Mg 掺杂 ZnO 纳米棒的增强光催化与抗菌性能：结构表征与分子对接洞察

摘要

采用共沉淀法制备了不同浓度的 Mg 掺杂 ZnO 纳米棒（NRs），旨在改善 ZnO 光催化性能。通过 XRD、FTIR、UV-Vis 分光光度计、EDS、HR-TEM 分别评估 Mg 掺杂对 ZnO 结构、相组成、官能团、光学性质、元素组成、表面形貌和微观结构的影响。光学吸收光谱显示掺杂后发生蓝移。XRD 结果显示六方纤锌矿相，晶粒尺寸随 Mg 增加逐渐减小。PL 谱揭示了载流子捕获效率、迁移及电子-空穴复合行为，HR-TEM 测定了层间 d 间距。FTIR 和拉曼光谱揭示了 ZnO 界面的化学键、振动模式和官能团。系统研究了制备 NRs 对亚甲蓝与环丙沙星混合物（MBCF）的光催化、声催化和声光催化降解性能。实验结果表明 Mg 掺杂 ZnO NRs 表现出改进的降解性能。该合成产物有望成为废水处理的有前景光催化剂。此外，Mg 掺杂 ZnO 对革兰氏阴性菌（G-）的抑菌效果显著优于革兰氏阳性菌（G+）（p<0.05）。分子对接研究预测 Mg 掺杂 ZnO NRs 对大肠杆菌 DHFR（结合分数 -7.518 kcal/mol）、DHPS（-6.973 kcal/mol）和 FabH（-6.548 kcal/mol）具有抑制作用，这可能是其杀菌活性的机制。

引言

水体有机污染物排放和食品细菌污染是维持健康环境面临的主要挑战 [1,2]。例如，志贺柔奈菌感染每年因食品饮料污染导致约 150 万人死亡 [3]。水体中释放的染料毒性和致癌物质对环境和公共健康构成严重威胁 [4]，也影响蓝藻和藻类等水生生物光合作用，降低淡水透明度 [5]。

为开发染料废水处理方法，已开展大量物理、生物、化学及新技术研究。物理方法包括超滤膜、吸附和沉淀 [6]；生物降解用于可溶性有机物降解和菌体清除；化学方法包括光化学脱色、氯化和臭氧氧化 [7]。传统废水处理（化学沉淀、吸附、絮凝分离）不合适，因其仅转移染料并造成二次污染 [8]。因此研究者寻求直接将有机污染物降解为无害物质的环保技术 [9]。

近年来，半导体纳米颗粒（NPs）辅助的光催化和声催化高级氧化工艺（AOPs）因化学稳定性、成本效益和无毒性受关注 [10-12]。光催化涉及半导体光照生成电子-空穴对，参与氧化还原反应去除水中污染物 [13,14]。研究显示光化学反应中羟基自由基（OH·）在光催化剂表面累积，导致多种有机染料降解。如今，光催化（PCA）与超声协同的声光催化（SPCA）因增加 OH· 离子产生而提高纳米催化剂降解效率 [15]。金属氧化物 NPs 因成本效益、环保、稳定性和可回收性受青睐 [16,17]。宽禁带无机半导体（TiO₂、WO₃、ZrO₂、ZnO）在光诱导催化氧化还原降解染料方面成功 [18,19]。ZnO 为宽禁带（Eg=3.37 eV）半导体，因表面缺陷位点活性、优异物理化学稳定性、高氧化还原电位、大激子结合能（~60 meV）、廉价无毒而在 PCA 应用中展现非凡潜力 [20-23]。在各种金属中，镁（Mg）是合成光学 Eg 工程化 ZnO 纳米材料最迷人的掺杂剂。Mg 替代 ZnO 因以下因素受青睐：(i) 晶格常数不变，(ii) 离子半径极接近（Mg²⁺=0.72 Å，Zn²⁺=0.74 Å），(iii) Mg 在 ZnO 中高溶解度，(iv) 掺杂 ZnO 增加 Eg 和 UV-Vis 发光强度，利于光电应用。此外，宽光学禁带使 Mg 掺杂 ZnO 可作为高效染料降解光催化剂和有前景的抗菌剂 [23]。

