Síntesis biogénica, caracterización y evaluación del potencial antibacteriano de nanopartículas de óxido de cobre contra Escherichia coli

Resultados y discusión

Se realizó espectroscopía UV-Vis de NP de CuO dopadas y extractos acuosos de ZO y AS para investigar el comportamiento óptico como se muestra en la Fig. 2a, b. Para la formación posterior de NP de CuO, se observó un cambio gradual de color del vino al negro carbón mientras se realizaba la optimización de los NP sintetizados mediante extractos acústicos abovedados. Se observaron picos de absorción de extractos acuosos ZO y AS a 275 y 280 nm. Los resultados se muestran λ _máx para CuO dopado con ZO y AS a 250 nm que representa una relación de 6 ml:1 con corrimientos al rojo y al azul característicos, respectivamente [35]. Los picos anchos especificaron grupos de partículas y la transición de electrones a las bandas de conducción desde la fase de valencia con extractos concentrados en CuO según lo divulgado por las bandas de absorción fuerte [36]. En las NP de CuO sintetizadas en verde, se observó una absorción reducida al aumentar o reducir el volumen del extracto además del valor optimizado (6 ml:1).

Espectros de absorción de NP de CuO dopadas con a ZO b Extracto de AS y espectro de PL CuO NP con c ZO y d AS extractos, respectivamente

Además, fue notable observar que las estructuras semiconductoras confirmaron sus características físicas a los efectos de tamaño cuántico nanométrico existentes. Los espectros PL de CuO NP dopados con ZO y AS con una excitante longitud de onda UV de 300 nm se presentan en la Fig. 2c, d. Los tres picos de emisión a 418, 561 y 664 nm se representaron en cada gráfico PL puro y dopado de CuO (región UV) [37]. Una banda de luz violeta-azul que se encuentra a 418 nm es un pico de emisión de CuO estándar en el borde cercano de la banda [38, 39]. A 430 nm, el borde del hombro puede deberse a vacantes de CuO, que es un semiconductor de tipo p. El borde verde amarillento es responsable de los defectos de profundidad a bajas temperaturas a 561 nm. Los picos de emisión de rojo a 664 nm son responsables de las diferentes condiciones del cobre o de la presencia de vacantes individuales de oxígeno ionizado [40, 41]. La diversa existencia de emisiones visibles en el espectro violeta-azul, amarillo-verde y rojo indica que las partículas de CuO estudiadas tienen una alta relación volumen-superficie y una multitud de condiciones superficie-volumen y defectos (vacantes o intersticiales) que producen rangos de trampa a emisión [40, 42].

Se realizó una XRD para evaluar la estructura cristalina, la composición y la escala de CuO NP como se presenta en la Fig. 3a, d dopado con ZO y AS, respectivamente. El aumento de cristalinidad se demostró mediante picos detectados a 2 θ =38,7 °, 48,6 °, 53,5 °, 58,3 °, 61,7 ° y 66,2 ° con los correspondientes planos cristalinos (111), (-202), (020), (202), (-113) y (022), respectivamente. Los picos detectados aseguraron la presencia de fase monoclínica de CuO sincronizada con la tarjeta JCPDS nº:00–002–1040 [43]. El tamaño de cristalito característico medido usando D =0,9 λ / β porque θ se encontró que era 24,7 y 47,6 nm para CuO dopado con ZO y AS, respectivamente, y el tamaño de cristalito de la muestra prístina era 27,4 nm. Se han identificado varios productos naturales como agentes de protección y reducción del tamaño medio de cristalito en extractos de AS y ZO [44].

