ขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันที่มีการรองรับ CSS ที่จำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)ในระหว่างนี้ เพื่อให้แน่ใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์พร้อมกัน หรือใช้ปุ่มตัวเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์พร้อมกัน
การพัฒนาอย่างรวดเร็วของนาโนเทคโนโลยีและการรวมเข้ากับการใช้งานในชีวิตประจำวันสามารถคุกคามสิ่งแวดล้อมได้แม้ว่าวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการย่อยสลายสารปนเปื้อนอินทรีย์จะได้รับการยอมรับเป็นอย่างดี การนำสารปนเปื้อนที่เป็นผลึกอนินทรีย์กลับมาใช้ใหม่นั้นเป็นเรื่องที่น่ากังวลหลัก เนื่องจากความไวต่ำต่อการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพและการขาดความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิววัสดุกับสารชีวภาพที่นี่เราใช้แบบจำลอง MXenes อนินทรีย์ 2 มิติที่ใช้ Nb รวมกับวิธีวิเคราะห์พารามิเตอร์รูปร่างอย่างง่ายเพื่อติดตามกลไกการบำบัดทางชีวภาพของวัสดุนาโนเซรามิก 2 มิติโดยสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็ก Raphidocelis subcapitataเราพบว่าสาหร่ายขนาดเล็กย่อยสลาย MXenes ที่ใช้ Nb เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างฟิสิกส์และเคมีที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวในขั้นต้น MXene nanoflakes แบบชั้นเดียวและหลายชั้นติดอยู่กับพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็ก ซึ่งค่อนข้างลดการเจริญเติบโตของสาหร่ายอย่างไรก็ตาม เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวเป็นเวลานาน สาหร่ายขนาดเล็กจะออกซิไดซ์ MXene นาโนเฟลกและย่อยสลายต่อไปเป็น NbO และ Nb2O5เนื่องจากออกไซด์เหล่านี้ไม่เป็นพิษต่อเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก พวกมันจึงใช้อนุภาคนาโน Nb ออกไซด์โดยกลไกการดูดซับที่ช่วยคืนค่าสาหร่ายขนาดเล็กเพิ่มเติมหลังจากการบำบัดน้ำ 72 ชั่วโมงผลกระทบของสารอาหารที่เกี่ยวข้องกับการดูดซึมยังสะท้อนให้เห็นในการเพิ่มขึ้นของปริมาตรเซลล์ รูปร่างที่เรียบเนียน และการเปลี่ยนแปลงของอัตราการเติบโตจากการค้นพบเหล่านี้ เราสรุปได้ว่าการมีอยู่ของ MXenes ที่ใช้ Nb ในระบบนิเวศน้ำจืดในระยะสั้นและระยะยาวอาจก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อยเท่านั้นเป็นที่น่าสังเกตว่า การใช้วัสดุนาโนสองมิติเป็นระบบแบบจำลอง เราแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการติดตามการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแม้ในวัสดุที่มีเนื้อละเอียดโดยรวมแล้ว การศึกษานี้ตอบคำถามพื้นฐานที่สำคัญเกี่ยวกับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวที่ขับเคลื่อนกลไกการบำบัดทางชีวภาพของวัสดุนาโนแบบ 2 มิติ และเป็นพื้นฐานสำหรับการศึกษาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของวัสดุนาโนที่เป็นผลึกอนินทรีย์ในระยะสั้นและระยะยาวต่อไป
วัสดุนาโนได้สร้างความสนใจอย่างมากตั้งแต่มีการค้นพบ และนาโนเทคโนโลยีต่างๆ ได้เข้าสู่ขั้นตอนการปรับปรุงให้ทันสมัยเมื่อเร็วๆ นี้น่าเสียดายที่การรวมวัสดุนาโนเข้ากับการใช้งานในชีวิตประจำวันอาจนำไปสู่การปล่อยโดยไม่ตั้งใจเนื่องจากการทิ้งที่ไม่เหมาะสม การจัดการที่ไม่ระมัดระวัง หรือโครงสร้างพื้นฐานด้านความปลอดภัยที่ไม่เพียงพอดังนั้นจึงมีเหตุผลที่จะสันนิษฐานว่าวัสดุนาโน ซึ่งรวมถึงวัสดุนาโนแบบสองมิติ (2D) สามารถถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติได้ ซึ่งพฤติกรรมและกิจกรรมทางชีวภาพของสารดังกล่าวยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่ความกังวลเกี่ยวกับความเป็นพิษต่อระบบนิเวศได้มุ่งเน้นไปที่ความสามารถของวัสดุนาโน 2 มิติในการกรองเข้าสู่ระบบน้ำ2,3,4,5,6ในระบบนิเวศเหล่านี้ วัสดุนาโน 2 มิติบางชนิดสามารถโต้ตอบกับสิ่งมีชีวิตต่างๆ ในระดับโภชนาการที่แตกต่างกัน รวมถึงสาหร่ายขนาดเล็ก
สาหร่ายขนาดเล็กเป็นสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์ที่พบได้ตามธรรมชาติในระบบนิเวศน้ำจืดและทะเล ซึ่งผลิตผลิตภัณฑ์เคมีที่หลากหลายผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง7ด้วยเหตุนี้จึงมีความสำคัญต่อระบบนิเวศทางน้ำ8,9,10,11,12 แต่ก็เป็นตัวบ่งชี้ความเป็นพิษต่อระบบนิเวศที่ละเอียดอ่อน ราคาไม่แพง และใช้กันอย่างแพร่หลาย13,14เนื่องจากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็วและตอบสนองต่อการมีอยู่ของสารประกอบต่างๆ อย่างรวดเร็ว พวกมันจึงมีแนวโน้มในการพัฒนาวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการบำบัดน้ำที่ปนเปื้อนด้วยสารอินทรีย์15,16
เซลล์สาหร่ายสามารถกำจัดไอออนอนินทรีย์ออกจากน้ำได้ผ่านการดูดซับและสะสม17,18สาหร่ายบางชนิด เช่น Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue และ Synechococcus sp.พบว่ามีพาหะและแม้กระทั่งหล่อเลี้ยงไอออนของโลหะที่เป็นพิษ เช่น Fe2+, Cu2+, Zn2+ และ Mn2+19การศึกษาอื่นๆ แสดงให้เห็นว่าไอออน Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ หรือ Pb2+ จำกัดการเจริญเติบโตของซีนเดสมัสโดยการเปลี่ยนแปลงสัณฐานวิทยาของเซลล์และทำลายคลอโรพลาสต์ของพวกมัน
