绿色合成掺银ZnO纳米材料用于光催化、气体检测及抗菌作用：基于分子对接技术的见解

《Journal of the Indian Chemical Society》：Green Synthesis of Ag-doped ZnO Nanomaterials for Photocatalytic and Gas Sensing and Antimicrobial Activities: Insights from Molecular Docking

　　

马尤尔·库特（Mayur Kute）|贾格迪什·戈特卡尔（Jagdish Ghotekar）|约格什瓦尔·巴斯特（Yogeshwar Baste）|巴拉萨赫布·帕加尔（Balasaheb Pagar）|莫希尼·瓦杰（Mohini Waje）|达克沙特拉·库特（Dakshata Kute）|维克拉姆·贾达夫（Vikram Jadhav）

印度马哈拉施特拉邦纳希克（Nashik）MVP Samaj KTHM学院研究中心

摘要：

在本研究中，我们采用一种环保的绿色方法，利用Cyperus rotundus提取物成功制备了掺银的ZnO纳米材料（NMs）。通过FTIR、UV-vis、XRD、SEM-EDS、HR-TEM-SAED和BET分析对其进行了验证。XRD结果证实了这些纳米材料的结晶结构，平均晶粒尺寸为20-25纳米。SEM和TEM分析揭示了其独特的形态，而EDS分析确认仅含有银（Ag）、锌（Zn）和氧（O）元素。UV-Vis分析显示其吸收边对应于4.20电子伏特的宽带隙。通过可见光下对品红碱性（FB）染料的降解（95%）评估了这些纳米材料的光催化性能。进一步通过HRMS分析降解后的染料产物来验证了这一效果。该纳米材料在液化石油气（LPG）气体传感方面表现出优异的性能，在优化工作温度120℃时最大响应率为74%，对干扰气体具有出色的选择性，并且在多次循环使用中具有良好的长期重复性。这些纳米材料对大肠杆菌（E. coli）、奇异变形杆菌（P. mirabilis）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）、枯草芽孢杆菌（B. subtilis）、白色念珠菌（C. albicans）和黑色曲霉菌（A. niger）具有显著的抗菌活性。分子对接分析显示，与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的结合亲和力最高，分别为-2.0千卡/摩尔，与铜绿假单胞菌（P. aeruginosa的结合亲和力为-1.8千卡/摩尔。总体而言，这些结果表明掺银的ZnO是一种高度稳定、反应性强且功能多样的材料，在光催化、气体传感和抗菌应用方面具有巨大潜力。

引言

随着全球人口的持续增长，消费者需求激增，导致合成染料和有机污染物向水资源的排放量显著增加。提供清洁、安全的饮用水已成为世界上最紧迫的问题之一，主要是由于除草剂、杀虫剂、药物残留物以及纺织、造纸和皮革等行业产生的工业染料等持久性污染物的影响[1]、[2]。使用绿色和可持续的方法制备多功能纳米材料引起了广泛关注，尤其是在环境修复和生物医学领域。在这里，掺银（Ag）的ZnO纳米结构展现了优异的光催化、气体传感和抗菌性能。天然产物[3]、用于能源收集的光伏电池[4]以及用于农业的纳米材料（如氧化石墨烯[5+]为理解其毒理学途径提供了线索，而使用相变纳米流体[6]或异质结光催化剂[7]的研究展示了这一不断扩展领域的广泛应用。陶瓷颜料[8]、[9]和电解质化学[10]的最新进展凸显了结构和界面工程的关键需求。在纳米尺度上对材料的表征，包括分子动力学模拟[11]和高质量纳米带的合成[12]，进一步揭示了材料的行为。此外，还研究了使用多孔材料[11]和分子筛催化剂[12]捕获CO₂的方法，但可持续能源应用则采用了非贵金属催化剂[13]和金属有机框架[14]。除了降解途径[15]的研究外，仿生纳米流体[16]、大气反应[17]和功能涂层[18]以及电磁屏蔽[19]、排放控制[20]和 hydrate 形成[21]方面的进展也支持了这项研究。阳离子染料（如品红碱性（FB）因其高毒性、化学稳定性和在水环境中的持久性而特别危险。因此，目前缺乏既能去除水中污染物又能检测环境危害的新材料[22]、[23]。由于ZnO纳米材料的 photocatalytic 活性、抗菌性能和生物相容性，它们已被广泛研究。然而，纯 ZnO 通常具有较低的光提取效率，并且由于氧空位等缺陷导致电子-空穴对快速复合[24]、[25]。用贵金属（主要是银 Ag）掺杂 ZnO 是解决这些问题的有效方法[26]、[27]、[28]。掺银可以改善电荷分离，增强光吸收并提升 photocatalytic 活性。银还是比铂（Pt）或金（Au）更具成本效益的替代品，适用于高效的大规模工业应用。当掺银的 ZnO 与有机污染物相互作用时，会触发氧化还原反应，激发态的电子和空穴与表面 OH 基团反应，生成活性氧物种（ROS），例如 OH 自由基，这些自由基可将复杂的分子（如 FB）氧化为无害物质。除了液相处理外，掺银的 ZnO 还可以通过气体传感控制空气污染。监测空气中有害气体、爆炸性气体和挥发性有机化合物（VOCs）对于保持工业和家庭环境的安全至关重要[29]、[30]、[31]。掺银改变了 ZnO 的表面化学性质和电子属性，在较低的工作温度下提高了其对 LPG 的灵敏度和选择性。此外，这些抗菌纳米材料（NMs）通过氧化应激对细菌具有很强的杀伤效果，并能破坏微生物细胞膜[27]、[32]。分子对接作为一种揭示这种生物相互作用的计算工具，具有重要意义。通过模拟纳米材料与微生物蛋白质之间的结合亲和力，对接研究为理解掺银 ZnO 如何干扰关键细胞过程提供了机制上的见解，从而为具有增强生物功能的材料提供指导原则。绿色合成仍然是当代纳米技术的前沿[30]、[33]、[34]。使用植物提取物（Cyperus rotundus 叶提取物）进行绿色合成提供了一种环保的替代化学方法。这些化合物不是强碱；据报道它们是 AgCl 的产物，因其生物活性而起到稳定和还原作用，从而防止了颗粒聚集并支持均匀生长[35]、[36]、[37]。