本研究采用共沉淀法合成高效 Mg 掺杂 ZnO 纳米复合材料用于催化和杀菌活性。通过 XRD、HR-TEM、EDS、FTIR、UV-Vis 和拉曼光谱详细表征。以亚甲蓝-环丙沙星混合物（MBCF）为目标污染物研究催化活性，对 G+ 和 G- 细菌测试抗菌活性。此外，对叶酸生物合成途径关键酶二氢叶酸还原酶（DHFR）和二氢蝶酸合酶（DHPS），以及脂肪酸生物合成途径的 β-酰基-酰基载体蛋白合酶 III（FabH）进行分子对接研究。

方法

材料

硝酸锌四水合物（Zn(NO₃)₂·4H₂O，99.0%）、氯化镁六水合物（MgCl₂·6H₂O，99.0%）和氢氧化钠（NaOH，99.0%）购自 Sigma-Aldrich。

Mg 掺杂氧化锌（ZnO）合成

采用共沉淀法将不同浓度 Mg 掺入定量 ZnO 纳米材料。0.5 M Zn(NO₃)₂·4H₂O 溶液作 Zn 前驱体，加入所需量（2、4、6、8 wt%）MgCl₂。溶液在去离子水中于 80°C 搅拌 90 min，缓慢加入 0.1 M NaOH 维持 pH≈12。沉淀经 4000 rpm 离心 20 min，100°C 干燥 24 h，研磨得细粉（图 1）。

材料表征

XRD（PANalytical X-pert PRO，CuKα λ=1.541874 Å，2θ=20°–80°）确定相组成和结构；FTIR（PerkinElmer）验证官能团；UV-Vis 分光光度计（Genesys 10S）观测光学性质；荧光光谱仪（JASCO FP-8200，300–500 nm）获取 PL 发射光谱；EDS（INCA 软件）估算元素组成；SEM（JEOL JSM 6460LV）和 HR-TEM（JEOL JEM 2100F）确定形貌和微观结构。

光催化、声催化和声光催化活性

在固定频率 ~35 kHz 超声浴中测试 ZnO 和 Mg:ZnO 对 MBCF 的声催化（SCA）和声光催化（SPCA）活性。可见光照射下测试光催化降解（PCA）。每次实验中，50 mL 模染料悬浮 10 mg 光催化剂，避光 10–15 min 达吸附-解吸平衡。依次置于可见光（PCA）、超声（SCA）、可见光+超声（SPCA）条件下。定时取 3 mL 悬液于 λmax=670 nm 处吸收分析。蓝色溶液随 MBCF 降解褪色。降解度 Ct/Co（Ct 瞬时浓度，Co 初始浓度），降解率 = (Co-Ct)/Co × 100%。

金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分离鉴定

收集患亚临床乳房炎奶牛乳样，5% 羊血琼脂培养后划线接种甘露醇食盐琼脂（MSA，G+ S. aureus）和麦康凯琼脂（MA，G- E. coli），pH≈7。通过生化（过氧化氢酶、凝固酶试验）和形态学（革兰氏染色）鉴定特征菌落。

抗菌活性

采用琼脂孔扩散法检测合成 NRs 对 G- 和 G+ 菌株杀菌性能。将 1.5×10⁸ CFU/mL S. aureus 和 E. coli 分别涂布于 MSA 和 MA 平皿。无菌钻孔器打直径 6 mm 孔。以去离子水为阴性对照，环丙沙星为阳性对照，分别加入 0.5 mg/50 μl 和 1.0 mg/50 μl 不同浓度 Mg:ZnO NRs。37°C 过夜培养，用游标卡尺测量抑菌圈直径。单因素方差分析（ANOVA，SPSS 20）统计抑菌圈显著性。