วิธีการสีเขียวสำหรับการย่อยสลายมลพิษอินทรีย์และการกำจัดไอออนของโลหะหนักได้ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรทั่วโลกสาเหตุหลักมาจากการที่สารปนเปื้อนเหล่านี้ผ่านกระบวนการของเหลวได้ง่ายอย่างไรก็ตาม มลพิษที่เป็นผลึกอนินทรีย์มีลักษณะเฉพาะคือความสามารถในการละลายน้ำต่ำและความไวต่อการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพต่างๆ ต่ำ ซึ่งทำให้เกิดความยากลำบากอย่างมากในการแก้ไข และมีความคืบหน้าเพียงเล็กน้อยในด้านนี้22,23,24,25,26ดังนั้น การค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการซ่อมแซมวัสดุนาโนยังคงเป็นพื้นที่ที่ซับซ้อนและยังไม่ได้สำรวจเนื่องจากความไม่แน่นอนในระดับสูงเกี่ยวกับผลกระทบของการเปลี่ยนรูปทางชีวภาพของวัสดุนาโน 2 มิติ จึงไม่มีวิธีง่ายๆ ในการค้นหาเส้นทางที่เป็นไปได้ของการย่อยสลายระหว่างการลดลง
ในการศึกษานี้ เราใช้สาหร่ายขนาดเล็กสีเขียวเป็นตัวแทนการบำบัดทางชีวภาพในน้ำสำหรับวัสดุเซรามิกอนินทรีย์ รวมกับการตรวจสอบในแหล่งกำเนิดของกระบวนการย่อยสลายของ MXene ในฐานะตัวแทนของวัสดุเซรามิกอนินทรีย์คำว่า “MXene” สะท้อนถึงปริมาณสารสัมพันธ์ของวัสดุ Mn+1XnTx โดยที่ M คือโลหะทรานซิชันระยะแรก X คือคาร์บอนและ/หรือไนโตรเจน Tx คือตัวเทอร์มิเนเตอร์ที่พื้นผิว (เช่น -OH, -F, -Cl) และ n = 1, 2, 3 หรือ 427.28ตั้งแต่การค้นพบ MXenes โดย Naguib และคณะประสาทสัมผัส การบำบัดมะเร็ง และการกรองเมมเบรน 27,29,30.นอกจากนี้ MXenes ยังถือได้ว่าเป็นระบบโมเดล 2 มิติ เนื่องจากมีความเสถียรของคอลลอยด์ที่ยอดเยี่ยมและปฏิกิริยาทางชีวภาพที่เป็นไปได้31,32,33,34,35,36
ดังนั้น วิธีการที่พัฒนาขึ้นในบทความนี้และสมมติฐานการวิจัยของเราแสดงอยู่ในรูปที่ 1 ตามสมมติฐานนี้ สาหร่ายขนาดเล็กจะย่อยสลาย MXenes ที่มี Nb เป็นสารประกอบที่ไม่เป็นพิษเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างฟิสิกส์และเคมีที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิว ซึ่งช่วยให้สาหร่ายสามารถฟื้นตัวต่อไปได้เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ ได้ทำการเลือกสมาชิกสองตระกูลของโลหะทรานซิชันคาร์ไบด์และ/หรือไนไตรด์ (MXenes) ที่ใช้ไนโอเบียมในช่วงแรก ได้แก่ Nb2CTx และ Nb4C3TX
ระเบียบวิธีวิจัยและสมมติฐานตามหลักฐานสำหรับการกู้คืน MXene โดยสาหร่ายสีเขียว Raphidocelis subcapitataโปรดทราบว่านี่เป็นเพียงการแสดงแบบแผนของการสันนิษฐานตามหลักฐานสภาพแวดล้อมของทะเลสาบมีความแตกต่างกันในด้านสารอาหารที่ใช้และสภาวะต่างๆ (เช่น วัฏจักรรายวันและข้อจำกัดของสารอาหารที่จำเป็นที่มีอยู่)สร้างด้วย BioRender.com
ดังนั้น ด้วยการใช้ MXene เป็นระบบแบบจำลอง เราจึงได้เปิดประตูสู่การศึกษาผลกระทบทางชีวภาพต่างๆ ที่ไม่สามารถสังเกตได้ด้วยวัสดุนาโนทั่วไปอื่นๆโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการบำบัดทางชีวภาพของวัสดุนาโนสองมิติ เช่น MXenes ที่มีไนโอเบียมเป็นหลัก โดยสาหร่ายขนาดเล็ก Raphidocelis subcapitataสาหร่ายขนาดเล็กสามารถย่อยสลาย Nb-MXenes เป็นออกไซด์ที่ไม่เป็นพิษ NbO และ Nb2O5 ซึ่งยังให้สารอาหารผ่านกลไกการดูดซึมไนโอเบียมโดยรวมแล้ว การศึกษานี้ตอบคำถามพื้นฐานที่สำคัญเกี่ยวกับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีและฟิสิกส์ของพื้นผิวที่ควบคุมกลไกของการบำบัดทางชีวภาพของวัสดุนาโนสองมิตินอกจากนี้ เรากำลังพัฒนาวิธีการที่ใช้พารามิเตอร์รูปร่างอย่างง่ายเพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในรูปร่างของวัสดุนาโน 2 มิติสิ่งนี้เป็นแรงบันดาลใจในการวิจัยระยะสั้นและระยะยาวเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมต่างๆ ของวัสดุนาโนที่เป็นผลึกอนินทรีย์ดังนั้น การศึกษาของเราจึงเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิววัสดุและวัสดุทางชีวภาพเรายังให้พื้นฐานสำหรับการศึกษาระยะสั้นและระยะยาวเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบที่เป็นไปได้ต่อระบบนิเวศน้ำจืด ซึ่งปัจจุบันสามารถตรวจสอบได้อย่างง่ายดาย
MXenes เป็นตัวแทนของวัสดุประเภทหนึ่งที่น่าสนใจด้วยคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์และน่าดึงดูดใจ ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ในการใช้งานที่หลากหลายคุณสมบัติเหล่านี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับปริมาณสารสัมพันธ์และเคมีพื้นผิวดังนั้นในการศึกษาของเราเราได้ตรวจสอบ MXenes แบบลำดับชั้นแบบลำดับชั้น (SL) แบบ Nb สองประเภท, Nb2CTx และ Nb4C3TX เนื่องจากสามารถสังเกตผลทางชีวภาพที่แตกต่างกันของวัสดุนาโนเหล่านี้ได้MXenes ผลิตจากวัสดุเริ่มต้นโดยการกัดแบบเลือกจากบนลงล่างของ MAX-phase A-layers ที่บางระดับอะตอมเฟส MAX เป็นเซรามิกไตรภาคที่ประกอบด้วยบล็อก "ผูกมัด" ของโลหะทรานซิชันคาร์ไบด์และชั้นบางๆ ของธาตุ "A" เช่น Al, Si และ Sn ด้วย MnAXn-1 stoichiometryสัณฐานวิทยาของระยะ MAX เริ่มต้นนั้นสังเกตได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และสอดคล้องกับการศึกษาก่อนหน้า (ดูข้อมูลเพิ่มเติม, SI, รูปที่ S1)ได้รับ Nb-MXene หลายชั้น (ML) หลังจากลบชั้น Al ด้วย 48% HF (กรดไฮโดรฟลูออริก)สัณฐานวิทยาของ ML-Nb2CTx และ ML-Nb4C3TX ได้รับการตรวจสอบโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) (รูปภาพ S1c และ S1d ตามลำดับ) และสังเกตลักษณะทางสัณฐานวิทยาของ MXene แบบชั้นทั่วไปซึ่งคล้ายกับเกล็ดนาโนสองมิติที่ผ่านรอยกรีดยาวคล้ายรูพรุนNb-MXenes ทั้งสองมีความเหมือนกันอย่างมากกับเฟสของ MXene ที่สังเคราะห์ไว้ก่อนหน้านี้โดยการกัดด้วยกรด27,38หลังจากยืนยันโครงสร้างของ MXene แล้ว เราก็ทำการเลเยอร์โดยการแทรกซ้อนของ tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) ตามด้วยการล้างและ sonication หลังจากนั้นเราได้เกล็ดนาโน 2D Nb-MXene ชั้นเดียวหรือชั้นต่ำ (SL)
เราใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) และ X-ray diffraction (XRD) เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของการกัดและการลอกเพิ่มเติมผลลัพธ์ HRTEM ที่ประมวลผลโดยใช้ Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) และ Fast Fourier Transform (FFT) แสดงในรูปที่ 2 เกล็ดนาโน Nb-MXene ถูกปรับให้ชิดขอบขึ้นเพื่อตรวจสอบโครงสร้างของชั้นอะตอมและวัดระยะทางระหว่างระนาบภาพ HRTEM ของเกล็ดนาโน MXene Nb2CTx และ Nb4C3TX เผยให้เห็นธรรมชาติของชั้นอะตอมที่บาง (ดูรูปที่ 2a1, a2) ตามที่รายงานก่อนหน้านี้โดย Naguib et al.27 และ Jastrzębska et al.38สำหรับโมโนเลเยอร์ Nb2CTx และ Nb4C3Tx สองตัวที่อยู่ติดกัน เรากำหนดระยะห่างระหว่างเลเยอร์ที่ 0.74 และ 1.54 นาโนเมตร ตามลำดับ (รูปที่ 2b1,b2) ซึ่งก็เห็นด้วยกับผลลัพธ์ก่อนหน้าของเราเช่นกันสิ่งนี้ได้รับการยืนยันเพิ่มเติมจากการแปลงฟูริเยร์แบบผกผันอย่างรวดเร็ว (รูปที่ 2c1, c2) และการแปลงฟูริเยร์แบบเร็ว (รูปที่ 2d1, d2) แสดงระยะห่างระหว่างโมโนเลเยอร์ Nb2CTx และ Nb4C3Txภาพแสดงการสลับแถบแสงและแถบมืดที่สอดคล้องกับอะตอมของไนโอเบียมและคาร์บอน ซึ่งยืนยันลักษณะชั้นของ MXenes ที่ศึกษาสิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าสเปกตรัมเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีแบบกระจายพลังงาน (EDX) ที่ได้รับสำหรับ Nb2CTx และ Nb4C3Tx (รูปที่ S2a และ S2b) ไม่แสดงเศษของเฟส MAX เดิม เนื่องจากไม่พบ Al peak
การแสดงลักษณะของเกล็ดนาโน SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXene รวมถึง (a) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูง (HRTEM) การถ่ายภาพนาโนเฟลก 2 มิติแบบมุมมองด้านข้างและโหมดความเข้ม (b) โหมดความเข้ม (c) การแปลงฟูริเยร์แบบผกผันอย่างรวดเร็ว (IFFT), (d) การแปลงฟูริเยร์แบบรวดเร็ว (FFT), (e) รูปแบบ X-ray Nb-MXenesสำหรับ SL 2D Nb2CTx ตัวเลขจะแสดงเป็น (a1, b1, c1, d1, e1)สำหรับ SL 2D Nb4C3Tx ตัวเลขจะแสดงเป็น (a2, b2, c2, d2, e1)
การวัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของ SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXenes แสดงในรูปที่2e1 และ e2 ตามลำดับจุดสูงสุด (002) ที่ 4.31 และ 4.32 สอดคล้องกับเลเยอร์ MXenes Nb2CTx และ Nb4C3TX38,39,40,41 ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ตามลำดับผลลัพธ์ของ XRD ยังบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของโครงสร้าง ML ที่เหลือและเฟส MAX บางส่วน แต่รูปแบบ XRD ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับ SL Nb4C3Tx (รูปที่ 2e2)การมีอนุภาคขนาดเล็กกว่าของเฟส MAX อาจอธิบายถึงค่าพีคสูงสุดที่แรงกว่าเมื่อเทียบกับชั้น Nb4C3Tx ที่เรียงซ้อนกันแบบสุ่ม
การวิจัยเพิ่มเติมได้มุ่งเน้นไปที่สาหร่ายสีเขียวที่เป็นของสายพันธุ์ R. subcapitataเราเลือกสาหร่ายขนาดเล็กเพราะเป็นผู้ผลิตที่สำคัญที่เกี่ยวข้องกับใยอาหารหลัก42นอกจากนี้ยังเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้ความเป็นพิษที่ดีที่สุดเนื่องจากความสามารถในการกำจัดสารพิษที่นำไปสู่ระดับที่สูงขึ้นของห่วงโซ่อาหาร43นอกจากนี้ การวิจัยเกี่ยวกับ R. subcapitata อาจชี้ให้เห็นถึงความเป็นพิษโดยบังเอิญของ SL Nb-MXenes ต่อจุลินทรีย์ในน้ำจืดทั่วไปเพื่อแสดงให้เห็นสิ่งนี้ นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าจุลินทรีย์แต่ละชนิดมีความไวต่อสารพิษในสิ่งแวดล้อมต่างกันสำหรับสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ สารที่มีความเข้มข้นต่ำจะไม่ส่งผลต่อการเจริญเติบโตของสาร ในขณะที่ความเข้มข้นที่สูงกว่าขีดจำกัดที่กำหนดสามารถยับยั้งสารเหล่านี้หรือถึงขั้นทำให้เสียชีวิตได้ดังนั้น สำหรับการศึกษาปฏิกิริยาระหว่างพื้นผิวระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กและ MXenes และการกู้คืนที่เกี่ยวข้อง เราจึงตัดสินใจทดสอบความเข้มข้นที่ไม่เป็นอันตรายและเป็นพิษของ Nb-MXenesในการทำเช่นนี้ เราได้ทดสอบความเข้มข้น 0 (ตามข้อมูลอ้างอิง), 0.01, 0.1 และ 10 mg l-1 MXene และสาหร่ายขนาดเล็กที่ติดเชื้อเพิ่มเติมด้วย MXene ที่มีความเข้มข้นสูงมาก (100 mg l-1 MXene) ซึ่งอาจรุนแรงและถึงแก่ชีวิตได้.สำหรับสภาพแวดล้อมทางชีวภาพใดๆ
ผลกระทบของ SL Nb-MXenes ต่อสาหร่ายขนาดเล็กแสดงในรูปที่ 3 ซึ่งแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของการส่งเสริมการเจริญเติบโต (+) หรือการยับยั้ง (-) ที่วัดได้สำหรับตัวอย่าง 0 มก. l-1สำหรับการเปรียบเทียบ เฟส Nb-MAX และ ML Nb-MXenes ได้รับการทดสอบด้วย และผลลัพธ์จะแสดงใน SI (ดูรูปที่ S3)ผลลัพธ์ที่ได้ยืนยันว่า SL Nb-MXenes แทบไม่มีความเป็นพิษเลยในช่วงความเข้มข้นต่ำตั้งแต่ 0.01 ถึง 10 มก./ล. ดังแสดงในรูปที่ 3a,bในกรณีของ Nb2CTx เราสังเกตเห็นความเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมไม่เกิน 5% ในช่วงที่ระบุ
การกระตุ้น (+) หรือการยับยั้ง (-) การเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กต่อหน้า SL (a) Nb2CTx และ (b) Nb4C3TX MXeneวิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ของ MXene-microalgae 24, 48 และ 72 ชั่วโมง ข้อมูลสำคัญ (t-test, p <0.05) ถูกทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมายดอกจัน (*) ข้อมูลสำคัญ (t-test, p <0.05) ถูกทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมายดอกจัน (*) Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). ข้อมูลสำคัญ (t-test, p < 0.05) จะถูกทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมายดอกจัน (*)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-test, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). ข้อมูลสำคัญ (t-test, p < 0.05) จะถูกทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมายดอกจัน (*)ลูกศรสีแดงแสดงถึงการยกเลิกการกระตุ้นแบบยับยั้ง
