ビスマスドープ窒化ホウ素ナノシート：理論と実験から見る電子的・光学的性能向上

概要

本研究では、窒化ホウ素（BN）ナノシートをバルクBNの液相剥離法で調製し、様々な重量比（2.5、5、7.5、10 wt%）のビスマス（Bi）を水熱法でドーパントとして導入しました。光学的調査により近紫外領域での吸収スペクトルが観測されました。密度汎関数理論（DFT）計算により、Biドーピングがフェルミ準位周辺に新たな局在ギャップ状態を誘起し、BNナノシートの電子構造に様々な変化をもたらすことが示されました。Biドーパント濃度増加に伴いバンドギャップエネルギーが減少することが判明。計算吸収スペクトル解析では吸収端の赤方偏移が観測され、実験観測と一致しました。さらに、非ドープおよびBiドープBNナノシートの触媒・抗菌ポテンシャルを評価。染料還元/分解プロセスでの性能評価で触媒活性を検証。BiドープBNナノシートの殺菌活性は、黄色ブドウ球菌（S. aureus）に対して0-33.8%と43.4-60%、大腸菌（E. coli）に対して0-38.8%と50.5-85.8%の効率向上を示しました。さらに、インシリコ分子ドッキング予測がin vitro殺菌活性と良好に一致。BiドープBNナノシートはE. coliジヒドロホル酸還元酵素（DHFR）（-11.971 kcal/mol）とS. aureus DHFR（-8.526 kcal/mol）に良好な結合スコアを示し、E. coli DNAジャイラーゼ（-6.782 kcal/mol）とS. aureus DNAジャイラーゼ（-7.819 kcal/mol）への結合スコアも、これら酵素が標的となり得ることを示唆しました。

はじめに

様々な化学物質、有機化合物、産業廃棄物が環境汚染を引き起こし、人間、動物、水生生物に深刻な影響を与えています[1, 2]。このため、革新的で環境に優しい廃水処理技術への需要が高まっています[3, 4]。毎年何百万人もの人々が汚染水で命を落としています[5, 6]。年間染料使用量は産業分野で約10,000トン、その中でメチレンブルー（MB）は大気と水生環境で10-15%を占める主要汚染源です[7-10]。MBは分子式C₁₆H₁₈N₃SClの単純アニリン染料で、綿、羊毛、絹の染色やメトヘモグロビン血症・シアン化物中毒治療に広く使用。生物学者は組織染色と核酸検出に利用。しかし、この染料は人間と野生生物に多くの悪影響を及ぼします。したがって、排水から染料除去は人間と水生生物の福祉に重要です[11, 12]。

水から様々な汚染物質除去の従来法には、沈殿、電気分解、凝集、光触媒、膜分離、イオン交換、吸着、逆浸透、生物学的処理があります[13, 14]。これらの中で触媒活性（CA）はコスト効率と環境持続性の観点から広く用いられています[15]。CAは還元剤とナノ触媒（調製試料）で構成され、本研究では合成染料MB分解に適用[16-18]。

廃水浄化要件の高まりにより、二次元材料（2D-Mats）と呼ばれる新材料クラスの開発・利用が進みました。グラフェン発見[19-21]がきっかけです。現在、モリブデンジスルフィド（MoS₂）、MXene（ディラック2D-Mats）など多様な2D-Matsが合成されています[22, 23]。窒化ホウ素はMXeneクラスの有望材料と見なされています[24, 25]。BNナノシートは誘電特性、化学的・熱的安定性、深紫外線と直接遷移型バンドギャップなど興味深い特性を持ち、水処理と抗菌活性を含む様々な用途に適しています[24, 26, 27]。これら課題解決にビスマス富有戦略や遷移金属元素ドーピング（Bi等）が最もアクセスしやすい手法です。Biは他元素と異なり灰白色に赤み（ピンク色）を帯びた特異な外観。Biは+3と+5酸化状態で化合物形成。Bi化合物は廃水処理ナノ触媒として用いられ、BN等2D-Matsへのドーパント利用で優れた抗菌剤となります[28-31]。

