Nature.com ની મુલાકાત લેવા બદલ આભાર. તમે મર્યાદિત CSS સપોર્ટ સાથે બ્રાઉઝર વર્ઝનનો ઉપયોગ કરી રહ્યા છો. શ્રેષ્ઠ અનુભવ માટે, અમે ભલામણ કરીએ છીએ કે તમે અપડેટેડ બ્રાઉઝરનો ઉપયોગ કરો (અથવા ઇન્ટરનેટ એક્સપ્લોરરમાં સુસંગતતા મોડને અક્ષમ કરો). તે દરમિયાન, સતત સપોર્ટ સુનિશ્ચિત કરવા માટે, અમે સાઇટને સ્ટાઇલ અને JavaScript વિના રેન્ડર કરીશું.
એકસાથે ત્રણ સ્લાઇડ્સનું કેરોયુઝલ દર્શાવે છે. એક સમયે ત્રણ સ્લાઇડ્સમાંથી આગળ વધવા માટે પહેલાના અને આગળના બટનોનો ઉપયોગ કરો, અથવા એક સમયે ત્રણ સ્લાઇડ્સમાંથી આગળ વધવા માટે અંતે સ્લાઇડર બટનોનો ઉપયોગ કરો.
નેનો ટેકનોલોજીનો ઝડપી વિકાસ અને રોજિંદા ઉપયોગોમાં તેનું એકીકરણ પર્યાવરણ માટે જોખમી બની શકે છે. જ્યારે કાર્બનિક દૂષકોના અધોગતિ માટે ગ્રીન પદ્ધતિઓ સારી રીતે સ્થાપિત છે, ત્યારે બાયોટ્રાન્સફોર્મેશન પ્રત્યે તેમની ઓછી સંવેદનશીલતા અને જૈવિક દૂષકો સાથે સામગ્રીની સપાટીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓની સમજણના અભાવને કારણે અકાર્બનિક સ્ફટિકીય દૂષકોની પુનઃપ્રાપ્તિ મુખ્ય ચિંતાનો વિષય છે. અહીં, અમે લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ રેફિડોસેલિસ સબકેપિટાટા દ્વારા 2D સિરામિક નેનોમટીરિયલ્સના બાયોરેમીડિયેશન મિકેનિઝમને ટ્રેસ કરવા માટે Nb-આધારિત અકાર્બનિક 2D MXenes મોડેલનો ઉપયોગ કરીએ છીએ. અમને જાણવા મળ્યું કે સપાટી-સંબંધિત ભૌતિક-રાસાયણિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓને કારણે સૂક્ષ્મ શેવાળ Nb-આધારિત MXenes ને અધોગતિ કરે છે. શરૂઆતમાં, સિંગલ-લેયર અને મલ્ટિલેયર MXene નેનોફ્લેક્સ સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​સપાટી સાથે જોડાયેલા હતા, જેણે શેવાળના વિકાસને કંઈક અંશે ઘટાડ્યો હતો. જો કે, સપાટી સાથે લાંબા સમય સુધી ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પર, સૂક્ષ્મ શેવાળ MXene નેનોફ્લેક્સનું ઓક્સિડાઇઝેશન કરે છે અને તેમને NbO અને Nb2O5 માં વધુ વિઘટિત કરે છે. આ ઓક્સાઇડ સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો માટે બિન-ઝેરી હોવાથી, તેઓ Nb ઓક્સાઇડ નેનોપાર્ટિકલ્સનો ઉપયોગ એક શોષણ પદ્ધતિ દ્વારા કરે છે જે 72 કલાકની પાણીની સારવાર પછી સૂક્ષ્મ શેવાળને વધુ પુનઃસ્થાપિત કરે છે. શોષણ સાથે સંકળાયેલા પોષક તત્વોની અસરો કોષના જથ્થામાં વધારો, તેમના સરળ આકાર અને વૃદ્ધિ દરમાં ફેરફારમાં પણ પ્રતિબિંબિત થાય છે. આ તારણોના આધારે, અમે તારણ કાઢીએ છીએ કે મીઠા પાણીના ઇકોસિસ્ટમમાં Nb-આધારિત MXene ની ટૂંકા અને લાંબા ગાળાની હાજરી માત્ર નાના પર્યાવરણીય પ્રભાવોનું કારણ બની શકે છે. તે નોંધનીય છે કે, મોડેલ સિસ્ટમ તરીકે દ્વિ-પરિમાણીય નેનોમટીરિયલ્સનો ઉપયોગ કરીને, અમે સૂક્ષ્મ-દાણાવાળા પદાર્થોમાં પણ આકાર પરિવર્તનને ટ્રેક કરવાની શક્યતા દર્શાવીએ છીએ. એકંદરે, આ અભ્યાસ 2D નેનોમટીરિયલ્સના બાયોરેમીડિયેશન મિકેનિઝમને ચલાવતી સપાટીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા-સંબંધિત પ્રક્રિયાઓ વિશેના એક મહત્વપૂર્ણ મૂળભૂત પ્રશ્નનો જવાબ આપે છે અને અકાર્બનિક સ્ફટિકીય નેનોમટીરિયલ્સના પર્યાવરણીય પ્રભાવના વધુ ટૂંકા ગાળાના અને લાંબા ગાળાના અભ્યાસ માટે આધાર પૂરો પાડે છે.
નેનોમટીરિયલ્સે તેમની શોધ પછી ઘણી રુચિ જગાવી છે, અને વિવિધ નેનોટેકનોલોજીઓ તાજેતરમાં આધુનિકીકરણના તબક્કામાં પ્રવેશી છે1. કમનસીબે, રોજિંદા ઉપયોગોમાં નેનોમટીરિયલ્સનું એકીકરણ અયોગ્ય નિકાલ, બેદરકારીપૂર્વક સંચાલન અથવા અપૂરતી સલામતી માળખાને કારણે આકસ્મિક પ્રકાશન તરફ દોરી શકે છે. તેથી, એવું માનવું વાજબી છે કે દ્વિ-પરિમાણીય (2D) નેનોમટીરિયલ્સ સહિત નેનોમટીરિયલ્સ કુદરતી વાતાવરણમાં મુક્ત થઈ શકે છે, જેનું વર્તન અને જૈવિક પ્રવૃત્તિ હજુ સુધી સંપૂર્ણપણે સમજી શકાઈ નથી. તેથી, તે આશ્ચર્યજનક નથી કે ઇકોટોક્સિસિટી ચિંતાઓ 2D નેનોમટીરિયલ્સની જળચર પ્રણાલીઓમાં લીચ કરવાની ક્ષમતા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે2,3,4,5,6. આ ઇકોસિસ્ટમ્સમાં, કેટલાક 2D નેનોમટીરિયલ્સ સૂક્ષ્મ શેવાળ સહિત વિવિધ ટ્રોફિક સ્તરે વિવિધ સજીવો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી શકે છે.
સૂક્ષ્મ શેવાળ એ આદિમ જીવો છે જે કુદરતી રીતે મીઠા પાણી અને દરિયાઈ ઇકોસિસ્ટમમાં જોવા મળે છે જે પ્રકાશસંશ્લેષણ દ્વારા વિવિધ રાસાયણિક ઉત્પાદનો ઉત્પન્ન કરે છે7. આમ, તેઓ જળચર ઇકોસિસ્ટમ માટે મહત્વપૂર્ણ છે8,9,10,11,12 પરંતુ પર્યાવરણીય ઝેરીકરણના સંવેદનશીલ, સસ્તા અને વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતા સૂચકો પણ છે13,14. સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો ઝડપથી ગુણાકાર કરે છે અને વિવિધ સંયોજનોની હાજરીને ઝડપથી પ્રતિભાવ આપે છે, તેથી તેઓ કાર્બનિક પદાર્થોથી દૂષિત પાણીને સારવાર માટે પર્યાવરણને અનુકૂળ પદ્ધતિઓના વિકાસ માટે આશાસ્પદ છે15,16.
શેવાળ કોષો જૈવશોષણ અને સંચય દ્વારા પાણીમાંથી અકાર્બનિક આયનોને દૂર કરી શકે છે17,18. ક્લોરેલા, એનાબેના ઇન્વાર, વેસ્ટિએલોપ્સિસ પ્રોલિફિકા, સ્ટિજિયોક્લોનિયમ ટેન્યુ અને સિનેકોકોકસ spp જેવી કેટલીક શેવાળ પ્રજાતિઓ. તે Fe2+, Cu2+, Zn2+ અને Mn2+19 જેવા ઝેરી ધાતુ આયનોને વહન કરે છે અને પોષે છે તે પણ જાણવા મળ્યું છે. અન્ય અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ અથવા Pb2+ આયનો કોષ આકારશાસ્ત્રમાં ફેરફાર કરીને અને તેમના ક્લોરોપ્લાસ્ટનો નાશ કરીને સીનેડેસ્મસના વિકાસને મર્યાદિત કરે છે20,21.
કાર્બનિક પ્રદૂષકોના વિઘટન અને ભારે ધાતુના આયનોને દૂર કરવા માટેની ગ્રીન પદ્ધતિઓએ વિશ્વભરના વૈજ્ઞાનિકો અને ઇજનેરોનું ધ્યાન ખેંચ્યું છે. આ મુખ્યત્વે એ હકીકતને કારણે છે કે આ દૂષકો પ્રવાહી તબક્કામાં સરળતાથી પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. જો કે, અકાર્બનિક સ્ફટિકીય પ્રદૂષકો ઓછી પાણીમાં દ્રાવ્યતા અને વિવિધ બાયોટ્રાન્સફોર્મેશન માટે ઓછી સંવેદનશીલતા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, જે ઉપચારમાં મોટી મુશ્કેલીઓનું કારણ બને છે, અને આ ક્ષેત્રમાં બહુ ઓછી પ્રગતિ થઈ છે22,23,24,25,26. આમ, નેનોમટીરિયલ્સના સમારકામ માટે પર્યાવરણને અનુકૂળ ઉકેલોની શોધ એક જટિલ અને અન્વેષિત ક્ષેત્ર રહે છે. 2D નેનોમટીરિયલ્સના બાયોટ્રાન્સફોર્મેશન અસરો અંગે ઉચ્ચ સ્તરની અનિશ્ચિતતાને કારણે, ઘટાડા દરમિયાન તેમના અધોગતિના સંભવિત માર્ગો શોધવાનો કોઈ સરળ રસ્તો નથી.
