Улучшенное деградирование красителя и антибактериальная активность нанокристаллов MgO, легированных оксидом графена

Аннотация

Различные концентрации (0,01, 0,03 и 0,05 масс. соотношения) нанолистов оксида графена (GO) легировали в наноструктуры оксида магния (MgO) методом химического осаждения. Цель — изучить влияние концентрации GO допанта на каталитическое и антибактериальное поведение фиксированного количества MgO. XRD техника выявила кубическую фазу MgO, а его кристаллическая природа подтвердилась SAED профилями. Наличие функциональных групп и Mg-O (443 см⁻¹) в отпечатковой области было очевидно с FTIR спектроскопией. Оптические свойства записывали UV-видимой спектроскопией с красным смещением, указывающим на уменьшение энергии запрещенной зоны от 5,0 до 4,8 эВ при легировании. Поведение рекомбинации электрон-дырочных пар изучали фоtolюминесцентной (PL) спектроскопией. Раман-спектры показали D-полосу (1338 см⁻¹) и G-полосу (1598 см⁻¹), подтверждающие легирование GO. Формирование наноструктуры с кубической и гексагональной морфологией подтвердили TEM, тогда как среднее межслойное d-расстояние 0,23 нм оценили HR-TEM. Наличие допантов и оценка элементного состава Mg, O подтвердили EDS технику. Каталитическая активность против метиленового синего ципрофлоксацина (MBCF) значительно снизилась (45%) при более высокой концентрации GO допанта (0,05), тогда как бактерицидная активность MgO против E. coli значительно улучшилась (зона ингибирования 4,85 мм) при легировании более высокой концентрацией (0,05) GO, благодаря формированию наностержней.

Введение

Вода — самый важный компонент для выживания живых существ. Крупномасштабная индустриализация и растущее глобальное потепление со временем быстро снижают уровень чистой воды. Поверхность Земли покрыта на 71% водой, где реки, озера и пресные подземные воды составляют только 0,03% от общего объема воды, пригодной для питья [1, 2]. 2,5% воды пригодно для потребления, а остальные 97,5% — соленая вода; поэтому пресноводное обеспечение дефицитно относительно высоких требований. Примерно 750 млн населения Земли сталкиваются с дефицитом чистой воды, а увеличенное количество микрозагрязнителей в воде стало опасным для экосистемы. Мир сталкивается с катастрофическими последствиями, вызванными экологическим и водным загрязнением. Промышленность — главный источник загрязнения воды из-за сброса сточных вод с вредными и потенциально токсичными соединениями. Разные отрасли, такие как текстиль, полиграфия и пищевая промышленность, используют ароматические соединения, которые легко растворяются в воде, вызывая загрязнение воды и риски для здоровья [3]. Быстрая индустриализация и урбанизация вызвали значительное экологическое загрязнение тяжелыми металлами, стойкими в окружающей среде. Неблагоприятное воздействие тяжелых металлов в окружающей среде — серьезная опасность для живых существ [4]. Согласно ВОЗ, максимально допустимые пределы металлов в воде: железо (0,1 мг/л), кальций (75 мг/л), магний (50 мг/л), медь (1 мг/л), свинец (0,05 мг/л). USEPA сообщил профиль токсичности тяжелых металлов: свинец (повреждение/смерть мозга), кадмий (повреждение почек), хром (проблемы дыхательного тракта) [5]. Токсичные красители угрожают водным живым существам, блокируя солнечный свет, необходимый для роста живых организмов. Водные виды потребляют эти ядовитые красители, а эти виды в свою очередь потребляются людьми, нанося ущерб их здоровью [6].

