《Next Nanotechnology》：Antibacterial and photocatalytic applications of
Trachyspermum ammi mediated Ag@MgO nanocomposites: Experimental and computational studies
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摘要：近几十年来，染料的使用呈指数级增长，传统处理方法对其去除效果不佳。此外，染料会产生二次污染物，因此有必要开展染料的降解与吸附研究。不同燃料的选择会影响纳米材料的性能。在本研究中，研究人员通过一种无化学试剂、可持续的方法，利用香阿育魏实（Trachyspe
摘要：近几十年来，染料的使用呈指数级增长，传统处理方法对其去除效果不佳。此外，染料会产生二次污染物，因此有必要开展染料的降解与吸附研究。不同燃料的选择会影响纳米材料的性能。在本研究中，研究人员通过一种无化学试剂、可持续的方法，利用香阿育魏实（Trachyspermum ammi，T. ammi）叶提取物合成了MgO纳米颗粒（MgO NPs）和Ag修饰的MgO纳米复合材料（Ag@MgO NCs）。在Ag@MgO NCs的生物合成中，硝酸银作为掺杂剂，T. ammi植物的植物化学物质作为还原剂和封端剂。T. ammi植物叶片含有潜在的生物活性植物化学物质，主要包括：百里酚（Thymol）、γ-萜品烯（γ-Terpinene）、香芹酚（Carvacrol）、对伞花烃（p-Cymene）、蒎烯（Pinene）等。官能团，特别是-OH和其他含氧基团（-COOH、-C=O）与金属离子相互作用，促进合成纳米材料的还原和稳定化，防止聚集并提高稳定性。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、粉末X射线衍射分析（XRD）、紫外-可见光谱、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）和扫描电子显微镜（SEM）结合EDAX分析了MgO NPs和Ag@MgO NCs的形成。XRD图谱揭示了结晶立方结构，平均尺寸范围为19至46 nm。利用SEM、HR-TEM和Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析确认了MgO NPs/Ag@MgO NCs的球形和表面积（以及孔径分布）。由于尺寸小以及Ag掺入MgO基体中，合成的NPs和NCs表现出比文献报道更好的表面积，这对于光催化/抗菌活性至关重要。此外，评估了合成纳米复合材料在自然阳光下对染料：亚甲基蓝（Methylene Blue，MB）、罗丹明B（Rhodamine B，RhB）、甲基橙（Methyl Orange，MO）和甲基绿（Methyl Green，MG）的降解效率。MgO NPs上的Ag掺杂增强了染料的光催化降解，在有限时间内去除率高达99%（99% MB；89% RhB，90% MO和100% MG），遵循准一级动力学。此外，合成的纳米材料表现出强抗菌活性，对大肠杆菌（Escherichia coli）、迟缓爱德华菌（Edwardsiella tarda）、哈维弧菌（Vibrio harveyi）、嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的MIC值在40–80 μg/mL范围内，其中Ag@MgO NCs表现出相对增强的功效。使用Materials Studio中的DMol3软件包进行密度泛函理论（DFT）计算，以研究合成的Ag@MgO NCs的电子结构。Ag掺杂显著降低了带隙，这对于光催化活性至关重要。这些结果表明MgO NPs和Ag@MgO NCs在环境修复和抗菌应用方面具有广阔潜力。
《Next Nanotechnology》论文解读：香阿育魏实介导Ag@MgO纳米复合材料的抗菌与光催化应用
一、研究背景与问题
随着纺织、造纸、制药、涂料等工业的快速发展，大量含有合成染料的废水被排放至水体环境中。全球染料年产量已超过110万公吨，且持续增长。这些芳香族染料分子结构稳定，含有偶氮、硝基、羰基等发色团以及胺基、羟基、羧基等助色团，多数水溶性极强，即使在极低浓度（1 ppm）下也能阻碍光线穿透水体，抑制水生植物和微生物的光合作用，并通过氧化、水解等过程产生有毒副产物，破坏生态系统平衡。亚甲基蓝（Methylene Blue，MB）、罗丹明B（Rhodamine B，RhB）、甲基橙（Methyl Orange，MO）和甲基绿（Methyl Green，MG）等常见染料已被证实具有致突变性、神经毒性甚至致癌风险。
