan e Spektra FTIR, masing-masing
Pola SAED ZnO didopasi menampilkan titik cerah karena difraksi elektron. Setiap titik berasal dari seperangkat bidang paralel yang ditemukan dalam struktur kristal produk yang disintesis yang mempengaruhi kondisi difraksi Bragg. Indeks Miller telah dialokasikan sesuai dengan yang terlihat pada Gambar 2b–d. Pola telah diindeks dengan bidang (002), (100), (101) dan (102) yang terkait dengan struktur heksagonal ZnO dengan sinar elektron memroyeksikan sepanjang sumbu zona [101] [31]. Secara umum, arah anisotropi pertumbuhan ZnO ditentukan oleh energi bebas antarmuka dan potensi pelarutan air. Kecepatan relatif pertumbuhan bidang yang berbeda juga mengontrol pertumbuhan. Pertumbuhan juga dikontrol oleh kecepatan pertumbuhan relatif bidang yang berbeda [32].
Analisis FTIR dilakukan untuk menyelidiki keberadaan kelompok fungsi, kimia permukaan dan mode getaran untuk ikatan kimia yang ada dalam sampel (Gambar 2e). Band dari 400 hingga 560 cm-1 ditetapkan ke peregangan mode getaran Zn–O–Zn yang telah mengonfirmasi pembentukan ZnO. Band daerah rendah/jari sidik diatribusikan ke getaran translasi M–O (590, 670 cm−1) dan O–M–O (430 cm−1) [33]. Seiring dengan peningkatan konsentrasi Mg, tidak ada perubahan signifikan yang diamati pada band absorpsi Zn-O dan intensitas. Band pada 1651 cm-1 sesuai dengan mode peregangan C=O simetris yang sangat ditingkatkan dengan peningkatan persentase pemuatan nitrat magnesium, sementara band ~ 1362 cm-1 sesuai dengan mode peregangan C–O asimetris. Karbon dari bahan awal mungkin telah tergabung ke dalam NR secara tidak sengaja, sedangkan kemunculan band transmisi lebar pada 3456 cm-1 sesuai dengan peregangan O–H dari molekul air yang terserap di permukaan [34].
Untuk memeriksa perubahan perilaku absorpsi saat dotasi, spektrometri UV–Vis digunakan untuk sampel didopasi dan tidak didopasi. Spektra absorpsi UV–Vis NR yang disintesis dicatat dalam rentang 250 hingga 600 nm sebagai fungsi panjang gelombang (Gambar 3a). Sampel menunjukkan absorpsi maksimum sekitar 370–395 nm, dengan pergeseran tepi absorpsi ke arah panjang gelombang yang lebih rendah pada konsentrasi dotasi yang berbeda. Peningkatan ini dalam absorpsi dan pergeseran saat dotasi diatribusikan ke defisiensi oksigen, efek ukuran partikel dan defek struktur biji [35]. Nilai yang diekstrak dari Gambar 3a digunakan untuk menghitung band gap optik (Eg) dari ZnO (menggunakan plot Tauc), yang meningkat dari 3,32 hingga 3,72 eV saat dotasi Mg (Gambar 3b) [36, 37]. Blueshift dalam Eg ini dapat diendorse pada fenomena efek Burstein–Moss. Dalam metode logam oksida, pengurangan ukuran partikel dilaporkan menghasilkan blueshift dari band gap karena efek pengawasan kuantum (QCE). Namun, QCE bukan satu-satunya alasan; dotasi juga dapat mempengaruhi simetri lokal dan menghasilkan pusat defek jaringan yang mengubah struktur band dan menginduksi pergeseran signifikan dalam properti optik [38]. Seperti yang dijelaskan sebelumnya dalam analisis XRD, Mg yang didotasi ke dalam ZnO menghasilkan kekosongan oksigen dalam kristal tuan rumah, yang bertindak sebagai donatur dalam sistem dan berperilaku sebagai ion yang bermuatan positif dengan melepaskan elektron ke CB. Saat konsentrasi pembawa elektron melebihi kepadatan status dalam CB, tingkat energi Fermi didorong ke dalam CB. Substitusi Zn2+ ke dalam Mg2+ menyebabkan peningkatan konsentrasi elektron dan kekosongan oksigen karena perbedaan jari-jari ion dan elektronegativitas kedua bahan tersebut, dan demikian, peningkatan kepadatan pembawa memimpin penguatan tingkat Fermi ke CB semiconductor degeneratif karena ZnO adalah salah satu semiconductor degeneratif paling banyak. Tindakan ini, tingkat Fermi serta posisinya bergantung pada konsentrasi elektron bebas dan eksitasi elektron dari VB ke tingkat Fermi, resulting in peningkatan kepadatan elektron bebas dan perlebaran band gap [39]. Blueshift Burstein–Moss ini berkontribusi pada perlebaran Eg yang diamati dari NR ZnO dotasi Mg.