Различные традиционные подходы для извлечения красителей из сточных вод предложены, включая испарение [7], растворительное извлечение [8], коагуляцию [9], ионообмен [10], мембранную сепарацию [11], физические, химические и биологические техники [12]. Главная проблема в том, что эти конвенциональные методы очистки дороги при достижении крупного масштаба. В виду этого исследователи разработали различные адсорбенты, такие как цеолит, активированный углерод, углеродные нанотрубки, полимеры и графеновые материалы. Адсорбционный метод широко используется в очистке сточных вод для деградации реактивных красителей [13–17]. Предлагаются надлежащая обработка красителей, такая как адсорбция и каталитическая деградация, для удаления красителей и улучшения качества жизни. Адсорбция дешева, но восстановление катализатора все еще проблема, которая может производить опасные материалы. Каталитическая деградация немного дороже; однако она относительно проста и имеет преимущество рециклируемости [18]. Многочисленные оксидные полупроводники (TiO₂, ZnO, MgO, Fe₂O₃, WO₃) широко сообщались как катализаторы для деградации органических красителей из-за их высокой химической стабильности, нетоксичной природы, высокой активности и стоимостной эффективности.

Среди них нетоксичный и дешевый MgO показан эффективным в областях адсорбции, катализа загрязненной воды, сверхпроводящих продуктов и антибактериальных материалов [19–21]. За последние годы различные наноструктуры MgO, содержащие наночастицы, наноцветы и нанолисты, успешно фabриковали [22]. Недавно MgO с большой запрещенной зоной 7,8 эВ привлекло много интереса из-за уникальных свойств: оптических, электронных и магнитных [23]. Широко признается, что точечные дефекты в кристаллах, такие как кислородные вакансии [V_O (F⁺-тип центра, F⁺ центр или F_c)] могут изменять эффективность материала в чистых MgO твердых телах [24]. Кроме того, MgO имеет меньшую плотность по сравнению с другими металлическими оксидами, включая оксид меди, оксид цинка и оксид железа [25]. MgO — щелочноземельный металлический оксид с высоким pH нулевого заряда [26], удельной поверхностью ~250–300 м²/г [27] и дзета-потенциалом около -29,89 мВ [28]. Исследования показали, что и размер частиц, и удельная поверхность являются критическими факторами, влияющими на адсорбционную производительность. Следовательно, поверхностные свойства получаемых продуктов значительно влияют на температуру кальцинации при синтезе [29–33]. Нетоксичный MgO обладает улучшенными органическими применениями как антибактериальный агент для изжоги и регенерации костей по сравнению с другими Mg соединениями, как подтверждено FDA (21CFR184.1431) [34–36].

В последнее десятилетие толстый лист углеродного материала оксид графена (GO) широко изучали для разных применений [37]. Двумерные GO наноматериалы демонстрируют огромную подвижность электронов, сильную химическую стабильность, широкую удельную поверхность и высокую термическую проводимость [38, 39]. Химический производный графена — GO, обладающий удельной поверхностью ~736,6 м²/г (теоретическая) [40] и дзета-потенциалом -113,77 мВ [41], содержащий эпоксидные, карбоксильные и гидроксильные группы. Эти функциональные группы приводят к отрицательному заряду, гидрофильности и легко образуют стабильную суспензию GO в водном растворе [42, 43].

Кроме того, несколько исследований рассматривали деградацию текстильных красителей для MgO, где MgO готовили термическим разложением и использовали для деградации метиленового синего. 90% этого красителя деградировало после 180 мин [44]. Также MgO готовили сол-гель методом с размером частиц 15–25 нм для устранения 98,3% красителя в сточных водах после 300 мин [45]. Цель этого исследования — проверить влияние GO допанта на MgO, для чего различные масс. соотношения (0, 0,01, 0,03, 0,05) GO легировали в MgO методом химического осаждения. Изучали эффекты допанта GO на различные характеристики MgO, такие как структурные, морфологические и химический состав в катализе и антибактериальном действии. С другой стороны, мотивация использования этих нанокомпозитов — изучить значительное применение плазмонных наноматериалов для усиления антимикробной и каталитической активности металлических оксидов.

Экспериментальная секция

Материалы

Хлорид магния (MgCl₂·6H₂O, 99%), нитрат натрия (NaNO₃, 98%) и гидроксид натрия (NaOH, 98%) закупали у Sigma Aldrich. Графитовый порошок (99,5%), серная кислота (H₂SO₄) и перманганат калия (KMnO₄, 99,5%) закупали у Analar.