ในทางกลับกัน ความเข้มข้นต่ำของ Nb4C3TX กลายเป็นพิษมากกว่าเล็กน้อย แต่ไม่สูงกว่า 7%ตามที่คาดไว้ เราสังเกตเห็นว่า MXenes มีความเป็นพิษสูงกว่าและการยับยั้งการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กที่ 100 มก. L-1ที่น่าสนใจคือไม่มีวัสดุใดที่แสดงแนวโน้มและการขึ้นต่อกันของเวลาของผลพิษ/พิษเหมือนกันเมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่าง MAX หรือ ML (ดูรายละเอียดที่ SI)ในขณะที่ระยะ MAX (ดูรูปที่ S3) ความเป็นพิษสูงถึงประมาณ 15–25% และเพิ่มขึ้นตามเวลา สังเกตแนวโน้มย้อนกลับสำหรับ SL Nb2CTx และ Nb4C3TX MXeneการยับยั้งการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กลดลงเมื่อเวลาผ่านไปถึงประมาณ 17% หลังจาก 24 ชั่วโมงและลดลงเหลือน้อยกว่า 5% หลังจาก 72 ชั่วโมง (รูปที่ 3a, b, ตามลำดับ)
ที่สำคัญกว่านั้น สำหรับ SL Nb4C3TX การยับยั้งการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กถึงประมาณ 27% หลังจาก 24 ชั่วโมง แต่หลังจาก 72 ชั่วโมงจะลดลงเหลือประมาณ 1%ดังนั้นเราจึงติดฉลากผลที่สังเกตได้ว่าเป็นการยับยั้งการกระตุ้นแบบผกผัน และผลที่ได้นั้นแข็งแกร่งกว่าสำหรับ SL Nb4C3TX MXeneการกระตุ้นการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กถูกบันทึกไว้ก่อนหน้านี้ด้วย Nb4C3TX (อันตรกิริยาที่ 10 มก. L-1 เป็นเวลา 24 ชั่วโมง) เทียบกับ SL Nb2CTx MXeneผลการย้อนกลับของการกระตุ้นการยับยั้งยังแสดงได้ดีในเส้นโค้งอัตราการเพิ่มเป็นสองเท่าของมวลชีวภาพ (ดูรูปที่ S4 สำหรับรายละเอียด)จนถึงขณะนี้ มีการศึกษาเฉพาะความเป็นพิษต่อระบบนิเวศของ Ti3C2TX MXene ในรูปแบบต่างๆไม่เป็นพิษต่อตัวอ่อน zebrafish44 แต่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมในระดับปานกลางต่อสาหร่ายขนาดเล็ก Desmodesmus quadricauda และ Sorghum saccharatum45ตัวอย่างอื่นๆ ของผลกระทบเฉพาะ ได้แก่ ความเป็นพิษต่อเซลล์มะเร็งสูงกว่าเซลล์ปกติ46,47สันนิษฐานได้ว่าสภาวะการทดสอบจะมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กที่สังเกตได้จาก Nb-MXenesตัวอย่างเช่น pH ประมาณ 8 ในคลอโรพลาสต์สโตรมาเหมาะสมที่สุดสำหรับการทำงานของเอนไซม์ RuBisCO อย่างมีประสิทธิภาพดังนั้นการเปลี่ยนแปลงค่า pH จึงส่งผลเสียต่ออัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง48,49อย่างไรก็ตาม เราไม่ได้สังเกตการเปลี่ยนแปลงค่า pH ที่มีนัยสำคัญในระหว่างการทดลอง (ดูรายละเอียด SI, รูปที่ S5)โดยทั่วไป การเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กด้วย Nb-MXenes จะทำให้ค่า pH ของสารละลายลดลงเล็กน้อยเมื่อเวลาผ่านไปอย่างไรก็ตาม การลดลงนี้คล้ายกับการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของตัวกลางบริสุทธิ์นอกจากนี้ ช่วงของการแปรผันที่พบยังคล้ายกับที่วัดได้สำหรับการเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กที่บริสุทธิ์ (ตัวอย่างควบคุม)ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงค่า pH เมื่อเวลาผ่านไป
นอกจากนี้ MXenes ที่สังเคราะห์ขึ้นยังมีจุดสิ้นสุดที่พื้นผิว (แสดงเป็น Tx)เหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นกลุ่มการทำงาน -O, -F และ -OHอย่างไรก็ตาม เคมีพื้นผิวเกี่ยวข้องโดยตรงกับวิธีการสังเคราะห์เป็นที่รู้กันว่ากลุ่มเหล่านี้กระจายแบบสุ่มทั่วพื้นผิว ทำให้ยากต่อการคาดเดาผลกระทบต่อคุณสมบัติของ MXene50เป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่า Tx อาจเป็นแรงเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชันของไนโอเบียมด้วยแสงกลุ่มการทำงานพื้นผิวมีไซต์ยึดหลายจุดสำหรับโฟโตคะตะลิสต์พื้นฐานเพื่อสร้างเฮเทอโรจังก์ชั่น51อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อสำหรับการเจริญเติบโตไม่ได้ให้โฟโตคะทาลิสต์ที่มีประสิทธิภาพ (สามารถดูองค์ประกอบของอาหารเลี้ยงเชื้อโดยละเอียดได้ใน SI ตาราง S6)นอกจากนี้ การปรับเปลี่ยนพื้นผิวใดๆ ก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากกิจกรรมทางชีวภาพของ MXenes สามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากการแปรรูปชั้นหลัง ออกซิเดชัน การปรับเปลี่ยนพื้นผิวทางเคมีของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ 52,53,54,55,56 หรือวิศวกรรมประจุพื้นผิว38ดังนั้น เพื่อทดสอบว่าไนโอเบียมออกไซด์เกี่ยวข้องกับความไม่เสถียรของวัสดุในตัวกลางหรือไม่ เราได้ทำการศึกษาศักยภาพของซีตา (ζ) ในอาหารเลี้ยงเชื้อที่มีการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กและน้ำปราศจากไอออน (สำหรับการเปรียบเทียบ)ผลลัพธ์ของเราแสดงว่า SL Nb-MXenes ค่อนข้างเสถียร (ดู SI รูปที่ S6 สำหรับผลลัพธ์ MAX และ ML)ศักย์ซีตาของ SL MXenes อยู่ที่ประมาณ -10 mVในกรณีของ SR Nb2CTx ค่าของ ζ ค่อนข้างเป็นลบมากกว่าค่าของ Nb4C3Txการเปลี่ยนแปลงค่า ζ ดังกล่าวอาจบ่งชี้ว่าพื้นผิวของเกล็ดนาโน MXene ที่มีประจุลบจะดูดซับไอออนที่มีประจุบวกจากอาหารเลี้ยงเชื้อการวัดค่าซีตาศักย์ชั่วคราวและค่าการนำไฟฟ้าของ Nb-MXenes ในอาหารเลี้ยงเชื้อ (ดูรูปที่ S7 และ S8 ใน SI สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม) ดูเหมือนจะสนับสนุนสมมติฐานของเรา
