生态友好合成氧化镁纳米颗粒的双重应用：染料光催化效率与抗菌性能

《Results in Chemistry》：Superior dual applications - dye photocatalytic efficiency and antibacterial performance of eco-friendly synthesized magnesium oxide nanoparticles

　　

合成染料向水体中的持续释放已引发重大环境问题，凸显了对有效且长效处理技术的迫切需求。本研究旨在采用植物辅助合成法，利用Ecbolium ligustrinum全株水提物中的还原剂和封端剂，从镁离子制备氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）。紫外-可见（UV–vis）光谱在297 nm处显示吸收峰，证实了MgO NPs的生成。X射线衍射（XRD）结果显示所得MgO NPs为多晶立方结构。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认了植物化学物质在纳米颗粒生成与稳定化过程中的作用。BET分析表明，所合成MgO纳米颗粒的比表面积为36.611 m²/g，孔体积为0.1455 cm³/g。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）显示，MgO NPs呈多分散、不均匀球形，平均粒径为37 nm。研究人员在暗处和光照条件下测定了所得MgO NPs对环境有害有机染料亚甲基蓝（MB）和碱性品红（BF）的光催化活性。在阳光存在下，所得MgO NPs对MB和BF的降解/还原效率分别为84.71%和93.47%，明显高于无光照条件。两种染料中BF比MB分解更快，证明了绿色合成MgO NPs的优异光催化效能。此外，与标准药物相比，这些NPs对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出浓度依赖性抗菌活性。总体而言，该工作显示了其在环境修复、废水处理和抗菌应用方面的潜力。

**研究背景与意义**

合成染料在纺织、造纸、油漆、护肤及食品加工等行业的广泛使用，导致大量非生物降解的有机染料进入水体，对生态系统和公共健康构成威胁。传统处理方法难以彻底去除这些稳定且有毒的染料，因此亟需开发高效、经济且可持续的废水处理技术。金属氧化物纳米材料因其独特的表面反应活性、小尺寸效应和优异的光学性质，在光催化降解领域受到广泛关注。其中，氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）凭借高比表面积、宽禁带、良好的热稳定性和化学稳定性，被用于传感器、抗菌剂、光催化、吸附和废水处理等场景。

尽管已有研究利用不同植物提取物绿色合成MgO NPs，但多数光催化研究仅局限于单一染料（如亚甲基蓝）在光照下的降解，对复杂阳离子染料（如碱性品红）在植物介导MgO NPs上的降解动力学研究不足。同时，植物合成MgO NPs的抗菌机制，特别是活性氧（ROS）生成与细菌细胞膜破坏之间的关联，仍需进一步明确。为此，研究人员选用爵床科植物Ecbolium ligustrinum全株水提物作为还原剂和稳定剂，在绿色合成框架下制备MgO NPs，系统评估其对两种阳离子染料的光催化降解效能及对革兰氏阳性和阴性菌的抗菌活性，旨在为废水处理和环境修复提供多功能纳米材料。

**研究人员开展的工作**

研究人员以镁硝酸盐为前体，利用E. ligustrinum全株水提物中的植物化学物质（如黄酮、单宁、香豆素和皂苷）完成还原和封端，再经NaOH调节pH和高温煅烧获得MgO NPs。通过多种表征手段确认了其晶体结构、表面特性、形貌和元素组成。在功能应用层面，研究人员在暗处和自然阳光条件下测试了MgO NPs对亚甲基蓝（MB）和碱性品红（BF）两种阳离子染料的光催化降解，并采用琼脂孔扩散法评估其对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和大肠杆菌（Escherichia coli）的抗菌活性。

**主要关键技术方法**

植物样本采自印度泰米尔纳德邦Karur区Thanthonimalai，经分类学家鉴定。关键方法包括：E. ligustrinum全株水提物与硝酸镁反应，NaOH调节pH后煅烧得到MgO NPs；采用UV–vis光谱、FTIR、XRD、BET、HR-TEM、SAED和EDX表征结构与性能；光催化实验在暗处和自然阳光下进行，测定MB和BF的降解效率；抗菌实验采用琼脂孔扩散法，浓度范围为5–100 μL，以氨苄青霉素和红霉素为对照。

**研究结果**

**3.1 E. ligustrinum全株提取与分析**

研究人员用不同极性溶剂（正己烷、氯仿、乙酸乙酯、乙腈和三次蒸馏水）对E. ligustrinum全株进行回流提取。植物化学筛选表明，仅水提物中含有黄酮、单宁、香豆素和皂苷等生物活性物质。由于这些植物化学物可作为天然封端和还原剂，研究人员选用水提物进行MgO NPs的绿色合成。

