グラフェン酸化物ドープMgOナノ構造の色素分解および抗菌性能の向上

要旨

グラフェン酸化物（GO）ナノシートを、0.01、0.03、0.05 wt比の様々な濃度で、化学沈殿法により酸化マグネシウム（MgO）ナノ構造にドープした。目的は、固定量のMgOに対するGOドーパント濃度の触媒的および抗菌的挙動への影響を調べることである。XRD技術によりMgOの立方相が明らかになり、その結晶性はSAEDパターンで確認された。官能基の存在と指紋領域のMg-O（443 cm⁻¹）はFTIR分光法で明確になった。光学特性はUV-Vis分光法で記録され、レッドシフトによりバンドギャップエネルギーがドープにより5.0から4.8 eVへ減少することが示された。電子-正孔再結合挙動は光ルミネッセンス（PL）分光法で調べた。ラマンスペクトルはDバンド（1338 cm⁻¹）とGバンド（1598 cm⁻¹）を示し、GOドープを裏付けた。ナノ構造の立方および六方晶形態はTEMで確認され、層間平均dスペーシング0.23 nmはHR-TEMで評価された。ドーパントの存在とMg、Oの元素組成はEDS技術で裏付けられた。メチルブルーシプロフロキサシン（MBCF）に対する触媒活性は、より高いGOドーパント濃度（0.05）で有意に低下（45%）したが、MgOの大腸菌（E. coli）に対する殺菌活性は、より高濃度（0.05）のGOドープによりナノロッド形成に起因して有意に向上（4.85 mm阻害ゾーン）した。

はじめに

水は生物の生存に不可欠な成分である。大規模な工業化と地球温暖化の進行により、きれいな水の量が急速に減少している。地球表面の71%は水で覆われているが、河川、湖、淡水地下水は総水量のわずか0.03%であり、飲用に適するとされる[1, 2]。水の2.5%が消費に適し、残り97.5%は海水であるため、淡水供給は高い需要に対して不足している。約7億5000万人が清潔な水不足に直面し、水中のマイクロ汚染物質の増加が生態系にとって危険になっている。世界は環境汚染と水質汚染による壊滅的な結果に直面している。産業は、有害で潜在的に有毒な化合物を含む排水を排出することによる水質汚染の主な原因である。繊維、製紙印刷、食品産業など様々な産業が、水に容易に溶解する芳香族化合物を使用し、水質汚染と健康被害を引き起こしている[3]。急速な工業化と都市化は、環境中に持続する重金属による著しい環境汚染を引き起こしている。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ある[4]。WHOによると、水中の金属許容上限は、例えば鉄（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（0.05 mg/L）などである。USEPAは、鉛（脳損傷/致死）、カドミウム（腎臓損傷）、クロム（呼吸器系問題）などの重金属毒性プロファイルを報告している[5]。有毒染料は、生物の成長に必要な太陽光を遮断することで水生生物を危険にさらす。水生生物がこれらの有毒染料を摂取し、それらが食物連鎖を通じて人体に取り込まれ、健康を損なう[6]。

廃水から染料を除去する従来のアプローチとして、蒸発[7]、溶媒抽出[8]、凝集[9]、イオン交換[10]、膜分離[11]、物理・化学・生物学的手法[12]などが提案されてきた。主要な問題は、これらの従来処理技術が大規模になると高コストになることである。これを受け、研究者たちはゼオライト、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様々な吸着剤を開発してきた。吸着法は廃水処理における反応性染料の分解に広く用いられている[13-17]。吸着と触媒分解のような適切な染料処理が、生活の質向上のための染料除去に提案されている。吸着はコスト効果が高いが、触媒回収が依然として問題であり、有害物質を生成する可能性がある。触媒分解はややコストがかかるが、比較的単純でリサイクル性の利点がある[18]。多数の酸化物半導体（TiO₂、ZnO、MgO、Fe₂O₃、WO₃）が、高い化学的安定性、無毒性、高活性、コストメリットにより、有機染料分解の触媒として広く報告されている。