อย่างไรก็ตาม Nb-MXene SL ทั้งสองแสดงการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยจากศูนย์สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความเสถียรของพวกมันในสื่อการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กนอกจากนี้ เราประเมินว่าการมีอยู่ของสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็กของเราจะส่งผลต่อความเสถียรของ Nb-MXenes ในตัวกลางหรือไม่ผลลัพธ์ของศักยภาพซีตาและการนำไฟฟ้าของ MXenes หลังจากปฏิสัมพันธ์กับสาหร่ายขนาดเล็กในอาหารเลี้ยงเชื้อและการเพาะเลี้ยงตลอดเวลาสามารถพบได้ใน SI (รูปที่ S9 และ S10)ที่น่าสนใจคือเราสังเกตว่าการมีอยู่ของสาหร่ายขนาดเล็กดูเหมือนจะทำให้การกระจายตัวของ MXenes ทั้งสองคงที่ในกรณีของ Nb2CTx SL ศักยภาพซีตาจะลดลงเล็กน้อยเมื่อเวลาผ่านไปจนถึงค่าลบที่มากขึ้น (-15.8 เทียบกับ -19.1 mV หลังจาก 72 ชั่วโมงของการฟักตัว)ศักยภาพซีตาของ SL Nb4C3TX เพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่หลังจาก 72 ชั่วโมง มันยังคงแสดงความเสถียรสูงกว่านาโนเฟลกโดยไม่มีสาหร่ายขนาดเล็ก (-18.1 เทียบกับ -9.1 มิลลิโวลต์)
นอกจากนี้ เรายังพบค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าของสารละลาย Nb-MXene ที่บ่มในที่ที่มีสาหร่ายขนาดเล็ก ซึ่งบ่งชี้ถึงปริมาณไอออนที่ต่ำกว่าในอาหารเลี้ยงเชื้อโดยเฉพาะอย่างยิ่งความไม่เสถียรของ MXenes ในน้ำมีสาเหตุหลักมาจากการเกิดออกซิเดชันที่พื้นผิว57ดังนั้นเราจึงสงสัยว่าสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็กได้ล้างออกไซด์ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของ Nb-MXene และป้องกันไม่ให้เกิดขึ้น (การเกิดออกซิเดชันของ MXene)สามารถดูได้จากการศึกษาชนิดของสารที่สาหร่ายขนาดเล็กดูดซึม
ในขณะที่การศึกษาทางนิเวศพิษวิทยาของเราระบุว่าสาหร่ายขนาดเล็กสามารถเอาชนะความเป็นพิษของ Nb-MXenes เมื่อเวลาผ่านไปและการยับยั้งการเติบโตที่กระตุ้นอย่างผิดปกติ จุดมุ่งหมายของการศึกษาของเราคือการตรวจสอบกลไกการทำงานที่เป็นไปได้เมื่อสิ่งมีชีวิต เช่น สาหร่ายสัมผัสกับสารประกอบหรือวัสดุที่ระบบนิเวศไม่คุ้นเคย พวกมันอาจทำปฏิกิริยาได้หลายวิธี58,59ในกรณีที่ไม่มีออกไซด์ของโลหะที่เป็นพิษ สาหร่ายขนาดเล็กสามารถเลี้ยงตัวเองได้ ทำให้พวกมันเติบโตได้อย่างต่อเนื่อง60หลังจากการกลืนกินสารพิษ กลไกการป้องกันอาจทำงาน เช่น รูปร่างหรือรูปร่างเปลี่ยนไปต้องคำนึงถึงความเป็นไปได้ในการดูดซึมด้วย58,59โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สัญญาณใดๆ ของกลไกการป้องกันคือตัวบ่งชี้ที่ชัดเจนของความเป็นพิษของสารทดสอบดังนั้นในงานต่อไปของเรา เราได้ตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวที่อาจเกิดขึ้นระหว่างเกล็ดนาโน SL Nb-MXene และสาหร่ายขนาดเล็กโดย SEM และการดูดซับที่เป็นไปได้ของ MXene ที่ใช้ Nb โดย X-ray fluorescence spectroscopy (XRF)โปรดทราบว่าการวิเคราะห์ SEM และ XRF ดำเนินการที่ความเข้มข้นสูงสุดของ MXene เท่านั้นเพื่อแก้ไขปัญหาความเป็นพิษของกิจกรรม
ผลลัพธ์ SEM แสดงในรูปที่ 4เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่ไม่ผ่านการบำบัด (ดูรูปที่ 4a ตัวอย่างอ้างอิง) แสดงสัณฐานวิทยาของ R. subcapitata ทั่วไปอย่างชัดเจนและรูปร่างของเซลล์คล้ายครัวซองต์เซลล์มีลักษณะแบนและไม่เป็นระเบียบเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบางเซลล์ซ้อนทับและพันกัน แต่อาจเกิดจากขั้นตอนการเตรียมตัวอย่างโดยทั่วไปแล้ว เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบริสุทธิ์จะมีผิวเรียบและไม่แสดงการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาใดๆ
ภาพ SEM แสดงการทำงานร่วมกันของพื้นผิวระหว่างสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็กและ MXene nanosheets หลังจาก 72 ชั่วโมงของการทำงานร่วมกันที่ความเข้มข้นสูง (100 มก. L-1)(a) สาหร่ายสีเขียวขนาดเล็กที่ไม่ผ่านการบำบัดหลังจากการโต้ตอบกับ SL (b) Nb2CTx และ (c) Nb4C3TX MXenesโปรดทราบว่าเกล็ดนาโน Nb-MXene จะถูกทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีแดงสำหรับการเปรียบเทียบ มีการเพิ่มภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงเข้าไปด้วย
ในทางตรงกันข้าม เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่ดูดซับโดยเกล็ดนาโน SL Nb-MXene ได้รับความเสียหาย (ดูรูปที่ 4b, c, ลูกศรสีแดง)ในกรณีของ Nb2CTx MXene (รูปที่ 4b) สาหร่ายขนาดเล็กมีแนวโน้มที่จะเติบโตด้วยนาโนสเกลสองมิติที่แนบมา ซึ่งสามารถเปลี่ยนสัณฐานวิทยาได้โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรายังสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (ดูรายละเอียด SI รูปที่ S11)การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยานี้มีพื้นฐานที่น่าเชื่อถือในสรีรวิทยาของสาหร่ายขนาดเล็กและความสามารถในการป้องกันตัวเองโดยการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของเซลล์ เช่น การเพิ่มปริมาตรเซลล์61ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องตรวจสอบจำนวนเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่สัมผัสกับ Nb-MXenesการศึกษา SEM แสดงให้เห็นว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กประมาณ 52% สัมผัสกับ Nb-MXenes ในขณะที่ 48% ของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กเหล่านี้หลีกเลี่ยงการสัมผัสสำหรับ SL Nb4C3Tx MXene นั้น สาหร่ายขนาดเล็กพยายามหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับ MXene ซึ่งจะเป็นการแปลและเติบโตจากนาโนสเกลสองมิติ (รูปที่ 4c)อย่างไรก็ตาม เราไม่ได้สังเกตเห็นการแทรกซึมของนาโนสเกลเข้าไปในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กและความเสียหายของพวกมัน
