非常に効率的な染料分解と殺菌作用のための酸化グラフェンドープMgOナノ構造

はじめに

水は生き物の生存にとって最も重要な要素です。大規模な工業化と時間の経過に伴う地球温暖化の増加により、きれいな水位は急速に低下しています。地球の表面は水の71％で覆われており、川、湖、新鮮な地下水は総水の0.03％しか占めておらず、飲用に役立つと考えられています[1、2]。水の2.5％は消費に値し、残りの97.5％は塩水です。したがって、淡水の供給は、高い需要に比べて不足しています。およそ7億5000万人の地球の人口がきれいな水不足に直面しており、水中の微量汚染物質の増加が生態系に危険をもたらしています。世界は、環境汚染と水質汚染によって引き起こされる壊滅的な結果に直面しています。産業は、有害で潜在的に有毒な化合物が注入された排水による水質汚染の主な原因です。テキスタイル、紙の印刷、食品業界などのさまざまな業界では、水に溶けやすく、水質汚染や健康被害を引き起こす可能性のある芳香族化合物を使用しています[3]。急速な工業化と都市化は、環境に残留する重金属による重大な環境汚染を引き起こしました。環境中の重金属への有害な曝露は、生物にとって深刻な危険です[4]。 WHOによると、水中の金属の最大許容限度は、たとえば、鉄（0.1 mg / L）、カルシウム（75 mg / L）、マグネシウム（50 mg / L）、銅（1 mg / L）、鉛（ 0.05mg / L）。 USEPAの報告によると、重金属の毒性プロファイルには、鉛（脳への損傷/致命的）、カドミウム（腎臓への損傷）、クロム（気道の問題）が含まれます[5]。有毒な染料は、生物の成長に必要な日光を遮断することにより、水生生物を危険にさらしています。水生種はこれらの有毒染料を消費しますが、これらの種は健康を害する人々によって消費されます[6]。

蒸発[7]、溶媒抽出[8]、凝固[9]、イオン交換[10]、膜分離[11]、物理的、化学的および生物学的技術[12]を含む、廃水から染料を抽出するためのさまざまな従来のアプローチが提案されています。 ]。主な問題は、これらの従来の治療技術は、大規模なレベルに達すると高価になることです。これを考慮して、研究者はゼオライト、活性炭、カーボンナノチューブ、ポリマー、グラフェン材料などのさまざまな吸着剤を開発しました。吸着法は、反応性染料を分解するための廃水処理で広く使用されています[13、14、15、16、17]。生活の質を改善するために染料を除去するために、吸着や触媒分解などの適切な染料処理が提案されています。吸着は費用効果が高いですが、触媒の回収は依然として危険物を生成する可能性のある問題です。触媒分解はわずかにコストがかかります。ただし、比較的単純で、リサイクル可能であるという利点があります[18]。多数の酸化物半導体（TiO ₂ 、ZnO、MgO、Fe ₂ O ₃ およびWO ₃ ）化学的安定性が高く、毒性がなく、活性が高く、費用対効果が高いため、有機染料分解の触媒として広く報告されています。

これらの中で、非毒性で費用効果の高いMgOは、吸着、汚染水の触媒作用、超伝導生成物、および抗菌材料の分野で効果的であることが示されています[19、20、21]。過去数年にわたって、ナノ粒子、ナノフラワー、ナノシートを含む、MgOのさまざまなナノ構造がうまく製造されてきました[22]。最近、7.8 eVの大きなバンドギャップを持つMgOは、光学的、電子的、磁気的という独特の特性のために多くの関心を示しています[23]。酸素空孔[ V などの結晶の点欠陥は広く認識されています _o （つまり、F ⁺ -タイプセンター、F ⁺ センター、またはF _c ）]裸のMgO固体の材料効率を変える可能性があります[24]。さらに、MgOは、酸化第二銅、酸化亜鉛、酸化鉄などの他の金属酸化物と比較して密度が低くなっています[25]。 MgOは、pHがゼロのアルカリ土類金属酸化物であり[26]、表面積は約250〜300 m ² です。 / g [27]、ゼータ電位は約− 29.89 mV [28]。研究によると、粒子サイズと比表面積の両方が吸着性能に影響を与える重要な要因であることがわかっています。したがって、得られる生成物の表面特性は、合成中の煆焼温度に大きく影響されます[29、30、31、32、33]。非毒性のMgOは、米国食品医薬品局（21CFR184.1431）[34,35,36]によって確認されているように、胸焼けの緩和と骨の再生のための抗菌剤として、他のMg化合物と比較して強化された有機用途を持っています。