其中、無毒でコスト効果の高いMgOは、吸着、汚染水触媒、超伝導製品、抗菌材料の分野で効果的であることが示されている[19-21]。近年、ナノ粒子、ナノフラワー、ナノシートなど様々なMgOナノ構造が成功裏に作製されている[22]。最近、7.8 eVの大きなバンドギャップを持つMgOが、独自の光学的、電子的、磁気的特性により大きな関心を集めている[23]。結晶中の点欠陥、例えば酸素欠陥[V_o（F⁺型中心、F⁺中心、F_c）]が、裸MgO固体の物質効率を変える可能性があることは広く認められている[24]。また、MgOは酸化銅、酸化亜鉛、酸化鉄など他の金属酸化物と比較して密度が低い[25]。MgOはゼロ電荷点pHが高いアルカリ土類金属酸化物であり[26]、比表面積～250–300 m²/g[27]、ゼータ電位約−29.89 mV[28]を持つ。研究により、粒子サイズと比表面積の両方が吸着性能に影響する重要因子であることが判明している。したがって、合成時の焼成温度が生成物の表面特性に大きく影響する[29-33]。無毒なMgOは、他のMg化合物と比較して、制酸剤や骨再生用抗菌剤として強化された有機応用を持つことが、米国FDA（21CFR184.1431）で確認されている[34-36]。

過去10年間、炭素ベース材料グラフェン酸化物（GO）の厚いシートが様々な用途で広く研究されてきた[37]。二次元GOナノ材料は、巨大な電子移動度、強い化学的安定性、広い比表面積、高い熱伝導性を示す[38, 39]。グラフェンの化学誘導体であるGOは、理論比表面積約736.6 m²/g[40]、ゼータ電位−113.77 mV[41]を持ち、エポキシド、カルボキシル、水酸基を含む。これらの官能基は負電荷と親水性をもたらし、水溶液中で容易にGO分散を生成し安定懸濁液を形成する[42, 43]。

さらに、いくつかの研究がMgOによる繊維染料分解を調査しており、MgOを熱分解法で調製しメチレンブルー分解に用いた例では、180分で90%の染料が分解された[44]。また、ゾルゲル法で15–25 nm粒子サイズのMgOを調製し、300分で廃水中の染料98.3%を除去した例もある[45]。本研究の目的は、GOドーパントのMgOへの影響を調べることで、化学沈殿法を用いて様々な重量比（0、0.01、0.03、0.05）のGOをMgOにドープした。ドーパントGOがMgOの構造的、形態的、化学組成、触媒および抗菌作用への影響を調査した。一方、これらのナノコンポジットを用いる動機は、プラズモニックナノ材料を用いて金属酸化物の抗菌性と触媒活性を向上させる重要な用途を探求することである。

実験セクション

材料

塩化マグネシウム（MgCl₂·6H₂O、99%）、硝酸ナトリウム（NaNO₃、98%）、水酸化ナトリウム（NaOH、98%）をシグマアルドリッチから調達。黒鉛粉末（99.5%）、硫酸（H₂SO₄）、過マンガン酸カリウム（KMnO₄、99.5%）をアナラーから調達。

酸化マグネシウムとグラフェン酸化物の合成

湿式化学共沈殿法に従い、GOドープMgOを調製した。改良ハマーズ法[46]を用いてGOを調製。MgO調製のため、所望量のMgCl₂·6H₂O（0.5 M）を50 mLの脱イオン水（DI水）にホットプレートで攪拌溶解した。撹拌溶液のpHをNaOH（0.1 M）で12に維持し、80 ℃で4時間攪拌した。撹拌溶液を3500 rpmで15分遠心分離し、上清液を回収、オーブンで120 ℃、24時間乾燥した。回収粉末を乳鉢と乳棒で粉砕し、非ドープおよびGO（0.01、0.03、0.05）ドープMgOの微粉末を得た。GOドープMgO調製の概略図を図1に示す。

触媒活性評価

GOドープMgOナノ構造の触媒活性を、新調したNaBH₄（還元剤）400 μLに混合した3 mL MBCF（メチルブルーシプロフロキサシン）に対して試験した。NaOHとH₂SO₄（各400 μL）を添加し、それぞれ塩基性と酸性溶液を得た。その後、塩基性還元剤溶液に400 μLのドープMgOを添加した。調製染料（MBCF）の青色が薄れ始め、MBCFがルコ-MBCF（無色）へ分解されることを示した。様々な時間間隔で薄くなった溶液から試料を採取し、UV-Vis分光光度計で200–800 nm範囲で測定した（図2）。

黄色ブドウ球菌と大腸菌の分離と同定

パンジャブ州の多くの獣医クリニックと農場から、乳房炎陽性羊乳検体を採取し、5%羊血液寒天（SBA）培地で培養した。37 ℃で一晩培養。分離細菌株を、それぞれMacConkey寒天（MA）とマンニトール食塩寒天（MSA）でトリプレートでストリーク培養し、pH～7で精製した。標準コロニーの検証を、グラム染色と生化学分析（カタラーゼ試験とコアグラーゼ試験）で行った。