การอนุรักษ์ตนเองยังเป็นพฤติกรรมการตอบสนองที่ขึ้นกับเวลาต่อการขัดขวางการสังเคราะห์ด้วยแสงเนื่องจากการดูดซับของอนุภาคบนผิวเซลล์และเอฟเฟกต์ที่เรียกว่าการแรเงา (แรเงา)62เป็นที่แน่ชัดว่าวัตถุแต่ละชนิด (เช่น เกล็ดนาโน Nb-MXene) ที่อยู่ระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กและแหล่งกำเนิดแสงจะจำกัดปริมาณแสงที่คลอโรพลาสต์ดูดซับไว้อย่างไรก็ตาม เราไม่สงสัยเลยว่าสิ่งนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อผลลัพธ์ที่ได้รับดังที่แสดงจากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ของเรา เกล็ดนาโน 2 มิติไม่ได้ห่อหุ้มหรือยึดติดกับพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็กอย่างสมบูรณ์ แม้ว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กจะสัมผัสกับ Nb-MXenes ก็ตามในทางกลับกัน เกล็ดนาโนกลับมุ่งไปที่เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กโดยไม่ปิดผิวชุดเกล็ดนาโน/สาหร่ายขนาดเล็กดังกล่าวไม่สามารถจำกัดปริมาณแสงที่เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับได้อย่างมีนัยสำคัญยิ่งกว่านั้น การศึกษาบางชิ้นได้แสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงการดูดกลืนแสงโดยสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยแสงในที่ที่มีวัสดุนาโนสองมิติ63,64,65,66
เนื่องจากภาพ SEM ไม่สามารถยืนยันการดูดซับไนโอเบียมโดยตรงจากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก การศึกษาเพิ่มเติมของเราจึงหันไปใช้การวิเคราะห์ X-ray fluorescence (XRF) และ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) เพื่อชี้แจงปัญหานี้ดังนั้นเราจึงเปรียบเทียบความเข้มของค่าสูงสุดของ Nb ของตัวอย่างสาหร่ายขนาดเล็กอ้างอิงที่ไม่ได้ทำปฏิกิริยากับ MXenes, MXene nanoflakes ที่แยกออกจากพื้นผิวของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กและเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหลังจากกำจัด MXenes ที่แนบมาเป็นที่น่าสังเกตว่าหากไม่มีการดูดซับ Nb ค่า Nb ที่ได้รับจากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กควรเป็นศูนย์หลังจากกำจัดเกล็ดนาโนที่ติดอยู่ดังนั้น หากเกิดการดูดซึม Nb ผลลัพธ์ของทั้ง XRF และ XPS ควรแสดงค่าสูงสุดของ Nb ที่ชัดเจน
ในกรณีของสเปกตรัม XRF ตัวอย่างสาหร่ายขนาดเล็กแสดงค่าสูงสุดของ Nb สำหรับ SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXene หลังจากการโต้ตอบกับ SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXene (ดูรูปที่ 5a โปรดทราบว่าผลลัพธ์สำหรับ MAX และ ML MXenes แสดงใน SI, รูปที่ S12–C17 )ที่น่าสนใจคือ ความเข้มของ Nb peak เท่ากันในทั้งสองกรณี (แถบสีแดงในรูปที่ 5a)สิ่งนี้บ่งชี้ว่าสาหร่ายไม่สามารถดูดซับ Nb ได้มากกว่านี้ และบรรลุความจุสูงสุดสำหรับการสะสม Nb ในเซลล์ แม้ว่าจะติด Nb4C3Tx MXene มากกว่าสองเท่ากับเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก (แถบสีน้ำเงินในรูปที่ 5a)ความสามารถของสาหร่ายขนาดเล็กในการดูดซับโลหะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของออกไซด์ของโลหะในสิ่งแวดล้อม67,68Shamshada et al.67 พบว่าความสามารถในการดูดซับของสาหร่ายน้ำจืดลดลงเมื่อ pH เพิ่มขึ้นRaize et al.68 สังเกตว่าความสามารถของสาหร่ายทะเลในการดูดซับโลหะนั้นสูงกว่าสำหรับ Ni2+ ประมาณ 25%
(a) ผลลัพธ์ XRF ของการดูดซึม Nb พื้นฐานโดยเซลล์สาหร่ายสีเขียวที่บ่มที่ความเข้มข้นสูงของ SL Nb-MXenes (100 มก. L-1) เป็นเวลา 72 ชั่วโมงผลลัพธ์แสดงการมีอยู่ของ α ในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบริสุทธิ์ (ตัวอย่างควบคุม คอลัมน์สีเทา) เกล็ดนาโน 2 มิติที่แยกได้จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบนพื้นผิว (คอลัมน์สีน้ำเงิน) และเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหลังจากแยกเกล็ดนาโน 2 มิติออกจากพื้นผิว (คอลัมน์สีแดง)ปริมาณของธาตุ Nb, ( b ) เปอร์เซ็นต์ขององค์ประกอบทางเคมีของส่วนประกอบอินทรีย์ของสาหร่ายขนาดเล็ก (C=O และ CHx/C–O) และ Nb ออกไซด์ที่มีอยู่ในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหลังจากการบ่มด้วย SL Nb-MXenes, (c–e) การติดตั้งจุดสูงสุดขององค์ประกอบ XPS SL Nb2CTx spectra และ (fh) SL Nb4C3Tx MXene ที่ปรับให้อยู่ภายในโดยเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก
ดังนั้นเราจึงคาดว่า Nb สามารถถูกดูดซับโดยเซลล์สาหร่ายในรูปของออกไซด์เพื่อทดสอบสิ่งนี้ เราทำการศึกษา XPS บน MXenes Nb2CTx และ Nb4C3TX และเซลล์สาหร่ายผลลัพธ์ของปฏิสัมพันธ์ของสาหร่ายขนาดเล็กกับ Nb-MXenes และ MXenes ที่แยกได้จากเซลล์สาหร่ายแสดงในรูปที่5บ.ตามที่คาดไว้ เราตรวจพบจุดสูงสุดของ Nb 3d ในตัวอย่างสาหร่ายขนาดเล็กหลังจากกำจัด MXene ออกจากพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็กการหาปริมาณของ C=O, CHx/CO และ Nb ออกไซด์คำนวณจากสเปกตรัม Nb 3d, O 1s และ C 1s ที่ได้จาก Nb2CTx SL (รูปที่ 5c–e) และ Nb4C3Tx SL (รูปที่ 5c–e)) ได้จากการบ่มสาหร่ายขนาดเล็กรูปที่ 5f–h) MXenesตารางที่ S1-3 แสดงรายละเอียดของพารามิเตอร์สูงสุดและคุณสมบัติทางเคมีโดยรวมที่เกิดจากการพอดีเป็นที่น่าสังเกตว่าพื้นที่ Nb 3d ของ Nb2CTx SL และ Nb4C3Tx SL (รูปที่ 5c, f) สอดคล้องกับองค์ประกอบ Nb2O5 หนึ่งองค์ประกอบที่นี่เราไม่พบพีคที่เกี่ยวข้องกับ MXene ในสเปกตรัม ซึ่งบ่งชี้ว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับเฉพาะรูปแบบออกไซด์ของ Nbนอกจากนี้ เราประมาณสเปกตรัม C 1 s ด้วยส่วนประกอบ C–C, CHx/C–O, C=O และ –COOHเรากำหนดจุดสูงสุดของ CHx/C–O และ C=O ให้กับการมีส่วนร่วมแบบอินทรีย์ของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กส่วนประกอบอินทรีย์เหล่านี้คิดเป็น 36% และ 41% ของยอด C 1s ใน Nb2CTx SL และ Nb4C3TX SL ตามลำดับจากนั้นเราติดตั้งสเปกตรัม O 1s ของ SL Nb2CTx และ SL Nb4C3TX ด้วย Nb2O5 ส่วนประกอบอินทรีย์ของสาหร่ายขนาดเล็ก (CHx/CO) และน้ำที่ดูดซับบนพื้นผิว
