Met grafeenoxide gedoteerde MgO-nanostructuren voor zeer efficiënte kleurafbraak en bacteriedodende werking

Resultaten en discussie

XRD van MgO en GO-gedoteerde MgO werd uitgevoerd om de kristalstructuur, grootte en fasesamenstelling in Fig. 3a te identificeren. Waargenomen pieken bij 2θ ° = 37°, 43,10°, 62,5°, 74,7° en 78,8° waren in overeenstemming met (111), (200), (220), (311) en (222) vlakken, wat bevestigt dat MgO een kubische structuur had die overeenkwam met (JCPDS 75-1525) [47]. Na doping waren de diffractiepieken identiek, wijzend op het kleine gehalte aan gebruikt doteringsmiddel GO, dat niet detecteerbaar was. De gemiddelde kristallietgrootte werd berekend uit diffractiepieken met behulp van de Debye-Scherrer-vergelijking, die 13,28 nm bleek te zijn. Berekende d-afstand (0,21 nm) werd toegeschreven aan (200) roostervlak van kubisch MgO. Geselecteerde gebiedselektronendiffractie (SAED) patronen van de monsters gaven de MgO-kristallijne aard aan (Fig. 3b-d). De lichtvlek van de concentrische ringen kwam goed overeen met de XRD-vlakken van MgO [48].

een XRD-patroon van met GO gedoteerde MgO, a′ Referentiecode van MgO, b SAED-patroon van (0:1), c GO (0.01:1, d .) (0.05:1), e FTIR-spectra

Om de bijgevoegde functionele groepen van gedoteerd MgO te onderzoeken, werd FTIR gebruikt in het golfgetal van 4000 tot 400 cm ⁻¹ bereik zoals geïllustreerd in Fig. 3e. Doorlaatpiek rond 3699 cm ⁻¹ in gedoteerd MgO werd toegeschreven aan karakteristieke rektrillingen van hydroxylgroepen (alcohol) verkregen door reactie tussen MgO-oppervlak en waterdampen in lucht [3]. De vermindering van de piekintensiteit met de introductie van GO werd waargenomen, wat wordt toegeschreven aan doteringsvellen die rond MgO zijn gewikkeld. De band gevonden op 1450 cm ⁻¹ was gerelateerd aan asymmetrische rektrillingen van carbonaationen (C–O), terwijl de corresponderende buigtrillingspieken werden waargenomen bij ~ 865 en ~ 867 cm ⁻¹ [48]. Er werd echter een afname in intensiteit van bovengenoemde banden waargenomen voor GO-gedoteerde MgO-monsters [20]. Band gevonden rond 443 cm ⁻¹ toont de aanwezigheid van door Mg-O gekarakteriseerde rektrillingen [49].

Absorptiespectra van doteringsvrij en gedoteerd MgO werden verzameld van 220 tot 700 nm bereik (figuur 4a). Bandabsorptie voor MgO gevonden bij ~ 250 en ~ 320 nm kan worden goedgekeurd voor zuurstofvacatures (F en F₂ ²⁺ ) centra, respectievelijk. Bij een opwinding λ = 250 nm, er is sprake van een F-centrumfoto-ionisatieproces, geleid door de vergelijking F + hυ ↔ F +  + e [23]. Absorptiepiek van GO werd gevonden rond 230 nm, wat kan worden toegeschreven aan π –π * overgangen van C=C in het amorfe koolstofsysteem [50], bij dotering nam de absorptie toe samen met roodverschuiving. De bandafstand nam iets af (5,0-4,8 eV) met toenemende hoeveelheid GO in een vaste hoeveelheid MgO, zoals weergegeven in figuur 4b. Deze roodverschuiving suggereert morfologische effecten op kristallen met talrijke actieve plaatsen of kan een kwantumbeperkingseffect zijn [51].

een Absorptiespectra van verschillende monsters van met GO gedoteerd MgO, aʹ Ingezoomde absorptiespectra van GO-MgO, b Tauc-plot, c PL-spectra en d Raman-spectra van GO-MgO-nanostructuren

