退火锡氧化物纳米结构的增强光催化与抗菌性能：分子对接研究

摘要

采用简便经济的沉淀法制备纳米二氧化锡，经X射线粉末衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、高分辨透射电镜（HR-TEM）、能谱（EDX）及UV-Vis光谱表征。XRD显示锡氧化物颗粒具典型斜方晶结构，退火提高结晶度。250°C主要生成斜方晶SnO，500°C和750°C转化为SnO₂。HRTEM和FESEM显示颗粒存在团聚。UV-Vis显示吸收随退火温度先增后减。考察退火温度对合成光催化剂染料分解行为影响：退火温度影响颗粒尺寸、带隙宽度及光活性。500°C样品遵循一级动力学，对亚甲基蓝表现最大光催化活性。实验表明SnO₂是去除废水/环境污染物的有前景催化剂。500°C退火SnO对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌圈显著大于250°C和750°C样品。进一步对SnO₂纳米颗粒进行分子对接，针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的β-内酰胺酶（细胞壁生物合成途径）和DNA旋转酶（核酸生物合成途径）活性位点：SnO₂ NPs对大肠杆菌β-内酰胺酶结合能−5.71 kcal/mol，金黄色葡萄球菌β-内酰胺酶−11.83 kcal/mol；对大肠杆菌DNA旋转酶−9.57 kcal/mol，金黄色葡萄球菌−8.61 kcal/mol。硅预测提示SnO₂ NPs为潜在抑制剂，有助阐明作用机制、促进新抗生素发现。

引言

传统金属氧化物优异性能与广泛应用推动其纳米结构形式探索。其中氧化锡（SnO₂）为重要金属氧化物，室温下具3.6 eV宽带隙。属n型半导体，固有氧空位与间隙锡原子作为施主，自由电子增加提高导电率。SnO₂作氧化催化剂、光催化剂、气体传感器、透明导体等基础应用推动深入研究。能检测可燃/爆炸/有毒气体。工业化导致有害气体（CO、SO₂）排入大气、偶氮染料排入废水，约500吨染料/年排入工业废水，~80%来自纺织业。化学毒素/有机燃料造成大气污染，危险染料危害水体生态，检测防治技术愈发重要。SnO₂独特理化性质使其能低温工作；固有非化学计量比利于氧表面吸附还原有害气体；成本低于同类材料；具实质光学透明度与电导率，适用光电元件；用于制造透明电极、太阳能电池板、电致变色器件等。

预防水源性疾病需从废水去除细菌。2003-2005美国报告四起水源性疾病，病原体污染饮用水影响约282人。常规水体消毒依赖化学药剂，对囊型原虫（贾第鞭毛虫/隐孢子虫）效果差，且可能产生有害副产物。纳米技术为新一代技术，可通过新消费品、材料用法、制造方法影响世界经济。金属氧化物纳米结构因高比表面积、稳定性、生物相容性显示增强抗菌性能；能穿透细胞膜破坏细菌细胞器。主要研究两种锡氧化物：SnO和SnO₂，源于锡双价态（+2、+4）。均为宽带隙半导体：SnO为PbO结构，SnO₂为金红石结构（四方晶系）。带隙3.6–4.0 eV，n型半导体，透光率>85%。SnO为p型，带隙2.7–3.4 eV（实验可达3.6 eV）。结构/光学/电子性质显示：增压导致非结构斜方SnO形成及UV-Vis/近红外透射；升温亦致斜方SnO与四方SnO₂形成。压力/温度升高移动吸收边、增大带隙。多晶SnO在400–700°C转化为SnO₂相。带隙可调性使锡氧化物用于电子工业。SnO/SnO₂也用于锂离子电池。文献显示控制尺寸可改善纳米材料电化学性能。Kida等报告：减小颗粒尺寸提高H₂检测响应，但H₂S/CO响应随尺寸增大而增加。制备SnO₂方法多样：Merlin用绿色合成（Stevia提取物作封端/还原剂）得20–30 nm颗粒；Janardhan等用稀HCl和SnCl₂·2H₂O得平均50 nm SnO颗粒；Selvakumari等用鸡蛋壳膜得平均晶粒13–40 nm SnO₂。纳米材料合成法包括电化学还原、溶胶-凝胶、水热、共沉淀等。本工作选用沉淀法——简便经济合成纳米结构。旨在考察合成温度（250、500、750°C）对非结构材料晶粒尺寸、形貌、带隙能量影响；以亚甲基蓝（工业常见污染物）为模型研究光催化行为；分子对接预测SnO₂对大肠杆菌/金黄色葡萄球菌β-内酰胺酶（细胞壁生物合成）与DNA旋转酶（核酸生物合成）作用机制。