さらに、BNナノシートは抗菌剤として医療分野でも利用可能で、様々な細菌から保護することを目的としています[32]。乳腺炎は乳房実質組織の物理化学的・病理生物学的変化を特徴とし、直接的経済影響を世界的に与えます。乳腺炎乳摂取により人間はレプトスピラ症、連鎖球菌性咽頭炎、ブルセラ症、結核など人獣共通感染症リスクが高い[33]。一般に、細菌・ウイルス等感染病因子は2クラスに分類。第1クラス：黄色ブドウ球菌（S. aureus）、大腸菌群、コリネバクテリウム、連鎖球菌、大腸菌（E. coli）。第2クラス：コリネバクテリウム・ボビス、凝固酵素陰性ブドウ球菌[2, 32, 34, 35]。中でもメチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）が世界的に多数の死因。抗生物質耐性がグラム陽性・陰性病原菌で出現し、人類健康に深刻なリスク[36]。水中E. coliによる下痢性疾患で年間5歳未満小児130万人死亡。抗菌剤としてBNはこれら有害病原体から保護[37]。Biの生体適合性から、Bi塩、NPs、ナノ材料など様々な形での抗菌剤としての合成・利用が大きな注目[38]。ヘリコバクター・ピロリ（H. pylori）感染は現在、Bi有機塩と抗生物質混合で治療[39, 40]。ナノ構造による酸化ストレスはサイズ、濃度、形状依存。小型ナノ構造は反応性酸素種（ROS）生成し、細菌膜内インプラントで効率的に結合、細胞質内容物流出と細菌DNA、タンパク質、酵素損傷[41-43]。ROS生成に加え、ナノ構造強力な陽イオン界面が陰性帯電細菌細胞膜部分と相互作用し、高濃度で優れた殺菌活性、細菌崩壊促進[44, 45]。

本研究では、BNナノシートを化学剥離法で調製し、ビスマス（Bi）を水熱法でドーパントとして導入。合成材料の触媒活性（CA）を有害MB還元で評価。さらにE. coliとS. aureusへの抗菌活性評価。作用機構特定のため、BiドープBNナノシートの分子ドッキング研究を、葉酸生合成経路のジヒドロホル酸還元酵素（DHFR）と核酸生合成経路のDNAジャイラーゼ（E. coliとS. aureus由来）に対して実施。純粋およびBiドープBNナノシートの安定構造、電子的・光学的特性を第一原理DFT計算で算出。

実験方法

本研究は、理論計算と実験（染料分解、抗菌挙動、分子ドッキング解析）を用いたBiドープBNナノシートの電子的・光学的特性への影響を調査。

実験詳細

BNバルク粉末（98%）、ジメチルホルムアミド（DMF）をSigma-Aldrich（ドイツ）から購入。ビスマス硝酸塩五水和物Bi(NO₃)₃·5H₂O（98%）をBDH Laboratory Supplies Poole（UK）から購入。全受入化学品を精製せず使用。

BNナノシート作製のため、バルクBN液相剥離を実施。200 mgバルクBN粉末をDMF（50 mL）に溶解し15分攪拌。その後、溶解液を50°Cで12時間超音波処理（図1a）。超音波懸濁液を3500 rpm、20分遠心分離[46]。回収ナノシートを、Bi源としてビスマス硝酸塩五水和物Bi(NO₃)₃·5H₂Oを用い水熱法でBiドープ。様々なBiドーパント濃度（2.5、5、7.5、10 wt%）を固定比率（0.025:1、0.05:1、0.075:1、0.1:1）でBNナノシートに別々に添加し、テフロン容器に入れオートクレーブで200°C、12時間反応（図1b）。その後オートクレーブ冷却、得られた製品をエタノールと脱イオン水など洗浄剤で繰り返し洗浄し不純物除去、100°C真空オーブンで乾燥。