Figuur 4c onthult PL-emissiespectra van gedoteerd MgO gemeten variërend van 377 tot 500 nm met een opwindende λ van 350 nm. Om de recombinatie-efficiëntie van ladingsdragers (migratie) en de werkzaamheid van trapping te bepalen, werd PL gebruikt. PL-emissiepiek bij 414 nm is het gevolg van de defecte bandovergang als gevolg van energieniveaus geproduceerd met verschillende F (zuurstofionvacature) type anionvacatures [52]. PL-emissie van GO is meestal toe te schrijven aan elektron-gat-recombinatie van aangrenzende beperkte elektronische toestanden naar breedbandige volantband (VB) en onderkant van geleidingsband (CB). In de atomaire structuur wordt emissie meestal gegenereerd door elektronische overgangen tussen het niet-geoxideerde koolstofgebied (–C=C–) en de rand van het geoxideerde koolstofatoomgebied (C–O, C=O en O=C–OH) [53]. GO-MgO-pieken onthulden blauwverschuiving en vertoonden een lage intensiteit, wat duidt op een verminderde recombinatiesnelheid die mogelijk te wijten is aan de overdracht van elektronen van een hoger energieniveau naar nieuwe gegenereerde toestanden.

Oppervlaktestructuur en wanorde van gefabriceerde monsters werden geanalyseerd via Raman-spectroscopie zoals weergegeven in figuur 4d. Het controlemonsterspectrum van Raman vertoonde geen karakteristieke piek in 100-1600 cm ⁻¹ regio, wat lage fononen van MgO-verstrooiingsintensiteit suggereert [54, 55]. In het geval van gedoteerde monsters, banden rond 1338 cm ⁻¹ (D-band) en 1598 cm ⁻¹ (G-band) bevestigde de aanwezigheid van GO in het monster [56]. D-band is toegewezen aan defect in sp ³ koolstof (C)-atomen en G-band ontstaat uit E_2g fononverstrooiing (1e orde verstrooiing) van sp ² C atomen. Intensiteitsverhoging van D- en G-pieken wordt verkregen met verhoogde dopingconcentratie. Bovendien is de intensiteitsverhouding (I _D /Ik _G ) van de D- en G-band aangegeven stoornis mate van sp ² C-domeinen [46].

Om de kristalstructuur en morfologie van gedoteerd MgO te bevestigen, werd HR-TEM gebruikt (Fig. 5). HRTEM-afbeelding (5a) van doteringsvrij monster heeft een geagglomereerde zeshoekige nanostructuur. Met opname van GO werd de hexagon-morfologie van nanostructuur samengevoegd met GO-nanobladen en werd de vorming van een staafachtige structuur in aanwezigheid van zeshoeken waargenomen. De aggregatie nam toe met toenemende hoeveelheid doteerstof in MgO waar staafjes en hexagon-morfologie van nanostructuren werden gevonden. Het is opmerkelijk dat de diameter van de hexagon-nanostructuur afnam met een hogere concentratie GO, wat de interactie tussen MgO en GO bevestigt.

een –d HR-TEM-beelden van verschillende concentraties GO-gedoteerde MgO (respectievelijk (0, 0,01, 0,03 en 0,05)

De d-afstand tussen de lagen werd gemeten met HR-TEM-afbeeldingen met behulp van Gatan-software zoals geïllustreerd in Fig. 6a-d. De d-afstandswaarden voor verschillende concentraties (0:1, 0,01:1, 0,03:1 en 0,05:1) van met GO gedoteerd MgO werden berekend als respectievelijk 0,250, 0,240, 0,20 en 0,24 nm toegewezen aan (200) vlak van MgO (Fig. 6a-d) zoals gesynchroniseerd met XRD-resultaten. Bovendien is verandering in d-afstandswaarden toegewezen aan GO-doping in MgO-roosters.

d-afstand berekend met HR-TEM-beelden van GO-MgO (a –d ) met GO-inhoud (0, 0.01, 0.03, 0.05)

SEM-EDS-analyse onthulde de gedetailleerde informatie over het monsteroppervlak met betrekking tot de elementaire samenstelling. EDS-spectra van MgO en verschillende verhoudingen (0,01:1, 0,03:1 en 0,05:1) van GO in MgO worden respectievelijk uitgedrukt in Fig. 7a-d. De aanwezigheid van magnesium (Mg) en zuurstof (O) gedetecteerd in Fig. 7a bevestigt de vorming van MgO. Koolstof (C)-piek werd toegeschreven aan GO-nanobladen, terwijl Na-elementaire piek in monsters werd waargenomen door het gebruik van NaOH tijdens het syntheseproces om de pH te handhaven.