方法

化学试剂

分析纯氯化亚锡二水合物（SnCl₂·2H₂O）和乙醇自Sigma-Aldrich（德国）购买。氢氧化钠（NaOH）和亚甲基蓝（MB）分别自Merk（德国）和BDH（英国）购买。蒸馏水本地购买制备锡氧化物纳米结构。MB污染物化学结构见图1。

锡氧化物纳米结构制备

采用高纯度分析纯试剂，沉淀法制备锡氧化物纳米材料（见图2）。SnCl₂·2H₂O（19 g）和NaOH（8 g）分别溶于50 mL蒸馏水。70°C下恒定搅拌（400 mL烧瓶），NaOH溶液滴加入SnCl₂·2H₂O溶液（~10滴/min）。滴加出现白色沉淀。产物经蒸馏水和乙醇多次洗涤离心。室温干燥48 h除水。研钵研磨成细粉。三份样品在马弗炉中分别于250、500、750°C退火3 h，升温速率0.5°C/min。

光催化活性测试

在光源下监测MB水溶液光降解评价退火锡氧化物样品光活性（机制见图3）。每次实验：10 mg纳米材料加入60 mL MB水溶液（10 mg/L）。光照前磁力搅拌暗反应5 min达吸附/解吸平衡。汞灯（400 W，λ=400–700 nm）照射80 min，搅拌220 rpm。每隔间隔取~5 mL测定MB残留量（UV-Vis分光光度计，300–750 nm）。记录MB最大吸收波长（~665 nm）随辐照时间变化研究光降解。按下式计算染料降解率：降解% = [(C₀−C)/C₀]×100，C₀为初始MB浓度，C为辐照后浓度。同条件无光催化剂对照。考察再利用性：降解液离心（6000 rpm，10 min）回收光催化剂，80°C干燥2 h后重复降解实验，耐久性测试达四个循环。

抗菌活性测试

采用孔扩散法评价不同退火温度SnO纳米结构对山羊乳腺炎分离的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌体外抗菌作用。含细菌（0.5 McFarland标准）的MacConkey琼脂和甘露盐琼脂平板，用无菌钻孔器打6 mm孔，37°C培养。测试合成纳米结构两浓度（500和1000 μg/50 μl）为低/高剂量，环丙沙星（5 μg/50 μl）和DI水（50 μl）作阳性/阴性对照。过夜培养后用游标卡尺测量抑菌圈（mm）。单因素方差分析（ANOVA，SPSS 20.0）判定统计学显著性。

分子对接研究

细胞壁合成是不同作用模式抗生素（如β-内酰胺类、糖肽类）的有效靶点。β-内酰胺类抗生素为最畅销药物，是细菌感染最常用治疗。其通过结合青霉素结合蛋白（PBP）和β-内酰胺酶抑制细胞壁生物合成。核酸合成酶（如DNA旋转酶）也是抗生素发现有效靶点。本工作对SnO₂ NPs与大肠杆菌/金黄色葡萄球菌β-内酰胺酶和DNA旋转酶进行分子对接，洞察其可能作用模式。

选定蛋白靶点3D晶体结构自蛋白数据库：大肠杆菌β-内酰胺酶 4KZ9 (1.72 Å)、DNA旋转酶 6KZX (2.1 Å)；金黄色葡萄球菌β-内酰胺酶 1MWU (2.6 Å)、DNA旋转酶 5CTU (1.45 Å)（图4）。用ICM Molsoft软件对接。受体制备工具添加极性氢、去除水分子和共结晶配体；能量最小化优化蛋白结构；网格框确定共结晶配体周围活性位点。每种情况生成SnO₂ NPs在酶活性位点内10个最佳构象，选结合能最低构象分析结合模式与抑制倾向。SnO₂结构用ICM ligedit工具生成；对接构象3D视图经ICM和Discovery Studio Visualizer生成。

材料表征

BRUKER D2 Phaser XRD（2θ=10°–70°，Cu Kα λ=1.540 Å）考察晶格结构与相组成。PerkinElmer FTIR评价官能团。JEOL JSM-6610LV FESEM配Oxford XMax EDS/INCA软件分析形貌与元素组成。Philips CM30与JEOL JEM 2100F HR-TEM记录SAED、HRTEM图像与晶格条纹。GENESYS-10S UV-Vis光谱仪记录300–800 nm光学性质。

