硒掺杂钨氧化物纳米棒在生物医学和环境应用中的作用

《Surfaces and Interfaces》：Role of Selenium-doped tungsten oxide nanorods in biomedical and environmental applications

纯钨氧化物及硒掺杂纳米杆的绿色合成及其光催化与抗菌性能研究。采用硒掺杂的绿色化学方法制备了不同掺杂浓度（3%、5%、7%）的Se/WO3-NRDS纳米材料，通过PXRD、XPS、UV-Vis等表征手段证实硒掺杂提升了结晶尺寸和光敏感性。光催化实验显示7% Se/WO3-NRDS对甲基橙降解效率达96%，且具有显著抗菌活性（对金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯氏菌）。同时进行细胞毒性测试，证实掺杂纳米材料对前列腺癌细胞具有低毒性（IC50分别为155和132.2 μg/mL）。

　　这项研究聚焦于一种绿色合成方法，用于制备纯钨氧化物（WO?）和掺杂硒的纳米棒（3%、5%、7% Se/WO?-NRDs）。通过这种绿色化学手段，研究人员成功获得了具有特定形态和结构的纳米材料，这些材料在多个领域展现出应用潜力。研究的主要目的是评估这些材料在光催化、抗菌以及细胞毒性方面的性能，从而为环境治理和生物医学应用提供新的候选材料。

钨氧化物作为一种半导体材料，因其独特的物理化学性质而备受关注。它具有较低的成本、无毒性和良好的化学稳定性，这些特性使其在太阳能电池、传感器、癌症治疗以及抗菌材料等应用中具有优势。然而，钨氧化物的带隙能量（Eg）约为2.4-2.8 eV，这一数值使其在紫外光照射下能够吸收光子，但同时也容易导致电子-空穴对的快速复合，从而影响其光催化效率。因此，研究人员探索了通过掺杂其他元素，特别是非金属元素如硒（Se），来改善其性能的可能性。

硒元素具有独特的性质，包括其作为半导体的特性，以及天然的抗菌和抗氧化能力。这些特性使其在光催化和生物活性方面具有重要价值。通过引入硒，可以改变钨氧化物的晶体结构和表面特性，从而提高其光催化效率。此外，硒的原子半径与氧不同，这可能导致在钨氧化物晶格中引入结构应变，增加晶体缺陷。这些结构变化可能进一步增强材料的表面活性和电子传输能力，提高其在光催化反应中的表现。

研究采用了一种基于天然材料的绿色合成方法，使用壳聚糖作为合成基质。壳聚糖是一种可再生资源，具有良好的生物相容性和环境友好性。这种方法不仅减少了对有害化学品的依赖，还降低了废物的产生，符合绿色化学的基本原则。通过这种方法合成的材料，其形态、尺寸和表面性质得到了有效控制，这为后续的性能评估奠定了基础。

为了全面分析材料的结构和化学组成，研究使用了多种表征技术，包括粉末X射线衍射（PXRD）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、拉曼光谱（Raman）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）以及场发射扫描电子显微镜（FESEM）。这些技术能够提供关于材料晶体结构、表面形貌、化学组成以及光学性质的详细信息。研究结果表明，随着硒掺杂浓度的增加，材料的晶粒尺寸也相应增大，这可能有助于提高其光催化性能。

在光催化性能评估方面，研究使用了甲基橙（Methyl Orange, MO）作为目标污染物，在紫外光（20 W）照射下观察其降解效率。结果显示，7% Se/WO?-NRDs在pH 3的条件下表现出高达96%的光催化效率，这表明其在处理含有阴离子有机染料的废水方面具有巨大潜力。此外，研究还评估了这些材料在细胞毒性方面的表现，通过在LnCap前列腺癌细胞系中进行测试，发现7% Se/WO?-NRDs的IC??值为132.2 μg/mL，显著低于纯WO?-NRDs的155 μg/mL。这一结果表明，硒掺杂不仅提高了材料的光催化效率，还改善了其生物相容性，使其在生物医学领域更具应用前景。

在抗菌性能方面，研究分别评估了7% Se/WO?-NRDs对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（如肺炎克雷伯菌）的抑制效果。结果表明，7% Se/WO?-NRDs表现出比纯WO?-NRDs更强的抗菌能力。这可能与硒掺杂引起的结构变化和表面活性增强有关，从而提高了材料与细菌之间的相互作用效率。

此外，研究还探讨了材料的物理性质变化，如晶粒尺寸、表面形貌和化学组成的变化，这些变化可能对材料的性能产生重要影响。通过PXRD分析，研究发现随着硒掺杂浓度的增加，材料的晶粒尺寸从39 nm增加到46 nm，表明硒的引入可能促进了材料的结晶过程。同时，FESEM图像显示，所有样品均具有均匀的纳米棒形态，这为材料在实际应用中的性能提供了保障。

在化学组成方面，XPS分析表明，随着硒掺杂浓度的增加，材料的表面化学组成发生了显著变化。这可能与硒在材料中的分布以及其与钨氧化物之间的相互作用有关。通过FT-IR分析，研究进一步确认了材料的表面官能团和化学键的变化，这为理解其光催化和生物活性机制提供了重要线索。

研究还涉及了材料的制备过程，特别是如何通过控制反应条件来获得所需的纳米结构。例如，通过调整pH值，研究人员能够促进硒化合物的转化，从而影响最终材料的组成和结构。在煅烧过程中，材料的表面结构可能发生变化，这可能进一步影响其光催化和抗菌性能。因此，研究不仅关注材料的最终性能，还深入探讨了其制备过程中的关键步骤。

在环境和生物医学应用方面，研究指出，钨氧化物及其掺杂材料在光催化降解有机污染物方面具有优势，这使其成为处理工业废水和环境污染的重要工具。同时，其良好的生物相容性和抗菌性能使其在癌症治疗和抗菌药物开发中具有潜在应用价值。通过进一步研究，可以探索这些材料在更多领域的应用，如药物输送、组织工程和生物传感器等。

研究还强调了绿色化学方法在材料合成中的重要性。相比传统的化学合成方法，绿色化学方法能够减少有害物质的使用，降低环境污染，同时提高材料的可持续性。这种合成方法不仅适用于钨氧化物，还可能适用于其他金属氧化物的制备，从而为开发新型纳米材料提供了一种环保且高效的途径。

在材料性能优化方面，研究提出，通过调整掺杂元素的浓度和种类，可以进一步改善材料的光催化效率和生物活性。例如，除了硒之外，还可以考虑其他非金属元素如硫（S）或氮（N）的掺杂，以探索其对材料性能的影响。此外，研究还指出，通过改变材料的合成条件，如温度、pH值和反应时间，可以进一步优化其结构和性能，从而提高其在实际应用中的表现。

综上所述，这项研究通过绿色化学方法成功制备了纯钨氧化物和掺杂硒的纳米棒，并对其光催化、抗菌和细胞毒性性能进行了系统评估。研究结果表明，硒掺杂不仅提高了材料的光催化效率，还改善了其生物相容性和抗菌性能，使其在环境治理和生物医学领域具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索这些材料在更多领域的应用潜力，并优化其合成方法以提高性能和稳定性。