ファンデルワールス引力がバルク窒化ホウ素積層層間の主要力。これら相互作用を克服して積層層剥離。有機溶媒層間挿入後、超音波バスから得られる機械的力導入で実行。表面張力が窒化ホウ素と一致する溶媒が、バルク窒化ホウ素分散に理想的。溶媒と窒化ホウ素間界面張力最小化するため。DMF採用理由は表面張力がグラフェン（37.1 mJ m⁻²）と一致し、BNはグラフェンに類似するため、窒化ホウ素ナノシート分散に極めて適した溶媒[47]。

超音波放射が媒質通過時、溶媒分子圧縮・伸張し平均位置周りで振動開始、高圧領域（圧縮）と負圧領域（伸張）発生。負圧が液体分子保持に不十分な場合、液体破壊でボイド（キャビテーション気泡）形成。キャビテーション気泡は高圧領域で激しく崩壊しマイクロリアクター振る舞い、数千度局所温度と数百気圧高圧生成、層間引力克服に十分、剥離誘導[48, 49]。

触媒活性

触媒ポテンシャル評価のため、還元剤として次亜硼酸ナトリウム（NaBH₄）存在下でMB染料分解実施。まず適量染料と還元剤を脱イオン水で希釈し水溶液調製。触媒実験は全調製試料をナノ触媒として利用。石英セルにMB（10 mL）へNaBH₄溶液（600 μL）添加し染料分解測定。NaBH₄単独では染料分解不能、還元剤としてのみ機能。さらに各触媒（4 mg）を前駆体溶液に別々に添加し染料分解触媒効率調査。UV-Vis分光光度計で450-750 nm吸収スペクトル測定で染料還元測定。メチレンブルー脱色を染料分解成功指標とみなす。純粋BNと様々ドーピング濃度での実施活性模式図を図1cに示す。左図は実施活性、右図はUV-Vis分光法で吸収スペクトル取得後、時間経過に伴う分解濃度を示す。

抗菌活性

BiドープBNNS抗菌ポテンシャルin vitro評価を、G+菌とG-菌分離株をそれぞれMSAとMAに塗布（1.5×10⁸ CFU/mL）、ウェル拡散法で実施（補足図S1）。BiドープBNNS様々比率（500 μg/50 μL、1000 μg/50 μL）をMSAとMAプレートウェル（6 mm）に低用量・高用量として接種（補足図S1）。シプロフロキサシン（5 μg/50 μL）とDIW（50 μL）を陽性（+）と陰性（-）対照。一晩37°C培養後、バーニアキャリパーで阻害ゾーン（mm）測定し抗菌評価実証[50]。

材料特性評価

X線回折計（XRD、Bruker D₂ Phaser、USA）、Cu-Kα（λ=0.154 nm）、回折角（2θ）範囲10°-60°、スキャン速度0.05°/minで合成材料構造的特性決定。フーリエ変換赤外（FTIR）分光法（Perkin Elmer分光計）、波数精度±0.01 cm⁻¹以内でIRフィンガープリント概説。光学特性評価にGENESYS-10S UV-Vis、スキャン速度5 nm/s、吸収スペクトル範囲200-800 nm、光ルミネセンス研究にJASCO FP-8200分光蛍光計、スキャン速度10 nm/s。表面形態と微細構造を電界放出走査電子顕微鏡（FESEM、JSM 6460LV）とエネルギー分散型X線（EDS）分光計、JEOL JEM 2100F高分解能透過電子顕微鏡（HR-TEM）で研究。