分子对接研究

分子对接作为识别掺杂 ZnO NRs 抗菌活性关键结构特征的有效手段，用于预测可能机制。叶酸生物合成途径关键酶 DHFR 和 DHPS，脂肪酸生物合成途径的 FabH 均为抗生素发现靶点。从蛋白质数据库获取选定酶 3D 结构，经蛋白制备工具优化用于 Mg 掺杂 ZnO NRs 对接。登录号：2ANQ (DHFR_E.coli) [24]、5U0V (DHPS_E.coli) [25]、4Z8D (FabH_E.coli) [26]。使用 ICM Molsoft 软件 [27] 对接：蛋白结构经能量最小化优化，移除晶体水和配体，添加极性 H 原子，网格框确定活性口袋。选取最佳对接复合物分析结合相互作用，观察关键氨基酸。Discovery Studio Visualizer 和 Pymol 分析对接复合物。

结果与讨论

结构性质与相组成：XRD 评估无掺杂和掺杂 ZnO 结构性质（图 2a）。31.7°、34.5°、36.3°、47.5°、56.6°、62.9°、68.0° 衍射峰分别对应 (100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(112) 晶面，确认 ZnO 为六方结构（JCPDS No. 361451），空间群 P63mc。两杂质峰（黑箭头）归因于锌-羧基化合物，可能源于合成过程中 Zn 前驱体与其他反应物反应 [28]。Scherrer 公式计算 ZnO 晶粒尺寸为 26 nm，随掺杂量增加逐渐减至 23 nm（8 wt%）。跟踪 (100)、(002)、(101) 三主峰位置确认 Mg 成功进入主晶格 [23]。ZnO 峰向高 2θ 移动，多项研究报道 Mg、Fe、Al 掺杂 ZnO 均导致晶粒尺寸逐渐减小 [29,30]。压应力（Zn 与掺杂离子半径差）、晶体生长阻碍、掺杂缺陷生成等因素可抑制 ZnO 生长。掺杂 ZnO NRs 峰位移归因于 Mg²⁺（0.57 Å）替代 Zn²⁺（0.60 Å）的离子半径差 [23,29]。

SAED 显示明亮衍射斑点（图 2b-d），每个斑点源自合成产物晶体结构内一组满足布拉格条件的平行晶面。Miller 指数标注为 (002)、(100)、(101)、(102)，电子束沿 [101] 区轴投影 [31]。ZnO 各向异性生长方向由界面自由能和水溶解势决定，不同晶面相对生长速度也控制生长 [32]。

FTIR 分析官能团、表面化学和化学键振动模式（图 2e）。400–560 cm⁻¹ 带归属于 Zn-O-Zn 伸缩振动，确认 ZnO 形成。低频/指纹区带归属于 M-O 平移振动（590、670 cm⁻¹）和 O-M-O（430 cm⁻¹）[33]。Mg 浓度增加时 Zn-O 吸收带无显著变化。1651 cm⁻¹ 对应对称 C=O 伸缩，随硝酸镁负载量增加显著增强；~1362 cm⁻¹ 对应不对称 C-O 伸缩。起始材料中碳可能意外掺入 NRs。3456 cm⁻¹ 宽透射带对应表面吸附水分子 O-H 伸缩 [34]。

光学性质：UV-Vis 光谱（250–600 nm）检测掺杂对吸收行为影响（图 3a）。样品在 370–395 nm 处最大吸收，吸收边随掺杂浓度向短波长移动（蓝移）。吸收增加和蓝移归因于氧缺乏、粒径效应和晶粒结构缺陷 [35]。Tauc 图计算光学带隙 Eg：ZnO 从 3.32 eV 增加至 3.72 eV（图 3b）[36,37]。蓝移可用 Burstein-Moss 效应解释。金属氧化物法中，粒径减小导致量子限域效应（QCE）引起禁带蓝移。但 QCE 非唯一原因；掺杂也影响局域对称性、产生晶格缺陷中心，改变能带结构致显著光学性质位移 [38]。XRD 分析显示 Mg 掺杂产生氧空位，作为施主释放电子到导带。电子载流子浓度超过导带态密度时，费米能级推入导带。Zn²⁺ 替代为 Mg²⁺ 导致电子浓度和氧空位增加（离子半径和电负性差异），载流子密度增加将费米能级推入简并半导体导带。ZnO 为高度简并半导体，费米能级及其位置取决于自由电子浓度和价带到费米能级电子激发，自由电子密度增加导致禁带增宽 [39]。Burstein-Moss 位移导致观测到的 Mg 掺杂 ZnO NRs Eg 增宽。

