MgドープZnOナノロッドの光触媒・抗菌性能向上：構造解析と分子ドッキングによる知見

概要

共沈法により様々な濃度のMgドープZnOナノロッド（NRs）を作製し、ZnOの光触媒特性向上を目指した。XRD、FTIR、UV-Vis分光光度計、EDS、HR-TEMにより、Mgドーピングが構造、相構成、官能基、光学特性、元素組成、表面形態、微細構造に及ぼす影響を評価。光吸収スペクトルからドーピングによるブルーシフトを確認。XRDで六方最密充填ウルツ鉱型相を確認、Mg添加に伴い結晶子サイズが漸減。PL分光でキャリアトラップ効率と電子-正孔再結合挙動を解析、HR-TEMで層間d-spacingを推定。FTIRとラマンでZnO界面の化学結合、振動モード、官能基を同定。光触媒、音響触媒、光音響触媒性能をメチレンブルーとシプロフロキサシン混合液（MBCF）分解で系統的評価。MgドープZnO NRsが分解性能向上を示し、廃水処理用有望光触媒となることを示唆。抗菌試験では、MgドープZnOがグラム陰性菌（G-ve）に対しグラム陽性菌（G+ve）より有意（p<0.05）に高い効力を示した。E. coliのDHFR（結合スコア−7.518 kcal/mol）、DHPS（−6.973 kcal/mol）、FabH（−6.548 kcal/mol）に対するインシリコ分子ドッキングにより、これら酵素阻害が殺菌機構の可能性として予測された。

はじめに

水中有機汚染物質と食品中感染性細菌汚染は、健全な環境維持のため克服すべき主要課題となっている。例としてShigella flexneri感染により年間約150万人が食品・飲料汚染で死亡。水生環境へ放出される染料中の毒性・発癌性物質は環境と公衆衛生に深刻なリスクをもたらし、シアノバクテリアや藻類の光合成活性を阻害し淡水透明度を低下させる。

染料除去のため、物理的（超濾過膜、吸着、沈殿）、生物学的（生分解）、化学的（光化学脱色、塩素処理、オゾン処理）手法が研究されてきた。従来の廃水処理（化学沈殿、吸着、凝集、分離）は染料を移動させるだけで二次汚染を招くため不適切。研究者らは有機汚染物質を無害化合物へ直接分解する環境調和型技術を模索している。

近年、半導体ナノ粒子（NPs）存在下での光触媒・音響触媒高度酸化プロセス（AOPs）が、化学的安定性、コスト効率、無毒性の観点から注目されている。光触媒は光照射により半導体光触媒中で電荷キャリアを生成し、光生成キャリアが酸化還元反応に参加して水中汚染物質を除去する。OHラジカルが光触媒表面に蓄積し有機染料を分解することが知られる。光触媒（PCA）と超音波照射の相乗効果である光音響触媒（SPCA）は、OHイオン生成増加によりナノ触媒分解効率を向上させ、有毒化合物分解に有益であることが示されている。コストメリット、環境親和性、安定性、再利用可能性から金属酸化物NPsの汚染水処理利用が注目されている。TiO₂、WO₃、ZrO₂、ZnOなどの広帯域ギャップ無機半導体が光触媒酸化還元プロセスで染料分解に成功している。ZnO（バンドギャップEg=3.37 eV）は、活性表面欠陥サイト、優れた物理化学的安定性、高酸化還元ポテンシャル、大きな励起子結合エネルギー（∼60 meV）、低コスト、無毒性などでPCA用途に優れたポテンシャルを持つ。ドーパントとしてマグネシウム（Mg）は光学的EgエンジニアリングZnOナノ材料合成に最も魅力的：(i) 格子定数不変、(ii) イオン半径が近い（Mg²⁺=0.72 Å, Zn²⁺=0.74 Å）、(iii) ZnOへの高溶解度、(iv) ドープZnOでEgとUV-Vis発光強度増大、光電子応用に有用。さらにMgドープZnOは広光学バンドギャップにより効果的光触媒および有望抗菌剤となり得る。