計算詳細

第一原理計算はQuantumATKソフトウェア[51]実装のDFT包括的フレームワーク、原子軌道線形結合（LCAO）アプローチで実施。交換相関汎関数はPerdew-Burke-Ernzerhof（PBE）を一般化勾配近似（GGA）[52]接続で実施。ノルム保存PseudoDojo[53]擬ポテンシャルで電子-イオン相互作用記述、価電子。ブリルアンゾーンは構造緩和にMonkhorst-Pack特殊k点グリッド4×4×1、電子的性質計算に7×7×1で実施。自己無撞着場（SCF）計算はエネルギー収束許容限度10⁻⁶ Haで考慮。幾何構造とイオン緩和は限定メモリBroyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno（LBFGS）アルゴリズム、各原子力0.05 eV/Å未満で実施。重いBiドーパント存在による強い相対論的効果考慮し、スピン軌道結合（SOC）寄与を電子構造計算に含めました。

結果と考察

構造と電子的性質

XRDで対照とBiドープBNナノシートの相同定、結晶性、結晶学的面を調査（図2a）。~26.9°、41.3°、43.46°、50.2°の2θ値XRD反射はそれぞれ(002)、(100)、(101)、(102)結晶学的面に指数付け。検出結晶学的面は標準スペクトル（JCPDS参照#00-034-0421）と良好調和[54, 55]。ピークシャープネスと強度はBN薄層形成と優先c方向への弱いNS積層示唆[46]。回折角ピークシフトがXRD反射で検出され、ドーパント組込み示唆。特性（d₀₀₂）反射層間距離（d値）はブラッグ則（nλ=2d sinθ）で~0.34 nmと評価、HR-TEM結果と良好相関（補足図S4）。対応面d値は吸着特性とBN分子輸送に関わる顕著特徴で、触媒性能向上に寄与[56]。裸BN対応SAEDプロファイル（図2b）は明るい同心円リングで構成、試料高結晶性示唆。検出リングはXRDパターンと標準データと良好一致[26, 57, 58]。合成材料表面形態をFESEMで探索、HR-TEM解析でさらに確認。層間距離をGatan Digital MicrographソフトウェアでHR-TEM像使用し評価、XRD結果と整合。調製製品純度をEDS分光法で元素組成分析し確認（補足図S5、S6）。

FTIRで対照とBiドープBNナノシートIRフィンガープリント調査（図2c）。取得スペクトルにBN由来2特徴ピーク（750、1365 cm⁻¹）観測、B-N-B（曲げ振動）とB-N（伸縮振動）に帰属。これらコアピークはA₂uモード（面外）、E₁uモード（面内）に関連[56, 59]。A₂uモードは面外モードで96.4 meVエネルギー対応、E₁uは面内モードで長距離クーロン相互作用により縦光学モードE₁u^TO（169.4 meV）と横光学E₁u^LO（199.6 meV）に分裂[60]。MichelとVerberck[60]は長距離クーロン力あり・なしで計算した2フォノン分散関係比較。2計算間変化はLO-TO分裂対応。クーロン相互作用でBN対称性場破れ、縦横光学フォノン分裂[61]。これらモード模式図を図2cに示す。1170 cm⁻¹追加ピークはホウ素オキシ窒化物（N-B-O）伸縮振動関連。3433 cm⁻¹広バンドはO-H伸縮振動対応[62]。

PL分光法で試料中エキシトン移動、移動、再結合確認（図2d）。抽出スペクトルに励起波長λ_ex=390 nm、対応発光波長λ_em=420 nmマーク。ナノスケール材料は励起波長に比較的敏感なため、発光スペクトルはλ_ex値基準[59]。非ドープとBiドープBNナノシートPLスペクトルに~420 nm以降の非対称ピーク検出。PLスペクトル非対称ピークは発光種および/または多重蛍光体存在示唆。文献でホウ素-酸素種等がBN系新規発光中心と見なされる[63]。460 nm付近発光は電子遷移開始表現。この電子遷移はBNバンド2p状態間個別/相互遷移含む[64]。価電子帯から伝導帯へ電子（e⁻）励起が発光強度と励起光エネルギー増強。460 nm遷移は~2.7 eVエネルギーピーク対応[65]。試料同量、成長率、持続時間等で調製だが、PLスペクトル全試料強度多少差は単位面積あたり発光参加h-BNドメイン少ないためと帰属[66]。エキシトン最大再結合と分離がPLスペクトル最高・最低強度ピーク対応[67]。