過去10年間で、炭素ベースの材料である酸化グラフェン（GO）の厚いシートが、さまざまな用途で広く研究されてきました[37]。二次元GOナノ材料は、巨大な電子移動度、強力な化学的安定性、広い表面積、および高い熱伝導率を示します[38、39]。グラフェンの化学誘導体は、約736.6 m ² の表面積を持つGOです。 / g（理論値）[40]およびゼータ電位値-113.77 mV [41]は、エポキシド、カルボキシル、およびヒドロキシル基を含みます。これらの官能基は、負の電荷と親水性をもたらし、水溶液中でGO分散液を容易に生成して、安定した懸濁液を構築します[42、43]。

さらに、いくつかの研究では、MgOの繊維染料の分解が調査されており、MgOは熱分解によって調製され、メチレンブルーの分解に使用されています。この染料の90％は180分後に分解しました[44]。また、MgOは、粒子サイズが15〜25 nmのゾルゲル法で調製され、300分後に廃水中の色素の98.3％が除去されました[45]。この研究の目的は、MgOに対するGOドーパントの影響を確認することです。 GOの比率（0、0.01、0.03、および0.05）は、化学沈殿法を使用してMgOにドープされました。触媒作用および抗菌作用における構造的、形態学的および化学的組成などのMgOの異なる特性に対するドーパントGOの影響を研究した。一方、これらのナノコンポジットの使用の背後にある動機は、金属酸化物の抗菌および触媒活性を強化するためのプラズモンナノ材料の重要な使用を探求することです。

実験セクション

資料

塩化マグネシウム（MgCl ₂ ・6H ₂ O、99％）、硝酸ナトリウム（NaNO ₃ 、98％）および水酸化ナトリウム（NaOH、98％）はSigmaAldrichから調達しました。グラファイト粉末（99.5％）、硫酸（H ₂ SO ₄ ）および過マンガン酸カリウム（KMnO ₄ 、99.5％）はAnalarから調達しました。

酸化マグネシウムと酸化グラフェンの合成

湿式化学共沈戦略に従うことにより、GOをドープしたMgOを調製しました。 GOの準備には、修正されたHummer法[46]が使用されました。 MgOを調製するには、必要な量のMgCl ₂ ・6H ₂ O（0.5 M）をホットプレート上の50 mLの脱イオン水（DI水）に入れて攪拌しました。撹拌溶液のｐＨは、ＮａＯＨ（０．１Ｍ）を使用して１２に維持され、これは、８０℃で４時間撹拌された。続いて、撹拌した溶液を3500rpmで15分間遠心分離した。上澄みを集め、オーブンで120℃で24時間乾燥させた。集められた粉末は、乳鉢と乳棒を使用して粉砕され、ドープされていない、およびGO（0.01、0.03、および0.05）ドープされたMgOの微粉末が得られた。 GOドープMgO調製の概略図を図1に示します。

GOドープMgOナノ構造の合成スキームの概略図

触媒作用

GOをドープしたMgOナノ構造の触媒活性を、400μLの新たに調製したNaBH ₄ に混合した3mLのMBCF（メチルブルーシプロフロキサシン）に対してテストしました。 （還元剤）。 NaOHとH ₂ SO ₄ （400μL）を添加して、溶液の塩基性および酸性の性質をそれぞれ得た。その後、還元剤のベース溶液に400μLのドープされたMgOを加えた。その後、調製された染料（MBCF）の青色が薄くなり始め、MBCFがロイコ-MBCF（無色）に染料が分解したことを示しています。図2に示すように、微弱な溶液からさまざまな間隔で受け取ったサンプルを、200〜800nmの範囲でUV-Vis分光光度計でキャプチャしました。