Синтез оксида магния и оксида графена

Следуя стратегии мокрого химического ко-осадления, GO-легированный MgO готовили. Модифицированный метод Хуммера [46] использовали для приготовления GO. Для приготовления MgO желаемое количество MgCl₂·6H₂O (0,5 М) перемешивали в 50 мл деионизированной воды (DI вода) на горячей пластине. pH перемешанного раствора поддерживали 12 с помощью NaOH (0,1 М), который перемешивали 4 ч при 80 °C. Перемешанный раствор центрифугировали 3500 об/мин 15 мин; supernatанат собирали и сушили 120 °C 24 ч в сушилке. Собранный порошок измельчали в ступке с пестиком для получения мелкодисперсных порошков нелегированного и GO (0,01, 0,03, 0,05) легированного MgO. Схематическая диаграмма приготовления GO-легированного MgO показана на рис. 1.

Катализ

Каталитическая активность GO-легированных наноструктур MgO тестировали против 3 мл MBCF (метиленовый синий ципрофлоксацин) смешанного в 400 мкл свежеприготовленного NaBH₄ (восстановитель). NaOH и H₂SO₄ (400 мкл) добавляли для получения основной и кислой природы раствора соответственно. После этого 400 мкл легированного MgO добавляли в основной раствор восстановителя. Позже синий цвет приготовленного красителя (MBCF) начал бледнеть, указывая на деградацию MBCF в Леко-MBCF (бесцветный). Образцы из бледнеющего раствора через различные интервалы фиксировали UV-Vis спектрофотометром в диапазоне 200–800 нм, как показано на рис. 2.

Изоляция и идентификация S. aureus и E. coli

Образцы овčí молока с маститом получали из многих ветеринарных клиник и ферм в Пенджабе и посевали на овечью кровь агар (SBA) 5%. Ночью при 37 °C культурные образцы инкубировали. Выделенные бактериальные изоляты очищали высевом на MacConkey и маннитол-солевой агар (MA и MSA) в триплетах при ~pH 7 соответственно. Валидация стандартных колоний проводили грам-краской и биохимическим анализом (каталаза и коагулаза тесты).

Антибактериальная активность

Антибактериальное поведение синтезированного материала оценивали методом диффузии в колодцах с вымазыванием 0,5 МакФарленда изолированных бактериальных штаммов E. coli и S. aureus на MA и MSA соответственно. Стерильный буреный кольцом образовывали колодцы диаметром 6 мм на пластинках MA и MSA и загружали различные концентрации чистого и легированного MgO (0,5 и 1,0 мг/0,5 мл) как минимальную и максимальную дозу в сравнении с ципрофлоксацином (0,005 мг/0,5 мл) и DI водой (0,55 мл) как положительным и отрицательным контролем соответственно, в асептических условиях. После ночной инкубации при 37 °C антимикробная эффективность достигали вычислением зон ингибирования в миллиметрах (мм) штангенциркулем.

Статистический анализ

Однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) с SPSS 20 использовали для оценки антимикробной эффективности в терминах оценок зон ингибирования (мм).

Характеризация материалов

Для идентификации кристаллической структуры и фаз в приготовленных продуктах образцы оценивали рентгеновским диффрактометром (модель: PAN Analytical Xpert-PRO) с Cu-Kα излучением (λ = 1,540 Å) и 2θ значениями от 10° до 85°. Изучение присоединенных функциональных групп получали FTIR (Perkin Elmer спектрометр) в диапазоне 4000–400 см⁻¹. Абсорбционные спектры записывали UV-Vis спектрофотометром (Genesys 10S) в диапазоне 200–700 нм, а на спектрофлуорометре (JASCO, FP-8300) проводили фоtolюминесцентную (PL) спектроскопию. Раман-спектры измеряли DXR Раман микроскопом (Thermo Scientific) с лазером λ = 532 нм (6 мВ). Элементный состав получали SEM-EDS с INCA EDS программным обеспечением, тогда как d-расстояние визуализировали с помощью высокого разрешения передаточного электронного микроскопа (HR-TEM модель JEOL JEM 2100F).