PL 光谱（λ~325 nm 激发，室温）揭示杂质、跃迁和掺杂信息（图 3c）。量子尺寸效应影响纳米尺度半导体物理性质，ZnO 光学行为随量子限域增强而改变 [40]。未掺杂和掺杂 ZnO 均检测到宽深能级和近带边发射。所有样品在紫外区显示发射峰，归因于激子复合。可见区峰源于缺陷态（施主：O₂ 空位-Vo、Zn 间隙-Zni；受主：Zn 空位-Vz、O 间隙-Oi）[39]。408 nm 发射峰对应 ZnO 近带边-NBE 跃迁 [39]。408、442、467、488 nm 峰致蓝光发射，408 nm 主要来自 Zn 间隙紫光发射。442、467、488 nm 弱发射归因于不同样品缺陷能级的施主-受主（D/A）对复合 [41]。488 nm 发射源于单电离 O₂ 空位电子与价带光激发空穴 [41]。掺杂后宽深能级发射强度增加，NBE 发射峰向高能区蓝移。NBE 蓝移可用 Burstein-Moss 效应解释：ZnO 为 n 型，重掺杂下费米能级进入导带，填充区阻挡光学/热激发 [42]。PL 强度增加暗示电子转移效率降低。

拉曼光谱探测微观结构和振动态性质（图 3d）。基元胞含两个式单元的纤锌矿 ZnO 属 C6ν 空间群。倒空间基元胞光学声子由不可约关系确认：Гopt = 1A₁+2B₁+E₁+2E₂，B₁ 为拉曼禁模，A₁ 和 E₁ 为极性模（长程库仑力），分裂为纵光学（LO）和横光学（TO）声子。双频声子模式 E₂（非极性）含 E₂(low) 和 E₂(high)，分别对应 Zn 子晶格和 O₂ 原子 [43]。拉曼峰向高/低波数移动取决于分子间键长变化：键长增加向低波数移动，反之亦然。1300 cm⁻¹ 以上无高阶峰。~1069 cm⁻¹ 主峰为六方 ZnO 特征 E₂H 模式 [44]。436、723、1386 cm⁻¹ 三弱峰源于高荧光背景。8 wt% 掺杂 ZnO 拉曼光谱蓝移，归因于 Mg²⁺ 替代 Zn²⁺ 影响晶格动力学 [45]。拉曼峰移动通常因声子限域效应、晶格应变、氧空位。XRD 和拉曼确认纤锌矿 ZnO 结构未受 Mg 掺杂影响，但晶体质量显著下降。

形貌与微观结构：HR-TEM 确认未掺杂和掺杂 ZnO 形貌（图 4a-e），呈六方棒状。Mg 似乎作为成核剂随掺杂生长 [39]。未掺杂和掺杂 ZnO 层间 d 间距分别计算为 ~0.464、0.183、0.333、0.27、0.232 nm（图 4a'-e'），与 XRD 晶面一致。无杂质/第二相表明掺杂原子充分掺入 ZnO 纳米棒无团聚 [46]。d 间距变化归因于 Mg 掺入 ZnO 晶格。

元素分析：EDS 确认 ZnO 纳米粉末中 Zn 和 O 存在（图 5a-e）。平均原子比（67.6:23.6）定量确认 ZnO 形成及掺杂元素。Au 峰源于溅射金涂层减少充电效应。Cu 峰可能源于样品台 Cu 胶带。额外峰（Cl、Si）可能指示污染。Na 峰可能源于合成时用 NaOH 调节碱性 pH，但 Na 峰与 Zn 重叠，无法确定样品中是否存在。