a Spektra absorpsi sampel ZnO dotasi Mg, b Plot Tauc, c Spektra PL dan d Spektra Raman nanorod ZnO dotasi Mg
Analisis PL adalah alat yang berharga untuk mendapatkan informasi yang lebih baik tentang impurity, transisi dan dopant dengan mempelajari spektrum emisi. Efek ukuran kuantum mempengaruhi properti fisik bahan semiconductor pada skala nano, seperti ZnO mengubah perilaku optiknya dengan peningkatan pengawasan kuantum yang diamati dari PL [40]. Spektra PL dari berbagai konsentrasi Mg yang dimasukkan ke dalam ZnO diukur dengan excitasi λ~325 nm pada suhu kamar (Gambar 3c). Untuk ZnO yang tidak didopasi dan didopasi, emisi level dalam yang lebar dan emisi band dekat terdeteksi. Semua sampel menunjukkan puncak emisi di daerah UV, yang diatribusikan ke rekombinasi eksiton. Puncak yang diamati di daerah terlihat muncul karena status defek (donatur), seperti kekosongan O2-Vo, interstisial Zn-Zni, status defek (akseptor) dari kekosongan zinc-Vz dan interstisial oksigen-Oi [39]. Rasio intensitas puncak di daerah UV dan terlihat sebagian besar dipengaruhi oleh kualitas kristal bahan yang didopasi, karena kepadatan defek menurun dengan amplifikasi kristalinitas. Sampel menunjukkan puncak emisi sekitar 408 nm yang diatribusikan ke transisi tepi band dekat-NBE ZnO [39]. Puncak yang ditemukan pada 408, 442, 467, 488 nm mengarah pada emisi biru dan diatribusikan ke interstisial Zn yang memiliki emisi ungu utama pada 408 nm. Emisi lemah yang diamati pada 442, 467 dan 488 nm diendorse pada rekombinasi pasangan donatur-akseptor (D/A) yang melibatkan berbagai tingkat defek dalam sampel. Emisi pada 488 nm disebabkan oleh elektron dalam kekosongan O2 yang terionisasi sekali dengan lubang yang di-excite cahaya di VB [41]. Intensitas emisi level dalam yang lebar meningkat saat dotasi, sementara puncak emisi NBE dipindahkan ke daerah energi yang lebih tinggi. Blueshift emisi NBE ini dapat ditafsirkan berdasarkan efek Burstein–Moss. ZnO adalah bahan tipe-n, dan saat dotasi berat, tingkat Fermi bergeser ke dalam band konduksi. Demikian, absorpsi harus menunjukkan blueshift sebagaimana diusulkan oleh Burstein; wilayah yang terisi akan memblokir eksitasi optik atau termal [42]. Peningkatan intensitas PL diamati untuk sampel yang didopasi yang mengindikasikan efisiensi transfer elektron yang berkurang.