Результаты и обсуждение

XRD MgO и GO-легированного MgO проводили для идентификации кристаллической структуры, размера и фазового состава на рис. 3a. Наблюдаемые пики при 2θ° = 37°, 43,10°, 62,5°, 74,7° и 78,8° согласовали с (111), (200), (220), (311) и (222) плоскостями, подтверждая, что MgO имел кубическую структуру, совпадающую с (JCPDS 75-1525) [47]. При легировании дифракционные пики были идентичны, указывая на малый содержание использованного допанта GO, который не был детектируем. Средний кристаллитный размер рассчитывали из дифракционных пиков уравнением Дебая-Шеррера, который составил 13,28 нм. Рассчитанное d-расстояние (0,21 нм) атрибутировалось к (200) решетчной плоскости кубического MgO. Выбранные области электронной дифракции (SAED) образцов указывали на кристаллическую природу MgO (рис. 3b-d). Яркие точки концентрических колец хорошо согласовали с XRD плоскостями MgO [48].

Для изучения присоединенных функциональных групп легированного MgO FTIR работали в диапазоне волновых чисел 4000–400 см⁻¹, как проиллюстрировано на рис. 3e. Трансмиссионный пик около 3699 см⁻¹ в легированном MgO атрибутировали к характеристической растягивающей вибрации гидроксильных групп (спирта), полученной в результате реакции между поверхностью MgO и водяными парами в воздухе [3]. Редукция интенсивности пика при введении GO наблюдалась, что атрибутируется донорским листам, обернутым вокруг MgO. Полоса при 1450 см⁻¹ относилась к асимметричным растягивающим вибрациям карбонатных ионов (C-O), тогда как соответствующие пики изгиба вибраций замечали при ~865 и ~867 см⁻¹ [48]. Однако уменьшение интенсивности упомянутых полос наблюдалось для GO-легированного MgO образца [20]. Полоса около 443 см⁻¹ показывала наличие Mg-O характеристической растягивающей вибрации [49].

Абсорбционные спектры допант-свободного и легированного MgO собирали в диапазоне 220–700 нм (рис. 4a). Полосы поглощения для MgO найдены при ~250 и ~320 нм можно подтвердить кислородными вакансиями (F и F₂²⁺) центрами соответственно. При возбуждении λ = 250 нм, F-центр фотоионизационный процесс вовлечен, возглавляемый уравнением F + hυ ↔ F⁺ + e [23]. Абсорбционный пик GO найден около 230 нм, который можно атрибутировать π-π* переходам C=C в аморфной углеродной системе [50], при легировании абсорбция увеличивалась, сопровождаемая красным смещением. Запрещенная зона незначительно уменьшалась (5,0–4,8 эВ) с увеличением количества GO в фиксированном количестве MgO, как изображено на рис. 4b. Это красное смещение предполагает морфологические эффекты на кристаллы с множеством активных центров или квантовый эффект замыкания [51].

Рис. 4c показывает PL эмиссионные спектры легированного MgO, измеренные в диапазоне 377–500 нм с возбуждающей λ 350 нм. Для определения эффективности рекомбинации зарядовых носителей (миграции) и эффективности захвата использовали PL. PL эмиссионный пик при 414 нм результатирует из дефектного полосового перехода из-за энергетических уровней, образованных различными F (кислородный ионный вакансия) типами анионных вакансий [52]. PL эмиссия GO обычно атрибутируется электрон-дырочной рекомбинации от смежных конфигурованных электронных состояний к широкой валентной зоне (VB) и дну зоны проводимости (CB). В атомной структуре эмиссия в основном генерируется из электронных переходов между неокисленным углеродным регионом (–C=C–) и краем окисленного углеродного атома региона (C-O, C=O и O=C-OH) [53]. GO-MgO пики показывали синее смещение и демонстрировали низкую интенсивность, что указывало на сниженную скорость рекомбинации, что может быть связано с переносом электрона с более высокого энергетического уровня в новые сгенерированные состояния.