本研究では共沈法で効率的MgドープZnOナノコンポジットを合成し、触媒・殺菌活性を評価。XRD、HR-TEM、EDS、FTIR、UV-Vis、ラマンで詳細解析。MBCF分解で触媒活性、G+ve/G-ve菌で抗菌活性を試験。さらに葉酸生合成経路のジヒドロ葉酸還元酵素（DHFR）、ジヒドロプテロ酸シンターゼ（DHPS）、脂肪酸生合成経路のβ-ケトアシル-アシルキャリアタンパクシンターゼIII（FabH）に対する分子ドッキングを実施。

手法

材料

硝酸亜鉛四水和物（Zn(NO₃)₂·4H₂O, 99.0%）、塩化マグネシウム六水和物（MgCl₂·6H₂O, 99.0%）、水酸化ナトリウム（NaOH, 99.0%）をSigma-Aldrichから入手。

Mgドープ酸化亜鉛（ZnO）の合成

固定量ZnOナノ材料に様々な濃度のMgを共沈法でドープ。0.5 M Zn(NO₃)₂·4H₂O溶液をZn前駆体とし、所望量（2, 4, 6, 8 wt%）のMgCl₂を添加。脱イオン水中で80°C、90分攪拌し、pH≈12を維持しながら0.1 M NaOHを徐々に添加。得られた沈殿を4000 rpm（20分）遠心分離、100°Cで24時間乾燥、粉砕して微粉末を得た（図1）。

MgドープZnOナノロッド合成戦略の概略図

材料キャラクタリゼーション

相構成・構造同定：PANalytical X-pert PRO XRD（CuKα, λ=1.541874 Å、2θ=20°–80°）。官能基存在確認：PerkinElmer FTIR。光学特性：Genesys 10S UV-Vis分光光度計。PL発光スペクトル（300–500 nm）：JASCO FP-8200分光蛍光光度計。元素組成：INCA EDSソフトウェア使用EDS。形態・微細構造：SEM（JEOL JSM 6460LV）、HR-TEM（JEOL JEM 2100F）。

光触媒・音響触媒・光音響触媒活性

ZnOおよびMg:ZnO触媒を用い、固定周波数∼35 kHz超音波浴でMBCF分解の音響触媒（SCA）および光音響触媒（SPCA）活性を試験。同様に可視光照射下で光触媒分解（PCA）を試験。各実験で50 mLモデル染料に触媒10 mgを懸濁、暗所で10–15分放置し吸着-脱着平衡達成後、可視光（PCA）、超音波（SCA）、可視光+超音波（SPCA）を系統的適用。定期間隔で3 mL懸濁液採取、λmax=670 nmで吸光度分析。青色溶液がナノ触媒存在下で経時的に褪色。分解度（Ct/Co、Ct: 経時染料濃度, Co: 初期濃度）を評価。分解率% = (Co−Ct)/Co × 100で算出。

S. aureusとE. coliの分離・同定

乳房炎の乳牛乳サンプルを各農場から採取。5%羊血液寒天培地で培養後、MSA（マンニトール食塩寒天）とMA（マッコンキー寒天）でG+veS. aureusとG-veE. coliをストリーク（pH∼7）。生化学的（カタラーゼ、コアグラーゼ試験）および形態学的（グラム染色）分析で特徴的コロニーを同定。

抗菌活性

合成NRsの殺菌性能を、1.5×10⁸ CFU/mLのS. aureusとE. coliをMSAとMAで塗布し、寒天井孔拡散法で評価。直径6 mmの井孔を無菌コルクボーラーで形成。陰性対照（DI水）と陽性対照（シプロフロキサシン）と比較し、Mg:ZnO NRsを0.5 mg/50 μLと1.0 mg/50 μLで試験。37°C一晩培養後、バーニアキャリパーで阻害ゾーン直径測定。SPSS 20で一元配置分散分析（ANOVA）により統計的有意性検定。