આ અભ્યાસમાં, અમે અકાર્બનિક સિરામિક સામગ્રી માટે સક્રિય જલીય બાયોરેમીડિયેશન એજન્ટ તરીકે લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળનો ઉપયોગ કર્યો, અકાર્બનિક સિરામિક સામગ્રીના પ્રતિનિધિ તરીકે MXene ના અધોગતિ પ્રક્રિયાના ઇન સીટુ મોનિટરિંગ સાથે. "MXene" શબ્દ Mn+1XnTx સામગ્રીના સ્ટોઇકિયોમેટ્રીને પ્રતિબિંબિત કરે છે, જ્યાં M એ પ્રારંભિક સંક્રમણ ધાતુ છે, X એ કાર્બન અને/અથવા નાઇટ્રોજન છે, Tx એ સપાટી ટર્મિનેટર છે (દા.ત., -OH, -F, -Cl), અને n = 1, 2, 3 અથવા 427.28. નાગુઇબ ​​એટ અલ દ્વારા MXenes ની શોધ થઈ ત્યારથી. સેન્સરિક્સ, કેન્સર થેરાપી અને મેમ્બ્રેન ફિલ્ટરેશન 27,29,30. વધુમાં, MXenes ને તેમની ઉત્તમ કોલોઇડલ સ્થિરતા અને શક્ય જૈવિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ31,32,33,34,35,36 ને કારણે મોડેલ 2D સિસ્ટમ્સ તરીકે ગણી શકાય.
તેથી, આ લેખમાં વિકસાવવામાં આવેલી પદ્ધતિ અને અમારી સંશોધન પૂર્વધારણાઓ આકૃતિ 1 માં બતાવવામાં આવી છે. આ પૂર્વધારણા મુજબ, સપાટી-સંબંધિત ભૌતિક-રાસાયણિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓને કારણે સૂક્ષ્મ શેવાળ Nb-આધારિત MXene ને બિન-ઝેરી સંયોજનોમાં વિઘટિત કરે છે, જે શેવાળને વધુ પુનઃપ્રાપ્તિ માટે પરવાનગી આપે છે. આ પૂર્વધારણાને ચકાસવા માટે, પ્રારંભિક નિઓબિયમ-આધારિત સંક્રમણ મેટલ કાર્બાઇડ્સ અને/અથવા નાઇટ્રાઇડ્સ (MXenes) ના પરિવારના બે સભ્યો, એટલે કે Nb2CTx અને Nb4C3TX, પસંદ કરવામાં આવ્યા હતા.
લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ રેફિડોસેલિસ સબકેપિટાટા દ્વારા MXene પુનઃપ્રાપ્તિ માટે સંશોધન પદ્ધતિ અને પુરાવા-આધારિત પૂર્વધારણાઓ. કૃપા કરીને નોંધ લો કે આ ફક્ત પુરાવા-આધારિત ધારણાઓનું એક યોજનાકીય પ્રતિનિધિત્વ છે. તળાવનું વાતાવરણ ઉપયોગમાં લેવાતા પોષક માધ્યમ અને પરિસ્થિતિઓમાં અલગ પડે છે (દા.ત., દૈનિક ચક્ર અને ઉપલબ્ધ આવશ્યક પોષક તત્વોમાં મર્યાદાઓ). BioRender.com દ્વારા બનાવેલ.
તેથી, મોડેલ સિસ્ટમ તરીકે MXene નો ઉપયોગ કરીને, અમે વિવિધ જૈવિક અસરોના અભ્યાસ માટે દરવાજા ખોલ્યા છે જે અન્ય પરંપરાગત નેનોમટીરિયલ્સ સાથે અવલોકન કરી શકાતા નથી. ખાસ કરીને, અમે સૂક્ષ્મ શેવાળ Raphidocelis subcapitata દ્વારા દ્વિ-પરિમાણીય નેનોમટીરિયલ્સ, જેમ કે નિઓબિયમ-આધારિત MXenes, ના બાયોરેમીડિયેશનની શક્યતા દર્શાવીએ છીએ. સૂક્ષ્મ શેવાળ Nb-MXenes ને બિન-ઝેરી ઓક્સાઇડ NbO અને Nb2O5 માં ડિગ્રેડ કરવામાં સક્ષમ છે, જે નિઓબિયમ શોષણ પદ્ધતિ દ્વારા પોષક તત્વો પણ પૂરા પાડે છે. એકંદરે, આ અભ્યાસ સપાટી ભૌતિક-રાસાયણિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ સાથે સંકળાયેલ પ્રક્રિયાઓ વિશે એક મહત્વપૂર્ણ મૂળભૂત પ્રશ્નનો જવાબ આપે છે જે દ્વિ-પરિમાણીય નેનોમટીરિયલ્સના બાયોરેમીડિયેશનની પદ્ધતિઓનું સંચાલન કરે છે. વધુમાં, અમે 2D નેનોમટીરિયલ્સના આકારમાં સૂક્ષ્મ ફેરફારોને ટ્રેક કરવા માટે એક સરળ આકાર-પરિમાણ-આધારિત પદ્ધતિ વિકસાવી રહ્યા છીએ. આ અકાર્બનિક સ્ફટિકીય નેનોમટીરિયલ્સના વિવિધ પર્યાવરણીય પ્રભાવોમાં વધુ ટૂંકા ગાળાના અને લાંબા ગાળાના સંશોધનને પ્રેરણા આપે છે. આમ, અમારો અભ્યાસ ભૌતિક સપાટી અને જૈવિક સામગ્રી વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાની સમજમાં વધારો કરે છે. અમે મીઠા પાણીની ઇકોસિસ્ટમ પર તેમની સંભવિત અસરોના વિસ્તૃત ટૂંકા ગાળાના અને લાંબા ગાળાના અભ્યાસ માટેનો આધાર પણ પૂરો પાડી રહ્યા છીએ, જે હવે સરળતાથી ચકાસી શકાય છે.
MXenes અનન્ય અને આકર્ષક ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મો ધરાવતા પદાર્થોનો એક રસપ્રદ વર્ગ રજૂ કરે છે અને તેથી ઘણા સંભવિત ઉપયોગો છે. આ ગુણધર્મો મોટાભાગે તેમના સ્ટોઇકિયોમેટ્રી અને સપાટી રસાયણશાસ્ત્ર પર આધારિત છે. તેથી, અમારા અભ્યાસમાં, અમે બે પ્રકારના Nb-આધારિત હાયરાર્કિકલ સિંગલ-લેયર (SL) MXenes, Nb2CTx અને Nb4C3TX ની તપાસ કરી, કારણ કે આ નેનોમટીરિયલ્સની વિવિધ જૈવિક અસરો અવલોકન કરી શકાય છે. MXenes તેમના પ્રારંભિક સામગ્રીમાંથી પરમાણુ રીતે પાતળા MAX-ફેઝ A-સ્તરોના ટોચ-નીચે પસંદગીયુક્ત એચિંગ દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. MAX તબક્કો એ ટ્રાન્ઝિશન મેટલ કાર્બાઇડના "બોન્ડેડ" બ્લોક્સ અને MnAXn-1 સ્ટોઇકિયોમેટ્રી સાથે Al, Si, અને Sn જેવા "A" તત્વોના પાતળા સ્તરોથી બનેલો ત્રિ-સ્તરીય સિરામિક છે. પ્રારંભિક MAX તબક્કાનું મોર્ફોલોજી ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (SEM) સ્કેન કરીને અવલોકન કરવામાં આવ્યું હતું અને તે અગાઉના અભ્યાસો સાથે સુસંગત હતું (પૂરક માહિતી, SI, આકૃતિ S1 જુઓ). 48% HF (હાઇડ્રોફ્લોરિક એસિડ) સાથે Al સ્તરને દૂર કર્યા પછી બહુસ્તરીય (ML) Nb-MXene મેળવવામાં આવ્યું હતું. ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (SEM) (અનુક્રમે આકૃતિઓ S1c અને S1d) સ્કેન કરીને ML-Nb2CTx અને ML-Nb4C3TX ના મોર્ફોલોજીની તપાસ કરવામાં આવી હતી અને એક લાક્ષણિક સ્તરવાળી MXene મોર્ફોલોજી જોવા મળી હતી, જે વિસ્તરેલ છિદ્ર જેવા સ્લિટ્સમાંથી પસાર થતા દ્વિ-પરિમાણીય નેનોફ્લેક્સ જેવી જ હતી. બંને Nb-MXenes એસિડ એચિંગ27,38 દ્વારા અગાઉ સંશ્લેષિત MXene તબક્કાઓ સાથે ઘણી સમાનતા ધરાવે છે. MXene ની રચનાની પુષ્ટિ કર્યા પછી, અમે તેને ટેટ્રાબ્યુટીલેમોનિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (TBAOH) ના ઇન્ટરકેલેશન દ્વારા સ્તરિત કર્યું, ત્યારબાદ ધોવા અને સોનિકેશન દ્વારા, ત્યારબાદ અમે સિંગલ-લેયર અથવા લો-લેયર (SL) 2D Nb-MXene નેનોફ્લેક્સ મેળવ્યા.
અમે એચિંગ અને વધુ પીલિંગની કાર્યક્ષમતા ચકાસવા માટે હાઇ રિઝોલ્યુશન ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (HRTEM) અને એક્સ-રે ડિફ્રેક્શન (XRD) નો ઉપયોગ કર્યો. ઇન્વર્સ ફાસ્ટ ફોરિયર ટ્રાન્સફોર્મ (IFFT) અને ફાસ્ટ ફોરિયર ટ્રાન્સફોર્મ (FFT) નો ઉપયોગ કરીને પ્રક્રિયા કરાયેલ HRTEM પરિણામો આકૃતિ 2 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. અણુ સ્તરની રચના તપાસવા અને ઇન્ટરપ્લાનર અંતર માપવા માટે Nb-MXene નેનોફ્લેક્સ ધાર ઉપર લક્ષી હતા. MXene Nb2CTx અને Nb4C3TX નેનોફ્લેક્સની HRTEM છબીઓએ તેમના પરમાણુ પાતળા સ્તરવાળા સ્વભાવ (આકૃતિ 2a1, a2 જુઓ) જાહેર કર્યા, જેમ કે અગાઉ નાગુઇબ ​​એટ અલ.27 અને જસ્ટ્રઝેબ્સકા એટ અલ.38 દ્વારા અહેવાલ કરવામાં આવ્યો હતો. બે અડીને આવેલા Nb2CTx અને Nb4C3Tx મોનોલેયર્સ માટે, અમે અનુક્રમે 0.74 અને 1.54 nm ના ઇન્ટરલેયર અંતર નક્કી કર્યા (આકૃતિ 2b1,b2), જે અમારા અગાઉના પરિણામો સાથે પણ સંમત છે38. આ વાતની પુષ્ટિ ઇન્વર્સ ફાસ્ટ ફોરિયર ટ્રાન્સફોર્મ (આકૃતિ 2c1, c2) અને ફાસ્ટ ફોરિયર ટ્રાન્સફોર્મ (આકૃતિ 2d1, d2) દ્વારા કરવામાં આવી હતી જે Nb2CTx અને Nb4C3Tx મોનોલેયર્સ વચ્ચેનું અંતર દર્શાવે છે. છબી નિઓબિયમ અને કાર્બન અણુઓને અનુરૂપ પ્રકાશ અને શ્યામ પટ્ટાઓનું ફેરબદલ દર્શાવે છે, જે અભ્યાસ કરાયેલ MXenes ના સ્તરીય સ્વભાવની પુષ્ટિ કરે છે. એ નોંધવું મહત્વપૂર્ણ છે કે Nb2CTx અને Nb4C3Tx (આકૃતિઓ S2a અને S2b) માટે મેળવેલ ઊર્જા વિખેરી નાખનાર એક્સ-રે સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (EDX) સ્પેક્ટ્રામાં મૂળ MAX તબક્કાનો કોઈ અવશેષ દેખાતો નથી, કારણ કે કોઈ Al પીક શોધી શકાયો નથી.