**3.2 植物介导MgO NPs的确认与形成机理**

UV–vis光谱在297 nm处出现典型吸收峰，证实MgO NPs生成。通过Tauc plot法计算得到光学带隙为5.1 eV，表明纳米尺度效应和表面缺陷态改变了材料的光学性质。形成机理为：水提物中的含氧官能团与Mg²⁺离子配位，加入NaOH后生成Mg(OH)₂前驱体，经400 °C煅烧热分解为MgO NPs。

**3.2.1 FTIR光谱分析**

FTIR光谱显示MgO NPs表面存在羟基、胺基、羧酸和酚类等官能团，证明E. ligustrinum中的植物化学物质有效吸附并稳定了纳米颗粒。589 cm^?1处的特征吸收带证实了Mg-O键的形成。

**3.2.2 粉末X射线衍射分析**

XRD衍射峰位于2θ=37.02°、43.01°、62.32°、74.57°和78.61°，分别对应立方MgO的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面，与JCPDS卡04–0829一致，表明产物为多晶立方结构。用Debye-Scherrer公式计算的平均晶粒尺寸为12.9 nm。

**3.2.3 BET比表面积与孔径分析**

氮气吸附-脱附等温线分析表明，MgO NPs的BET比表面积为36.611 m²/g，总孔体积为0.1455 cm³/g。孔径分布曲线显示微孔（峰值1.1903 nm）和介孔（平均孔径15.895 nm）共存，形成多级孔结构，有助于提高光催化反应活性位点。

**3.2.4 HR-TEM分析**

HR-TEM图像显示MgO NPs主要为球形且粒径多分散，平均粒径为37 nm。高分辨图像显示晶格间距约0.24 nm，对应(111)晶面，进一步证实结晶性；SAED图案呈现同心环与亮点，表明颗粒为多晶结构。

**3.2.5 EDS分析**

能谱分析检测到镁和氧元素，重量百分比分别为38.19%和61.81%，与理论化学计量比存在偏差，这可能与EDS定量精度及轻元素检测条件有关。XRD和FTIR结果进一步支持MgO的形成。

**3.2.6 阴离子和阳离子染料的光催化还原**

研究人员以MB和BF为目标染料，在暗处和自然阳光下测试MgO NPs的光催化活性。MB在暗处需105分钟完全降解，在阳光下缩短至50分钟；伪一级动力学速率常数从0.00621 min^?1增至0.03691 min^?1。BF在暗处40分钟完全降解，阳光下仅需16分钟；速率常数从0.05839 min^?1升至0.15725 min^?1。阳光下MB和BF的降解效率分别为84.71%和93.47%，BF降解更快。研究人员认为，光照下MgO NPs产生的电子-空穴对和活性氧物种加速了染料分子氧化；BF因与催化剂表面结合更强而表现出更高的降解效率。

**3.2.7 抗菌活性**

琼脂孔扩散法结果显示，MgO NPs对枯草芽孢杆菌（Gram阳性）和大肠杆菌（Gram阴性）的抑菌圈随浓度增加而增大。在100 μL最高浓度下，对E. coli和B. subtilis的抑菌圈分别为19 mm和15 mm，表明对革兰氏阴性菌更敏感。抗菌机制可能与ROS产生、Mg²⁺离子释放以及纳米颗粒与细菌细胞膜直接相互作用有关，但各机制的相对贡献尚未在实验中区分。

**讨论总结与结论翻译**

讨论部分指出，绿色合成MgO NPs的光催化活性与文献中其他植物介导金属氧化物纳米材料相当，且本研究同时考察了两种染料在暗处和自然阳光下的降解，弥补了以往单染料研究的不足。抗菌实验结果与其他植物合成金属纳米颗粒的广谱抗菌性能一致。结论部分可译为：本研究利用Ecbolium ligustrinum全株水提物成功制备了绿色合成MgO NPs，UV–vis、FTIR、XRD、BET、HR-TEM、SAED和EDX表征证实了其结晶纳米结构和植物化学物质在颗粒形成中的作用。在MB和BF的光催化降解测试中，阳光照射下的降解效率高于暗处，BF和MB的降解率分别为93.47%和84.71%，且BF降解更快。优异的性能归因于MgO NPs的表面高反应活性和光照下ROS的高效生成。抗菌实验显示，MgO NPs对革兰氏阴性菌的最大抑菌圈为19 mm，对革兰氏阳性菌为15 mm。总之，绿色合成MgO NPs作为兼具染料降解和抗菌性能的多功能纳米材料，在废水处理和环境修复中具有广阔应用前景。