分子ドッキング研究

ドープZnO NRsの抗菌活性背景にある主要構造的特徴を特定する有効アプローチとしてインシリコ分子ドッキングを採用。葉酸生合成経路のDHFR、DHPS、脂肪酸生合成経路のFabHを抗生物質発見の魅力的ターゲットとして選択。選択酵素の3D構造をProtein Data Bankから取得、タンパク質準備ツールでドッキング用に準備。アクセスコード：2ANQ（DHFR_E.coli）、5U0V（DHPS_E.coli）、4Z8D（FabH_E.coli）。ICM Molsoft（Molsoft L.L.C.）で分子ドッキング実施。タンパク質構造をエネルギー最小化で最適化、結晶水と共結晶リガンド除去、極性水素原子追加、グリッドボックスで活性ポケット特定。最良ドッキング複合体を選択し結合相互作用解析でリガンド結合関与アミノ酸を観察。Discovery Studio VisualizerとPyMOLでドッキング複合体解析。

結果と考察

ドープフリーおよびドープZnOの構造的特性と相構成をXRDで評価（図2a）。31.7°, 34.5°, 36.3°, 47.5°, 56.6°, 62.9°, 68.0°のピークは(100), (002), (101), (102), (110), (103), (112)面に帰属し、ZnOが六方最密充填構造（JCPDS No. 361451、空間群P6₃mc）を持つことを確認。黒矢印で示す2ピークは亜鉛-カルボキシル不純物を反映（合成中にZn前駆体が他反応物と反応し生成の可能性）。ZnO結晶子サイズはScherrer式で26 nmと推定、ドーパント増加（8 wt%）で漸減し23 nmに。Mgのホスト格子への添加確認のため、(100), (002), (101)面のピーク位置を追跡。MgドーピングでZnOピークが高2θ側へシフト、Mg, Fe, Al等ドーパント添加で結晶子サイズ漸減の報告多数。Znイオン半径とドーパントイオン半径差による圧縮応力、結晶成長阻害、ドーピングによる欠陥生成等がZnO成長抑制要因。ドープZnO NRsのピークシフトは、イオン半径差（Mg²⁺ 0.57 Å, Zn²⁺ 0.60 Å）によりMgイオンがZnイオンを置換したことに起因。

a MgドープZnO XRDパターン、b–d ZnO, 4%, 8% MgドープZnOのSAEDパターン、e FTIRスペクトル

ドープZnOのSAEDパターンは電子回折による明点を示す。各点は合成物結晶構造内の平行面セットに由来しブラッグ回折条件を満たす。ミラー指数を図2b–dに割当。（002）, (100), (101), (102)面でインデックス化、六方最密充填ZnO構造に電子ビームが[101]ゾーン軸に沿って投影。一般にZnO異方性成長方向は界面自由エネルギーと水溶解ポテンシャルで決定。各面の相対成長速度も成長制御要因。

FTIRで官能基、表面化学、化学結合振動モードを調査（図2e）。400–560 cm⁻¹バンドはZn–O–Zn伸張振動モードに帰属しZnO形成を確認。低周波/指紋領域バンドはM–O並進振動（590, 670 cm⁻¹）とO–M–O（430 cm⁻¹）に帰属。Mg濃度増加に伴いZn-O吸収バンドと強度に有意変化なし。1651 cm⁻¹バンドは対称C=O伸張モードで硝酸マグネシウム負荷率増加で著しく強化。∼1362 cm⁻¹は非対称C–O伸張モード。出発物質由来の炭素がNRsに混入した可能性。3456 cm⁻¹の広い透過バンドは表面吸着水分子のO–H伸張に対応。