Поверхностная структура и беспорядок фabрикованных образцов анализировали Раман-спектроскопией, представленной на рис. 4d. Контрольный образец Раман не показывал никаких характерных пиков в области 100–1600 см⁻¹, что предполагает низкую интенсивность рассеяния фононов MgO [54, 55]. В случае легированных образцов полосы около 1338 см⁻¹ (D-полоса) и 1598 см⁻¹ (G-полоса) подтверждали наличие GO в образце [56]. D-полоса атрибутируется дефекту в sp³ углеродных (C) атомах, а G-полоса возникает от E₂g фононного рассеяния (1-го порядка) sp² C атомов. Усиление интенсивности D и G пиков получали с увеличением концентрации легирования. Более того, интенсивное отношение (I_D/I_G) D и G полос указывало на степень беспорядка sp² C доменов [46].

Для подтверждения кристаллической структуры и морфологии легированного MgO использовали HR-TEM (рис. 5). HRTEM изображение (5a) допант-свободного образца имело аггломерированную гексагональную наноструктуру. С включением GO гексагональная морфология наноструктуры слиялась с GO нанолистами и формировалась стержнеподобная структура в присутствии гексагонов. Аггломерация увеличивалась с увеличением количества допанта в MgO, где обнаруживались стержневая и гексагональная морфологии наноструктур.值得注意的是, диаметр гексагональной наноструктуры уменьшался с более высокой концентрацией GO, подтверждая взаимодействие между MgO и GO.

Межслойное d-расстояние измеряли HR-TEM изображениями с использованием Gatan программного обеспечения, как проиллюстрировано на рис. 6a-d. Значения d-расстояния для различных концентраций (0:1, 0,01:1, 0,03:1, 0,05:1) GO-легированного MgO рассчитывались как 0,250, 0,240, 0,20 и 0,24 нм соответственно, атрибутированные к (200) плоскости MgO (рис. 6a-d) как синхронизированные с XRD результатами. Более того, изменение значений d-расстояния атрибутировали GO легированию в MgO решетки.

SEM-EDS анализ раскрыл детальную информацию о поверхности образца относительно его элементного состава. EDS спектры MgO и различных соотношений (0,01:1, 0,03:1, 0,05:1) GO в MgO выражены на рис. 7a-d соответственно. Наличие магния (Mg) и кислорода (O), детектированных на рис. 7a, подтверждает формирование MgO. Углеродный (C) пик атрибутировали GO нанолистам, тогда как Na элементный пик в образцах наблюдался из-за использования NaOH в процессе синтеза для поддержания pH.

Для тестирования каталитической активности GO-легированного MgO использовали UV-Vis абсорбционные спектры, полученные при деградации референсного образца (MBCF). Восстановительная способность NaBH₄ с MBCF незначительно не влияла после 200 мин, как продемонстрировано на рис. 8a-d. В нейтральном условии MBCF (3 мл) раствор, добавленный в 400 мкл NaBH₄ и 3 мл образцов в течение 180–160 мин, показывал ограниченную редукцию (4,8% деградации) для нелегированных и легированных образцов. Более того, в основной активности для образцов (0:1, 0,01:1, 0,03:1, 0,05:1) результали 11, 3,5, 12, 26% деградации за 3 мин соответственно (рис. 8a-d). Наивысшая каталитическая функция получена в кислом растворе с более высокой концентрацией (0,05) GO в MgO наноструктурах, показывающей 45% деградации за 1 мин, как изображено на рис. 8d.

Во время катализа редукции MBCF в присутствии NaBH₄, синтезированные материалы действуют как электронные реле, так что перенос электрона от BH₄⁻ ионов (донора) к MBCF (акцептору) приводит к редукции красителя [57]. Обильные активные центры наноструктур усиливают адсорбцию для BH₄⁻ ионов и молекул красителя для реакции друг с другом. pH раствора также влияет на производительность деградации. Для кислой среды (H₂SO₄) каталитическая активность усиливается, что атрибутируется увеличенному генерированию H⁺ ионов, предлагаемых для адсорбции на поверхности наноструктуры. При добавлении NaOH для основной среды количество гидроксильных групп увеличивается, приводя к окислению редуцированных продуктов и снижению каталитической активности. Результаты показали, что деградация красителя наноструктурами в кислой среде была намного выше по сравнению с основным условием.