抗菌活性評価

合成材料の抗菌挙動を、0.5 McFarlandの分離大腸菌と黄色ブドウ球菌菌株をそれぞれMAとMSAに塗布し、ウェル拡散法で評価した。直径6 mmのウェルを無菌コルクボーラーでMAとMSAプレートに形成し、純粋およびドープMgOの異なる濃度（0.5および1.0 mg/0.5 mL）を最小および最大用量として各ウェルに充填した。シプロフロキサシン（0.005 mg/0.5 mL）とDI水（0.55 mL）をそれぞれ陽性および陰性対照とした。37 ℃で一晩培養後、バーニアカリパスを用いて阻害ゾーンをミリメートル（mm）で計測し、抗菌効果を定量化した。

統計解析

SPSS 20を用いた一元配置分散分析（ANOVA）で、阻害ゾーンスコア（mm）として抗菌効果を推定した。

材料キャラクタリゼーション

調製生成物の結晶構造と相を特定するため、試料をX線回折計（PAN Analytical Xpert-PRO、Cu-Kα放射、λ = 1.540 Å、2θ = 10°–85°）で評価した。付着官能基の研究は、FTIR（パーキンエルマー分光計、4000–400 cm⁻¹範囲）で行った。吸収スペクトルはUV-Vis分光光度計（Genesys 10S、200–700 nm範囲）で記録し、分光蛍光光度計（JASCO、FP-8300）で光ルミネッセンス（PL）分光法を実施した。ラマンスペクトルはDXRラマン顕微鏡（サーモフィッシャー、λ = 532 nm、6 mV）で測定した。元素組成はSEM-EDS（INCA EDSソフトウェア）で取得し、dスペーシングは高分解能透過型電子顕微鏡（HR-TEM、JEOL JEM 2100F）で可視化した。

結果と考察

MgOとGOドープMgOのXRDを実施し、結晶構造、サイズ、相組成を特定した（図3a）。観察されたピーク（2θ° = 37°、43.10°、62.5°、74.7°、78.8°）は、（111）、（200）、（220）、（311）、（222）面と一致し、MgOが立方構造を持ち（JCPDS 75-1525）[47]と一致することを確認した。ドープ後、回折ピークは同一であり、使用ドーパントGOの含有量が少なく検出されなかったことを示唆する。平均結晶粒子サイズはデバイ・シェラ式を用いて回折ピークから計算し、13.28 nmと算出された。計算dスペーシング（0.21 nm）は立方MgOの（200）格子面に帰属された。試料の選択領域電子回折（SAED）パターンはMgOの結晶性を示した（図3b–d）。同心環の明点はMgOのXRD面とよく一致した[48]。

ドープMgOの付着官能基を調べるため、FTIRを4000–400 cm⁻¹範囲で実施した（図3e）。ドープMgOの3699 cm⁻¹付近の透過率ピークは、空気中の水蒸気とMgO表面の反応により得られるヒドロキシル基（アルコール）の特性伸縮振動に帰属される[3]。GO導入に伴いピーク強度の低下が観察され、これはドーパントシートがMgOを包み込むことに起因する。1450 cm⁻¹のバンドは炭酸イオン（C–O）の非対称伸縮振動に関連し、対応する曲げ振動ピークは～865および～867 cm⁻¹で観察された[48]。しかし、GOドープMgO試料ではこれらのバンド強度の低下が観察された[20]。443 cm⁻¹付近のバンドは、Mg-Oの特性伸縮振動の存在を示している[49]。

ドーパントフリーおよびドープMgOの吸収スペクトルを220–700 nm範囲で取得した（図4a）。MgOの～250 nmおよび～320 nmの吸収バンドは、それぞれ酸素欠陥（F中心およびF₂²⁺中心）に帰属できる。励起λ = 250 nmでは、F中心光電離プロセスが関与し、F + hυ ↔ F⁺ + eの式で表される[23]。GOの吸収ピークは～230 nmに見られ、非晶質炭素系におけるC=Cのπ-π*遷移に割り当てられる[50]。ドープに伴い吸収が増加し、レッドシフトを伴った。図4bに示すように、固定量のMgO中のGO量増加に伴いバンドギャップがわずかに減少（5.0–4.8 eV）した。このレッドシフトは、多数の活性サイトを持つ結晶への形態効果、または量子閉じ込め効果によるものと考えられる[51]。