ドーピングによる吸収挙動変化確認のためUV-Vis分光法を適用（図3a）。250–600 nmで吸収スペクトル記録。試料は370–395 nm付近で最大吸収、ドーピング濃度に応じ吸収端が短波長側へシフト。この吸収増加とシフトは酸素欠損、粒子サイズ効果、結晶粒構造欠陥に起因。図3aから抽出値でTaucプロットにより光学バンドギャップ（Eg）を算出：ZnOで3.32 eVからMgドーピングで3.72 eVへ増大（図3b）。このブルーシフトはBurstein-Moss効果で説明可能。金属酸化物法では粒子サイズ縮小が量子閉じ込め効果（QCE）でバンドギャップブルーシフトをもたらすとされるが、QCEのみならずドーピングが局所対称性に影響し格子欠陥中心を生成、バンド構造変化と光学的特性シフトを誘導。XRD解析で述べた通りMgドープでZnOホスト結晶に酸素空孔生成、これらがドナーとして正に帯電し電子を伝導帯（CB）へ放出。電子キャリア濃度がCB状態密度を超えるとフェルミエネルギー準位がCB内へ押し上げられる。Zn²⁺がMg²⁺に置換されるとイオン半径差と電気陰性度差により電子濃度と酸素空孔増加、キャリア密度増大でフェルミ準位が退化半導体CBへ上昇（ZnOは最も退化した半導体の一つ）。この作用でフェルミ準位とその位置は自由電子濃度と価電子帯（VB）からフェルミ準位への電子励起に依存し、自由電子密度増大とバンドギャップ拡大をもたらす。このBurstein-MossシフトがMgドープZnO NRsの観測されたEg拡大に寄与。

a MgドープZnO試料吸収スペクトル、b Taucプロット、c PLスペクトル、d MgドープZnOナノロッドラマンスペクトル

PL分析は不純物、遷移、ドーパント情報を発光スペクトルから得る貴重な手法。量子サイズ効果はZnO等半導体ナノ材料の物理的特性に影響し、PLから量子閉じ込め増大による光学的挙動変化を観測。室温で励起λ∼325 nmで様々なMg濃度ZnOのPLスペクトル測定（図3c）。無ドープおよびドープZnOで広い深準位発光とバンド間近発光を検出。全試料がUV領域で発光ピーク示し、励起子再結合に帰属。可視領域ピークは欠陥状態（ドナー：O₂空孔-V_o, Zn間隙-Zn_i；アクセプター：Zn空孔-V_z, O間隙-O_i）に起因。UV/可視領域ピーク強度比はドープ材料結晶品質に大きく影響、欠陥密度は結晶性増大で減少。全試料で∼408 nmに発光ピーク、ZnO近バンドエッジ-NBE遷移に帰属。408, 442, 467, 488 nmピークは青色発光、Zn間隙由来の主要紫色発光408 nm。442, 467, 488 nmの弱い発光はドナー-アクセプター(D/A)対再結合に帰属。488 nm発光は一価イオン化O₂空孔中の電子とVB内光励起正孔による。ドーピングで広い深準位発光強度増大、NBE発光ピークは高エネルギー側へシフト。このNBEブルーシフトはBurstein-Moss効果で解釈可能。ZnOはn型材料、重ドーピングでフェルミ準位がCB内へシフト、Burstein提唱通り充填領域が光学的/熱的励起をブロック。ドープ試料でPL強度増大観測、電子移動効率低下を示唆。

ラマン散乱はナノ材料微細構造と振動状態関連特性を調べる感度高い非破壊手法。ウルツ鉱型ZnOは2式単位を含む原始胞をC_6ν空間群に配置。逆空間原始胞の光学フォノンは既約表現Г_opt = 1A₁+2B₁+E₁+2E₂で正当化。B₁はラマン沈黙モード、A₁とE₁は極性モード（長距離クーロン力）で縦光学(LO)と横光学(TO)フォノンに分裂。二重周波数フォノンモードE₂（非極性）はE₂(low)とE₂(high)を持ちZn副格子とO₂原子に対応。ラマンスペクトルでピークが高/低波数側へシフトするのは分子間結合長変化に依存。結合長増大で低波数側シフト、逆も同様。1300 cm⁻¹以上の高次ピーク観測なし（図3d）。∼1069 cm⁻¹の主要ピークは六方最密充填ZnO特徴的E₂Hモード。436, 723, 1386 cm⁻¹付近に3つの副ピーク、高蛍光バックグラウンド起因。8 wt%ドープZnOラマンスペクトルはブルーシフト、ZnO格子内Mg²⁺によるZn²⁺置換が格子動力学に役割果たすと推測。ラマンピークシフトは通常フォノン閉じ込め効果、格子歪み、酸素空孔の3要因。XRDとラマンからウルツ鉱型ZnO構造はMg導入で影響受けないが結晶品質は有意に低下することを確認。