Pencaran Raman adalah teknik yang sensitif dan non-destruktif untuk menyelidiki mikrostruktur dan menganalisis properti yang terkait dengan status getaran nanomaterial. Oksida seng wurtzite dengan sel primitif yang berisi dua unit rumus ditempatkan dalam grup ruang C6ν. Fonon optik yang ada di sel primitif dalam ruang rekreasional dipertahankan dari hubungan irredusibel: Гopt = 1A1+2B1+ E1+2E2 di mana B1 mewakili mode diam Raman, sementara A1 dan E1 adalah mode polar (gaya Coulomb jauh jangkauan), yang terpecah menjadi fonon optik longitudinal (LO) dan transversal (TO). Selain itu, mode fonon freksi ganda E2 (nonpolar), yang memiliki E2 (rendah) dan E2 (tinggi), sesuai dengan sub-lattice Zn dan atom O2 [43]. Dalam spektrum Raman, puncak yang bergerak ke arah nomor gelombang yang lebih tinggi dan lebih rendah bergantung pada perbedaan panjang ikatan antar molekul. Peningkatan panjang ikatan mengatur pergeseran ke arah nomor gelombang yang lebih rendah dan sebaliknya. Tidak ada puncak urutan lebih tinggi lagi yang diamati di atas 1300 cm-1(Gambar 3d). Puncak dominan yang diamati pada ~ 1069 cm-1 mewakili mode E2H (karakteristik) ZnO heksagonal [44]. Selain itu, tiga puncak kecil juga diamati sekitar 436, 723 dan 1386 cm−1 yang berasal dari latar belakang fluoresensi yang tinggi. Selain itu, spektrum Raman ZnO 8 wt% didopasi mengalami blueshift, yang diatribusikan ke substitusi Mg2+ dengan Zn2+ dalam jaringan ZnO yang dipercaya berperan dalam dinamika jaringan [45]. Biasanya, pergeseran puncak Raman terjadi untuk tiga alasan: efek pembatasan fonon, tekanan jaringan dan kekosongan oksigen. Spektra yang diperoleh dari XRD dan spektroskopi Raman mengonfirmasi bahwa struktur wurtzite-ZnO tidak terpengaruh oleh integrasi Mg; namun, kualitas kristal berkurang secara signifikan.
Untuk konfirmasi morfologi ZnO yang tidak didopasi dan didopasi, HR-TEM dilakukan (Gambar 4a–e) untuk menggambarkan morfologi batang heksagonal ZnO:Mg. Tampaknya Mg menunjukkan peran sebagai inti karena tumbuh dengan dotasi [39]. Nilai jarak spasi lapisan d untuk ZnO yang tidak didopasi dan didopasi dihitung ~ 0,464, 0,183, 0,333, 0,27 dan 0,232 nm Gambar HR-TEM (Gambar 4a′–e′). Nilai jarak spasi d sangat sesuai dengan bidang yang diperoleh dengan analisis XRD. Tidak ada keberadaan impurity/fase sekunder yang mengindikasikan integrasi atom dopant yang memadai ke dalam nanorod ZnO tanpa klastering [46]. Selain itu, perubahan dalam jarak spasi diatribusikan ke integrasi Mg dalam jaringan ZnO.
a–e Gambar HR-TEM dari berbagai konsentrasi ZnO dotasi Mg dan jarak spasi d yang dihitung menggunakan gambar HR-TEM Mg-ZnO a′–e′ dengan konten Mg (2, 4, 6 dan 8 wt%)
Analisis elemen dilakukan menggunakan EDS untuk mengonfirmasi keberadaan seng dan oksigen dalam serbuk nanopowder ZnO (Gambar 5a–e). Rasio atom rata-rata (67,6:23,6) secara kuantitatif mengonfirmasi pembentukan ZnO bersama dengan dopant. Puncak Emas (Au) muncul dalam spektrum karena pelapisan emas yang di-sputter di atas sampel untuk mengurangi efek pengisian. Puncak Cu mungkin berasal dari pita Cu yang digunakan dengan pemegang sampel. Beberapa puncak tambahan (Cl, Si) mungkin mengindikasikan kontaminasi. Puncak Na mungkin berasal dari NaOH yang digunakan untuk mempertahankan pH dasar selama sintesis. Namun, puncak Na tumpang tindih dengan Zn, sehingga kehadirannya dalam sampel tidak dapat dipastikan.
a Analisis EDS ZnO dan berbagai konsentrasi (2, 4, 6 dan 8 wt%) ZnO dotasi Mg (b–e), masing-masing
Proses fotokatalitik melibatkan pembuatan pasangan lubang elektron (e-, h +) dengan pemisahan dan rekombinasi elektron dan lubang yang berikutnya (Gambar 6), yang menunjukkan reaksi redoks berikut [35].
Semua sampel yang disiapkan dievaluasi untuk aktivitas fotokatalitik, sonokatalitik dan sonofotokatalitik terhadap MBCF sebagai kontaminan sasaran. Profil degradasi pewarna MBCF-fotokatalisis pada iradiasi cahaya UV oleh nanokatalis yang disintesis ditampilkan pada Gambar 7a–c.