図4cに、励起λ = 350 nmで377–500 nm範囲で測定したドープMgOのPL発光スペクトルを示す。電荷キャリア（移動）の再結合効率とトラッピング効率を決定するためにPLを用いた。414 nmのPL発光ピークは、様々なF型（酸素イオン欠陥）アニオン欠陥により生成されるエネルギー準位による欠陥バンド遷移に起因する[52]。GOのPL発光は通常、隣接する閉じ込め電子状態から広範囲の価電子帯（VB）と伝導帯底（CB）への電子-正孔再結合に帰属される。原子構造では、発光は主に非酸化炭素領域（–C=C–）と酸化炭素原子領域の端（C–O、C=O、O=C–OH）間の電子遷移から生成される[53]。GO-MgOピークはブルーシフトし、低強度を示し、新たに生成された状態への高エネルギー準位からの電子移動により再結合速度が低下したことを示唆する。

作製試料の表面構造と無秩序度をラマン分光法で分析した（図4d）。対照試料のラマンスペクトルは100–1600 cm⁻¹領域で特徴的ピークを示さず、MgOの低いフォノン散乱強度を示唆する[54, 55]。一方、ドープ試料では1338 cm⁻¹（Dバンド）と1598 cm⁻¹（Gバンド）付近のバンドが試料中のGO存在を確認した[56]。Dバンドはsp³炭素（C）原子の欠陥に割り当てられ、Gバンドはsp² C原子のE₂gフォノン散乱（1次散乱）に起因する。ドープ濃度増加に伴いDおよびGピークの強度増大が得られた。さらに、DバンドとGバンドの強度比（I_D/I_G）はsp² Cドメインの無秩序度を示した[46]。

ドープMgOの結晶構造と形態を確認するため、HR-TEMを用いた（図5）。ドーパントフリー試料のHRTEM像（5a）は凝集した六方晶形ナノ構造を示す。GO導入により、ナノ構造の六方晶形態がGOナノシートと融合し、六方晶と共にロッド型構造の形成が観察された。MgO中のドーパント量増加に伴い凝集が増加し、ロッドと六方晶形態のナノ構造が見られた。特筆すべきは、六方晶ナノ構造の直径がGO濃度増加とともに減少し、MgOとGOの相互作用を確認していることである。

層間dスペーシングを、Gatanソフトウェアを用いたHR-TEM像で測定した（図6a–d）。種々濃度（0:1、0.01:1、0.03:1、0.05:1）のGOドープMgOのdスペーシング値は、それぞれ0.250、0.240、0.20、0.24 nmと計算され、MgOの（200）面に帰属された（図6a–d）XRD結果と同期している。さらに、dスペーシング値の変化はGOのMgO格子へのドープに帰属された。

SEM-EDS分析により、試料表面の元素組成に関する詳細情報が開示された。MgOおよび種々比率（0.01:1、0.03:1、0.05:1）のGOドープMgOのEDSスペクトルを図7a–dにそれぞれ示す。図7aで検出されたマグネシウム（Mg）と酸素（O）の存在はMgO形成の確認である。炭素（C）ピークはGOナノシートに帰属し、試料中のNa元素ピークは合成過程でpH維持に用いたNaOHに起因する。

GOドープMgOの触媒活性を試験するため、基準試料分解（MBCF）後のUV-Vis吸収スペクトルを用いた。NaBH₄とMBCFの還元能は200分後も有意に影響を受けなかった（図8a–d）。中性条件では、MBCF（3 mL）溶液を400 μL NaBH₄と3 mL試料に添加し、180–160分で非ドープおよびドープ試料とも限定的な還元（4.8%分解）を示した。さらに、塩基性条件では試料（0:1、0.01:1、0.03:1、0.05:1）でそれぞれ3分間に11、3.5、12、26%の分解が得られた（図8a–d）。最高触媒機能は酸性溶液で、GO高濃度（0.05）のMgOナノ構造により1分で45%分解を達成した（図8d）。

触媒反応中、NaBH₄存在下でのMBCF還元において、合成材料は電子リレーとして機能し、BH₄⁻イオン（ドナー）からMBCF（アクセプター）への電子移動が染料還元をもたらす[57]。ナノ構造の豊富な活性サイトがBH₄⁻イオンと染料分子の吸着を促進し、それらの反応を助ける。溶液pHも分解性能に影響する。酸性媒質（H₂SO₄）では触媒活性が向上し、これはナノ構造表面に吸着されるH⁺イオンの生成増加に起因する。NaOH添加による塩基性媒質では、水酸基増加により還元生成物が酸化され触媒活性が低下する。結果は、酸性媒質下でのナノ構造による染料分解が塩基性条件よりはるかに高いことを示した。