SL Nb2CTx અને Nb4C3Tx MXene નેનોફ્લેક્સનું લાક્ષણિકતાકરણ, જેમાં (a) ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (HRTEM) સાઇડ-વ્યૂ 2D નેનોફ્લેક ઇમેજિંગ અને અનુરૂપ, (b) તીવ્રતા મોડ, (c) ઇન્વર્સ ફાસ્ટ ફોરિયર ટ્રાન્સફોર્મ (IFFT), (d) ફાસ્ટ ફોરિયર ટ્રાન્સફોર્મ (FFT), (e) Nb-MXenes એક્સ-રે પેટર્નનો સમાવેશ થાય છે. SL 2D Nb2CTx માટે, સંખ્યાઓ (a1, b1, c1, d1, e1) તરીકે વ્યક્ત કરવામાં આવે છે. SL 2D Nb4C3Tx માટે, સંખ્યાઓ (a2, b2, c2, d2, e1) તરીકે વ્યક્ત કરવામાં આવે છે.
SL Nb2CTx અને Nb4C3Tx MXenes ના એક્સ-રે વિવર્તન માપન અનુક્રમે આકૃતિ 2e1 અને e2 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. 4.31 અને 4.32 પર શિખરો (002) અનુક્રમે અગાઉ વર્ણવેલ સ્તરીય MXenes Nb2CTx અને Nb4C3TX38,39,40,41 ને અનુરૂપ છે. XRD પરિણામો કેટલાક શેષ ML માળખાં અને MAX તબક્કાઓની હાજરી પણ દર્શાવે છે, પરંતુ મોટે ભાગે SL Nb4C3Tx (આકૃતિ 2e2) સાથે સંકળાયેલ XRD પેટર્ન. MAX તબક્કાના નાના કણોની હાજરી રેન્ડમલી સ્ટેક્ડ Nb4C3Tx સ્તરોની તુલનામાં મજબૂત MAX ટોચને સમજાવી શકે છે.
વધુ સંશોધનમાં R. subcapitata પ્રજાતિના લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવામાં આવ્યું છે. અમે સૂક્ષ્મ શેવાળ પસંદ કર્યા કારણ કે તેઓ મુખ્ય ખાદ્ય જાળાઓમાં સામેલ મહત્વપૂર્ણ ઉત્પાદકો છે42. તેઓ ઝેરી પદાર્થોને દૂર કરવાની ક્ષમતાને કારણે ઝેરીતાના શ્રેષ્ઠ સૂચકોમાંના એક પણ છે જે ખોરાક શૃંખલાના ઉચ્ચ સ્તરો સુધી લઈ જવામાં આવે છે43. વધુમાં, R. subcapitata પર સંશોધન સામાન્ય મીઠા પાણીના સુક્ષ્મસજીવોમાં SL Nb-MXenes ની આકસ્મિક ઝેરીતા પર પ્રકાશ પાડી શકે છે. આને સમજાવવા માટે, સંશોધકોએ અનુમાન લગાવ્યું કે દરેક સૂક્ષ્મજીવાણુ પર્યાવરણમાં હાજર ઝેરી સંયોજનો પ્રત્યે અલગ સંવેદનશીલતા ધરાવે છે. મોટાભાગના સજીવો માટે, પદાર્થોની ઓછી સાંદ્રતા તેમના વિકાસને અસર કરતી નથી, જ્યારે ચોક્કસ મર્યાદાથી ઉપરની સાંદ્રતા તેમને અટકાવી શકે છે અથવા મૃત્યુનું કારણ પણ બની શકે છે. તેથી, સૂક્ષ્મ શેવાળ અને MXenes વચ્ચેની સપાટીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા અને સંકળાયેલ પુનઃપ્રાપ્તિના અમારા અભ્યાસ માટે, અમે Nb-MXenes ની હાનિકારક અને ઝેરી સાંદ્રતાનું પરીક્ષણ કરવાનું નક્કી કર્યું. આ કરવા માટે, અમે 0 (સંદર્ભ તરીકે), 0.01, 0.1 અને 10 મિલિગ્રામ l-1 MXene ની સાંદ્રતા અને વધુમાં MXene (100 મિલિગ્રામ l-1 MXene) ની ખૂબ ઊંચી સાંદ્રતાવાળા ચેપગ્રસ્ત સૂક્ષ્મ શેવાળનું પરીક્ષણ કર્યું, જે કોઈપણ જૈવિક વાતાવરણ માટે અત્યંત અને ઘાતક હોઈ શકે છે. .
સૂક્ષ્મ શેવાળ પર SL Nb-MXenes ની અસરો આકૃતિ 3 માં દર્શાવવામાં આવી છે, જે 0 mg l-1 નમૂનાઓ માટે માપવામાં આવેલી વૃદ્ધિ પ્રોત્સાહન (+) અથવા અવરોધ (-) ની ટકાવારી તરીકે દર્શાવવામાં આવી છે. સરખામણી માટે, Nb-MAX તબક્કો અને ML Nb-MXenes નું પણ પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું અને પરિણામો SI માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે (આકૃતિ S3 જુઓ). પ્રાપ્ત પરિણામોએ પુષ્ટિ આપી છે કે SL Nb-MXenes 0.01 થી 10 mg/l સુધીની ઓછી સાંદ્રતાની શ્રેણીમાં લગભગ સંપૂર્ણપણે ઝેરીતાથી મુક્ત છે, જેમ કે આકૃતિ 3a,b માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. Nb2CTx ના કિસ્સામાં, અમે ઉલ્લેખિત શ્રેણીમાં 5% થી વધુ ઇકોટોક્સિસિટી જોઈ નથી.
SL (a) Nb2CTx અને (b) Nb4C3TX MXene ની હાજરીમાં સૂક્ષ્મ શેવાળ વૃદ્ધિનું ઉત્તેજના (+) અથવા અવરોધ (-). MXene-સૂક્ષ્મ શેવાળ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાના 24, 48 અને 72 કલાકનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું. મહત્વપૂર્ણ ડેટા (t-પરીક્ષણ, p < 0.05) ને ફૂદડી (*) થી ચિહ્નિત કરવામાં આવ્યા હતા. મહત્વપૂર્ણ ડેટા (t-પરીક્ષણ, p < 0.05) ને ફૂદડી (*) થી ચિહ્નિત કરવામાં આવ્યા હતા. Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). મહત્વપૂર્ણ ડેટા (t-પરીક્ષણ, p < 0.05) ફૂદડી (*) થી ચિહ્નિત થયેલ છે.重要数据（t 检验,p <0.05）用星号(*) 标记.重要数据（t 检验,p <0.05）用星号(*) 标记. Важные данные (t-ટેસ્ટ, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). મહત્વપૂર્ણ ડેટા (t-પરીક્ષણ, p < 0.05) ફૂદડી (*) થી ચિહ્નિત થયેલ છે.લાલ તીર અવરોધક ઉત્તેજનાના નાબૂદી સૂચવે છે.
બીજી બાજુ, Nb4C3TX ની ઓછી સાંદ્રતા થોડી વધુ ઝેરી હોવાનું બહાર આવ્યું, પરંતુ 7% કરતા વધારે નહીં. અપેક્ષા મુજબ, અમે જોયું કે 100mg L-1 પર MXene માં વધુ ઝેરીતા અને સૂક્ષ્મ શેવાળ વૃદ્ધિ અવરોધ હતો. રસપ્રદ વાત એ છે કે, કોઈપણ સામગ્રીએ MAX અથવા ML નમૂનાઓની તુલનામાં એટોક્સિક/ઝેરી અસરોનું સમાન વલણ અને સમય નિર્ભરતા દર્શાવી નથી (વિગતો માટે SI જુઓ). જ્યારે MAX તબક્કા માટે (આકૃતિ S3 જુઓ) ઝેરીતા લગભગ 15-25% સુધી પહોંચી અને સમય સાથે વધતી ગઈ, ત્યારે SL Nb2CTx અને Nb4C3TX MXene માટે વિપરીત વલણ જોવા મળ્યું. સૂક્ષ્મ શેવાળ વૃદ્ધિનો અવરોધ સમય જતાં ઘટ્યો. તે 24 કલાક પછી આશરે 17% સુધી પહોંચ્યો અને 72 કલાક પછી 5% કરતા ઓછો થઈ ગયો (અનુક્રમે આકૃતિ 3a, b).
વધુ મહત્ત્વની વાત એ છે કે, SL Nb4C3TX માટે, 24 કલાક પછી સૂક્ષ્મ શેવાળ વૃદ્ધિ અવરોધ લગભગ 27% સુધી પહોંચ્યો, પરંતુ 72 કલાક પછી તે ઘટીને લગભગ 1% થઈ ગયો. તેથી, અમે અવલોકન કરાયેલ અસરને ઉત્તેજનાના વ્યસ્ત અવરોધ તરીકે લેબલ કરી, અને SL Nb4C3TX MXene માટે અસર વધુ મજબૂત હતી. SL Nb2CTx MXene ની તુલનામાં Nb4C3TX (24 કલાક માટે 10 મિલિગ્રામ L-1 પર ક્રિયાપ્રતિક્રિયા) સાથે સૂક્ષ્મ શેવાળ વૃદ્ધિનું ઉત્તેજના અગાઉ નોંધાયું હતું. બાયોમાસ ડબલિંગ રેટ કર્વમાં પણ અવરોધ-ઉત્તેજના રિવર્સલ અસર સારી રીતે દર્શાવવામાં આવી હતી (વિગતો માટે આકૃતિ S4 જુઓ). અત્યાર સુધી, ફક્ત Ti3C2TX MXene ની ઇકોટોક્સિસિટીનો અલગ અલગ રીતે અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. તે ઝેબ્રાફિશ ગર્ભ માટે ઝેરી નથી44 પરંતુ સૂક્ષ્મ શેવાળ ડેસ્મોડેસ્મસ ક્વાડ્રિકાઉડા અને સોર્ગમ સેકરેટમ છોડ માટે મધ્યમ ઇકોટોક્સિક છે45. ચોક્કસ અસરોના અન્ય ઉદાહરણોમાં સામાન્ય કોષ રેખાઓ કરતાં કેન્સર કોષ રેખાઓ માટે વધુ ઝેરીતા શામેલ છે46,47. એવું માની શકાય છે કે પરીક્ષણ પરિસ્થિતિઓ Nb-MXenes ની હાજરીમાં જોવા મળતા સૂક્ષ્મ શેવાળના વિકાસમાં થતા ફેરફારોને પ્રભાવિત કરશે. ઉદાહરણ તરીકે, ક્લોરોપ્લાસ્ટ સ્ટ્રોમામાં લગભગ 8 pH RuBisCO એન્ઝાઇમના કાર્યક્ષમ સંચાલન માટે શ્રેષ્ઠ છે. તેથી, pH ફેરફારો પ્રકાશસંશ્લેષણના દરને નકારાત્મક રીતે અસર કરે છે48,49. જો કે, પ્રયોગ દરમિયાન અમે pH માં નોંધપાત્ર ફેરફારો જોયા નથી (વિગતો માટે SI, આકૃતિ S5 જુઓ). સામાન્ય રીતે, Nb-MXenes સાથે સૂક્ષ્મ શેવાળના સંવર્ધનથી સમય જતાં દ્રાવણના pH માં થોડો ઘટાડો થયો. જો કે, આ ઘટાડો શુદ્ધ માધ્યમના pH માં ફેરફાર જેવો જ હતો. વધુમાં, જોવા મળતી વિવિધતાઓની શ્રેણી સૂક્ષ્મ શેવાળના શુદ્ધ સંવર્ધન (નિયંત્રણ નમૂના) માટે માપવામાં આવેલી સમાન હતી. આમ, અમે તારણ કાઢીએ છીએ કે પ્રકાશસંશ્લેષણ સમય જતાં pH માં થતા ફેરફારોથી પ્રભાવિત થતું નથી.