染料分解中の触媒活性の概略図

Sの分離と識別。アウレウス および E。コリ

乳腺炎陽性の羊乳の検体は、パンジャブ州の多くの獣医クリニックや農場から回収され、羊の血液寒天培地（SBA）で5％培養されました。 37°Cで一晩、培養サンプルをインキュベートしました。分離された細菌分離株は、マッコンキー寒天培地とマンニット食塩寒天培地（MAとMSA）を、それぞれ〜pH7を維持するトリプレットでストリークすることによって精製されました。標準コロニーの検証は、グラム染色と生化学的分析（つまり、カタラーゼとコアグラーゼのテスト）で進められました。

抗菌作用

合成された材料の抗菌挙動は、単離されたＥの０．５マクファーランドを拭き取るウェル拡散アッセイによって評価された。コリ および S。アウレウス それぞれMAとMSAの細菌株。滅菌コルクボーラーを使用して、MAおよびMSAプレート上に直径6 mmのウェルを形成し、異なる濃度の純粋およびドープされたMgO（0.5および1.0 mg / 0.5 mL）を、最小および最大用量と比較して各ウェルにロードしました。無菌条件下で、陽性対照および陰性対照として、それぞれシプロフロキサシン（0.005 mg / 0.5 mL）およびDI水（0.55 mL）を使用。 37°Cで一晩インキュベートした後、ノギスを使用して阻害領域をミリメートル（mm）で計算することにより、抗菌効果が達成されました。

統計分析

SPSS 20による一元配置分散分析（ANOVA）を使用して、阻害ゾーンスコア（mm）の観点から抗菌効果を推定しました。

材料の特性評価

準備された製品の結晶構造と相を特定するために、サンプルはCu-Kα放射線（λ）を使用してX線回折計（モデル：PAN Analytical Xpert–PRO）で評価されました。 =1.540Å）および2 θ 10°から85°までの値。結合した官能基の研究は、4000〜400 cm ^-1 で使用されるFTIR（Perkin Elmer分光計）を介して取得されました。 範囲。吸収スペクトルは、200〜700 nmの範囲でUV-Vis分光光度計（Genesys 10S）を使用して記録し、分光蛍光計（JASCO、FP-8300）を使用して、フォトルミネッセンス（PL）分光法を実行しました。ラマンスペクトルは、λに基づくレーザーを使用してDXRラマン顕微鏡（Thermo Scientific）で測定されます。 =532 nm（6mV）。元素組成は、INCA EDSソフトウェアを使用したSEM-EDSを介して達成されましたが、d間隔は、高分解能透過型電子顕微鏡（HR-TEMモデルJEOL JEM 2100F）を使用して視覚化されました。

結果と考察

図3aの結晶構造、サイズ、相組成を特定するために、MgOとGOをドープしたMgOのXRDを実施しました。 2 θで観測されたピーク °=37°、43.10°、62.5°、74.7°、78.8°は（111）、（200）、（220）、（311）、（222）面と一致しており、MgOが（JCPDS 75-1525）[47]。ドーピングすると、回折ピークは同一であり、使用されたドーパントGOの含有量が少ないことを示していましたが、これは検出できませんでした。平均結晶子サイズは、13.28nmであることがわかったDebye-Scherrerの式を使用して回折ピークから計算されました。計算されたd間隔（0.21 nm）は、立方晶MgOの（200）格子面に起因していました。サンプルの選択領域電子回折（SAED）パターンは、MgOの結晶性を示しています（図3b–d）。同心リングの輝点は、MgOのXRD面とよく関連しています[48]。

a GOドープMgOのXRDパターン、 a ' MgOの参照コード、 b （0：1）のSAEDパターン、 c GO（0.01：1、 d （0.05：1）、 e FTIRスペクトル