本文描述了一种使用Cyperus rotundus提取物简便且可重复的绿色合成掺银 ZnO NMs 的方法。所合成的纳米材料通过 XRD、FTIR、UV-Vis、FE-SEM-EDX、BET、HR-TEM、SAED 和 PL 光谱进行了全面表征。测试了它们在光降解 FB 染料、选择性检测 LPG 气体和广谱抗菌方面的多组分性质。此外，还进行了分子对接研究，以揭示在生物界面上的相互作用模式。这项工作为环境修复和安全问题提供了全面解决方案，代表了应对当前生态污染的有效途径。

部分摘录

材料

使用了六水合硝酸锌（Zn(NO₃)₂.6H₂O（纯度 ≥ 99%）、硝酸银（AgNO₃（纯度 ≥ 98%）、无水乙醇（纯度 ≥ 99.5%）和品红碱性（FB）。所有化学品均为分析级，确保了整个研究过程中的高纯度。

Cyperus rotundus叶提取物的制备

新鲜 Cyperus rotundus 叶子经过仔细清洗、阴干后研磨成细粉。取5克这种粉末，在蒸馏水中搅拌回流，然后通过 Whatman 纸过滤，在减压条件下浓缩，并储存在4℃

纳米材料的功能和结构研究

在500-4000 cm^-1范围内使用 FTIR 光谱研究了掺银 ZnO 的官能团和化学键（图1）。掺银 ZnO 的 FTIR 光谱显示了确认 ZnO 晶格形成的吸收带以及来自绿色合成的有机封盖剂的存在。在3432 cm^-1处观察到一个宽而强的吸收带（对应于表面吸附的水分子或羟基的 O-H 振动），以及2920 cm^-1附近的较弱吸收带

降解效率和动力学

随时间变化的 UV-Vis 吸收光谱（图8a）显示，在90分钟的照射时间内，550纳米处的特征 FB 吸收峰逐渐减弱，表明染料有效降解。降解效率（A/A0，其中 A 和 A0 分别表示 t 时刻和初始时刻的吸光度）随着催化剂剂量的增加而提高（图8b 和 8c）。将掺银 ZnO 的负载量从10毫克增加到50毫克显著提升了降解速率

进行了计算机模拟分子对接研究，以探索掺银 ZnO NMs 与特定微生物蛋白质的相互作用。使用可访问的平台 CB-Dock 2 预测了 NMs 与目标蛋白质之间的结合亲和力和相互作用模式。这些对接研究揭示了可能的结合位点和分子间相互作用，如氢键和范德华力，这对于理解这些材料的抗菌效果至关重要[58]。

结论

本研究提出了一种简单、可扩展且环保的掺银 ZnO NMs 合成方法，对其结构、光学和功能性质进行了彻底分析。这些纳米材料表现出优异的光催化活性，去除了95.11%的 FB 染料，并在多次循环中使用中显示出良好的重复性。HRMS 分析证实了 FB 分子的有效降解。结果表明，掺银 ZnO 是一种有前途的高性能 LPG 传感器材料，具有最高的灵敏度

CRediT 作者贡献声明

达克沙特拉·库特（Dakshata Kute）：写作 – 审稿与编辑。维克拉姆·贾达夫（Vikram Jadhav）：写作 – 审稿与编辑。贾格迪什·戈特卡尔（Jagdish Ghotekar）：项目管理、方法论、实验研究。约格什瓦尔·巴斯特（Yogeshwar Baste）：可视化、验证、监督、软件、资源。巴拉萨赫布·帕加尔（Balasaheb Pagar）：初稿写作。莫希尼·瓦杰（Mohini Waje）：写作 – 审稿与编辑。马尤尔·库特（Mayur Kute）：形式分析、数据管理、概念化

数据可用性声明

数据可应要求提供。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资金信息

本研究没有外部资金支持。

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。