વધુમાં, સંશ્લેષિત MXenes સપાટીના અંત ધરાવે છે (જેને Tx તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે). આ મુખ્યત્વે કાર્યાત્મક જૂથો -O, -F અને -OH છે. જો કે, સપાટી રસાયણશાસ્ત્ર સંશ્લેષણની પદ્ધતિ સાથે સીધો સંબંધ ધરાવે છે. આ જૂથો સપાટી પર અવ્યવસ્થિત રીતે વિતરિત હોવાનું જાણીતું છે, જેના કારણે MXene50 ના ગુણધર્મો પર તેમની અસરની આગાહી કરવી મુશ્કેલ બને છે. એવી દલીલ કરી શકાય છે કે Tx પ્રકાશ દ્વારા નિઓબિયમના ઓક્સિડેશન માટે ઉત્પ્રેરક બળ હોઈ શકે છે. સપાટી કાર્યાત્મક જૂથો ખરેખર તેમના અંતર્ગત ફોટોકેટાલિસ્ટ્સ માટે હેટરોજંક્શન51 બનાવવા માટે બહુવિધ એન્કરિંગ સાઇટ્સ પ્રદાન કરે છે. જો કે, વૃદ્ધિ માધ્યમ રચના અસરકારક ફોટોકેટાલિસ્ટ પ્રદાન કરી શકી નથી (વિગતવાર માધ્યમ રચના SI કોષ્ટક S6 માં મળી શકે છે). વધુમાં, કોઈપણ સપાટી ફેરફાર પણ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે, કારણ કે MXenes ની જૈવિક પ્રવૃત્તિ સ્તર પોસ્ટ-પ્રોસેસિંગ, ઓક્સિડેશન, કાર્બનિક અને અકાર્બનિક સંયોજનોના રાસાયણિક સપાટી ફેરફાર52,53,54,55,56 અથવા સપાટી ચાર્જ એન્જિનિયરિંગ38 ને કારણે બદલી શકાય છે. તેથી, માધ્યમમાં ભૌતિક અસ્થિરતા સાથે નિઓબિયમ ઓક્સાઇડનો કોઈ સંબંધ છે કે કેમ તે ચકાસવા માટે, અમે સૂક્ષ્મ શેવાળ વૃદ્ધિ માધ્યમ અને ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીમાં ઝેટા (ζ) સંભવિતતાનો અભ્યાસ હાથ ધર્યો (તુલના માટે). અમારા પરિણામો દર્શાવે છે કે SL Nb-MXenes એકદમ સ્થિર છે (MAX અને ML પરિણામો માટે SI આકૃતિ S6 જુઓ). SL MXenes ની ઝેટા સંભવિતતા લગભગ -10 mV છે. SR Nb2CTx ના કિસ્સામાં, ζ નું મૂલ્ય Nb4C3Tx કરતા કંઈક અંશે વધુ નકારાત્મક છે. ζ મૂલ્યમાં આવો ફેરફાર સૂચવી શકે છે કે નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ MXene નેનોફ્લેક્સની સપાટી કલ્ચર માધ્યમમાંથી હકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ આયનોને શોષી લે છે. કલ્ચર માધ્યમમાં Nb-MXenes ની ઝેટા સંભવિતતા અને વાહકતાના ટેમ્પોરલ માપન (વધુ વિગતો માટે SI માં આકૃતિ S7 અને S8 જુઓ) અમારી પૂર્વધારણાને સમર્થન આપે છે.
જોકે, બંને Nb-MXene SL એ શૂન્યથી ન્યૂનતમ ફેરફારો દર્શાવ્યા. આ સ્પષ્ટપણે સૂક્ષ્મ શેવાળ વૃદ્ધિ માધ્યમમાં તેમની સ્થિરતા દર્શાવે છે. વધુમાં, અમે મૂલ્યાંકન કર્યું કે શું અમારા લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​હાજરી માધ્યમમાં Nb-MXenes ની સ્થિરતાને અસર કરશે. સમય જતાં પોષક માધ્યમો અને સંસ્કૃતિમાં સૂક્ષ્મ શેવાળ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પછી MXenes ની ઝેટા સંભવિતતા અને વાહકતાના પરિણામો SI માં મળી શકે છે (આકૃતિઓ S9 અને S10). રસપ્રદ વાત એ છે કે, અમે જોયું કે સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​હાજરી બંને MXenes ના વિક્ષેપને સ્થિર કરતી હોય તેવું લાગતું હતું. Nb2CTx SL ના કિસ્સામાં, ઝેટા સંભવિતતા સમય જતાં થોડી ઓછી થઈને વધુ નકારાત્મક મૂલ્યો (-15.8 વિરુદ્ધ -19.1 mV 72 કલાકના ઇન્ક્યુબેશન પછી) સુધી પહોંચી ગઈ. SL Nb4C3TX ની ઝેટા સંભવિતતા થોડી વધી, પરંતુ 72 કલાક પછી તે સૂક્ષ્મ શેવાળ (-18.1 વિરુદ્ધ -9.1 mV) ની હાજરી વિના નેનોફ્લેક્સ કરતાં વધુ સ્થિરતા દર્શાવે છે.
અમને સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​હાજરીમાં ઉકાળવામાં આવતા Nb-MXene દ્રાવણની ઓછી વાહકતા પણ જોવા મળી, જે પોષક માધ્યમમાં આયનોની ઓછી માત્રા દર્શાવે છે. નોંધનીય છે કે, પાણીમાં MXene ની અસ્થિરતા મુખ્યત્વે સપાટીના ઓક્સિડેશનને કારણે છે57. તેથી, અમને શંકા છે કે લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ કોઈક રીતે Nb-MXene ની સપાટી પર રચાયેલા ઓક્સાઇડને સાફ કરે છે અને તેમની ઘટના (MXene નું ઓક્સિડેશન) પણ અટકાવે છે. સૂક્ષ્મ શેવાળ દ્વારા શોષાયેલા પદાર્થોના પ્રકારોનો અભ્યાસ કરીને આ જોઈ શકાય છે.
જ્યારે અમારા ઇકોટોક્સિકોલોજિકલ અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું હતું કે સૂક્ષ્મ શેવાળ સમય જતાં Nb-MXene ની ઝેરી અસર અને ઉત્તેજિત વૃદ્ધિના અસામાન્ય અવરોધને દૂર કરવામાં સક્ષમ હતા, ત્યારે અમારા અભ્યાસનો ઉદ્દેશ્ય ક્રિયાના શક્ય મિકેનિઝમ્સની તપાસ કરવાનો હતો. જ્યારે શેવાળ જેવા સજીવો તેમના ઇકોસિસ્ટમથી અજાણ્યા સંયોજનો અથવા પદાર્થોના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે તેઓ વિવિધ રીતે પ્રતિક્રિયા આપી શકે છે58,59. ઝેરી ધાતુના ઓક્સાઇડની ગેરહાજરીમાં, સૂક્ષ્મ શેવાળ પોતાને ખવડાવી શકે છે, જે તેમને સતત વૃદ્ધિ કરવાની મંજૂરી આપે છે60. ઝેરી પદાર્થોના ઇન્જેશન પછી, સંરક્ષણ પદ્ધતિઓ સક્રિય થઈ શકે છે, જેમ કે આકાર અથવા સ્વરૂપ બદલવું. શોષણની શક્યતાને પણ ધ્યાનમાં લેવી જોઈએ58,59. નોંધનીય છે કે, સંરક્ષણ પદ્ધતિના કોઈપણ સંકેત એ પરીક્ષણ સંયોજનની ઝેરીતાનું સ્પષ્ટ સૂચક છે. તેથી, અમારા આગળના કાર્યમાં, અમે SEM દ્વારા SL Nb-MXene નેનોફ્લેક્સ અને સૂક્ષ્મ શેવાળ વચ્ચે સંભવિત સપાટીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા અને એક્સ-રે ફ્લોરોસેન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (XRF) દ્વારા Nb-આધારિત MXene ના સંભવિત શોષણની તપાસ કરી. નોંધ કરો કે પ્રવૃત્તિ ઝેરીતાના મુદ્દાઓને સંબોધવા માટે SEM અને XRF વિશ્લેષણ ફક્ત MXene ની ઉચ્ચતમ સાંદ્રતા પર કરવામાં આવ્યા હતા.
SEM પરિણામો આકૃતિ 4 માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. સારવાર ન કરાયેલા સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો (આકૃતિ 4a, સંદર્ભ નમૂના જુઓ) સ્પષ્ટપણે લાક્ષણિક R. સબકેપિટાટા મોર્ફોલોજી અને ક્રોસન્ટ જેવા કોષ આકાર દર્શાવે છે. કોષો ચપટા અને કંઈક અંશે અવ્યવસ્થિત દેખાય છે. કેટલાક સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો એકબીજા સાથે ઓવરલેપ અને ફસાયેલા દેખાય છે, પરંતુ આ કદાચ નમૂના તૈયારી પ્રક્રિયાને કારણે થયું હશે. સામાન્ય રીતે, શુદ્ધ સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોની સપાટી સરળ હતી અને તેમાં કોઈ મોર્ફોલોજિકલ ફેરફારો જોવા મળ્યા ન હતા.