ホストBNとBiドープBNナノシート光学的特性をUV-Vis分光法吸収スペクトルで確定。近紫外領域吸収出現観測（図3a）。純粋BNナノシート最大吸収~200 nm検出、近紫外領域でバンドギャップエネルギー~5.85 eV対応。Bi導入で最大吸収端が長波長側移動、光学スペクトル赤方偏移示しバンドギャップエネルギー低減。バンドギャップエネルギーをタウク式（式1）で推定。図3bタウクプロットでバンドギャップエネルギー4.65 eVまで低減示す。また、純粋、2.5%、5% Biドープ試料で低・高エネルギー側追加吸収検出されず、濃密構造欠陥存在示唆。一方7.5%、10% Biドープ試料で330 nm付近微弱吸収観測、シミュレート光学吸収スペクトル解析でも検証・説明（図6参照）[62, 68, 69]。文献でバルクBNバンドギャップ5.2-5.4 eV、バイ/マルチ層ナノシート5.56-5.92 eV[26]。これら観測から調製BNナノシートがバイ/マルチ層構造持つこと示唆。全試料バンドギャップエネルギー図3b表示、タウク式(1)推定値は以下：

αhν = K(hν - E_g)ⁿ …… (1)

αは吸収係数、α=log(T/d)（T透過率、d光路長）。指数n値はE_g電子的性質関連、直接許容遷移(1/2)、間接許容遷移(2)、直接禁制遷移(3/2)、間接禁制遷移(3)対応。ただし遷移データでバンドエッジ領域最良線形フィットはn=1/2。E_gは(αhν)^(1/n)対hνプロット評価で特徴付け。式1線形トレンドは最大傾斜領域近傍接線としてモデル化。hν=光子エネルギー(E)、K吸収指数、E_gバンドギャップエネルギー(eV)[26]。

これら実験所見は第一原理DFT計算で支持。非ドープとBiドープBN単層モデルを超胞法・周期境界条件で構築。7×7超胞を非ドープとBiドープBN単層に使用、Biが隣接像と最小相互作用保証。単層面垂直方向に15 Å真空層使用。ドーパント濃度2.04%、4.08%、6.1%をBN単層超胞Bサイトに1、2、3 Bi原子置換でモデル化（補足図S6）。Biドーパント異濃度安定性検証のため、以下式で結合エネルギー推定[70, 71]：

E_b = E_supercell - E_V - E_TM …… (2)

E_supercell、E_V、E_TMはそれぞれドープBN全エネルギー、陽イオン空孔ありホスト材料、孤立金属原子。E_b値が異ドーパント濃度で-4.0〜-7.71 eVで大きく変化すること判明。