结果与讨论

图5a展示不同退火温度锡氧化物样品XRD谱。CuKα辐射相分析，Debye-Scherer公式 D=Kλ/βcosθ（λ=1.54 Å，k=0.9）计算晶粒尺寸。250°C：2θ峰值29.12°(112)、31.60°(020)、33.57°(113)、40.15°(023)、45.54°(024)、51.35°(222)、64.57°(225)均归属斜方SnO（JCPDS: 01-077-2296）；仅26.66°(112)属斜方SnO₂（JCPDS: 01-078-1063）。500°C和750°C退火后，SnO衍射峰消失，产物为斜方SnO₂，晶面24.81°(110)、29.12°(113)、31.23°(020)、41.59°(211)、46.90°(117)、59.57°(135)与JCPDS 01-078-1063吻合。表明材料先在250°C氧化为SnO，≥500°C完全转化为SnO₂。结晶度随温度升高增强。SAED图样（图5b,c）：250°C样品亮点环对应斜方SnO (020)、(023)、(024)、(112)；750°C样品对应SnO₂ (020)、(110)、(117)、(135)，与XRD一致。

FTIR谱（图5d）：~3580 cm⁻¹与~1602 cm⁻¹峰归属O-H伸缩/弯曲及Sn-OH键（锡氧化物吸附环境水分）；2300–2400 cm⁻¹弱峰为大气暴露生成CO₂；1174 cm⁻¹为表面羟基振动；1401 cm⁻¹为C-H弯曲振动；500–700 cm⁻¹特征峰为表层Sn-O振动。退火温度升高致峰位蓝移、特征峰增强变强，因退火使原子获能改变位置致再结晶。

FESEM与HRTEM分析形貌与纳米结构（图6）。HRTEM显示近球形颗粒团聚、尺寸随机分布（图6a,c）；500°C样品（图6b）可见较大、略透明、单分散、少团聚颗粒。高倍插图同趋势。500°C形貌突变或为氧化过程特征温度。晶格条纹间距（图6d-f）：250°C样品~0.225 nm对应斜方SnO (023)面（JCPDS: 01-077-2296）；500°C和750°C样品d-spacing约0.364、0.367 nm对应SnO₂斜方结构(110)面（JCPDS: 01-078-1063），与XRD吻合。IFFT图像清晰显示d-spacing随温度增大。

FESEM图（图7）：250°C（图7a）颗粒形状不均、大小晶粒随机分布伴团聚；750°C（图7b）小团聚颗粒、结构较良好。团聚因颗粒间弱力粘附形成亚微米实体，增大尺寸减小比表面积、降低表面自由能。EDX分析750°C样品（图7c）：Sn、O、C重量%分别53.7、42.2、4.0%，无杂质，C可能源自固样碳带，确证高纯SnO₂。

UV-Vis吸收谱（图8a）：多因素影响吸光度（氧缺陷、带隙、杂质、表面粗糙）。各退火温度样品均显300–365 nm紫外截止（光激发价带电子跃迁至导带）。吸收谱随温度在300–365 nm略有下降。Tauc关系 αhν=A(hν−E_g)ⁿ（α吸收系数，A常数，n=1/2直接带隙）外推(αhν)² vs hν得光学带隙E_g（图8b）。250、500、750°C样品带隙分别3.51、3.32、3.71 eV，符合文献值。总体随温度升高原子获能再结晶改变形貌减小晶粒（HRTEM可析）；量子限域效应致颗粒减小带隙增大。500°C样品最低带隙（3.32 eV）归因于独特纳米结构或多晶锡氧化物非晶合成及氧空位产生红移。Tauc模型称非晶/无序半导体有局域带尾态、较低带隙能。

光催化活性评价（图9）：光照降解MB染料。MB溶液λ_max=665 nm吸收随光分解时间下降（图9a）。500°C样品（E_g=3.32 eV）展现最大光催化性能，归因于特定形貌与低电子-空穴复合率。80 min内250、500、750°C样品MB降解率分别86.0%、92.4%、71.6%（图9b）。半导体光活性与带隙相关，影响光生电子-空穴对氧化还原电位。三样品中500°C带隙最低（3.32 eV），其显著增强降解率归因于独特结构与高团聚度（图9b）。拟一级动力学：ln(C_o/C)=kt（图9c），k为速率常数。500°C样品k=0.59 min⁻¹，250°C和750°C分别约0.50、0.31 min⁻¹（图9d）。