無ドープ・ドープZnO形態確認のためHR-TEM実施（図4a–e）、ZnO:Mgの六方最密充填ロッド状形態を描出。Mgは核生成役割を果たしドーピングと共に成長する様子。無ドープ・ドープZnOの層間d-spacingをHR-TEM像（図4a′–e′）から∼0.464, 0.183, 0.333, 0.27, 0.232 nmと算出。d-spacing値はXRD解析で得た面とよく一致。不純物/第二相不在はドーパント原子がZnOナノロッドに凝集せず適切に組み込まれたことを示唆。d-spacing変化はZnO格子へのMg組み込みに起因。

a–e 様々な濃度MgドープZnO HR-TEM像とa′–e′ HR-TEM像から算出したd-spacing（Mg含有量2, 4, 6, 8 wt%）

EDSで元素分析、ZnOナノ粉末中のZnとO存在確認（図5a–e）。平均原子比（67.6:23.6）がZnO形成を定量的に確認、ドーパントも検出。Auピークは帯電効果低減のための金スパッタコート由来。Cuピークはサンプルホルダ用Cuテープ由来。追加ピーク（Cl, Si）は汚染示唆。Naピークは合成時pH調整用NaOH由来の可能性、ただしNaピークはZnと重複し試料中存在は確定不能。

a ZnOおよび各濃度（2, 4, 6, 8 wt%）MgドープZnO（b–e）EDS分析

光触媒プロセスは電子-正孔対生成、分離、再結合を経て以下酸化還元反応進行（図6）。

$$\begin{aligned} & {\text{ZnO}} + h\nu \to {\text{ZnO}}\,({\text{e}}_{{{\text{CB}}}} + {\text{h}}_{{{\text{VB}}}} ) \\ & {\text{e}}_{{{\text{CB}}}} + {\text{O}}_{2} \to {\text{O}}_{2}^{\cdot - } \\ & {\text{O}}_{2}^{\cdot - \,} + {\text{dye}}\,{\text{degraded}}\,{\text{products}} + {\text{CO}}_{2} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ & {\text{OH}}^{\cdot} + {\text{dye}}\,{\text{degraded}}\,{\text{products}} + {\text{CO}}_{2} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ \end{aligned}$$

MgドープZnOナノロッド光触媒機構概略図

全試料をMBCF標的汚染物質に対する光触媒、音響触媒、光音響触媒活性で評価。合成ナノ触媒によるUV光照射下MBCF染料光触媒分解プロファイルを図7a–cに表示。

a 光触媒、b 音響触媒、c 光音響触媒反応速度論（MgドープZnOナノロッドによるMBCF染料分解）

ln(Ct/Co)対露光時間tの線形プロットから疑似一次反応速度定数kを決定。無ドープおよびドープZnO（2, 4, 6, 8 wt%）のk：0.00546, 0.00948, 0.00274, 0.00353, 0.00336 min⁻¹（図7a）。ドープZnOは純ZnOより優れた光触媒効率示し、最大分解率26%（8 wt%ドープZnO、図8a–c）。表面酸素空孔による表面積増大がドープZnO光触媒活性向上の説明。半導体CBへの光励起電子移動とVBに残る正孔が光触媒基本機構。励起子消滅まで周囲染料分子と触媒表面で酸化還元反応、分解生成物生成。光励起電子は強力還元剤として周囲O₂と反応し反応性O₂^·−種生成。一方光励起正孔は強力酸化剤として水酸基から高反応性OH^·種生成。生成ラジカル種（O₂^·−とOH^·）が周囲染料分子と反応し無毒生成物や鉱物へ分解。