传统的吸附、混凝、膜过滤、反渗透和植物修复等方法因有机染料结构复杂且稳定性高而效果有限，且多数技术成本高、能耗大并产生二次污染。高级氧化工艺（Advanced Oxidation Processes，AOPs）中的非均相光催化技术因成本低、环境友好且能实现完全矿化而受到广泛关注。氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）因高稳定性、宽带隙、优异光学性能、成本低廉和环境友好等特性被广泛研究，但其大尺寸和低比表面积限制了实际应用。银（Ag）掺杂因表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）效应能增强光吸收并加速界面电荷转移，是理想的改性方案。然而，传统化学和物理合成方法依赖有毒化学品、高温条件并产生环境有害副产物。植物提取物介导的绿色合成方法简单、经济、环境友好，已成为可持续纳米材料制备的重要途径。目前关于利用香阿育魏实（Trachyspermum ammi，T. ammi）制备Ag@MgO纳米复合材料并系统研究其光催化和抗菌性能的工作尚属空白。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员首次采用T. ammi叶提取物通过一锅法绿色合成了纯MgO NPs和三种不同Ag掺杂比例（5%、10%、20%）的Ag@MgO纳米复合材料（NCs），分别标记为MTA、AMHT、AMT-1和AMT-2。T. ammi叶片中富含百里酚（Thymol）、γ-萜品烯（γ-Terpinene）、对伞花烃（p-Cymene）和香芹酚（Carvacrol）等生物活性植物化学物质，这些物质作为还原剂和封端剂参与纳米材料的形成与稳定。
主要技术方法包括：利用紫外-可见光谱（UV–visible spectroscopy）分析光学性质；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）鉴定表面官能团；粉末X射线衍射（XRD）确定晶体结构和晶粒尺寸；扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDAX）分析形貌和元素组成；高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）和选区电子衍射（SAED）表征微观结构和结晶性；Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析测定比表面积和孔径分布。抗菌活性通过肉汤稀释法、琼脂纸片扩散法和微量肉汤稀释法评估最低抑菌浓度（MIC）。光催化性能在自然阳光下对四种染料进行降解测试。计算方面采用Materials Studio中DMol3软件包进行密度泛函理论（DFT）计算，使用M06-L泛函和DNP基组，分析电子结构、带隙、态密度（DOS）、静电势和福井函数（Fukui function）。
三、研究结果
3.1 紫外-可见光谱分析
纯MgO NPs在278 nm处呈现特征吸收峰，归因于表面等离子体和带隙跃迁（n-π电子跃迁）。Ag@MgO NCs在281 nm和410 nm处显示两个吸收峰，其中410 nm处的吸收带归因于Ag NPs的表面等离子体共振（SPR）效应和π-π电子跃迁，证实了Ag成功掺入MgO基体。
3.2 材料表征
SEM和HR-TEM图像显示合成的纳米颗粒呈球形且分布均匀，Ag NPs固定在MgO纳米结构的粗糙表面上。粒径分布直方图显示平均粒径在8至22 nm之间，比文献报道的更小更均匀。SAED图案呈现一系列同心衍射环和亮点，证实了样品的多晶性质。EDAX分析确认了Mg、O和Ag元素的存在，AMT-1中Ag的重量百分比高达59.72%，表明Ag主要表面局域吸附在金属氧化物表面。XRD图谱确认了MgO的立方晶体结构（JCPDS/ICDD卡89-7746），Ag@MgO NCs中额外出现了金属Ag的特征衍射峰（JCPDS/ICDD卡04-0783），对应面心立方银的（111）、（200）、（220）和（311）晶面。Ag掺杂导致衍射峰轻微位移，表明晶格应变和氧空位的产生。Debye-Scherrer公式计算的平均晶粒尺寸为19至46 nm。
3.3 光催化降解性能
在自然阳光照射下，Ag掺杂显著增强了MgO NPs的光催化降解效率。AMT-1对MB的降解率达99%（30 min），对RhB为89%（105 min），对MO为90%（70 min），对MG达到100%（<1 min），均遵循准一级动力学。Ag掺杂缩小了带隙，增强了可见光吸收，Ag NPs的SPR效应促进了界面电荷转移，从而显著提升了光催化活性。
3.4 抗菌活性
合成的纳米材料对六种细菌菌株（Escherichia coli、Edwardsiella tarda、Vibrio harveyi、Aeromonas hydrophila、Bacillus subtilis和Staphylococcus aureus）表现出强抗菌活性，MIC值范围为40–80 μg/mL。Ag@MgO NCs相比纯MgO NPs表现出更优异的抗菌效果，归因于Ag掺杂增强了活性氧（ROS）的生成并促进与细菌细胞的相互作用。
3.5 计算研究
DFT计算表明，Ag掺杂显著降低了MgO的带隙，有利于光催化反应。O2吸附机制通过带隙、态密度（DOS）、电子密度、静电势和福井函数分析得到量化，为理解催化活性提供了分子层面的见解。
四、讨论与结论
研究表明，T. ammi介导的绿色合成方法成功制备了具有优异性能的MgO NPs和Ag@MgO NCs。Ag掺杂不仅减小了颗粒尺寸、增大了比表面积，还通过SPR效应和带隙调控显著增强了光催化降解效率，同时对多种病原菌表现出强抗菌活性。该研究为环境修复和抗菌应用提供了绿色、可持续的纳米材料制备策略，展示了Ag@MgO NCs在染料废水处理和抗菌领域的重要应用潜力。DFT计算为理解掺杂机制和催化机理提供了理论支持。这些结果证明MgO NPs和Ag@MgO NCs在环境修复和抗菌应用方面具有广阔前景。