In vitro антибактериальная эффективность чистого и GO-легированного MgO выполняли против G- и G+ изолятов методом диффузии в колодцах (Таблица 1). Результаты изобразили улучшенное микробицидное действие и синергизм GO-MgO для E. coli в сравнении с S. aureus, см. Таблицу 1. Значимые (p < 0,05) зоны ингибирования записывались как (1,55–4,75 мм) и (2,10–4,85 мм) для E. coli при минимальной и максимальной дозе соответственно, и (1,30–4,00 мм) для S. aureus при высокой дозе. Все концентрации показывали нулевую антибактериальную эффективность для S. aureus при низкой дозе. Сравнение результатов проводили с - контроль DI вода (0 мм) и + контроль ципрофлоксацин (7,15 мм) и (11,25 мм) зоны ингибирования для E. coli и S. aureus соответственно.

В целом, легированные наноструктуры раскрыли нулевую бактерицидную активность к G+ при низкой дозе, в то время как эффективность к G- была существенной (p < 0,05) относительно G+ в легированном содержании.

Окислительные стрессы спроектированных наноструктур зависят от различных факторов, таких как форма, размер и концентрация наночастиц, которые играют важную роль в антибактериальном действии [58]. Малоразмерные наноматериалы эффективно производят реактивные кислородные виды (ROS), вызывая повреждение бактериальной клеточной мембраны и экструзию цитоплазмы, результатом чего является лопание бактерий, см. рис. 9 [59]. Во-вторых, значительное катионное вмешательство наноматериалов с негативной бактериальной клеточной мембраной фрагментами приводит к коллапсу. Антибактериальная активность MgO наночастицы усилилась против E. coli, что было связано с генерацией большого количества O₂⁻ и, возможно, липидного перекисления и ROS [60]. В легированном образце антибактериальная активность увеличивалась из-за увеличения GO концентрации.

Образцы	Запрещенная зона контрольного образца (эВ)	Уменьшение запрещенной зоны (эВ)	Референции
GO-легированный ZnO	3,6	2,9	[61]
Ag-легированный GO	4,10	3,50	[2]
GO-легированный ZnO	3,10	2,98	[62]
GO-легированный MgO	5,0	4,8	Настоящее исследование

Заключение

В настоящей работе GO-легированные наноструктуры MgO успешно синтезированы методом химического осаждения. Кубическая структура MgO наблюдалась с помощью XRD техники и подтверждалась HRTEM. Молекулярная связь Mg-O с различными функциональными группами и характеристические трансмиссионные пики MgO около 443 см⁻¹ в отпечатковой области записывались с FTIR. Абсорбция увеличивалась при легировании, что вводило красное смещение при более высоких концентрациях GO. Рассчитанная запрещенная зона с помощью Tauc plot из абсорбционных спектров легированного MgO найдена 4,8 эВ (высокая концентрация) по сравнению с MgO (5,0 эВ) атрибутировалась к красному смещению в абсорбции при легировании. Кубическая и гексагональная морфология наноструктур наблюдалась в MgO и рост стержнеподобных структур наблюдался при легировании с уменьшением диаметра гексагонов в HR-TEM. Кроме того, среднее d-расстояние (0,23 нм) из HRTEM с Gatan программным обеспечением хорошо совпадает с XRD. EDS анализ раскрыл элементный состав, показавший подтверждение Mg, O с GO легированием. С включением GO интенсивность PL уменьшалась от 414 нм с сопровождающим синим смещением, указывая на низкую скорость рекомбинации экситонов. Наличие D и G полос (при 1338, 1598 см⁻¹ соответственно), ассоциированных с sp³ и sp² C атомами, верифицировали Раманом. Каталитическая активность оценивалась и наивысшая деградация красителя ~45% достигалась в кислом условии 0,05 GO-MgO. Кроме того, экспериментальные результаты показали усиленную бактерицидную эффективность GO-MgO против G- (E. coli) относительно G+ (S. aureus). Дополнительно, синергизм GO-MgO показал усиленную бактерицидную эффективность против G- (E. coli) по сравнению с G+ (S. aureus). Это исследование изучило допант-зависимые свойства MgO нанокомпозитов, которые могут быть использованы для очистки промышленно загрязненной воды и в антимикробных применениях для экологической ремедиации.