光催化机制：光催化涉及电子-空穴对（e⁻、h⁺）生成、分离与复合（图 6），发生以下氧化还原反应 [35]：

ZnO + hν → ZnO (e_CB + h_VB)

e_CB + O₂ → O₂·⁻

O₂·⁻ + 染料降解产物 + CO₂ + H₂O

OH· + 染料降解产物 + CO₂ + H₂O

催化活性评价：所有样品评价光催化、声催化、声光催化降解 MBCF 性能（图 7a-c）。

基于拟一级动力学绘制 ln(Ct/Co) 对时间 t 线性曲线确定速率常数 k。未掺杂和掺杂 ZnO（2、4、6、8 wt%）光催化 k 分别为 0.00546、0.00948、0.00274、0.00353、0.00336 min⁻¹（图 7a）。掺杂 ZnO 光催化效率优于纯 ZnO，8 wt% 掺杂 ZnO 最大降解率 26%（图 8a-c）。表面氧空位导致比表面积增加是掺杂 ZnO 光催化活性增强的解释 [35]。半导体导带光激发电子、价带留下正空穴是光催化基本机制 [15]。激子湮灭前参与催化剂表面染料分子氧化还原反应生成降解产物。光激发电子作强还原剂与 O₂ 生成活性 O₂·⁻；光激发空穴作强氧化剂从羟基生成高活性 OH·。自由基（O₂·⁻、OH·）与染料分子反应降解为无毒产物或矿物质。

声催化（SC）为水中有机废物高效降解替代方案 [15]。研究超声波对 MBCF 降解影响（图 7b）。掺杂 ZnO 声催化降解遵循拟一级动力学。未掺杂和掺杂 ZnO（2、4、6、8 wt%）k 分别为 0.02062、0.01332、0.00456、0.00653、0.00204 min⁻¹。近期研究基于热点机制和声致发光报道 SC 染料降解。空化气泡形成可通过非对称成核产生热点增强。热点可触发 H₂O 分子热解生成 OH。声化学机制通常需水声溶解（高温高压下空化气泡内溶剂）。MBCF 和纳米催化剂溶液中，超声波不仅致水声溶解，还耦合催化剂产生电子-空穴对。电子-空穴对生成 OH· 和超氧阴离子 ·O₂⁻，将染料分解为无毒物种 [15,47]。声光催化（SPC）同样遵循拟一级动力学。未掺杂和掺杂 ZnO（2、4、6、8 wt%）k 分别为 0.00242、0.04493、0.1776、0.01903、0.01883 min⁻¹（图 7c）。掺杂 ZnO 降解性能分别为 12%、29%、53%、58%、87%（图 8c）。

结果表明掺杂在 ZnO 光催化效率中起关键作用。同等条件下，SPC 降解率高于单一机制。联合工艺反应速率常数大于单一工艺速率常数之和（K_spc > K_pca + K_sca），归因于：(i) 混合物中 OH 产生增加，(ii) 溶液与催化剂表面传质增强，(iii) 超声分散增强表面积 [15,48]。循环实验评估重复使用性和稳定性（图 9a）：连续四次循环后光催化降解效率从 82% 降至 75%。离心洗涤回收实验中纳米材料有损耗（图 9b）。结论：产品稳定，具备危险废水处理显著能力。表 2 对比本工作与其他材料光催化降解效率。

抗菌活性：未掺杂和掺杂 ZnO NRs 对 G- 和 G+ 菌体外杀菌作用见表 1。结果显示掺杂 ZnO 对 E. coli 的杀菌协同作用和活性优于 S. aureus。S. aureus 抑菌圈 1.05–2.05 mm 和 2.10–4.15 mm；E. coli 为 0–6.15 mm 至 0–8.65 mm；纯 ZnO 对 E. coli 效果可忽略，优于 S. aureus。阳性对照环丙沙星对两菌抑菌圈均 9.00 mm，阴性对照 0 mm。总体 Mg 掺杂 ZnO 对 G- 效果显著优于 G+（P<0.05）。

制备掺杂 ZnO 诱导氧化应激取决于 NRs 浓度、形状和尺寸；NRs 尺寸增大降低抗菌活性。纳米棒生成活性氧（ROS）攻击细菌细胞膜导致细胞质外泄致死（图 10）。另一可能机制：带负电细胞膜与阳离子（Mg²⁺、Zn²⁺）强相互作用导致微病原体崩解 [49]。