a Fotokatalisis, b sonokatalisis dan c sonofotokatalisis kinetik reaksi degradasi pewarna MBCF untuk nanorod ZnO dotasi Mg
Konstanta k (rate constant) pseudo-first-order kinetics ditentukan dengan memplot kurva linier ln(Ct/Co), terhadap waktu paparan t. Konstanta laju degradasi k untuk ZnO yang tidak didopasi dan didopasi (2, 4, 6 dan 8 wt %) dihitung sebesar 0,00546, 0,00948, 0,00274, 0,00353 dan 0,00336 min−1, masing-masing (Gambar 7a). ZnO didopasi ditemukan memiliki efisiensi fotokatalitik yang lebih baik daripada ZnO murni dengan degradasi maksimum 26% untuk ZnO didopasi (8 wt%) (Gambar 8a–c). Karena keberadaan kekosongan oksigen permukaan, luas permukaan yang meningkat adalah penjelasan di balik aktivitas fotokatalitik yang meningkat pada ZnO didopasi [35]. Transfer elektron yang diinduksi cahaya di CB semiconductor dengan lubang positif yang tertinggal di VB adalah mekanisme dasar dari fotokatalisis [15]. Hingga eksiton dihancurkan, mereka berpartisipasi dalam reaksi redoks dengan molekul pewarna di sekitar di permukaan katalis, resulting in produk yang terdegradasi. Elektron yang diinduksi cahaya bertindak sebagai agen pengurang yang kuat, yang berinteraksi dengan molekul O2 di sekitar untuk menghasilkan spesies O2·− reaktif. Di sisi lain, lubang yang diinduksi cahaya bertindak sebagai agen pengoksidan yang kuat yang menghasilkan spesies OH· yang sangat reaktif dari kelompok hidroksil. Spesies radikal yang dihasilkan (O2·− dan OH·) berinteraksi dengan molekul pewarna di sekitar untuk mendgradasi mereka menjadi produk atau mineral yang tidak beracun.
a Fotokatalisis, b sonokatalisis dan c sonofotokatalisis fotodegradasi MBCF untuk nanorod ZnO dotasi Mg
Pendekatan alternatif untuk degradasi yang efisien limbah organik dalam air adalah sonokatalisis (SC) [15. Pengaruh gelombang ultrasonik terhadap degradasi MBCF diteliti dengan ZnO yang tidak didopasi dan didopasi. (Gambar 7b). Dalam hal konsentrasi pewarna MBCF, degradasi SC MBCF oleh ZnO didopasi mengikuti kinetika pseudo-first-order. Konstanta laju degradasi ZnO yang tidak didopasi dan didopasi (2, 4, 6 dan 8 wt%) adalah 0,02062, 0,01332, 0,00456, 0,00653 dan 0,00204 min−1, masing-masing. Beberapa studi baru-baru ini telah dilaporkan tentang degradasi pewarna SC, berdasarkan mekanisme titik panas dan sonoluminesensi, dalam kehadiran berbagai katalis. Pembentukan gelembung kavitasi dalam larutan dapat ditingkatkan dengan menciptakan titik panas melalui inti asimetris gelembung. Titik panas ini dapat memicu pembentukan OH oleh molekul H2O untuk pirolisis. Mekanisme sonokimia biasanya membutuhkan sonolisis air, yang adalah pelarut di bawah tekanan dan suhu tinggi dalam gelembung kavitasi yang runtuh. Dalam larutan MBCF dan nanokatalis, gelombang ultrasonik tidak hanya menyebabkan sonolisis air, tetapi juga katalis berpasangan untuk menciptakan pembawa muatan. Radikal OH dan anion superoxide ·O2− dapat dihasilkan oleh pasangan lubang elektron, yang mendgradasi pewarna menjadi spesies yang tidak beracun [15, 47]. Sonofotokatalisis (SPC) juga tampaknya mengikuti kinetika pseudo-first-order, mirip dengan fotokatalisis dan sonokatalisis. Konstanta laju degradasi untuk ZnO yang tidak didopasi dan didopasi (2, 4, 6 dan 8 wt %) adalah 0,00242, 0,04493, 0,1776, 0,01903 dan 0,01883 min−1, masing-masing (Gambar 7c). Performa degradasi ZnO didopasi adalah 12, 29, 53, 58 dan 87%, masing-masing (Gambar 8c).
