《South African Journal of Chemical Engineering》：Green Synthesized Mn-Doped MgO Multifunctional Nanoparticles: From Bioactive Action to Dye Degradation
编辑推荐：
通过经济环保且无毒的绿色合成途径，利用芋头（Colocasia esculenta）叶提取物成功制备了锰（Mn）掺杂氧化镁（MgO）纳米颗粒。研究人员系统研究了Mn掺杂（1%、2%、3%）对纳米颗粒结构、光学、光催化、抗菌、最低抑菌浓度（Minimum Inh
通过经济环保且无毒的绿色合成途径，利用芋头（Colocasia esculenta）叶提取物成功制备了锰（Mn）掺杂氧化镁（MgO）纳米颗粒。研究人员系统研究了Mn掺杂（1%、2%、3%）对纳米颗粒结构、光学、光催化、抗菌、最低抑菌浓度（Minimum Inhibitory Concentration, MIC）、细胞毒性及可重复使用性能的影响。X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）分析证实形成了立方相MgO结构，Mn掺杂导致晶粒尺寸从23.148 nm减小至14.458 nm，并引起晶格畸变和缺陷生成。紫外-可见光谱分析显示，随着Mn掺杂浓度增加，带隙从5.110 eV逐渐降低至5.07 eV。光催化研究表明，3 mol% Mn掺杂MgO在120分钟内对亚甲基蓝（Methylene Blue, MB）的降解效率达76.159%，且在pH 9条件下进一步提升至88.44%，对应的反应速率常数为0.01625 min?1。该催化剂经过五次循环使用后仍保持62.78%的降解效率，显示出适中的稳定性和实际可回收性。抗菌活性测试表明，3 mol% Mn掺杂样品对大肠杆菌（Escherichia coli）表现出优于金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抑制效果，抑菌圈直径分别为21.90±0.82 mm和19.60±0.46 mm，MIC值分别为50±5.77 μg/mL和60±5.77 μg/mL。细胞毒性生物测定显示，所制备的纳米颗粒在100–200 μg/mL浓度范围内表现出良好的生物相容性和低细胞毒性。研究表明，Mn掺杂是调控MgO纳米颗粒多功能性能的有效策略，所制备的Mn掺杂MgO纳米颗粒在染料降解和抗菌应用方面具有广阔前景。
**绿色合成锰掺杂MgO多功能纳米颗粒的研究解读**
**一、研究背景与问题提出**
工业废水中的有机染料污染物长期以来对生态系统构成严重威胁。纺织、印染等行业排放的废水含有大量难降解的偶氮染料，这些物质具有高度稳定性和复杂分子结构，常规废水处理工艺难以将其有效去除。光催化技术作为一种高级氧化过程（Advanced Oxidation Process, AOP），因具有高氧化电位、无需额外化学试剂、副产物无毒以及可利用自然太阳光等优势，已成为传统水处理方法的重要替代方案。半导体光催化剂在紫外光照射下能够产生羟基自由基（•OH）、超氧自由基（•O??）等活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS），进而将废水中的合成污染物降解为无害产物。
在众多半导体金属氧化物中，氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）凭借优异的生物相容性、化学稳定性、耐腐蚀性、成本效益和高比表面积而备受关注。然而，MgO作为宽带隙半导体（5–6 eV），其光生电子-空穴对易发生复合，导致光催化量子效率降低。研究表明，向MgO晶格中引入过渡金属离子（如Mn2?）可在带隙内形成缺陷能级，抑制电子-空穴复合，从而增强ROS生成能力，提升光催化和抗菌性能。