耐药性是人类重大威胁，持续需要发现更相容抗生素。金属 NRs 杀菌活性有据可查，曾被建议作为新抗生素候选者 [50]。分子对接研究有助于洞察抗菌活性机制。叶酸生物合成途径酶 DHFR 和 DHPS 分别是甲氧苄啶和磺胺类药物靶点 [51,52]。本文评估 Mg 掺杂 ZnO NRs 对大肠杆菌 DHFR、DHPS 和 FabH 结合倾向。对接复合物揭示其活性位点结合模式，提示为选定酶靶点潜在抑制剂。

DHFR_E.coli 最佳对接复合物显示与 Ile94（3.1 Å）、Tyr100（3.1 Å）氢键相互作用，与 Met20 和 Ala7 金属接触相互作用，总结合分数 -7.518 kcal/mol。活性位点关键氨基酸结合相互作用及 Mg 掺杂 ZnO NP 取向见图 11a。

DHPS_E.coli 对接复合物显示与 Leu21（3.1 Å）、Asp56（3.4 Å）、Gly59（2.9 Å）、Thr62（2.8 Å）、Arg255（2.8 Å）氢键相互作用。Asn22 和 Ile20 在活性位点通过金属接触与 NRs 相互作用（图 11b）。Mg 掺杂 ZnO NPs 阻塞活性位点（结合分数 -6.973 kcal/mol），提示为 DHPS 潜在抑制剂。

类似地，Mg 掺杂 ZnO NRs 对脂肪酸生物合成途径 β-酰基-酰基载体蛋白合酶 III（FabH）对接显示与 Glu302（3.3 Å）、Leu220（2.9 Å）、Thr254（3.2 Å）、Gln245（2.7 Å）氢键相互作用，结合分数 -6.548 kcal/mol（图 12）。此外与 Ile250 和 His241 存在金属接触相互作用。

配体结合阻塞活性位点阻止底物进入导致酶活性丧失。鉴于 Mg 掺杂 ZnO NRs 对 E. coli 抗菌活性优于 S. aureus，分子对接预测其在选定酶活性位点结合模式，提示为这些酶潜在抑制剂。

表 2 对比本声光催化研究与文献。

结论

采用共沉淀法成功合成 Mg 掺杂 ZnO NRs，研究了 Mg 掺杂对 ZnO 相组成、元素组成、形貌和光学性质的影响。XRD 显示 ZnO 为六方纤锌矿相，晶粒尺寸 <100 nm。Mg 掺杂改善 ZnO 晶体结构，提高发光并增大禁带。UV-Vis 吸收光谱显示蓝移表明禁带增宽；EDS 平均原子比 67.6:23.6 确认 ZnO 棒状形成。8 wt% 掺杂拉曼光谱蓝移，归因于 Mg²⁺ 替代 Zn²⁺。PL 结果显示 Mg 导致可见光发射增加，电子-空穴对离域化增强。染料降解性能评价显示声光催化最佳，Mg 掺杂 ZnO 最大降解效率 87%。S. aureus 抑菌圈 1.05–2.05 mm 和 2.10–4.15 mm，E. coli 为 0–6.15 mm 至 0–8.65 mm。因此掺杂纳米棒可作为控制材料减少抗生素耐药性。分子对接预测 Mg 掺杂 ZnO NRs 为 DHFR、DHPS 和 FabH 潜在抑制剂，抑制这些酶可能是其对 E. coli 杀菌活性的机制。

数据与材料可用性

所有数据无限制完全可用。

缩略语

DHFR:

二氢叶酸还原酶

DHPS:

二氢蝶酸合酶

EDS:

能量色散 X 射线能谱

FTIR:

傅里叶变换红外光谱

FESEM:

场发射扫描电镜

G+ve:

革兰氏阳性

G-ve:

革兰氏阴性

HR-TEM:

高分辨透射电镜

JCPDS:

粉末衍射标准联合委员会

Mg:

镁

UV-Vis:

紫外-可见光谱

XRD:

X 射线衍射

ZnO:

氧化锌