Patrones XRD de CuO NP sin y con dopaje de a AS b ZO

Los grupos funcionales de NP de CuO dopados con extracto de AS y ZO se examinaron con FTIR como se ilustra en la Fig. 4a, b, correspondientemente. El pico ancho a 3314 cm ⁻¹ ratificó la presencia de grupos hidroxilo y la amplitud del pico representa C =O directo con (N – H) aminas [45]. El pico intenso a 1638 cm ⁻¹ correspondía a CH ₂ –OCH ₃ grupo existente en 6-snogal y 6-gingerol de ZO ya que encontró una reducción sustancial de CuO. Los enlaces simples típicos de Cu – O observados a 478,8 cm ⁻¹ en la forma de torsión se debían a fuertes modos de vibración [46]. Todos los picos sugieren que los grupos alcohol, amina y cetona dieron como resultado quelación y recubrimiento de flavonoides, sustancias químicas vegetales y proteínas [47].

Espectros FTIR de a AS b NP CuO dopadas con ZO

Se utilizó FE-SEM para estudiar las características de la superficie y la escala de NP de CuO dopadas con extracto de ZO y AS, como se muestra en la Fig. 5a – d ′. Las imágenes FE-SEM muestran que las NP de CuO están extremadamente aglomeradas en morfología esférica. La interferencia magnética y la conformidad de los polímeros entre partículas pueden mostrar aglomeración entre partículas [48]. El dopaje de ZO y AS con CuO fue evidente por las imágenes que muestran la formación de grupos y el tamaño de las partículas parece <1 μm, como se ilustra en la Fig. 5b – d ′.

Imágenes CuO NP tomadas con FESEM a CuO, b - d CuO y b ′ dopados con ZO - d ′ NP de CuO dopadas con AS, respectivamente

La espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) ilustró la composición química con una investigación elemental de una muestra prístina y NP de CuO dopado con extractos de raíz de ZO y AS mediante fases de CuO inveterado, como se muestra en la Fig. 6a – d ′. Tres picos correspondientes a la alta pureza de Cu confirmada por EDS de las muestras ensayadas en comparación con el oxígeno precursor entre 1 y 10 keV. La resonancia de plasmón superficial (SPR) de CuO NP dio lugar a picos de absorción [49]. 83,7%, 15,2% y 0,6% se observaron para el peso atómico a través de espectros de Cu, O y Ca, respectivamente, para la muestra de control, mientras que 82,8%, 14,8% y 2,4% para la muestra optimizada y dopada con ZO (6 mL:1) observado a través de espectros de Cu, O y Zn, respectivamente. Asimismo, se encontraron 65,3, 29,6 y 4,6 para Cu, O y S con dopaje AS, respectivamente. Los compuestos atómicos suplementarios que aparecen en EDS respondieron al soporte de muestra SEM utilizado durante el análisis [50].

Espectros EDS de CuO NPs a CuO puro b - d CuO y b ′ dopados con ZO - d ′ NP de CuO dopadas con AS, respectivamente

La estructura exclusiva y característica de CuO NP se evaluó adicionalmente utilizando HR-TEM a 50 nm como se muestra en la Fig. 7a-l. Las imágenes HR-TEM revelaron nanopartículas adornadas similares a las imágenes FE-SEM, junto con una mayor aglomeración mientras que el tamaño medía menos de 50 nm. La presencia de fitoquímicos en NP de CuO dopadas con ZO y AS también se confirmó con imágenes HR-TEM [51]. No se observaron imperfecciones ni deformidades en la estructura reticular integral de los NP de CuO dopados con ZO y AS [52]. Se presentaron micrografías filtradas mediante los resultados de HR-TEM junto con la transformada rápida de Fourier [FFT] del área especificada representada por un cuadrado amarillo en la Fig. 7b, d, f, h, j, l presentando características estructurales y atómicas de alta resolución. Las dimensiones medias de partículas de HR-TEM se corresponden con precisión con los tamaños de cristalitos observados durante el análisis de XRD y SEM [53].

un , b HR-TEM, a - f franjas de celosía de 3 mL, 6 mL y 12 mL CuO dopado con ZO g - l franjas de celosía de NP de CuO dopadas con AS de 3 ml, 6 ml y 12 ml, respectivamente