Biドーパント電子構造変化と光学的挙動影響探索のため、SOC寄与含め非ドープBN単層と比較し、異濃度BiドープBN単層電子バンド構造と状態密度（DOS）計算（図5、6）。非ドープBNはK点で直接遷移型バンドギャップ4.69 eV持つ（図4a）、実験測定値（5.85 eV）とより整合。計算バンドギャップ値は先行理論研究とも優れた一致[72, 73]。このバンドギャップ値はBN単層が絶縁体であること示唆。図5a非ドープDOSプロットから、価電子帯最大値主にN 2p状態特徴、伝導帯最小値主に非占有B 2p状態制御。2.04% Biドーパント導入時、フェルミ準位周辺に2新局在ギャップ状態形成（図4b）、下部バンド占有、上部バンド非占有。したがって価電子帯最大値が価電子帯内で下方シフト、バンドギャップエネルギー減少。さらに価電子帯最大値と伝導帯最小値主特徴は純粋BN単層と類似。不純物バンド出現でバンドギャップエネルギーが3.39、1.83、0.643 eV幅3サブギャップ領域分割。部分DOS解析（図5b）で占有ギャップ状態主にBi 6s状態とN 2p状態混合、非占有ギャップ状態主にBi 6p状態少量N 2p寄与構築。BN単層に2 Bi原子ドープ時、バンド構造は伝導帯比較的大きな下方シフト示す。ドーパントバンド数増加しバンドギャップ更低減。結果BiドープBN単層は典型的n型半導体特性示す。図4cからフェルミ準位周辺に4ギャップ状態導入。最下2ドーパント準位占有、フェルミ準位下方約0.57、0.21 eV位置。他2ギャップ状態非占有、フェルミ準位上方0.40、0.80 eV位置。しかし図5c PDOSでBi 6sとN 2p状態大部分混合（2小ピーク）、Bi 6p状態大寄与少量N 2p寄与（2高ピーク）示す。Biドーピング濃度6.1%増加時、フェルミ準位周辺に更多不純物状態導入、バンドギャップ減少観測（図4d）。低エネルギーギャップ状態不純物バンド0.36 eV、高エネルギーギャップ状態不純物バンドフェルミ準位上方0.61 eV位置。部分DOSプロット（図5d）から、Bi濃度6.1%ドーピングでフェルミ準位上下不純物バンド主特徴は4.08% BiドープBNと類似、フェルミ準位上下不純物バンド間一部オーバーラップ認識。

非ドープとBiドープBN単層吸収係数計算・プロット（図6）。Biドーピング濃度増加で吸収端赤方偏移観測。2.04% Biドーパント濃度で吸収端約10 nm赤方偏移（非ドープBN単層比）。この微小赤方偏移はバンドギャップ微減少由来、BiドープBNナノシート実験測定赤方偏移20 nmと妥当一致。Bi組込濃度4.08%、6.10%上昇時、主吸収端が非ドープBN単層比約22 nm、40 nm赤方偏移。これもバンドギャップ狭窄結果、実験観測再現（図3a参照）。Bi組込濃度上昇で330 nm付近別微小吸収ピーク出現観測。BiドープBN単層吸収端を345 nm（3.60 eV）までさらに赤方偏移、触媒能力向上意味。

触媒活性

合成材料触媒活性性能評価実験結果を時間依存UV-Visスペクトルで表示。還元剤水溶液染料へ組込みのみでは分解不能、~7%染料還元のみ達成。BiドープBNナノシート（ナノ触媒）添加で還元率効果的向上。純粋BNナノシート35分で45%染料還元、Bi様々濃度（2.5、5、7.5、10 wt%）ドープBNは還元促進と急速進行示す。

一般に触媒は反応活性化エネルギー低減し安定性と反応速度加速。MBは主に工業プロセス水中排出合成染料。MBは還元剤存在下還元可能だが、NaBH₄のみ存在では還元プロセス比較的遅い。ホストBNナノシート大きい比表面積で吸着速度増大。さらにナノ触媒上分散還元剤層も触媒とMB酸化還元反応で吸着加速。触媒還元反応はドナー種BH₄⁻（NaBH₄由来）からアクセプター種MBへ電子移動、純粋とBiドープBNナノシート仲介で発生。活性化エネルギー低減し反応安定化・加速[26, 74]。触媒活性メカニズムを補足図S7bに表示。様々ドープ濃度（2.5、5、7.5、10 wt%）染料分解率はそれぞれ24、17、11、7分で61、67、85、94%（図7）。本実験文献比較を表1に表示。

触媒活性効率向上はBi濃度増加による。分解率直接対応：還元剤からMBへ電子移動、ナノ触媒仲介。BiドープBNナノシートが活性化エネルギー低減し反応速度向上、電子MBへより迅速移動促進。C_t/C_o対時間プロット（図7a）で全試料染料還元表示、C_t任意時点MB濃度、C_o初期濃度。図9bは式(3)推定触媒分解率表示。

分解率(%) = (C_o - C_t) / C_o × 100 …… (3)