a 光触媒、b 音響触媒、c 光音響触媒によるMBCF光分解（MgドープZnOナノロッド）

水中有機廃棄物効率的分解の代替手法として音響触媒（SC）[15]。無ドープ・ドープZnOで超音波波MBCF分解影響を検討（図7b）。MBCF染料濃度ベースでSC分解は疑似一次反応速度論に従う。無ドープ・ドープZnO（2, 4, 6, 8 wt%）のk：0.02062, 0.01332, 0.00456, 0.00653, 0.00204 min⁻¹。近年、ホットスポット機構とソノルミネッセンスに基づくSC染料分解が各種触媒存在下で報告。溶液中キャビテーション気泡形成は非対称気泡核生成によるホットスポット創出で促進。ホットスポットでH₂O分子熱分解しOH生成誘発。ソノケミカル機構は典型的に水ソノライシス（崩壊キャビテーション気泡内の高圧・高温下の溶媒）を必要とする。MBCFとナノ触媒溶液中で超音波は水ソノライシスのみならず触媒とカップリングし電荷キャリア生成。電子-正孔対からOHラジカルと超酸化物アニオン^·O²⁻生成、染料を無毒種へ分解[15, 47]。光音響触媒（SPC）も光触媒・音響触媒同様疑似一次反応速度論に従う。無ドープ・ドープZnO（2, 4, 6, 8 wt%）のk：0.00242, 0.04493, 0.1776, 0.01903, 0.01883 min⁻¹（図7c）。ドープZnO分解性能：12, 29, 53, 58, 87%（図8c）。

これら結果はドーピングがZnO光触媒効率に重要な役割果たすことを示唆。同一条件下でSPCが個別機構より高分解率示す。複合プロセス反応速度定数は個別プロセス速度定数和より大、即ちK_SPC > K_PCA + K_SCA。理由：(i) 混合系でのOH生成増加、(ii) 溶液-触媒表面間物質移動促進、(iii) 超音波分散による表面積増大に伴う活性向上[15, 48]。再利用性と試料安定性評価のため、同条件下で連続4サイクル光触媒実施（図9a）。分解効率82%から75%へ低下。図9bにリサイクル実験での遠心分離・洗浄によるナノ材料損失示す。リサイクル結果から製品は安定で危険廃水処理への顕著な能力と受容性持つと結論。表2に本研究光触媒分解効率と他報告材料の比較示す。

a MgドープZnO光触媒再利用性能、b 分解率%棒グラフ

無ドープ・ドープZnO NRsのG-ve/G+ve菌に対するin vitro殺菌作用を表1に示す。結果はドープZnOのE. coliに対する殺菌相乗効果と作用がS. aureusより改善されることを描写。阻害ゾーン：S. aureusで(1.05–2.05 mm)と(2.10–4.15 mm)、E. coliで(0–6.15 mm)から(0–8.65 mm)。一方ZnOはE. coliに対しS. aureus比で無視できる効力。陽性対照はE. coliとS. aureus並行で阻害ゾーン(9.00 mm)、陰性対照(0 mm)。全体としてMgドープZnOはG-veに対しG+veより有意（P<0.05）に高効力示す。

作製ドープZnOによる酸化ストレスはNRs濃度、形状、サイズ依存、NRsサイズ増大で抗菌活性低下。ナノサイズロッドが反応性酸素種（ROS）生成、細菌細胞膜への細胞質内容物押出し結果として膜破壊、細菌死誘導（図10）。別機構として負帯電細胞膜と陽イオン（Mg²⁺, Zn²⁺）強い相互作用で微生物病原体崩壊[49]。

MgドープZnOナノロッド殺菌機構概略図

薬剤耐性は人類主要脅威、より適合性高い抗生物質発見の継続的必要性。金属NRs殺菌活性はよく文書化され、新規抗生物質候補としての役割示唆済み[50]。インシリコ分子ドッキングは抗菌活性背景機構への洞察獲得を促進。葉酸生合成経路のDHFR、DHPSはトリメトプリム、スルホンアミド薬のよく知られたターゲット[51, 52]。ここではMgドープZnO NRsのE. coli由来DHFR、DHPS、FabHに対する結合傾向評価。ドッキング複合体は活性サイト内結合パターンを明らかにし、選択酵素ターゲットへの潜在的阻害剤として示唆。