Hasil ini menunjukkan bahwa dotasi memainkan peran penting dalam efisiensi fotokatalitik ZnO. Pada kondisi operasional yang sama, SPC memiliki tingkat degradasi yang lebih tinggi daripada mekanisme individu yang sesuai. Konstanta laju reaksi proses kombinasi lebih besar dari jumlah konstanta laju proses individu, yaitu photo of Ksono > Kphoto + Ksono, yang dapat diatribusikan pada (i) peningkatan produksi OH dalam campuran, (ii) transfer massa yang ditingkatkan antara larutan dan permukaan katalis, dan (iii) aktivitas yang ditingkatkan terkait pengagregasi ultrasonik, consequently meningkatkan luas permukaan [15, 48]. Untuk memperkirakan kemampuan digunakan kembali serta stabilitas sampel, Gambar 9a menunjukkan bahwa photokatalisis mematikan degradasi pewarna MBCF pada kondisi yang sama setelah eksperimen siklus (empat percobaan siklus). Dengan cara ini, efisiensi degradasi sampel berkurang dari 82 menjadi 75%. Di sini (Gambar 9b), terdapat beberapa pengurasan nanomaterial oleh sentrifugasi atau pencucian saat melakukan eksperimen daur ulang. Berdasarkan hasil daur ulang, disimpulkan bahwa produk tetap stabil dan memiliki kemampuan serta penerimaan yang luar biasa untuk pengolahan air limbah berbahaya. Bagaimanapun, Tabel 2 menunjukkan perbandingan efisiensi degradasi fotokatalitik karya saat ini dengan bahan lain yang dilaporkan.
a Performa digunakan kembali fotokatalisis ZnO dotasi Mg dan b grafik batang %degradasi
Tindakan bakterisidal in vitro ZnO NR yang tidak didopasi dan didopasi untuk bakteri G-ve dan G+ve diberikan dalam Tabel 1. Hasil menggambarkan sinergisme bakterisidal yang ditingkatkan dan tindakan ZnO didopasi terhadap E. coli dibandingkan dengan S. aureus. Zona inhibi dicatat sebagai (1,05–2,05 mm) dan (2,10–4,15 mm) untuk S. aureus dan (0–6,15 mm) hingga (0–8,65 mm) untuk E. coli, masing-masing, sementara ZnO menunjukkan efisiensi yang dapat diabaikan untuk E. coli dibandingkan dengan S. aureus. Selain itu, kontrol + ve menunjukkan zona inhibi (9,00 mm) terhadap E. coli dan S. aureus seiring dengan kontrol -ve (0 mm). Secara keseluruhan, ZnO dotasi Mg menunjukkan efisiensi yang signifikan (P < 0,05) terhadap G-ve dibandingkan dengan bakteri G+ve.
Stres oksidatif yang diinduksi oleh ZnO didopasi yang disiapkan bergantung pada konsentrasi, bentuk dan ukuran NR, sementara peningkatan ukuran NR mengurangi aktivitas antibakteri. Batang nano menghasilkan spesies oksigen (ROS) untuk menghasilkan sel membran bakteri sebagai hasil ekstruksi konten sitoplasma, yang menyebabkan kematian bakteri seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10. Fenomena lain yang mungkin melibatkan interaksi yang kuat antara membran sel yang bermuatan negatif dan kation (Mg2+ dan Zn2+) yang mengarah pada hancurnya mikro-patogen [49].
Resistensi obat telah dianggap sebagai ancaman besar bagi manusia, dan ada kebutuhan berkelanjutan untuk penemuan antibiotik yang lebih kompatibel. Aktivitas bakterisidal NR logam telah terdidokumentasi dengan baik, dan perannya sebagai calon yang mungkin untuk penemuan antibiotik baru telah diusulkan sebelumnya [50]. Studi docking molekuler in silico memfasilitasi untuk mendapatkan wawasan tentang mekanisme di balik aktivitas antibakteri mereka. Dihidrofolat reduktase (DHFR) dan dihidropteroid sintase (DHPS) enzim yang termasuk dalam jalur biosintesis folat telah dilaporkan sebagai target yang terkenal untuk obat trimetoprim dan sulfonamida, masing-masing [51, 52]. Di sini, kami mengevaluasi kecenderungan binding NR ZnO dotasi Mg terhadap enzim DHFR, DHPS dan FabH dari E. coli. Kompleks docking mengungkapkan pola binding mereka di dalam situs aktif dan menyarankan mereka sebagai inhibisor yang mungkin terhadap target enzim yang dipilih.