触媒活性影響要因と触媒性能影響因子を以下議論。

pH値

触媒活性で反応速度はpH値と強相関。一般に極端低・高pH値は染料分解寄与せず。還元剤用触媒活性文献で塩基性条件が最大分解最有利示す。本研究最大分解達成pH値8.4、文献と好相関。さらにBNナノシート等材料表面電荷制御、汚染物質-材料間静電相互作用支配。したがって溶液pH値は汚染物質除去プロセスと直接連結、汚染物質-吸着剤間静電相互作用制御で除去プロセス影響[74, 75]。

安定性

触媒安定性を本研究で調査：実験を少なくとも3日間放置し、ナノ触媒存在下染料還元安定か検証。分解染料暗所保管、24時間ごと吸収スペクトルUV-Vis分光光度計取得で分解検査（図7c）。結果、72時間滞留条件で分解損失なし。分解比較的元形態維持、触媒安定性肯定。

再利用性

触媒再利用性はリサイクル能力、複数回使用許容指す。一般に最多リサイクルサイクル触媒最効率と見なす。本実験で10 wt%触媒3サイクルまでリサイクル探査。結果図7d示す、BiドープBN触媒が効果的再利用可能触媒として利用可能。

触媒負荷量

最後に実験前後3回リサイクル後触媒負荷量測定。実験前負荷量4 mg、3回リサイクル後3.7 mg（5%検知偏差考慮）。結果BiドープBN最安定、再利用可能、最高効率染料分解触媒として作用示唆。さらに3日間安定性試験後触媒負荷量測定も実施、リサイクル後とほぼ同結果（3.6 mg）示す。

殺菌活性

BN、Bi₂O₃、BiドープBNナノシートのグラム陽性・陰性菌in vitro殺菌活性を図8、9(a-n)グラフ表示。所見はBiドープBNナノシート相乗効果でS. aureus比較E. coliへ優れた殺菌作用示す（図8、9(a-j)）。BNとBi₂O₃低濃度でG+・G-菌へ効率ゼロ。高濃度でBN（0.35 mm）、(0.45 mm)阻害、Bi₂O₃（0.55 mm）、(0.75 mm)阻害ゾーンG+・G-菌それぞれ示す（図8、9(a, b, h-i)）。有意（P<0.05）阻害ゾーン：S. aureusで低・高用量それぞれ(0-2.45 mm)、(3.15-4.35 mm)、E. coliで(0-1.65 mm)、(2.15-3.65 mm)（図8、9(c-f, j-m)）。効率%：S. aureusで(0-33.8%)、(43.4-60%)、E. coliで(0-38.8%)、(50.5-85.8%)上昇。陽性対照シプロフロキサシンG+・G-菌増殖それぞれ(7.25 mm)、(4.25 mm)抑制、DIW(0 mm)比較。一般に2.5 wt%ドープBNナノシート低用量でG+・G-菌ゼロ効率、他ドープナノシートG-菌へG+菌比較有意（P<0.05）抗菌活性示す（図8、9(c-f, j-m)）。

ナノシート酸化ストレスはサイズ、形状、濃度依存。BiドープBN wt%増加でより多く陽イオン利用可能、阻害ゾーン（mm）増大。抗菌活性はサイズ・濃度依存でドープNSサイズと逆相関[2, 22, 80]。ROS生成は微小病原体破壊主要危険因子[81]。小型NS生成ROSが細菌膜内インプラントより実在、細胞質内容物流出、細菌DNA、タンパク質、酵素損傷、細菌殺傷（補足図S7(a)）[80, 82]。照射時NPs価電子帯-伝導帯e⁻移動活性化、正孔(h⁺)生成、価電子帯酸化移動[83, 84]。還元プロセスe⁻とO₂反応でO₂⁻.生成[85]。正孔(h⁺)酸化プロセスで水(H₂O)やヒドロキシル基(OH⁻)由来e⁻反応でOH生成[86]。強力反応性酸素ラジカル種OHが微小病原体生体分子（タンパク質、炭水化物、DNA、脂質、アミノ酸）と速やか反応（補足図S7(a)）[87]。Bi複合体は高効果抗菌作用と低環境毒性で有名[88]。第二に、Bi³⁺強力陽イオン界面が陰性帯電細菌細胞膜部分と相互作用、高濃度で抗菌作用増大、細菌崩壊促進[2]。