传统MgO纳米颗粒的化学合成方法（如溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等）需要使用有毒有机溶剂，产生有害副产物，对生态环境造成不利影响。因此，利用植物提取物进行绿色合成已成为研究热点。植物中的多酚、黄酮、单宁、皂苷等植物化学物质可作为还原剂、稳定剂和封端剂，实现纳米颗粒的绿色制备。芋头（Colocasia esculenta）叶作为一种农业废弃物资源，富含多种植物化学物质，兼具经济与环境双重效益。然而，利用芋头叶提取物绿色合成Mn掺杂MgO纳米颗粒及其系统性能评估此前尚未得到充分研究。
**二、研究目的与主要技术方法**
本研究旨在利用芋头叶提取物绿色合成纯MgO及不同Mn掺杂浓度（1%、2%、3%）的Mn掺杂MgO纳米颗粒，系统评估Mn掺杂对结构、光学、光催化、抗菌、最低抑菌浓度（Minimum Inhibitory Concentration, MIC）、细胞毒性及可重复使用性能的影响，开发兼具染料降解和抗菌功能的多功能纳米材料。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）用于晶体结构和晶粒尺寸分析，并采用Debye-Scherrer及Williamson-Hall（W-H）方法计算晶粒尺寸和微观应变；傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）用于化学组成和官能团鉴定；扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）用于表面形貌观察；能量色散X射线光谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX）用于元素组成分析；紫外-可见分光光度法用于光学性质表征和带隙计算。光催化性能通过亚甲基蓝（Methylene Blue, MB）降解实验评价，抗菌活性采用琼脂孔扩散法测定，MIC采用系列稀释法测定，细胞毒性利用卤虫（Artemia salina）无节幼体生物测定法评价。芋头叶样品采集自RUET校园，经孟加拉国国家植物标本馆在线数据库鉴定（入藏号：60834，采集日期：2016年10月12日）。
**三、主要研究结果**
**3.1 晶体学分析**
XRD分析证实纯MgO及Mn掺杂MgO均形成立方MgO相，空间群为Fm-3m。在低掺杂浓度下，衍射峰向低角度方向移动，表明较大离子半径的Mn2?（0.83 ?）取代Mg2?（0.72 ?）导致晶格膨胀；随Mn含量增加，峰位向高角度移动，反映压缩应变和缺陷形成。W-H分析表明，Mn掺杂导致晶粒尺寸从23.148 nm减小至14.458 nm，微应变从-0.00069增大至-0.0012，负号表明压缩应变。Mn离子作为钉扎中心阻碍晶界迁移，同时尺寸差异引起晶格畸变。
**3.2 FTIR分析**
FTIR光谱在517 cm?1附近出现Mg-O伸缩振动强吸收带，随Mn掺杂浓度增加逐步移至513、509、508 cm?1。位于1110 cm?1的C-O伸缩振动和3700 cm?1附近的O-H伸缩振动分别来源于植物提取物中的醇类官能团和表面羟基。1370 cm?1处吸收峰归属于碳酸根离子（CO?2?）。表面羟基有助于抗菌过程中ROS的生成。
**3.3 SEM分析**
纯MgO呈现高度团聚的花椰菜状准球形形貌。1% Mn掺杂后颗粒间连通性增强，微观结构致密且不规则。2% Mn掺杂后晶粒显著细化并聚集成致密团聚体。3% Mn掺杂后出现片状或薄片状特征，表明高掺杂浓度促进各向异性晶体生长或局部结构有序化。
**3.4 EDX分析**
EDX光谱确认Mg和O为主要元素，Mn掺杂样品中检测到Mn的特征峰，证实Mn有效掺入MgO晶格。纯MgO中Mg和O的重量百分比为57.9%和42.1%，随Mn掺杂浓度增加，Mg含量逐渐降低，氧含量升高。
**3.5 紫外-可见光谱分析**
纯MgO在229 nm处呈现强吸收峰。随Mn掺杂浓度增加，吸收强度逐渐降低，吸收边向长波长方向红移。纯MgO带隙为5.110 eV，1%、2%、3% Mn掺杂样品的带隙分别为5.09、5.081和5.07 eV。带隙降低归因于Mn2?掺入在导带下方形成缺陷能级。