SEM છબીઓ જે 72 કલાકની અતિશય સાંદ્રતા (100 મિલિગ્રામ L-1) પર ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પછી લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ અને MXene નેનોશીટ્સ વચ્ચે સપાટીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દર્શાવે છે. (a) SL (b) Nb2CTx અને (c) Nb4C3TX MXenes સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પછી સારવાર ન કરાયેલ લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ. નોંધ કરો કે Nb-MXene નેનોફ્લેક્સ લાલ તીરથી ચિહ્નિત થયેલ છે. સરખામણી માટે, ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપમાંથી ફોટોગ્રાફ્સ પણ ઉમેરવામાં આવ્યા છે.
તેનાથી વિપરીત, SL Nb-MXene નેનોફ્લેક્સ દ્વારા શોષાયેલા સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોને નુકસાન થયું હતું (આકૃતિ 4b, c, લાલ તીર જુઓ). Nb2CTx MXene (આકૃતિ 4b) ના કિસ્સામાં, સૂક્ષ્મ શેવાળ જોડાયેલા દ્વિ-પરિમાણીય નેનોસ્કેલ સાથે વૃદ્ધિ પામે છે, જે તેમના આકારશાસ્ત્રને બદલી શકે છે. નોંધપાત્ર રીતે, અમે પ્રકાશ માઇક્રોસ્કોપી હેઠળ પણ આ ફેરફારો જોયા (વિગતો માટે SI આકૃતિ S11 જુઓ). આ મોર્ફોલોજિકલ સંક્રમણનો સૂક્ષ્મ શેવાળના શરીરવિજ્ઞાનમાં અને કોષ આકારશાસ્ત્રને બદલીને પોતાનો બચાવ કરવાની તેમની ક્ષમતામાં એક બુદ્ધિગમ્ય આધાર છે, જેમ કે કોષનું પ્રમાણ વધારવું61. તેથી, Nb-MXenes ના સંપર્કમાં રહેલા સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોની સંખ્યા તપાસવી મહત્વપૂર્ણ છે. SEM અભ્યાસો દર્શાવે છે કે લગભગ 52% સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો Nb-MXenes ના સંપર્કમાં આવ્યા હતા, જ્યારે આ સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાંથી 48% સંપર્ક ટાળતા હતા. SL Nb4C3Tx MXene માટે, સૂક્ષ્મ શેવાળ MXene સાથે સંપર્ક ટાળવાનો પ્રયાસ કરે છે, જેનાથી દ્વિ-પરિમાણીય નેનોસ્કેલમાંથી સ્થાનિકીકરણ અને વૃદ્ધિ થાય છે (આકૃતિ 4c). જો કે, અમે સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાં નેનોસ્કેલના પ્રવેશ અને તેમના નુકસાનનું અવલોકન કર્યું નથી.
કોષ સપાટી પર કણોના શોષણ અને કહેવાતા શેડિંગ (શેડિંગ) અસરને કારણે પ્રકાશસંશ્લેષણના અવરોધ માટે સ્વ-સંરક્ષણ પણ સમય-આધારિત પ્રતિભાવ વર્તન છે. તે સ્પષ્ટ છે કે દરેક પદાર્થ (ઉદાહરણ તરીકે, Nb-MXene નેનોફ્લેક્સ) જે સૂક્ષ્મ શેવાળ અને પ્રકાશ સ્ત્રોત વચ્ચે હોય છે તે ક્લોરોપ્લાસ્ટ દ્વારા શોષિત પ્રકાશની માત્રાને મર્યાદિત કરે છે. જો કે, અમને કોઈ શંકા નથી કે આ પ્રાપ્ત પરિણામો પર નોંધપાત્ર અસર કરે છે. અમારા સૂક્ષ્મ અવલોકનો દ્વારા દર્શાવ્યા મુજબ, 2D નેનોફ્લેક્સ સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​સપાટી પર સંપૂર્ણપણે લપેટાયેલા અથવા ચોંટેલા ન હતા, ભલે સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો Nb-MXenes ના સંપર્કમાં હતા. તેના બદલે, નેનોફ્લેક્સ તેમની સપાટીને આવરી લીધા વિના સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો તરફ લક્ષી હોવાનું બહાર આવ્યું. નેનોફ્લેક્સ/માઇક્રોશેવાળનો આવો સમૂહ સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો દ્વારા શોષિત પ્રકાશની માત્રાને નોંધપાત્ર રીતે મર્યાદિત કરી શકતો નથી. વધુમાં, કેટલાક અભ્યાસોએ દ્વિ-પરિમાણીય નેનોમટીરિયલ્સની હાજરીમાં પ્રકાશસંશ્લેષણ સજીવો દ્વારા પ્રકાશ શોષણમાં સુધારો દર્શાવ્યો છે63,64,65,66.
SEM છબીઓ માઇક્રોએલ્ગી કોષો દ્વારા નિઓબિયમના શોષણની સીધી પુષ્ટિ કરી શકતી ન હોવાથી, આ મુદ્દાને સ્પષ્ટ કરવા માટે અમારો આગળનો અભ્યાસ એક્સ-રે ફ્લોરોસેન્સ (XRF) અને એક્સ-રે ફોટોઇલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (XPS) વિશ્લેષણ તરફ વળ્યો. તેથી, અમે MXenes સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ન કરતા સંદર્ભ માઇક્રોએલ્ગી નમૂનાઓના Nb શિખરોની તીવ્રતા, માઇક્રોએલ્ગી કોષોની સપાટીથી અલગ કરાયેલ MXene નેનોફ્લેક્સ અને જોડાયેલ MXenes દૂર કર્યા પછી માઇક્રોએલ્ગલ કોષોની તુલના કરી. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે જો Nb શોષણ ન હોય, તો જોડાયેલ નેનોસ્કેલ્સ દૂર કર્યા પછી માઇક્રોએલ્ગી કોષો દ્વારા મેળવેલ Nb મૂલ્ય શૂન્ય હોવું જોઈએ. તેથી, જો Nb શોષણ થાય છે, તો XRF અને XPS બંને પરિણામો સ્પષ્ટ Nb શિખર બતાવશે.
XRF સ્પેક્ટ્રાના કિસ્સામાં, SL Nb2CTx અને Nb4C3Tx MXene સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કર્યા પછી, સૂક્ષ્મ શેવાળના નમૂનાઓએ SL Nb2CTx અને Nb4C3Tx MXene માટે Nb શિખરો દર્શાવ્યા (આકૃતિ 5a જુઓ, એ પણ નોંધ લો કે MAX અને ML MXene માટેના પરિણામો SI માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે, આકૃતિ S12–C17). રસપ્રદ વાત એ છે કે, Nb શિખરની તીવ્રતા બંને કિસ્સાઓમાં સમાન છે (આકૃતિ 5a માં લાલ પટ્ટીઓ). આ દર્શાવે છે કે શેવાળ વધુ Nb શોષી શકતું નથી, અને કોષોમાં Nb સંચયની મહત્તમ ક્ષમતા પ્રાપ્ત થઈ હતી, જોકે બે ગણી વધુ Nb4C3Tx MXene સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો સાથે જોડાયેલ હતી (આકૃતિ 5a માં વાદળી પટ્ટીઓ). નોંધનીય છે કે, ધાતુઓને શોષવાની સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​ક્ષમતા પર્યાવરણમાં ધાતુના ઓક્સાઇડની સાંદ્રતા પર આધાર રાખે છે67,68. શમશાદા અને અન્ય 67 એ શોધી કાઢ્યું કે મીઠા પાણીના શેવાળની ​​શોષણ ક્ષમતા વધતા pH સાથે ઘટે છે. રાયઝ અને અન્યોએ નોંધ્યું હતું કે ધાતુઓને શોષવાની સીવીડની ક્ષમતા Ni2+ કરતા Pb2+ માટે લગભગ 25% વધારે હતી.
(a) 72 કલાક માટે SL Nb-MXenes (100 mg L-1) ની અતિશય સાંદ્રતા પર ઉકાળવામાં આવેલા લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો દ્વારા મૂળભૂત Nb શોષણના XRF પરિણામો. પરિણામો શુદ્ધ સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાં α ની હાજરી દર્શાવે છે (નિયંત્રણ નમૂના, ગ્રે સ્તંભો), સપાટીના સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો (વાદળી સ્તંભો) થી અલગ કરાયેલા 2D નેનોફ્લેક્સ, અને સપાટીથી 2D નેનોફ્લેક્સને અલગ કર્યા પછી સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો (લાલ સ્તંભો). તત્વ Nb નું પ્રમાણ, (b) SL Nb-MXenes સાથે ઉકાળ્યા પછી સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાં હાજર સૂક્ષ્મ શેવાળ કાર્બનિક ઘટકો (C=O અને CHx/C–O) અને Nb ઓક્સાઇડની રાસાયણિક રચનાની ટકાવારી, (c–e) XPS SL Nb2CTx સ્પેક્ટ્રા અને (fh) SL Nb4C3Tx MXene ના રચનાત્મક શિખરનું ફિટિંગ સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો દ્વારા આંતરિક.
તેથી, અમે અપેક્ષા રાખી હતી કે Nb ને ઓક્સાઇડના રૂપમાં શેવાળ કોષો દ્વારા શોષી શકાય છે. આ ચકાસવા માટે, અમે MXenes Nb2CTx અને Nb4C3TX અને શેવાળ કોષો પર XPS અભ્યાસ કર્યો. શેવાળ કોષોમાંથી અલગ કરાયેલ Nb-MXenes અને MXenes સાથે સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​ક્રિયાપ્રતિક્રિયાના પરિણામો આકૃતિ 5b માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. અપેક્ષા મુજબ, સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​સપાટી પરથી MXene દૂર કર્યા પછી અમે સૂક્ષ્મ શેવાળ નમૂનાઓમાં Nb 3d શિખરો શોધી કાઢ્યા. C=O, CHx/CO, અને Nb ઓક્સાઇડના જથ્થાત્મક નિર્ધારણની ગણતરી Nb2CTx SL (આકૃતિ 5c–e) અને Nb4C3Tx SL (આકૃતિ 5c–e) સાથે મેળવેલા Nb 3d, O 1s, અને C 1s સ્પેક્ટ્રાના આધારે કરવામાં આવી હતી. ) ઇન્ક્યુબેટેડ સૂક્ષ્મ શેવાળમાંથી મેળવેલ. આકૃતિ 5f–h) MXenes. કોષ્ટક S1-3 ફિટમાંથી પરિણમતા શિખર પરિમાણો અને એકંદર રસાયણશાસ્ત્રની વિગતો દર્શાવે છે. નોંધનીય છે કે Nb2CTx SL અને Nb4C3Tx SL (આકૃતિ 5c, f) ના Nb 3d પ્રદેશો એક Nb2O5 ઘટકને અનુરૂપ છે. અહીં, અમને સ્પેક્ટ્રામાં કોઈ MXene-સંબંધિત શિખરો મળ્યા નથી, જે દર્શાવે છે કે સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો ફક્ત Nb ના ઓક્સાઇડ સ્વરૂપને શોષી લે છે. વધુમાં, અમે C 1 s સ્પેક્ટ્રમને C–C, CHx/C–O, C=O, અને –COOH ઘટકો સાથે અંદાજિત કર્યું. અમે CHx/C–O અને C=O શિખરોને સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોના કાર્બનિક યોગદાન માટે સોંપ્યા. આ કાર્બનિક ઘટકો Nb2CTx SL અને Nb4C3TX SL માં C 1s શિખરોના અનુક્રમે 36% અને 41% હિસ્સો ધરાવે છે. ત્યારબાદ અમે SL Nb2CTx અને SL Nb4C3TX ના O 1s સ્પેક્ટ્રાને Nb2O5, સૂક્ષ્મ શેવાળના કાર્બનિક ઘટકો (CHx/CO), અને સપાટી શોષિત પાણી સાથે ફીટ કર્યા.