SEM–EDS-analyse van met GO gedoteerd MgO (a –d ) met GO-inhoud (respectievelijk (0, 0,01, 0,03 en 0,05)

Om de katalytische activiteit van met GO gedoteerd MgO te testen, werden UV-Vis-absorptiespectra gebruikt die werden bereikt na degradatie van referentiemonsters (MBCF). Vermindering van de capaciteit van NaBH₄ met MBCF werd na 200 minuten niet significant beïnvloed, zoals aangetoond in Fig. 8a-d. In neutrale toestand, MBCF (3 ml) oplossing toegevoegd aan 400 μL NaBH₄ en monsters van 3 ml binnen 180-160 minuten vertoonden een beperkte vermindering (4,8% degradatie) voor ongedoteerde en gedoteerde monsters. Bovendien resulteerde in basisactiviteit voor monsters (0:1, 0,01:1, 0,03:1, 0,05:1) respectievelijk 11, 3,5, 12, 26% degradatie in 3 minuten (Fig. 8a-d). De hoogste katalytische functie werd verkregen in een zure oplossing met een hogere concentratie (0,05) van GO in MgO-nanostructuren die 45% degradatie in 1 minuut laten zien, zoals weergegeven in Fig. 8d.

een –d Katalyse van blanco MBCF en GO-gedoteerde MgO in verschillende kleurstof medium [neutraal (N), basisch (B) en zuur (A)], respectievelijk

Tijdens katalyse, vermindering van MBCF in aanwezigheid van NaBH₄ , gesynthetiseerde materialen werken als elektronenrelais, zodat overdracht van elektronen van BH₄ ⁻ ionen (donor) naar MBCF (acceptor) resulteert in de vermindering van kleurstof [57]. Overvloedige actieve plaatsen van nanostructuren verbeterde adsorptie voor BH₄ ⁻ ionen en kleurstofmoleculen om met elkaar te reageren. De pH van de oplossing heeft ook invloed op de afbraakprestaties. Voor zuur medium (H₂ SO₄ ), verbeterde katalytische activiteit die wordt toegeschreven aan een verhoogde aanmaak van H ⁺ ionen aangeboden om te worden geadsorbeerd op het oppervlak van nanostructuur. Na toevoeging van NaOH voor basisch medium, neemt het aantal hydroxylgroepen toe, wat leidt tot oxidatie van gereduceerde producten en afname van katalytische activiteit. De resultaten toonden aan dat de kleurstofafbraak door nanostructuren onder zuur medium veel hoger was in vergelijking met basisconditie.

De in vitro antibacteriële werkzaamheid van zuiver en met GO gedoteerd MgO werd uitgevoerd tegen G −ve- en + ve-isolaten door middel van een putdiffusietest (tabel 1). Resultaten toonden verbeterde microbicide werking en synergie van GO-MgO voor E. coli in vergelijking met S. aureus , zie Tabel 1. Aanzienlijk (p <-0,05) remmingsgebieden werden geregistreerd als (1,55-4,75 mm) en (2,10-4,85 mm) voor E. coli bij respectievelijk minimale en maximale dosis en (1,30-4,00 mm) voor S. aureus bij hoge dosis. Alle concentraties vertoonden nul antibacteriële werkzaamheid voor S. aureus bij lage dosis. De resultaten werden vergeleken met vijf controle-DI-water (0 mm) en +ve controle-ciprofloxacine (7,15 mm) en (11,25 mm) remmingsgebieden voor E. coli en S. aureus , respectievelijk.

Over het algemeen onthulden gedoteerde nanostructuren nul bactericide activiteit tegen G +ve in lage dosis, terwijl de effectiviteit tegen G -ve aanzienlijk was (p < 0.05) ten opzichte van G +ve in gedoteerde inhoud.

De oxidatieve spanningen van gemanipuleerde nanostructuren zijn afhankelijk van diverse factoren zoals vorm, grootte en concentratie van nanodeeltjes die een belangrijke rol spelen bij antibacteriële werking [58]. Kleine materialen van nanoformaat produceren efficiënt reactieve zuurstofspecies (ROS) die schade aan het celmembraan van bacteriën en extrusie van cytoplasma veroorzaken, resulterend in barsten van bacteriën, zie Fig. 9 [59]. Ten tweede leidt significante kationische interferentie van nanomateriaal met negatieve bacteriële celmembraanfragmenten tot ineenstorting. Antibacteriële activiteit van MgO-nanodeeltjes versterkt tegen E. coli, wat te wijten was aan de vorming van een grote hoeveelheid O₂ ⁻ en kan lipideperoxidatie en ROS zijn [60]. In het doteringsmonster nam de antibacteriële activiteit toe als gevolg van de toenemende GO-concentratie.

Voorgesteld mechanisme van bacteriedodende activiteit GO-MgO nanostructuren