El análisis XPS de CuO dopado con Gi y Ga CAE que representa C 1 s y Cu 2 p El espectro se muestra en la Fig. 8a, b. El C1 s rango indica la presencia de cuatro picos distintos Fig. 8a con grupos funcionales distintivos como C (H, C) (284.39 eV), C (N) (285.6 eV), C (O, =N) (287.0 eV) y C – O –C (288,75 eV) [54,55,56]. Principalmente, la Fig. 8b muestra Cu 2 p patrón de CuO dopado con picos en energías de unión de 933,3 y 953,3 eV correspondientes a Cu 2 p _3/2 y Cu 2 p _1/2 La órbita de giro indica el estado de oxidación divalente de la muestra preparada. Los picos relevantes a 942,2 y 962 eV se refieren a picos de satélite de Cu 2 p _3/2 y Cu 2 p _1/2 que parecía deberse principalmente a 3 d parcialmente llenos ⁹ orbital en estado de oxidación divalente [57].

un , b Análisis XPS de NP de CuO dopadas a C1s b Cu 2p

Se aplicó el método de difusión de pozos para la evaluación del potencial bactericida de los extractos acuosos de ZO y AS y se sintetizaron NP de CuO midiendo las áreas de inhibición después de incubar las placas de Petri durante 24 h, como se muestra en la Fig. 9a – d, archivo adicional 1:Fig. S1 y tabulados en la Tabla 1. Los hallazgos revelaron que la concentración de NP y las zonas inhibidoras respondieron sinérgicamente. Las zonas de inhibición significativas encontradas para la muestra 1 (3 mL:1), la muestra 2 (6 mL:1) y la muestra 3 (12 mL:1) fueron (1.05–1.85 mm) y (1.85–2.30 mm) usando disminuciones (↓) y concentraciones aumentadas (↑), respectivamente, para nanopartículas de CuO dopadas con ZO ( p <0,05), figura 9a. De manera similar, los NP dopados con AS exhibieron zonas de inhibición (0,65-1,00 mm) solo a la concentración máxima, figura 9b. Los NP dopados con AS demostraron una eficacia nula contra E. coli a concentraciones mínimas. El extracto de ZO mostró un efecto a una concentración disminuida (↓) en comparación con una concentración aumentada (↑) que muestra una zona de 1,55 mm, de manera similar, no se encontró ningún efecto antibacteriano de los extractos de AS tanto en concentraciones disminuidas (↓) como aumentadas (↑). El control positivo tratado con ciprofloxacino mostró una zona de 4,25 mm mientras que el control negativo tratado con DIW mostró 0 mm. El% de edad de eficacia bactericida se elevó del 24,7 al 43,5% y del 43,5 al 54,1% para los NP dopados con ZO a concentraciones mínima y máxima, respectivamente (Fig. 9c). De manera similar, la eficacia del 15,3 al 23,5% resultó en la concentración máxima sólo para NP dopadas con AS (Fig. 9d). En resumen, el CuO dopado con extracto de ZO y optimizado a 6 ml:1 manifestó un mayor potencial bactericida frente a la E. coli de origen mastitis bovina ( p <0.05) como se muestra en la Fig. 9a, b.

un - d Actividad antibacteriana in vitro de CuO NP a dopado con ZO a ↓ y ↑ dosis, b dopado con AS en ↓ y ↑ dosis, respectivamente, c eficacia% edad dopada con ZO y d eficacia% edad dopada con AS