છેલ્લે, XPS પરિણામો સ્પષ્ટપણે Nb નું સ્વરૂપ દર્શાવે છે, ફક્ત તેની હાજરી જ નહીં. Nb 3d સિગ્નલની સ્થિતિ અને ડીકોન્વોલ્યુશનના પરિણામો અનુસાર, અમે પુષ્ટિ કરીએ છીએ કે Nb ફક્ત ઓક્સાઇડના સ્વરૂપમાં શોષાય છે, આયનો અથવા MXene ના સ્વરૂપમાં નહીં. વધુમાં, XPS પરિણામો દર્શાવે છે કે સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાં SL Nb4C3TX MXene ની તુલનામાં SL Nb2CTx માંથી Nb ઓક્સાઇડ શોષવાની ક્ષમતા વધુ હોય છે.
જ્યારે અમારા Nb શોષણ પરિણામો પ્રભાવશાળી છે અને અમને MXene ડિગ્રેડેશન ઓળખવાની મંજૂરી આપે છે, ત્યારે 2D નેનોફ્લેક્સમાં સંકળાયેલ મોર્ફોલોજિકલ ફેરફારોને ટ્રેક કરવા માટે કોઈ પદ્ધતિ ઉપલબ્ધ નથી. તેથી, અમે એક યોગ્ય પદ્ધતિ વિકસાવવાનું પણ નક્કી કર્યું જે 2D Nb-MXene નેનોફ્લેક્સ અને માઇક્રોએલ્ગી કોષોમાં થતા કોઈપણ ફેરફારોનો સીધો પ્રતિસાદ આપી શકે. એ નોંધવું મહત્વપૂર્ણ છે કે અમે ધારીએ છીએ કે જો ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતી પ્રજાતિઓ કોઈપણ પરિવર્તન, વિઘટન અથવા ડિફ્રેગમેન્ટેશનમાંથી પસાર થાય છે, તો તે ઝડપથી આકાર પરિમાણોમાં ફેરફાર તરીકે પ્રગટ થવું જોઈએ, જેમ કે સમકક્ષ ગોળાકાર વિસ્તારનો વ્યાસ, ગોળાકારતા, ફેરેટ પહોળાઈ અથવા ફેરેટ લંબાઈ. કારણ કે આ પરિમાણો વિસ્તરેલ કણો અથવા દ્વિ-પરિમાણીય નેનોફ્લેક્સનું વર્ણન કરવા માટે યોગ્ય છે, ગતિશીલ કણ આકાર વિશ્લેષણ દ્વારા તેમનું ટ્રેકિંગ અમને ઘટાડા દરમિયાન SL Nb-MXene નેનોફ્લેક્સના મોર્ફોલોજિકલ પરિવર્તન વિશે મૂલ્યવાન માહિતી આપશે.
પ્રાપ્ત પરિણામો આકૃતિ 6 માં દર્શાવેલ છે. સરખામણી માટે, અમે મૂળ MAX તબક્કા અને ML-MXenes (SI આકૃતિઓ S18 અને S19 જુઓ) નું પણ પરીક્ષણ કર્યું. કણ આકારના ગતિશીલ વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે સૂક્ષ્મ શેવાળ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પછી બે Nb-MXene SL ના બધા આકાર પરિમાણો નોંધપાત્ર રીતે બદલાયા છે. સમકક્ષ ગોળાકાર ક્ષેત્ર વ્યાસ પરિમાણ (આકૃતિ 6a, b) દ્વારા દર્શાવ્યા મુજબ, મોટા નેનોફ્લેક્સના અપૂર્ણાંકની ઓછી ટોચની તીવ્રતા સૂચવે છે કે તેઓ નાના ટુકડાઓમાં ક્ષીણ થવાનું વલણ ધરાવે છે. આકૃતિ 6c પર, d ફ્લેક્સના ત્રાંસા કદ (નેનોફ્લેક્સનું વિસ્તરણ) સાથે સંકળાયેલ શિખરોમાં ઘટાડો દર્શાવે છે, જે 2D નેનોફ્લેક્સનું વધુ કણ જેવા આકારમાં રૂપાંતર સૂચવે છે. આકૃતિ 6e-h અનુક્રમે ફેરેટની પહોળાઈ અને લંબાઈ દર્શાવે છે. ફેરેટ પહોળાઈ અને લંબાઈ પૂરક પરિમાણો છે અને તેથી તેને એકસાથે ધ્યાનમાં લેવા જોઈએ. સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​હાજરીમાં 2D Nb-MXene નેનોફ્લેક્સના ઇન્ક્યુબેશન પછી, તેમના ફેરેટ સહસંબંધ શિખરો બદલાયા અને તેમની તીવ્રતામાં ઘટાડો થયો. મોર્ફોલોજી, XRF અને XPS સાથે સંયોજનમાં આ પરિણામોના આધારે, અમે તારણ કાઢ્યું છે કે અવલોકન કરાયેલા ફેરફારો ઓક્સિડેશન સાથે મજબૂત રીતે સંબંધિત છે કારણ કે ઓક્સિડાઇઝ્ડ MXenes વધુ કરચલીવાળા બને છે અને ટુકડાઓ અને ગોળાકાર ઓક્સાઇડ કણોમાં તૂટી જાય છે69,70.
લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પછી MXene રૂપાંતરનું વિશ્લેષણ. ગતિશીલ કણ આકાર વિશ્લેષણમાં (a, b) સમકક્ષ ગોળાકાર ક્ષેત્રનો વ્યાસ, (c, d) ગોળાકારતા, (e, f) Feret પહોળાઈ અને (g, h) Feret લંબાઈ જેવા પરિમાણો ધ્યાનમાં લેવામાં આવે છે. આ માટે, બે સંદર્ભ સૂક્ષ્મ શેવાળ નમૂનાઓનું વિશ્લેષણ પ્રાથમિક SL Nb2CTx અને SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx અને SL Nb4C3Tx MXenes, ડિગ્રેડેડ સૂક્ષ્મ શેવાળ અને સારવાર કરાયેલ સૂક્ષ્મ શેવાળ SL Nb2CTx અને SL Nb4C3Tx MXenes સાથે કરવામાં આવ્યું હતું. લાલ તીર અભ્યાસ કરાયેલા દ્વિ-પરિમાણીય નેનોફ્લેક્સના આકાર પરિમાણોના સંક્રમણો દર્શાવે છે.
આકાર પરિમાણ વિશ્લેષણ ખૂબ જ વિશ્વસનીય હોવાથી, તે સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાં મોર્ફોલોજિકલ ફેરફારો પણ જાહેર કરી શકે છે. તેથી, અમે 2D Nb નેનોફ્લેક્સ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પછી શુદ્ધ સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો અને કોષોના સમકક્ષ ગોળાકાર ક્ષેત્ર વ્યાસ, ગોળાકારતા અને ફેરેટ પહોળાઈ/લંબાઈનું વિશ્લેષણ કર્યું. આકૃતિ 6a–h પર શેવાળ કોષોના આકાર પરિમાણોમાં ફેરફાર દર્શાવે છે, જે ટોચની તીવ્રતામાં ઘટાડો અને ઉચ્ચ મૂલ્યો તરફ મેક્સિમાના સ્થળાંતર દ્વારા પુરાવા મળે છે. ખાસ કરીને, કોષ ગોળાકારતા પરિમાણોએ વિસ્તરેલ કોષોમાં ઘટાડો અને ગોળાકાર કોષોમાં વધારો દર્શાવ્યો (આકૃતિ 6a, b). વધુમાં, SL Nb4C3TX MXene (આકૃતિ 6f) ની તુલનામાં SL Nb2CTx MXene (આકૃતિ 6e) સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પછી ફેરેટ કોષની પહોળાઈમાં ઘણા માઇક્રોમીટરનો વધારો થયો. અમને શંકા છે કે આ Nb2CTx SR સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પર સૂક્ષ્મ શેવાળ દ્વારા Nb ઓક્સાઇડના મજબૂત શોષણને કારણે હોઈ શકે છે. Nb ફ્લેક્સનું તેમની સપાટી પર ઓછું કઠોર જોડાણ ન્યૂનતમ શેડિંગ અસર સાથે કોષ વૃદ્ધિમાં પરિણમી શકે છે.
સૂક્ષ્મ શેવાળના આકાર અને કદના પરિમાણોમાં ફેરફારના અમારા અવલોકનો અન્ય અભ્યાસોને પૂરક બનાવે છે. લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ પર્યાવરણીય તાણના પ્રતિભાવમાં કોષનું કદ, આકાર અથવા ચયાપચયમાં ફેરફાર કરીને તેમના આકારશાસ્ત્રને બદલી શકે છે61. ઉદાહરણ તરીકે, કોષોનું કદ બદલવાથી પોષક તત્વોનું શોષણ સરળ બને છે71. નાના શેવાળ કોષો પોષક તત્વોનું શોષણ ઓછું કરે છે અને વિકાસ દરમાં ઘટાડો દર્શાવે છે. તેનાથી વિપરીત, મોટા કોષો વધુ પોષક તત્વોનો વપરાશ કરે છે, જે પછી અંતઃકોશિક રીતે જમા થાય છે72,73. માચાડો અને સોરેસે શોધી કાઢ્યું કે ફૂગનાશક ટ્રાઇક્લોસન કોષનું કદ વધારી શકે છે. તેમને શેવાળના આકારમાં પણ ગંભીર ફેરફારો જોવા મળ્યા74. વધુમાં, યિન એટ અલ.9 એ ઘટાડેલા ગ્રાફીન ઓક્સાઇડ નેનોકોમ્પોઝિટ્સના સંપર્કમાં આવ્યા પછી શેવાળમાં મોર્ફોલોજિકલ ફેરફારો પણ જાહેર કર્યા. તેથી, તે સ્પષ્ટ છે કે સૂક્ષ્મ શેવાળના બદલાયેલા કદ/આકાર પરિમાણો MXene ની હાજરીને કારણે થાય છે. કારણ કે કદ અને આકારમાં આ ફેરફાર પોષક તત્વોના શોષણમાં ફેરફાર સૂચવે છે, અમે માનીએ છીએ કે સમય જતાં કદ અને આકાર પરિમાણોનું વિશ્લેષણ Nb-MXene ની હાજરીમાં સૂક્ષ્મ શેવાળ દ્વારા નિઓબિયમ ઓક્સાઇડના શોષણને દર્શાવી શકે છે.