純粋およびGOドープMgOのインビトロ抗菌効力を、ウェル拡散法でグラム陰性および陽性分離株に対して実施した（表1）。結果は、大腸菌に対するGO-MgOの向上した殺菌作用と相乗効果を、黄色ブドウ球菌と比較して示した（表1参照）。有意（p < 0.05）な阻害ゾーンが、最小および最大用量でそれぞれ大腸菌に対して（1.55–4.75 mm）と（2.10–4.85 mm）、黄色ブドウ球菌に対して高用量で（1.30–4.00 mm）記録された。すべての濃度で、黄色ブドウ球菌に対する低用量での抗菌効力はゼロであった。結果比較は、陰性対照DI水（0 mm）と陽性対照シプロフロキサシン（大腸菌で7.15 mm、黄色ブドウ球菌で11.25 mmの阻害ゾーン）で行った。

全体として、ドープナノ構造は低用量でグラム陽性菌に対してゼロの殺菌活性を示し、ドープ含有量においてグラム陰性菌に対する効果がグラム陽性菌に比べて有意（p < 0.05）に高かった。

設計ナノ構造の酸化ストレスは、ナノ粒子の形状、サイズ、濃度など多様な因子に依存し、抗菌作用に重要な役割を果たす[58]。ナノサイズ材料は効率的に反応性酸素種（ROS）を生成し、細菌細胞膜を損傷し細胞質流出を引き起こし、細菌を破裂させる（図9参照）[59]。第二に、ナノ材料の陽イオン的干渉が負に帯電した細菌細胞膜断片と相互作用し、崩壊を引き起こす。MgOナノ粒子の大腸菌に対する抗菌活性向上は、大量のO₂⁻生成、およびおそらく脂質過酸化とROSに起因する[60]。ドープ試料では、GO濃度増加に伴い抗菌活性が向上した。

試料	対照試料バンドギャップ (eV)	バンドギャップ減少 (eV)	文献
GOドープZnO	3.6	2.9	[61]
AgドープGO	4.10	3.50	[2]
GOドープZnO	3.10	2.98	[62]
GOドープMgO	5.0	4.8	本研究

結論

本研究では、化学沈殿法によりGOドープMgOナノ構造を合成することに成功した。MgOの立方構造はXRD技術で観察され、HRTEMで確認された。Mg-Oの分子結合と様々な官能基、指紋領域におけるMgOの特性透過率ピーク（443 cm⁻¹）がFTIRで記録された。ドープに伴い吸収が増加し、高濃度GOでレッドシフトが導入された。ドープMgOの吸収スペクトルからTaucプロットで計算したバンドギャップは、MgO（5.0 eV）に対し4.8 eV（高濃度）となり、ドープ時の吸収レッドシフトに起因した。MgOではナノ構造の立方および六方晶形態が観察され、ドープによりロッド状構造の成長が観察され、HR-TEMで六方晶の直径減少が確認された。さらに、HRTEMとGatanソフトウェアによる平均dスペーシング（0.23 nm）はXRDとよく一致した。EDS分析により、Mg、Oの元素組成とGOドープが確認された。GO導入により、414 nmからのPL強度がブルーシフトを伴って低下し、励起子の低再結合率を示した。sp³およびsp² C原子に関連するDバンドおよびGバンド（それぞれ1338、1598 cm⁻¹）の存在がラマンで検証された。触媒活性を評価し、0.05 GO-MgOにより酸性条件下で約45%の最高染料分解を達成した。さらに、実験結果はGO-MgOのグラム陰性菌（大腸菌）に対する殺菌効力がグラム陽性菌（黄色ブドウ球菌）に比べて向上していることを示した。また、GO-MgOの相乗効果はグラム陰性菌（大腸菌）に対する殺菌効力がグラム陽性菌（黄色ブドウ球菌）より高いことを示した。本研究は、工業汚染水の浄化と環境修復のための抗菌応用に利用できる、ドーパント依存的なMgOナノコンポジット特性を探求した。

データおよび材料の入手可能性

すべてのデータは制限なく完全に入手可能です。

略語

EDS

エネルギー分散型X線分光

FTIR

フーリエ変換赤外分光

FESEM

電界放出型走査型電子顕微鏡

G+

グラム陽性

G-

グラム陰性

GO

グラフェン酸化物

HR-TEM

高分解能透過型電子顕微鏡

JCPDS

粉末回折基準合同委員会

MgO

酸化マグネシウム

UV-Vis

紫外-可視分光法

XRD

X線回折