Untuk DHFRE.coli, kompleks docking terbaik mengungkapkan interaksi ikatan H dengan Ile94 (3,1 Å), Tyr100 (3,1 Å) dan interaksi kontak logam dengan Met20 dan Ala7 dengan overall binding score -7,518 kcal/mol. Interaksi binding dengan asam amino kunci dari saku aktif dan orientasi NP ZnO dotasi Mg digambarkan pada Gambar 11a.
Pola interaksi binding NR ZnO dotasi Mg di dalam saku aktif a Dihidrofolat reduktase (DHFR), b Dihidropteroid sintase (DHPS) dari E. coli
Untuk DHPSE.coli, kompleks docking menunjukkan ikatan H dengan Leu21 (3,1 Å), Asp56 (3,4 Å), Gly59 (2,9 Å), Thr62 (2,8 Å) dan Arg255 (2,8 Å). Selain itu, Asn22 dan Ile20 berinteraksi dengan NR melalui kontak logam di dalam situs aktif seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11b. NP ZnO dotasi Mg ini memblokir situs aktif (binding score: -6,973 kcal/mol) dan diusulkan sebagai inhibisor yang mungkin terhadap enzim DHPS.
Secara serupa, docking NR ZnO dotasi Mg terhadap enzim β-ketoasil-aset karrier protein sintase III (FabH) dari jalur biosintesis asam lemak menunjukkan interaksi ikatan H dengan Glu302 (3,3 Å), Leu220 (2,9 Å), Thr254 (3,2 Å), dan Gln245 (2,7 Å) dengan binding score -6,548 kcal/mol (Gambar 12). Selain itu, NP ZnO dotasi Mg terlibat interaksi kontak logam dengan Ile250 dan His241.
Pola interaksi binding NR ZnO dotasi Mg di dalam saku aktif β-ketoasil-aset karrier protein sintase III (FabH) dari E. coli
Pemblokiran situs aktif melalui binding ligan mencegah masuknya substrat dan demikian mengarah pada kehilangan aktivitas enzim. Karena aktivitas antibakteri yang lebih baik dari NR ZnO dotasi Mg terhadap E. coli dibandingkan dengan S. aureus, prediksi in silico terhadap target enzim yang dipilih mengungkapkan pola binding yang mungkin di dalam saku aktif dan menyarankan mereka sebagai inhibisor potensial dari enzim yang diberikan.
Perbandingan studi sonofotokatalitik saat ini dengan literatur ditunjukkan dalam Tabel 2.
Kesimpulan
Menggunakan teknik co-precipitation, NR ZnO dotasi Mg berhasil disintesis, dan pengaruh dotasi Mg terhadap konstitusi fase, komposisi elemen, morfologi dan properti optik ZnO telah diteliti. Menggunakan analisis XRD, ZnO memiliki fase wurtzite heksagonal, sementara ukuran kristalit yang diperkirakan kurang dari 100 nm. Struktur kristal ZnO juga ditingkatkan oleh dotasi Mg, yang sebaliknya mengarah pada peningkatan luminesensi dan peningkatan band gap. Spektra absorpsi UV–Vis mengungkapkan blueshift yang menunjukkan perlebaran band gap, sementara pembentukan batang ZnO dikonfirmasi oleh studi EDS, di mana rasio atom rata-rata 67,6:23,6 diamati. Spektra Raman mengalami blueshift untuk nilai dotasi yang lebih tinggi (8 wt%) yang disebabkan oleh substitusi Mg2+ untuk Zn2+ dalam jaringan ZnO. Hasil PL menunjukkan peningkatan emisi terlihat dengan Mg, mengarah pada peningkatan delokalisasi pasangan lubang elektron. Performa degradasi pewarna NR yang disintesis dievaluasi terhadap MBCF, dan hasil terbaik diperoleh melalui sonofotokatalisis dengan efisiensi degradasi maksimum 87% untuk ZnO dotasi Mg. Zona inhibi dicatat sebagai (1,05–2,05 mm) dan (2,10–4,15 mm) untuk S. aureus dan (0–6,15 mm) hingga (0–8,65 mm) untuk E. coli, masing-masing. Oleh karena itu, nanorod yang didopasi dapat diimpos sebagai bahan kontrol untuk meminimalkan resistensi antibiotik. Selain itu, studi docking molekuler in silico memprediksi NR ZnO dotasi Mg sebagai inhibisor potensial enzim DHFR, DHPS dan FabH. Inhibisi enzim yang diberikan diusulkan sebagai mekanisme yang mungkin di balik aktivitas bakterisidal NR ZnO dotasi Mg terhadap E. coli.