DHFR_E.coli最良ドッキング複合体：Ile94（3.1 Å）、Tyr100（3.1 Å）と水素結合、Met20とAla7と金属接触相互作用、総合結合スコア−7.518 kcal/mol。活性ポケット主要アミノ酸との結合相互作用とMgドープZnO NP配向を図11aに描出。

MgドープZnO NRs活性ポケット内結合相互作用パターン：a ジヒドロ葉酸還元酵素（DHFR）、b ジヒドロプテロ酸シンターゼ（DHPS）（E. coli由来）

DHPS_E.coliドッキング複合体：Leu21（3.1 Å）、Asp56（3.4 Å）、Gly59（2.9 Å）、Thr62（2.8 Å）、Arg255（2.8 Å）と水素結合。さらにAsn22とIle20が活性サイト内で金属接触相互作用（図11b）。これらMgドープZnO NPsが活性サイト遮断（結合スコア−6.973 kcal/mol）、DHPS酵素潜在的阻害剤として示唆。

同様に脂肪酸生合成経路β-ケトアシル-アシルキャリアタンパクシンターゼIII（FabH）に対するドッキング：Glu302（3.3 Å）、Leu220（2.9 Å）、Thr254（3.2 Å）、Gln245（2.7 Å）と水素結合、結合スコア−6.548 kcal/mol（図12）。さらにMgドープZnO NPsがIle250とHis241と金属接触相互作用。

MgドープZnO NRs活性ポケット内結合相互作用パターン：β-ケトアシル-アシルキャリアタンパクシンターゼIII（FabH）（E. coli由来）

リガンド結合による活性サイト遮断は基質進入阻害、酵素活性喪失導く。MgドープZnO NRsのE. coliに対する優れた抗菌活性（S. aureus比）に鑑み、選択酵素ターゲットに対するインシリコ予測は活性ポケット内での結合パターンを明らかにし、これら酵素の潜在的阻害剤として示唆。

本光音響触媒研究と文献比較を表2に示す。

結論

共沈法でMgドープZnO NRsを合成し、MgドーピングがZnOの相構成、元素組成、形態、光学特性に及ぼす影響を調査。XRD解析でZnOは六方最密充填ウルツ鉱型相、推定結晶子サイズ100 nm未満。MgドーピングでZnO結晶構造改善、発光増大とバンドギャップ拡大導く。UV-Vis吸収スペクトルでブルーシフト確認、バンドギャップ拡大示唆。EDSでZnOロッド形成確認、平均原子比67.6:23.6観測。高ドーピング（8 wt%）でラマンスペクトルブルーシフト、ZnO格子内Mg²⁺によるZn²⁺置換起因。PL結果でMgにより可視発光増大、電子-正孔対非局在化増加示唆。合成NRsのMBCF染料分解性能評価、光音響触媒で最高分解効率87%（MgドープZnO）達成。阻害ゾーン：S. aureus (1.05–2.05 mm)と(2.10–4.15 mm)、E. coli (0–6.15 mm)から(0–8.65 mm)。したがってドープナノロッドは抗生物質耐性最小化の制御材料として課せられ得る。さらにインシリコ分子ドッキングでMgドープZnO NRsがDHFR、DHPS、FabH酵素潜在的阻害剤と予測。与えられた酵素阻害がMgドープZnO NRsのE. coliに対する殺菌活性機構の可能性として示唆される。

データおよび資料の入手可能性

全データは制限なく完全に入手可能です。

略語

DHFR:

ジヒドロ葉酸還元酵素

DHPS:

ジヒドロプテロ酸シンターゼ

EDS:

エネルギー分散型X線分光法

FTIR:

フーリエ変換赤外分光法

FESEM:

電界放出型走査電子顕微鏡

G+ve:

グラム陽性

G-ve:

グラム陰性

HR-TEM:

高分解能透過型電子顕微鏡

JCPDS:

粉末回折標準合同委員会

Mg:

マグネシウム

UV–Vis:

紫外-可視分光法

XRD:

X線回折

ZnO:

酸化亜鉛