ドープされたMgOの結合官能基を調べるために、FTIRを4000〜400 cm ^-1 の波数で操作しました。 図3eに示すような範囲。 3699 cm ^-1 付近の透過率ピーク ドープされたMgO中のは、MgO表面と空気中の水蒸気との反応によって得られたヒドロキシル基（アルコール）の特徴的な伸縮振動に起因していました[3]。 GOの導入によるピーク強度の低下が観察されました。これは、MgOに巻き付けられたドーパントシートに起因します。 1450 cm ^-1 にあるバンド 炭酸イオン（C–O）の非対称伸縮振動に関連していましたが、対応する曲げ振動のピークは〜865および〜867cm ^-1 に見られました。 [48]。しかし、GOをドープしたMgOサンプルでは、​​前述のバンドの強度の低下が観察されました[20]。約443cm ^-1 のバンドが見つかりました 伸縮振動を特徴とするMg-Oの存在を示す[49]。

ドーパントを含まないドープされたMgOの吸収スペクトルは、220〜700 nmの範囲で収集されました（図4a）。 〜250および〜320 nmで見られるMgOのバンド吸収は、酸素空孔（FおよびF ₂ ）に裏付けられます。 ²⁺ ）それぞれセンター。励起時λ =250 nm、方程式F +hυ↔F+ + e [23]によって導かれる、F中心の光イオン化プロセスが含まれます。 GOの吸収ピークは230nm付近に見られ、これはπに割り当てることができます。 – π *アモルファスカーボンシステム[50]でのC =Cの遷移は、ドーピング時に吸収が増加し、赤方偏移を伴います。図4bに示すように、固定量のMgO中のGOの量が増えると、バンドギャップはわずかに減少しました（5.0〜4.8 eV）。この赤方偏移は、多数の活性部位を持つ結晶への形態学的効果を示唆しているか、量子閉じ込め効果である可能性があります[51]。

a GOをドープしたMgOのさまざまなサンプルの吸収スペクトル aʹ GO-MgO、 b のズームされた吸収スペクトル タウクプロット、 c PLスペクトルと d GO-MgOナノ構造のラマンスペクトル

図4cは、励起されたλで377〜500nmの範囲で測定されたドープMgOのPL発光スペクトルを示しています。 350nmの。電荷担体の再結合効率（移動）とトラッピングの有効性を決定するために、PLを利用しました。 414 nmでのPL発光ピークは、さまざまなF（酸素イオン空孔）タイプの陰イオン空孔で生成されたエネルギーレベルによる欠陥バンド遷移に起因します[52]。 GOのPL放出は通常、隣接する閉じ込められた電子状態から広範囲の価電子帯（VB）および伝導帯の底（CB）への電子正孔再結合に起因します。原子構造では、放出は主に非酸化炭素領域（–C =C–）と酸化炭素原子領域のエッジ（C–O、C =OおよびO =C–OH）の間の電子遷移から発生します[53]。 GO-MgOのピークは青方偏移を示し、強度が低いことを示しました。これは、より高いエネルギーレベルから新しく生成された状態への電子の移動が原因である可能性がある再結合率の低下を示しています。

製造されたサンプルの表面構造と無秩序は、図4dに示すようにラマン分光法によって分析されました。ラマンのコントロールサンプルスペクトルは、100〜1600 cm ^-1 に特徴的なピークを示しませんでした。 この領域は、MgO散乱強度の低いフォノンを示唆しています[54、55]。ドープされたサンプルの場合、1338 cm ^-1 付近にバンドがあります。 （Dバンド）および1598 cm ^-1 （Gバンド）サンプルにGOが存在することを確認しました[56]。 Dバンドはsp ³ の欠陥に割り当てられます 炭素（C）原子とGバンドはE _2g から生じています sp のフォノン散乱（1次散乱） ² C原子。 DおよびGピークの強度の向上は、ドーピング濃度を上げると得られます。さらに、強度比（ I _D / 私 _G ）DおよびGバンドは、 sp の障害度を示しました ² Cドメイン[46]。