El potencial bactericida de las nanopartículas depende del tamaño de las NP, la estructura morfológica y la relación superficie-masa. Se cree que las especies reactivas de oxígeno (ROS) son responsables de la formación de zonas de inhibición por nanopartículas de CuO [58, 59]. La desnaturalización de la proteína celular resultó de la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) perjudiciales [60]. Algunas especies reactivas exhibieron papeles trascendentales en la fotocatálisis, como radicales hidroxilo y superóxido y huecos [61]. La síntesis de especies reactivas de oxígeno (ROS) y la liberación de iones metálicos son las principales características que manifiestan los cambios estructurales de las enzimas y proteínas, lo que resulta en un daño irreparable del ADN y la posterior muerte bacteriana [62]. De manera similar, el estrés oxidativo producido por especies reactivas de oxígeno (ROS) se considera el principal contribuyente a la fotocatálisis [63]. La producción de ROS es inversamente proporcional al tamaño de las nanopartículas, es decir, cuanto menor es el tamaño de las NP, mayor es la producción de ROS que, en consecuencia, daña la membrana bacteriana, lo que da como resultado la extrusión del contenido citoplásmico y la degradación del ADN que conduce a la explosión bacteriana, como se muestra en la Fig.10. Al mismo tiempo, el Cu cargado positivamente interactúa electrostáticamente con la membrana bacteriana cargada negativamente dando como resultado la desintegración celular y finalmente la destrucción bacteriana [58, 64, 65]. Se han propuesto dos respuestas como posibles para el mecanismo bactericida de las nanoestructuras. Uno implica un mejor enlace entre los cationes Cu ²⁺ y células bacterianas, lo que lleva a la formación de secciones negativizadas y finalmente al colapso. El otro implica la excitación electrónica de la superficie de la banda de cenefa de CuO mediante excitación. Además, el O ₂ eléctrico la reacción produce O ²⁻ radicales, que conducen a la formación de H ₂ O ₂ . El O ²⁻ generado Las especies son esenciales para la descomposición de las moléculas de lípidos o proteínas en la membrana celular exterior de las bacterias [58, 66].

Ilustración de la acción bactericida de CuO NP

Conclusiones

Potencial bactericida de los NP de CuO dopados con Zingiber officinale y Allium sativum extractos contra E. coli fue evaluado en este estudio, elaborado con el objetivo de antimicrobianos alternativos, económicos y efectivos. El papel significativo de los ingredientes fitoquímicos de los extractos de ZO y AS se reveló en la síntesis biogénica de NP de CuO, mientras que se descubrió que los efectos sinérgicos de los flavonoides con CuO dependen de la concentración y explotan el potencial bactericida contra E. coli . Se realizó FTIR para confirmar el dopaje de extractos de ZO y AS y los picos de XRD confirmaron la fase monoclínica y la estructura esférica con tamaños medios de 24,7 nm (dopado con ZO) y 47,6 nm (dopado con AS). La morfología esférica se confirmó con imágenes FESEM junto con una exorbitante conglomeración de NP de CuO. Las nanopartículas adornadas revelaron una mayor aglomeración en imágenes TEM con un tamaño de menos de 50 nm. Para las muestras dopadas con extractos de raíces, se encontró que el espaciado entre capas de nanopartículas de CuO medido como 0,23 nm era compatible con los patrones de XRD. Los resultados de este estudio sugieren que se puede anticipar el potencial antibacteriano de las NP de CuO sintetizadas en verde como agentes bactericidas alternativos para corregir las preocupaciones relacionadas con la resistencia y los residuos de los antibióticos. Se puede concluir que los NP de CuO dopados con hierbas autóctonas son agentes antibacterianos económicos, eficaces y respetuosos con la naturaleza.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

EDS:

Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía

fcc:

Cúbico centrado en la cara

FTIR:

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

G + ve:

Gram positivo

G −ve:

Gram negativo

JCPDS:

Comité conjunto sobre estándares de difracción de polvo

CuO:

Óxido de cobre

nm:

Nanómetro

Absorción de luz mejorada con plasmón en (p-i-n) células solares de nanocables GaAs de unión:un estudio de método de simulación FDTD Efectos de la coadsorción en la transferencia de carga interfacial en un compuesto cuántico dot @ dye