વધુમાં, શેવાળની ​​હાજરીમાં MXene નું ઓક્સિડાઇઝેશન થઈ શકે છે. દલાઈ એટ અલ.75 એ અવલોકન કર્યું કે નેનો-TiO2 અને Al2O376 ના સંપર્કમાં આવતા લીલા શેવાળનું આકારશાસ્ત્ર એકસરખું નહોતું. જોકે અમારા અવલોકનો હાલના અભ્યાસ જેવા જ છે, તે ફક્ત 2D નેનોફ્લેક્સની હાજરીમાં MXene ડિગ્રેડેશન ઉત્પાદનોના સંદર્ભમાં બાયોરેમીડિયેશનની અસરોના અભ્યાસ માટે સંબંધિત છે નેનોપાર્ટિકલ્સ નહીં. MXene મેટલ ઓક્સાઇડમાં વિઘટન કરી શકે છે, 31,32,77,78 તેથી એવું માનવું વાજબી છે કે આપણા Nb નેનોફ્લેક્સ સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કર્યા પછી Nb ઓક્સાઇડ પણ બનાવી શકે છે.
ઓક્સિડેશન પ્રક્રિયા પર આધારિત વિઘટન પદ્ધતિ દ્વારા 2D-Nb નેનોફ્લેક્સના ઘટાડાને સમજાવવા માટે, અમે ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (HRTEM) (આકૃતિ 7a,b) અને એક્સ-રે ફોટોઇલેક્ટ્રોન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (XPS) (આકૃતિ 7) નો ઉપયોગ કરીને અભ્યાસ હાથ ધર્યા. 7c-i અને કોષ્ટકો S4-5). બંને અભિગમો 2D સામગ્રીના ઓક્સિડેશનનો અભ્યાસ કરવા માટે યોગ્ય છે અને એકબીજાના પૂરક છે. HRTEM દ્વિ-પરિમાણીય સ્તરવાળી રચનાઓના અધોગતિ અને મેટલ ઓક્સાઇડ નેનોપાર્ટિકલ્સના અનુગામી દેખાવનું વિશ્લેષણ કરવામાં સક્ષમ છે, જ્યારે XPS સપાટીના બંધનો પ્રત્યે સંવેદનશીલ છે. આ હેતુ માટે, અમે સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષ વિક્ષેપમાંથી કાઢવામાં આવેલા 2D Nb-MXene નેનોફ્લેક્સનું પરીક્ષણ કર્યું, એટલે કે, સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પછી તેમનો આકાર (આકૃતિ 7 જુઓ).
ઓક્સિડાઇઝ્ડ (a) SL Nb2CTx અને (b) SL Nb4C3Tx MXenes, XPS વિશ્લેષણ પરિણામો દર્શાવે છે કે (c) ઘટાડા પછી ઓક્સાઇડ ઉત્પાદનોની રચના, (d–f) SL Nb2CTx અને (g– i) Nb4C3Tx SL ના XPS સ્પેક્ટ્રાના ઘટકોનું પીક મેચિંગ લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ સાથે રિપેર કરવામાં આવ્યું છે, તેનું મોર્ફોલોજી દર્શાવે છે.
HRTEM અભ્યાસોએ બે પ્રકારના Nb-MXene નેનોફ્લેક્સના ઓક્સિડેશનની પુષ્ટિ કરી. જોકે નેનોફ્લેક્સે અમુક અંશે તેમના દ્વિ-પરિમાણીય આકારવિજ્ઞાનને જાળવી રાખ્યા હતા, ઓક્સિડેશનના પરિણામે MXene નેનોફ્લેક્સની સપાટીને આવરી લેતા ઘણા નેનોપાર્ટિકલ્સ દેખાયા (આકૃતિ 7a,b જુઓ). c Nb 3d અને O 1s સિગ્નલોના XPS વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે બંને કિસ્સાઓમાં Nb ઓક્સાઇડ રચાયા હતા. આકૃતિ 7c માં બતાવ્યા પ્રમાણે, 2D MXene Nb2CTx અને Nb4C3TX માં Nb 3d સિગ્નલો છે જે NbO અને Nb2O5 ઓક્સાઇડની હાજરી દર્શાવે છે, જ્યારે O 1s સિગ્નલો 2D નેનોફ્લેક સપાટીના કાર્યાત્મકકરણ સાથે સંકળાયેલ O-Nb બોન્ડની સંખ્યા દર્શાવે છે. અમે જોયું કે Nb-C અને Nb3+-O ની તુલનામાં Nb ઓક્સાઇડનું યોગદાન પ્રબળ છે.
આકૃતિ 7g-i માં Nb 3d, C 1s, અને O 1s SL Nb2CTx (આકૃતિ 7d–f જુઓ) અને SL Nb4C3TX MXene ના XPS સ્પેક્ટ્રા દર્શાવે છે જે સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાંથી અલગ કરવામાં આવ્યા છે. Nb-MXenes પીક પરિમાણોની વિગતો અનુક્રમે કોષ્ટકો S4–5 માં આપવામાં આવી છે. અમે સૌપ્રથમ Nb 3d ની રચનાનું વિશ્લેષણ કર્યું. સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો દ્વારા શોષાયેલા Nb થી વિપરીત, સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાંથી અલગ કરાયેલ MXene માં, Nb2O5 સિવાય, અન્ય ઘટકો મળી આવ્યા. Nb2CTx SL માં, અમે Nb3+-O નું યોગદાન 15% ની માત્રામાં જોયું, જ્યારે બાકીના Nb 3d સ્પેક્ટ્રમમાં Nb2O5 (85%)નું પ્રભુત્વ હતું. વધુમાં, SL Nb4C3TX નમૂનામાં Nb-C (9%) અને Nb2O5 (91%) ઘટકો છે. અહીં Nb-C Nb4C3Tx SR માં મેટલ કાર્બાઇડના બે આંતરિક અણુ સ્તરોમાંથી આવે છે. પછી આપણે C 1s સ્પેક્ટ્રાને ચાર અલગ અલગ ઘટકોમાં મેપ કરીએ છીએ, જેમ આપણે આંતરિક નમૂનાઓમાં કર્યું હતું. અપેક્ષા મુજબ, C 1s સ્પેક્ટ્રામાં ગ્રાફિટિક કાર્બનનું પ્રભુત્વ છે, ત્યારબાદ સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાંથી કાર્બનિક કણો (CHx/CO અને C=O) નું યોગદાન આવે છે. વધુમાં, O 1s સ્પેક્ટ્રમમાં, અમે સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો, નિઓબિયમ ઓક્સાઇડ અને શોષિત પાણીના કાર્બનિક સ્વરૂપોના યોગદાનનું અવલોકન કર્યું.
વધુમાં, અમે તપાસ કરી કે શું Nb-MXenes ક્લીવેજ પોષક માધ્યમ અને/અથવા સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાં પ્રતિક્રિયાશીલ ઓક્સિજન પ્રજાતિઓ (ROS) ની હાજરી સાથે સંકળાયેલ છે. આ માટે, અમે કલ્ચર માધ્યમમાં સિંગલ ઓક્સિજન (1O2) અને ઇન્ટ્રાસેલ્યુલર ગ્લુટાથિઓન, એક થિયોલ જે સૂક્ષ્મ શેવાળમાં એન્ટીઑકિસડન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે, તેનું મૂલ્યાંકન કર્યું. પરિણામો SI માં દર્શાવવામાં આવ્યા છે (આકૃતિઓ S20 અને S21). SL Nb2CTx અને Nb4C3TX MXenes ધરાવતા કલ્ચરમાં 1O2 ની ઓછી માત્રા જોવા મળી હતી (આકૃતિ S20 જુઓ). SL Nb2CTx ના કિસ્સામાં, MXene 1O2 લગભગ 83% સુધી ઘટી ગયું છે. SL નો ઉપયોગ કરતા સૂક્ષ્મ શેવાળ સંસ્કૃતિઓ માટે, Nb4C3TX 1O2 વધુ ઘટીને 73% થઈ ગયું છે. રસપ્રદ વાત એ છે કે, 1O2 માં થયેલા ફેરફારોએ અગાઉ જોવા મળેલી અવરોધક-ઉત્તેજક અસર (આકૃતિ 3 જુઓ) જેવો જ વલણ દર્શાવ્યું હતું. એવી દલીલ કરી શકાય છે કે તેજસ્વી પ્રકાશમાં ઇન્ક્યુબેશન ફોટોઓક્સિડેશનને બદલી શકે છે. જોકે, પ્રયોગ દરમિયાન નિયંત્રણ વિશ્લેષણના પરિણામોએ લગભગ 1O2 નું સ્તર દર્શાવ્યું (આકૃતિ S22). અંતઃકોશિક ROS સ્તરના કિસ્સામાં, અમે પણ સમાન ઘટાડો વલણ જોયું (આકૃતિ S21 જુઓ). શરૂઆતમાં, Nb2CTx અને Nb4C3Tx SLs ની હાજરીમાં સંવર્ધિત સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોમાં ROS નું સ્તર સૂક્ષ્મ શેવાળના શુદ્ધ સંસ્કૃતિઓમાં જોવા મળતા સ્તરો કરતાં વધી ગયું. જોકે, આખરે, એવું જણાયું કે સૂક્ષ્મ શેવાળ બંને Nb-MXenes ની હાજરીને અનુરૂપ બન્યું, કારણ કે SL Nb2CTx અને Nb4C3TX સાથે ઇનોક્યુલેટેડ સૂક્ષ્મ શેવાળના શુદ્ધ સંસ્કૃતિઓમાં માપવામાં આવેલા સ્તરોના ROS સ્તરો અનુક્રમે 85% અને 91% સુધી ઘટી ગયા. આ સૂચવી શકે છે કે સૂક્ષ્મ શેવાળ સમય જતાં માત્ર પોષક માધ્યમ કરતાં Nb-MXene ની હાજરીમાં વધુ આરામદાયક અનુભવે છે.