ドープされたMgOの結晶構造と形態を確認するために、HR-TEMを使用しました（図5）。ドーパントを含まないサンプルのHRTEM画像（5a）は、六角形のナノ構造が凝集しています。 GOを組み込むことで、ナノ構造の六角形の形態がGOナノシートと融合し、六角形の存在下でロッド型構造の形成が観察されました。凝集は、MgO中のドーパントの量が増えるにつれて増加し、ナノ構造のロッドと六角形の形態が見られました。六角形のナノ構造の直径がGOの濃度が高くなるにつれて減少したことは注目に値し、MgOとGOの間の相互作用を確認しています。

a – d さまざまな濃度のGOドープMgO（それぞれ、0、0.01、0.03、0.05）のHR-TEM画像

図6a–dに示すように、Gatanソフトウェアを使用してHR-TEM画像で層間のd間隔を測定しました。 GOドープMgOのさまざまな濃度（0：1、0.01：1、0.03：1、および0.05：1）のd間隔値は、（200）面に割り当てられてそれぞれ0.250、0.240、0.20、および0.24nmと計算されました。 XRDの結果と同期したMgO（図6a–d）の分析。さらに、d-spacing値の変化は、MgO格子へのGOドーピングに割り当てられています。

GO-MgOのHR-TEM画像を使用して計算されたd間隔（ a – d ）GOコンテンツ（0、0.01、0.03、0.05）

SEM-EDS分析により、サンプル表面の元素組成に関する詳細情報が開示されました。 MgOのEDSスペクトル、およびGOとMgOのさまざまな比率（0.01：1、0.03：1、0.05：1）をそれぞれ図7a〜dに示します。図7aで検出されたマグネシウム（Mg）と酸素（O）の存在は、MgOの形成を確認するものです。炭素（C）ピークはGOナノシートによるものでしたが、サンプル中のNa元素ピークは、pHを維持するための合成プロセス中にNaOHを使用したために観察されました。

GOドープMgOのSEM-EDS分析（ a – d ）GOコンテンツ（それぞれ0、0.01、0.03、0.05）を使用

GOをドープしたMgOの触媒活性をテストするために、参照サンプル分解（MBCF）で得られたUV-Vis吸収スペクトルを使用しました。 NaBH ₄ の容量を減らす 図8a〜dに示すように、MBCFを使用した場合は200分後に有意な影響を受けませんでした。中性条件では、MBCF（3 mL）溶液を400μLのNaBH ₄ に加えます。 また、180〜160分以内の3 mLのサンプルでは、​​ドープされていないサンプルとドープされたサンプルの減少が制限されていました（4.8％の劣化）。さらに、サンプルの基本活性（0：1、0.01：1、0.03：1、0.05：1）では、3分でそれぞれ11、3.5、12、26％の分解が生じました（図8a–d）。図8dに示すように、MgOナノ構造中のGO濃度が高い（0.05）酸性溶液で最高の触媒機能が得られ、1分で45％の分解が見られました。

a – d 異なる色素媒体[それぞれ中性（N）、塩基性（B）、酸性（A）]でのブランクMBCFとGOドープMgOの触媒作用

触媒作用中、NaBH ₄ の存在下でのMBCFの減少 、合成された材料は、BH ₄ からの電子の移動などの電子リレーとして機能します。 ⁻ イオン（ドナー）からMBCF（アクセプター）へのイオンは色素の還元をもたらします[57]。ナノ構造の豊富な活性部位は、BH ₄ の吸着を強化しました ⁻ イオンと染料分子が互いに反応します。溶液のpHも分解の性能に影響します。酸性媒体の場合（H ₂ SO ₄ ）、H ⁺ の生成の増加に起因する触媒活性の強化 イオンはナノ構造の表面に吸着されるように提案されました。塩基性媒体にNaOHを添加すると、ヒドロキシル基の数が増加し、還元生成物の酸化と触媒活性の低下につながります。結果は、酸性媒体下でのナノ構造による色素分解が、塩基性条件下と比較してはるかに高いことを示しました。