光催化剂处理污水需稳定性与再利用性。四循环测试（图10）：500°C样品四循环后MB光分解仅下降6%。污染物去除结果与Prakash等报道相当。

抗菌活性（图11、表1）：抑菌圈随纳米结构浓度正比。SnO（250、500、750°C）对大肠杆菌/金黄色葡萄球菌低/高浓度抑菌圈分别2.85–3.5/3.35–3.75 mm和3.25–4.75/4.55–5.35 mm。功效%随浓度升高：大肠杆菌67.0–82.3%→78.8–88.2%，金黄色葡萄球菌45.4–66.4%→63.6–74.8%。DI水对照0 mm；环丙沙星阳性对照大肠杆菌/金黄色葡萄球菌抑菌圈4.25/7.15 mm。总体500°C优化SnO₂两浓度下均更强，且SnO₂对革兰阴性（G−）大肠杆菌比革兰阳性（G+）金黄色葡萄球菌更强。

纳米结构尺寸、浓度、形貌直接影响氧化应激。抗菌活性与尺寸呈反比。纳米结构高效产生活性氧（ROS）存于细菌膜致细胞器外泄、细菌死亡。SnO₂高效生成ROS含H₂O₂、OH、超氧离子。SnO对大肠杆菌比金黄色葡萄球菌抗菌功效高，归因于细菌细胞壁结构差异：G−菌薄肽聚糖层+外膜（蛋白/磷脂）；G+菌厚肽聚糖层+脂oteichoic/teichoic酸。细胞壁结构差异导致纳米结构对G−菌最大功效。

微生物多重耐药威胁全球公共健康，急需新作用模式抗生素。不同类抗生素靶向细菌生存关键通路：β-内酰胺类（青霉素）靶向肽聚糖合成酶（细胞壁前体）；利福平靶向核酸生物合成酶。虽纳米颗粒杀菌活性近年常报道，但确切作用机制未明。鉴于SnO₂对大肠杆菌/金黄色葡萄球菌良好抗菌活性，本工作分子对接研究其对β-内酰胺酶和DNA旋转酶潜在作用机制。

大肠杆菌β-内酰胺酶最佳结合能−5.71 kcal/mol，与Lys239（1.80 Å）、Gly235（1.66 Å）氢键，与Gln35金属接触（图12a,b）。大肠杆菌DNA旋转酶最佳−9.57 kcal/mol，与Thr163（1.46 Å）、Gly77（1.43 Å）、Glu50（3.36 Å）氢键，与Gly75金属接触（图12c,d）。

金黄色葡萄球菌β-内酰胺酶最佳−11.83 kcal/mol，与Ser400（2.16 Å）、Gly522（1.99 Å）、Ile524（1.90 Å）氢键，与Gln521金属接触（图13a,b）。金黄色葡萄球菌DNA旋转酶最佳−8.61 kcal/mol，与Gly85（2.55 Å）、Thr173（1.54 Å）氢键（图13c,d）。

结论

简便沉淀法合成不同退火温度锡氧化物纳米颗粒。250°C退火主要生成斜方SnO，500°C和750°C转化为SnO₂。XRD与HRTEM显纳米颗粒具斜方结构；颗粒尺寸随温度升至500°C增大，750°C减小。500°C大尺寸归因于该温度样品独特结构。纳米结构显良好结晶性与团聚。以MB染料为模型污染物评价光活性：500°C样品比250°C高6%活性，80 min辐照达92%最大降解。光催化主活性实体为自由基（·OH⁻、·O₂⁻）与空穴。硅预测与体外杀菌活性吻合。SnO₂ NPs对β-内酰胺酶和DNA旋转酶分子对接显示抑制倾向，需酶抑制实验进一步验证。

数据与材料可用性

所有数据无限制完全公开。

缩写

EDS:

能谱

FTIR:

傅里叶变换红外光谱

G+ve:

革兰阳性

G−ve:

革兰阴性

HR-TEM:

高分辨透射电镜

JCPDS:

粉末衍射标准联合委员会

NPs:

纳米颗粒

SnO:

一氧化锡

UV-Vis:

紫外-可见光谱

XRD:

X射线衍射