細菌生存必須様々生化学反応鍵段階触媒酵素は抗生物質発見魅力的標的。ナノ粒子選択酵素標的阻害傾向予測分子ドッキング研究は新規抗生物質発見モード極めて重要。酵素阻害メカニズムは補足図S7(c)描写：酵素活性部位遮断、基質アクセス阻害、与酵素標的触媒活性破壊、細菌死誘導。

ナノ材料生物学的ポテンシャル、特に殺菌活性文献多数報告だが、作用明確機構未解明。ナノ材料抗菌活性は細胞壁破壊または細菌生存必須様々経路鍵酵素標的通じて発現（補足図S7参照）[80, 89]。標的特定価値重要、新規作用モード抗生物質発見貢献可能性[90]。ここではよく知る2抗生物質リファンピシン（核酸合成）とトリメトプリム（葉酸生合成経路）[91]酵素標的選択、BiドープBNナノシート結合傾向、結合相互作用パターン、抗菌活性背後阻害機構評価。

E. coli DHFRでベストドック構象：Ile14（2.68 Å）、Ile94（2.27 Å）水素結合相互作用、Tyr100金属接触相互作用、結合スコア-11.971 kcal/mol（図10a）。同様にS. aureus DHFRでThr46（2.19 Å）水素結合、Leu20金属接触、結合スコア-8.526 kcal/mol（図10b）。

E. coli DNAジャイラーゼベスト結合スコア-6.782 kcal/mol、Asp73（2.22 Å）水素結合（図11a）。S. aureus DNAジャイラーゼでAsp81（2.12 Å、2.68 Å）水素結合、Ile175金属接触、結合スコア-7.819 kcal/mol（図11b）。

結論

BNナノシートをバルクBN液相剥離で成功調製、Biを水熱法でドーパント導入。合成材料様々特性を多数特性評価手法で研究、文献と良好調和。XRDパターンでBN六方晶相存在、より高回折角へピークシフト、ドーパント成功組込み認証。FTIRスペクトルで面内B-N曲げ、面外B-N-B伸縮振動存在肯定、BN赤外活性E₁u、A₂uモード対応。PL分析で発光バンド存在肯定、UV-Vis分光法で近紫外領域吸収発生示唆。形態学的検討FESEMとHR-TEMマイクログラフでシート状形態、ナノシート上Bi装飾確認、効果的ドーピング手順示唆。HR-TEM像Gatan Digital Micrographソフトウェア支援層間距離推定、XRDと良好対応。EDSスペクトルで純粋・ドーパント材料双方強信号由来示す。第一原理計算最適化結果でBiが異濃度でBNナノシート置換・安定可能示す。Bi原子不純物バンドが電子バンドギャップ領域サブバンドギャップ吸収導入、触媒活性増加可能性。CA実験染料分解調査で効率的迅速プロセス結果。さらに純粋・ドープBNナノシートが安定、再利用可能、優秀ナノ触媒として廃水処理機能。さらにヤギ乳腺炎乳直接分離S. aureusとE. coliへドープBNナノシート抗菌効率有意定量値結果。インシリコ予測選択酵素標的（E. coliとS. aureus DHFR、DNAジャイラーゼ）in vitro殺菌活性と良好一致、ドープナノ材料抗菌・CA手順潜在薬剤新地平開拓。理論計算実験値良好一致。理論研究で異濃度Bi置換ドーピング安定示す。さらにBiドーピングがフェルミ準位周辺新局在ギャップ状態誘起、BNナノシート電子構造様々変化導く。最終的にこれら結果から、BiドープBNナノシートが産業廃水用途と抗菌治療利用適材料と結論。