સૂક્ષ્મ શેવાળ પ્રકાશસંશ્લેષણ સજીવોનો એક વૈવિધ્યસભર જૂથ છે. પ્રકાશસંશ્લેષણ દરમિયાન, તેઓ વાતાવરણીય કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO2) ને કાર્બનિક કાર્બનમાં રૂપાંતરિત કરે છે. પ્રકાશસંશ્લેષણના ઉત્પાદનો ગ્લુકોઝ અને ઓક્સિજન છે79. અમને શંકા છે કે આ રીતે રચાયેલ ઓક્સિજન Nb-MXenes ના ઓક્સિડેશનમાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. આ માટે એક શક્ય સમજૂતી એ છે કે વિભેદક વાયુ પરિમાણ Nb-MXene નેનોફ્લેક્સની બહાર અને અંદર ઓક્સિજનના નીચા અને ઉચ્ચ આંશિક દબાણ પર રચાય છે. આનો અર્થ એ છે કે જ્યાં પણ ઓક્સિજનના વિવિધ આંશિક દબાણવાળા વિસ્તારો હોય છે, ત્યાં સૌથી નીચા સ્તર સાથેનો વિસ્તાર એનોડ 80, 81, 82 બનાવશે. અહીં, સૂક્ષ્મ શેવાળ MXene ફ્લેક્સની સપાટી પર વિભેદક વાયુયુક્ત કોષોના નિર્માણમાં ફાળો આપે છે, જે તેમના પ્રકાશસંશ્લેષણ ગુણધર્મોને કારણે ઓક્સિજન ઉત્પન્ન કરે છે. પરિણામે, બાયોકોરોઝન ઉત્પાદનો (આ કિસ્સામાં, નિઓબિયમ ઓક્સાઇડ) રચાય છે. બીજું પાસું એ છે કે સૂક્ષ્મ શેવાળ કાર્બનિક એસિડ ઉત્પન્ન કરી શકે છે જે પાણીમાં મુક્ત થાય છે83,84. તેથી, એક આક્રમક વાતાવરણ રચાય છે, જેનાથી Nb-MXenes બદલાય છે. વધુમાં, કાર્બન ડાયોક્સાઇડના શોષણને કારણે સૂક્ષ્મ શેવાળ પર્યાવરણના pH ને આલ્કલાઇનમાં બદલી શકે છે, જે કાટનું કારણ પણ બની શકે છે79.
વધુ મહત્ત્વની વાત એ છે કે, અમારા અભ્યાસમાં ઉપયોગમાં લેવાયેલ શ્યામ/પ્રકાશ ફોટોપીરિયડ પ્રાપ્ત પરિણામોને સમજવા માટે મહત્વપૂર્ણ છે. આ પાસું ડીજેમાઈ-ઝોઘલાચે એટ અલ. 85 માં વિગતવાર વર્ણવેલ છે. તેઓએ લાલ સૂક્ષ્મ શેવાળ પોર્ફિરિડિયમ પર્પ્યુરિયમ દ્વારા બાયોફોઉલિંગ સાથે સંકળાયેલ બાયોકોરોઝન દર્શાવવા માટે ઇરાદાપૂર્વક 12/12 કલાકના ફોટોપીરિયડનો ઉપયોગ કર્યો. તેઓ દર્શાવે છે કે ફોટોપીરિયડ બાયોકોરોઝન વિના સંભવિત ઉત્ક્રાંતિ સાથે સંકળાયેલ છે, જે 24:00 ની આસપાસ સ્યુડોપેરિઓડિક ઓસિલેશન તરીકે પોતાને પ્રગટ કરે છે. આ અવલોકનો ડોલિંગ એટ અલ. 86 દ્વારા પુષ્ટિ કરવામાં આવી હતી. તેઓએ સાયનોબેક્ટેરિયા એનાબેનાના પ્રકાશસંશ્લેષણ બાયોફિલ્મ્સ દર્શાવ્યા. ઓગળેલા ઓક્સિજન પ્રકાશની ક્રિયા હેઠળ રચાય છે, જે મુક્ત જૈવ કાટ સંભવિતમાં ફેરફાર અથવા વધઘટ સાથે સંકળાયેલ છે. ફોટોપીરિયડનું મહત્વ એ હકીકત દ્વારા ભાર મૂકવામાં આવે છે કે બાયોકોરોઝન માટે મુક્ત સંભવિત પ્રકાશ તબક્કામાં વધે છે અને શ્યામ તબક્કામાં ઘટે છે. આ પ્રકાશસંશ્લેષણ સૂક્ષ્મ શેવાળ દ્વારા ઉત્પન્ન થતા ઓક્સિજનને કારણે છે, જે ઇલેક્ટ્રોડ્સની નજીક ઉત્પન્ન થતા આંશિક દબાણ દ્વારા કેથોડિક પ્રતિક્રિયાને પ્રભાવિત કરે છે.
વધુમાં, Nb-MXenes સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કર્યા પછી સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષોની રાસાયણિક રચનામાં કોઈ ફેરફાર થયો છે કે કેમ તે શોધવા માટે ફોરિયર ટ્રાન્સફોર્મ ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (FTIR) કરવામાં આવી હતી. આ પ્રાપ્ત પરિણામો જટિલ છે અને અમે તેમને SI માં રજૂ કરીએ છીએ (આકૃતિઓ S23-S25, જેમાં MAX સ્ટેજ અને ML MXenes ના પરિણામોનો સમાવેશ થાય છે). ટૂંકમાં, સૂક્ષ્મ શેવાળનો પ્રાપ્ત સંદર્ભ સ્પેક્ટ્રા આપણને આ સજીવોની રાસાયણિક લાક્ષણિકતાઓ વિશે મહત્વપૂર્ણ માહિતી પ્રદાન કરે છે. આ સૌથી સંભવિત સ્પંદનો 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1. 1. 1 (C–H) અને 3280 cm–1 (O–H) ની ફ્રીક્વન્સીઝ પર સ્થિત છે. SL Nb-MXenes માટે, અમને CH-બોન્ડ સ્ટ્રેચિંગ સિગ્નેચર મળ્યું જે અમારા અગાઉના અભ્યાસ38 સાથે સુસંગત છે. જોકે, અમે જોયું કે C=C અને CH બોન્ડ સાથે સંકળાયેલા કેટલાક વધારાના શિખરો અદૃશ્ય થઈ ગયા. આ સૂચવે છે કે SL Nb-MXenes સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​રાસાયણિક રચનામાં નાના ફેરફારો થઈ શકે છે.
સૂક્ષ્મ શેવાળના બાયોકેમિસ્ટ્રીમાં શક્ય ફેરફારોને ધ્યાનમાં લેતી વખતે, નિઓબિયમ ઓક્સાઇડ જેવા અકાર્બનિક ઓક્સાઇડના સંચય પર પુનર્વિચાર કરવાની જરૂર છે59. તે કોષ સપાટી દ્વારા ધાતુઓના શોષણ, સાયટોપ્લાઝમમાં તેમના પરિવહન, અંતઃકોશિક કાર્બોક્સિલ જૂથો સાથેના તેમના જોડાણ અને સૂક્ષ્મ શેવાળ પોલીફોસ્ફોસોમ્સમાં તેમના સંચયમાં સામેલ છે20,88,89,90. વધુમાં, સૂક્ષ્મ શેવાળ અને ધાતુઓ વચ્ચેનો સંબંધ કોષોના કાર્યાત્મક જૂથો દ્વારા જાળવવામાં આવે છે. આ કારણોસર, શોષણ સૂક્ષ્મ શેવાળ સપાટી રસાયણશાસ્ત્ર પર પણ આધાર રાખે છે, જે ખૂબ જટિલ છે9,91. સામાન્ય રીતે, અપેક્ષા મુજબ, Nb ઓક્સાઇડના શોષણને કારણે લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​રાસાયણિક રચનામાં થોડો ફેરફાર થયો.
રસપ્રદ વાત એ છે કે, સૂક્ષ્મ શેવાળનું પ્રારંભિક અવરોધ સમય જતાં ઉલટાવી શકાય તેવું હતું. જેમ આપણે જોયું તેમ, સૂક્ષ્મ શેવાળ પ્રારંભિક પર્યાવરણીય પરિવર્તનને દૂર કરી શક્યું અને આખરે સામાન્ય વૃદ્ધિ દર પર પાછા ફર્યા અને તેમાં પણ વધારો થયો. ઝેટા સંભવિતતાના અભ્યાસો પોષક માધ્યમોમાં દાખલ કરવામાં આવે ત્યારે ઉચ્ચ સ્થિરતા દર્શાવે છે. આમ, ઘટાડાના પ્રયોગો દરમિયાન સૂક્ષ્મ શેવાળ કોષો અને Nb-MXene નેનોફ્લેક્સ વચ્ચે સપાટીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા જાળવવામાં આવી હતી. અમારા વધુ વિશ્લેષણમાં, અમે સૂક્ષ્મ શેવાળના આ નોંધપાત્ર વર્તન હેઠળની ક્રિયાના મુખ્ય મિકેનિઝમ્સનો સારાંશ આપીએ છીએ.
SEM અવલોકનોએ દર્શાવ્યું છે કે સૂક્ષ્મ શેવાળ Nb-MXene સાથે જોડાય છે. ગતિશીલ છબી વિશ્લેષણનો ઉપયોગ કરીને, અમે પુષ્ટિ કરીએ છીએ કે આ અસર દ્વિ-પરિમાણીય Nb-MXene નેનોફ્લેક્સને વધુ ગોળાકાર કણોમાં રૂપાંતરિત કરે છે, જેનાથી દર્શાવવામાં આવે છે કે નેનોફ્લેક્સનું વિઘટન તેમના ઓક્સિડેશન સાથે સંકળાયેલું છે. અમારી પૂર્વધારણાને ચકાસવા માટે, અમે સામગ્રી અને બાયોકેમિકલ અભ્યાસોની શ્રેણી હાથ ધરી. પરીક્ષણ પછી, નેનોફ્લેક્સ ધીમે ધીમે ઓક્સિડાઇઝ્ડ અને NbO અને Nb2O5 ઉત્પાદનોમાં વિઘટિત થયા, જે લીલા સૂક્ષ્મ શેવાળ માટે ખતરો નહોતા. FTIR અવલોકનનો ઉપયોગ કરીને, અમને 2D Nb-MXene નેનોફ્લેક્સની હાજરીમાં ઉકાળવામાં આવેલા સૂક્ષ્મ શેવાળની ​​રાસાયણિક રચનામાં કોઈ નોંધપાત્ર ફેરફાર જોવા મળ્યા નથી. સૂક્ષ્મ શેવાળ દ્વારા નિઓબિયમ ઓક્સાઇડના શોષણની શક્યતાને ધ્યાનમાં લેતા, અમે એક્સ-રે ફ્લોરોસેન્સ વિશ્લેષણ કર્યું. આ પરિણામો સ્પષ્ટપણે દર્શાવે છે કે અભ્યાસ કરાયેલ સૂક્ષ્મ શેવાળ નિઓબિયમ ઓક્સાઇડ (NbO અને Nb2O5) પર ખોરાક લે છે, જે અભ્યાસ કરાયેલ સૂક્ષ્મ શેવાળ માટે બિન-ઝેરી છે.