**3.6 光催化性能分析**
MB降解实验表明，纯MgO、1%、2%、3% Mn掺杂MgO在120分钟内降解效率分别为56.14%、59.34%、65.65%和76.159%。速率常数从0.0067 min?1增加至0.0112 min?1。pH依赖性研究表明，在pH 9条件下3% Mn-MgO降解效率最高达88.44%，对应速率常数为0.01625 min?1。碱性条件有利于催化剂表面带负电（Mg-O?），增强与阳离子型MB分子的静电吸引；而过高的pH（pH 10）下，过量OH?作为羟基自由基清除剂导致效率下降。
**3.7 可重复使用性能**
3% Mn掺杂MgO催化剂经五次循环后降解效率从88.44%逐步降至62.78%。活性衰减归因于活性位点被染料分子或中间产物覆盖、催化剂分离过程中的损失以及光催化反应过程中结构或表面性质的改变。XRD和FTIR分析表明，使用后催化剂的主体MgO晶格框架未被完全破坏，但结晶度和峰强度有所降低。
**3.8 抗菌活性筛选**
抑菌圈实验表明，纯MgO在300 μg/well浓度下对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抑菌圈直径分别为17.10±0.91 mm和19.80±1.15 mm。3% Mn掺杂MgO对两种菌株表现出最强抑制作用，抑菌圈直径分别为19.60±0.46 mm（S. aureus）和21.90±0.82 mm（E. coli）。革兰氏阴性菌对MgO纳米颗粒更敏感，因其薄脂多糖（LPS）外层易与带正电的MgO纳米颗粒发生静电相互作用。
**3.9 最低抑菌浓度测定**
纯MgO对E. coli和S. aureus的MIC值分别为90±10 μg/mL和110±10 μg/mL。3% Mn掺杂样品的MIC值分别降至50±5.77 μg/mL和60±5.77 μg/mL，较纯MgO分别降低了超过50%和33%。Mn掺杂诱导的结构缺陷增强了细菌抑制效果。
**3.10 细胞毒性生物测定**
卤虫无节幼体毒性实验表明，纯MgO和Mn掺杂MgO在100–200 μg/mL浓度范围内表现出较低的死亡率，显示良好生物相容性。在300 μg/mL高浓度下，2%和3% Mn掺杂样品在12小时内死亡超过50%，呈剂量和时间依赖性。LC??值随暴露时间延长而降低，表明长时间接触增加毒性。3% Mn掺杂样品在24小时及48小时暴露下的毒性高于纯MgO，归因于掺杂引起的表面反应性和缺陷密度增加，促进过量ROS生成。与文献报道的其他纳米材料相比，本研究所制备的Mn掺杂MgO纳米颗粒毒性较低。
**四、讨论总结与结论**
讨论部分指出，Mn掺杂通过减小晶粒尺寸、引入晶格应变和缺陷能级、降低带隙、抑制电子-空穴复合等多重机制协同提升了MgO的光催化和抗菌性能。与已报道的ZnO/MgO（89.5%）、Ag-MgO（80%）、Zn掺杂MgO（74.06%）等催化剂相比，本研究的3% Mn掺杂MgO实现了88.44%的MB降解效率，同时兼具优异的抗菌活性和较好的循环稳定性。
结论部分指出，利用芋头叶提取物通过绿色环保途径成功合成了Mn掺杂MgO纳米颗粒。结构分析证实形成了纯立方MgO相，Mn掺入有效减小了晶粒尺寸并引入缺陷。3 mol% Mn掺杂样品在120分钟内表现出最高降解效率（76.159%），在pH 9条件下进一步提升至88.44%。循环使用五次后仍保持62.78%的降解效率，证实其适中的稳定性和实际可回收性。生物学评价表明3 mol%掺杂样品对大肠杆菌具有优异的抗菌活性和较低的MIC值。尽管高浓度下LC??值相对较低，材料仍表现出可接受的生物相容性。该研究确立了一种通过生物介导Mn掺杂工程化MgO纳米颗粒以实现结构、光学、光催化和抗菌性能协同优化的策略。未来工作应开展详细的ROS清除剂研究、TEM分析、标准阳性对照细胞毒性测试、扩展可重复使用性测试、实际废水处理实验和放大研究。