純粋なGOドープMgOのinvitro抗菌効果は、ウェル拡散アッセイによってG-veおよび+ ve分離株に対して実行されました（表1）。結果は、 Eに対するGO-MgOの改善された殺菌作用および相乗作用を示した。コリ Sと比較して。アウレウス 、表1を参照してください。重要（ p <0.05）抑制領域は、 Eでは（1.55–4.75 mm）および（2.10–4.85 mm）として記録されました。コリ 最小線量と最大線量でそれぞれ、 Sの場合は（1.30〜4.00 mm）。アウレウス 高用量で。すべての濃度は、 Sに対してゼロの抗菌効果を示した。アウレウス 低用量で。結果の比較は、 Eの-ve対照DI水（0mm）および+ ve対照シプロフロキサシン（7.15mm）および（11.25mm）阻害領域で進められた。コリ および S。アウレウス それぞれ。

全体として、ドープされたナノ構造は、低用量でG + veに対する殺菌活性がゼロであることを示しましたが、G –veに対する有効性はかなりのものでした（ p <0.05）ドープされた含有量のG + veと比較して。

人工ナノ構造の酸化ストレスは、抗菌作用に重要な役割を果たすナノ粒子の形状、サイズ、濃度などのさまざまな要因に依存しています[58]。小さなナノサイズの材料は、活性酸素種（ROS）を効率的に生成し、バクテリアの細胞膜の損傷と細胞質の押し出しを引き起こし、バクテリアの破裂を引き起こします。図9を参照してください[59]。第二に、負の細菌細胞膜断片との有意なナノマテリアルカチオン干渉は崩壊をもたらす。大量のO ₂ が生成されたため、大腸菌に対するMgOナノ粒子の抗菌活性が向上しました。 ⁻ 脂質過酸化とROSの可能性があります[60]。ドーパントサンプルでは、​​GO濃度の増加により抗菌活性が増加しました。

殺菌活性の提案されたメカニズムGO-MgOナノ構造

結論

本研究では、GOをドープしたMgOナノ構造を化学沈殿経路で合成することに成功しました。 MgOの立方構造はXRD技術を使用して観察され、HRTEMで確認されました。さまざまな官能基とMg-Oの分子結合、および443 cm ^-1 付近のMgOの特徴的な透過率ピーク 指紋領域では、FTIRを使用して記録されました。ドーピングすると吸収が増加し、GOの濃度が高くなると赤方偏移が発生しました。ドープされたMgOの吸収スペクトルからTaucプロットを使用して計算されたバンドギャップは、MgO（5.0 eV）と比較して4.8 eV（高濃度）であることがわかり、ドーピング時の吸収の赤方偏移に起因しました。ナノ構造の立方体および六角形の形態がMgOで観察され、HR-TEMで六角形の直径が減少するようにドーピングすると、棒状構造の成長が観察されました。さらに、Gatanソフトウェアを使用したHRTEMからの平均d間隔（0.23 nm）は、XRDとよく一致しています。 EDS分析により、GOドーピングによるMg、Oの確認を示す元素組成が明らかになりました。 GOを組み込むと、PLの強度は414 nmから減少し、励起子の再結合率が低いことを示す青方偏移を伴いました。 DおよびGバンドの存在（1338、1598 cm ^-1 、それぞれ） sp に関連付けられています ³ および sp ² C原子はラマンで検証されました。触媒活性が評価され、0.05 GO-MgOにより、酸性条件下で約45％の最高の染料分解が達成されました。さらに、実験結果は、G-ve（ E.coli ）に対するGO-MgOの殺菌効果の向上を示しました。 ）G + ve（黄色ブドウ球菌）と比較して ）。さらに、GO-MgOの相乗効果により、G –ve（ E. coli ）に対する殺菌効果が向上しました。 ）G + ve（黄色ブドウ球菌）と比較 ）。この研究では、工業用汚染水を浄化するため、および環境修復のための抗菌用途に使用できる、MgOナノコンポジットのドーパント依存特性を調査しました。

データと資料の可用性

すべてのデータは制限なしで完全に利用可能です。

略語

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：

グラム陰性菌

GO：

グラフェン

HR-TEM：

高分解能透過型電子顕微鏡

JCPDS：

粉末回折標準に関する合同委員会

MgO：

酸化マグネシウム

UV–Vis：

紫外可視分光法

XRD：

X線回折