สุดท้าย ผลลัพธ์ XPS ระบุรูปแบบของ Nb อย่างชัดเจน ไม่ใช่แค่การมีอยู่ของมันตามตำแหน่งของสัญญาณ Nb 3d และผลลัพธ์ของการแยกส่วน เรายืนยันว่า Nb ถูกดูดซับในรูปของออกไซด์เท่านั้น ไม่ใช่ไอออนหรือ MXene เองนอกจากนี้ ผลลัพธ์ของ XPS ยังแสดงให้เห็นว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กมีความสามารถในการดูดซับ Nb ออกไซด์จาก SL Nb2CTx ได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับ SL Nb4C3TX MXene
แม้ว่าผลการดูดซึม Nb ของเราจะน่าประทับใจและทำให้เราสามารถระบุการย่อยสลายของ MXene ได้ แต่ก็ไม่มีวิธีใดที่สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาที่เกี่ยวข้องในเกล็ดนาโน 2 มิติได้ดังนั้นเราจึงตัดสินใจพัฒนาวิธีการที่เหมาะสมซึ่งสามารถตอบสนองโดยตรงต่อการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นในเกล็ดนาโน 2D Nb-MXene และเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กสิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าเราสันนิษฐานว่าหากสปีชีส์ที่มีปฏิสัมพันธ์ผ่านการเปลี่ยนแปลง การสลายตัวหรือการจัดเรียงข้อมูลใดๆ สิ่งนี้ควรแสดงให้เห็นอย่างรวดเร็วด้วยการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์รูปร่าง เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นที่วงกลมที่เท่ากัน ความกลม ความกว้างเฟเรต หรือความยาวของเฟเรตเนื่องจากพารามิเตอร์เหล่านี้เหมาะสำหรับการอธิบายอนุภาคยาวหรือเกล็ดนาโนสองมิติ การติดตามโดยการวิเคราะห์รูปร่างของอนุภาคแบบไดนามิกจะให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของเกล็ดนาโน SL Nb-MXene ในระหว่างการลดขนาด
ผลลัพธ์ที่ได้แสดงในรูปที่ 6 สำหรับการเปรียบเทียบ เรายังได้ทดสอบเฟส MAX ดั้งเดิมและ ML-MXenes (ดู SI รูปที่ S18 และ S19)การวิเคราะห์แบบไดนามิกของรูปร่างของอนุภาคแสดงให้เห็นว่าพารามิเตอร์รูปร่างทั้งหมดของ Nb-MXene SL สองตัวเปลี่ยนไปอย่างมีนัยสำคัญหลังจากการโต้ตอบกับสาหร่ายขนาดเล็กดังที่แสดงโดยพารามิเตอร์เส้นผ่านศูนย์กลางพื้นที่วงกลมที่เท่ากัน (รูปที่ 6a, b) ความเข้มสูงสุดที่ลดลงของเศษส่วนของเกล็ดนาโนขนาดใหญ่บ่งชี้ว่าพวกมันมีแนวโน้มที่จะสลายตัวเป็นเศษเล็กเศษน้อยบนมะเดื่อ6c, d แสดงการลดลงของพีคที่เกี่ยวข้องกับขนาดตามขวางของเกล็ด (การยืดตัวของเกล็ดนาโน) ซึ่งบ่งชี้การเปลี่ยนแปลงของเกล็ดนาโน 2 มิติให้มีรูปร่างคล้ายอนุภาคมากขึ้นรูปที่ 6e-h แสดงความกว้างและความยาวของ Feret ตามลำดับความกว้างและความยาวของ Feret เป็นพารามิเตอร์เสริม ดังนั้นควรพิจารณาร่วมกันหลังจากการบ่ม 2D Nb-MXene nanoflakes ในที่ที่มีสาหร่ายขนาดเล็ก จุดสูงสุดของความสัมพันธ์ Feret ของพวกมันเปลี่ยนไปและความเข้มของพวกมันลดลงจากผลลัพธ์เหล่านี้เมื่อรวมกับลักษณะทางสัณฐานวิทยา XRF และ XPS เราสรุปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้นั้นเกี่ยวข้องอย่างมากกับการเกิดออกซิเดชัน เนื่องจาก MXenes ที่ถูกออกซิไดซ์จะมีรอยย่นมากขึ้นและแตกตัวออกเป็นเศษเล็กเศษน้อยและอนุภาคออกไซด์ทรงกลม69,70
การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของ MXene หลังจากปฏิสัมพันธ์กับสาหร่ายสีเขียวการวิเคราะห์รูปร่างของอนุภาคไดนามิกคำนึงถึงพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น (a, b) เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นที่วงกลมที่สมมูลกัน, (c, d) ความกลม, (e, f) ความกว้างเฟเรต และ (g, h) ความยาวของเฟเรตเพื่อจุดประสงค์นี้ ตัวอย่างสาหร่ายขนาดเล็กอ้างอิงสองตัวอย่างถูกวิเคราะห์ร่วมกับ SL Nb2CTx และ SL Nb4C3Tx MXenes หลัก, SL Nb2CTx และ SL Nb4C3Tx MXenes, สาหร่ายขนาดเล็กที่ย่อยสลาย และสาหร่ายขนาดเล็กที่ผ่านการบำบัด SL Nb2CTx และ SL Nb4C3Tx MXenesลูกศรสีแดงแสดงการเปลี่ยนพารามิเตอร์รูปร่างของเกล็ดนาโนสองมิติที่ศึกษา
เนื่องจากการวิเคราะห์พารามิเตอร์รูปร่างมีความน่าเชื่อถือมาก จึงยังสามารถเปิดเผยการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กดังนั้นเราจึงวิเคราะห์เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นที่วงกลม ความกลม และความกว้าง/ความยาวของ Feret ที่เทียบเท่ากันของเซลล์และเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบริสุทธิ์หลังจากการโต้ตอบกับเกล็ดนาโน 2D Nbบนมะเดื่อ6a–h แสดงการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์รูปร่างของเซลล์สาหร่าย โดยเห็นได้จากค่าความเข้มสูงสุดที่ลดลงและการเปลี่ยนแปลงของค่าสูงสุดไปสู่ค่าที่สูงขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่ง พารามิเตอร์ความกลมของเซลล์แสดงให้เห็นว่าเซลล์ยาวลดลงและเซลล์ทรงกลมเพิ่มขึ้น (รูปที่ 6a, b)นอกจากนี้ความกว้างของเซลล์ Feret เพิ่มขึ้นหลายไมโครเมตรหลังจากการโต้ตอบกับ SL Nb2CTx MXene (รูปที่ 6e) เมื่อเทียบกับ SL Nb4C3TX MXene (รูปที่ 6f)เราสงสัยว่าอาจเป็นเพราะการดูดซับ Nb ออกไซด์อย่างมากโดยสาหร่ายขนาดเล็กเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับ Nb2CTx SRการยึดติดของเกล็ด Nb กับพื้นผิวที่มีความแข็งน้อยกว่าอาจส่งผลให้เซลล์เติบโตโดยมีผลบังแสงน้อยที่สุด
การสังเกตการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของรูปร่างและขนาดของสาหร่ายขนาดเล็กช่วยเสริมการศึกษาอื่นๆสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็กสามารถเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของพวกมันเพื่อตอบสนองต่อความเครียดจากสิ่งแวดล้อมโดยการเปลี่ยนแปลงขนาดของเซลล์ รูปร่าง หรือเมแทบอลิซึม61ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนขนาดของเซลล์ช่วยให้ดูดซึมสารอาหารได้ง่ายขึ้น71เซลล์สาหร่ายที่เล็กกว่าแสดงการดูดซึมสารอาหารที่ต่ำกว่าและอัตราการเจริญเติบโตที่บกพร่องในทางกลับกัน เซลล์ขนาดใหญ่มักจะกินสารอาหารมากกว่า ซึ่งจากนั้นจะสะสมอยู่ภายในเซลล์72,73Machado และ Soares พบว่าสารฆ่าเชื้อราไตรโคลซานสามารถเพิ่มขนาดเซลล์ได้พวกเขายังพบการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในรูปร่างของสาหร่าย74นอกจากนี้ Yin et al.9 ยังเปิดเผยการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของสาหร่ายหลังจากสัมผัสกับนาโนคอมโพสิตกราฟีนออกไซด์ที่ลดลงดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าพารามิเตอร์ขนาด/รูปร่างที่เปลี่ยนแปลงของสาหร่ายขนาดเล็กนั้นเกิดจากการมีอยู่ของ MXeneเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่างนี้บ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงการดูดซึมสารอาหาร เราเชื่อว่าการวิเคราะห์พารามิเตอร์ขนาดและรูปร่างเมื่อเวลาผ่านไปสามารถแสดงให้เห็นถึงการดูดซึมไนโอเบียมออกไซด์โดยสาหร่ายขนาดเล็กเมื่อมี Nb-MXenes
นอกจากนี้ MXenes สามารถออกซิไดซ์ได้เมื่อมีสาหร่ายDalai และคณะสังเกตว่าสัณฐานวิทยาของสาหร่ายสีเขียวที่สัมผัสกับ nano-TiO2 และ Al2O376 นั้นไม่สม่ำเสมอแม้ว่าการสังเกตของเราจะคล้ายกับการศึกษาปัจจุบัน แต่ก็เกี่ยวข้องเฉพาะกับการศึกษาผลกระทบของการบำบัดทางชีวภาพในแง่ของผลิตภัณฑ์การย่อยสลาย MXene ต่อหน้าเกล็ดนาโน 2 มิติ ไม่ใช่อนุภาคนาโนเนื่องจาก MXenes สามารถย่อยสลายเป็นออกไซด์ของโลหะได้31,32,77,78 จึงมีเหตุผลที่จะสันนิษฐานว่าเกล็ดนาโน Nb ของเราสามารถสร้างออกไซด์ของ Nb ได้หลังจากทำปฏิกิริยากับเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก
เพื่ออธิบายการลดลงของเกล็ดนาโน 2D-Nb ผ่านกลไกการสลายตัวตามกระบวนการออกซิเดชัน เราได้ทำการศึกษาโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) (รูปที่ 7a, b) และ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (รูปที่ 7)7c-i และตาราง S4-5)ทั้งสองวิธีเหมาะสำหรับการศึกษาการเกิดออกซิเดชันของวัสดุ 2 มิติและเสริมซึ่งกันและกันHRTEM สามารถวิเคราะห์การสลายตัวของโครงสร้างชั้นสองมิติและลักษณะที่ตามมาของอนุภาคนาโนของโลหะออกไซด์ ในขณะที่ XPS มีความไวต่อพันธะพื้นผิวเพื่อจุดประสงค์นี้ เราได้ทดสอบเกล็ดนาโน 2D Nb-MXene ที่สกัดจากการกระจายตัวของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก นั่นคือ รูปร่างของพวกมันหลังจากปฏิสัมพันธ์กับเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก (ดูรูปที่ 7)
ภาพ HRTEM แสดงสัณฐานวิทยาของออกซิไดซ์ (a) SL Nb2CTx และ (b) SL Nb4C3Tx MXenes, ผลการวิเคราะห์ XPS แสดง (c) องค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ออกไซด์หลังการลดลง, (d–f) การจับคู่สูงสุดของส่วนประกอบ XPS spectra ของ SL Nb2CTx และ (g– i) Nb4C3Tx SL ซ่อมแซมด้วยสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็ก
การศึกษา HRTEM ยืนยันการเกิดออกซิเดชันของเกล็ดนาโน Nb-MXene สองชนิดแม้ว่าเกล็ดนาโนจะรักษาสัณฐานวิทยาแบบสองมิติไว้ในระดับหนึ่ง แต่ปฏิกิริยาออกซิเดชันส่งผลให้อนุภาคนาโนจำนวนมากปรากฏขึ้นปกคลุมพื้นผิวของเกล็ดนาโน MXene (ดูรูปที่ 7a,b)การวิเคราะห์ XPS ของสัญญาณ c Nb 3d และ O 1s บ่งชี้ว่า Nb ออกไซด์ก่อตัวขึ้นในทั้งสองกรณีดังที่แสดงในรูปที่ 7c, 2D MXene Nb2CTx และ Nb4C3TX มีสัญญาณ Nb 3d บ่งชี้การมีอยู่ของออกไซด์ของ NbO และ Nb2O5 ในขณะที่สัญญาณ O 1s ระบุจำนวนพันธะ O–Nb ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของพื้นผิวนาโนเฟลก 2 มิติเราสังเกตเห็นว่าการมีส่วนร่วมของ Nb ออกไซด์มีความโดดเด่นเมื่อเทียบกับ Nb-C และ Nb3+-O
บนมะเดื่อรูปที่ 7g–i แสดงสเปกตรัม XPS ของ Nb 3d, C 1s และ O 1s SL Nb2CTx (ดูรูปที่ 7d–f) และ SL Nb4C3TX MXene ที่แยกได้จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กรายละเอียดของพารามิเตอร์สูงสุดของ Nb-MXenes แสดงไว้ในตาราง S4–5 ตามลำดับเราวิเคราะห์องค์ประกอบของ Nb 3d ก่อนตรงกันข้ามกับ Nb ที่ดูดซับโดยเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก ใน MXene ที่แยกได้จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก นอกจาก Nb2O5 ยังพบส่วนประกอบอื่นๆใน Nb2CTx SL เราสังเกตเห็นการมีส่วนร่วมของ Nb3+-O จำนวน 15% ในขณะที่สเปกตรัม Nb 3 มิติที่เหลือถูกครอบงำโดย Nb2O5 (85%)นอกจากนี้ ตัวอย่าง SL Nb4C3TX ยังมีส่วนประกอบ Nb-C (9%) และ Nb2O5 (91%)Nb-C มาจากชั้นอะตอมชั้นในของโลหะคาร์ไบด์ 2 ชั้นใน Nb4C3Tx SRจากนั้นเราแมปสเปกตรัม C 1s กับสี่องค์ประกอบที่แตกต่างกัน ดังที่เราทำในตัวอย่างที่ปรับแต่งภายในตามที่คาดไว้ สเปกตรัมของ C 1s ถูกครอบงำด้วยคาร์บอนแกรไฟต์ ตามด้วยอนุภาคอินทรีย์ (CHx/CO และ C=O) จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กนอกจากนี้ ในสเปกตรัม O 1s เราสังเกตการมีส่วนร่วมของรูปแบบอินทรีย์ของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก ไนโอเบียมออกไซด์ และน้ำที่ดูดซับ
นอกจากนี้ เรายังตรวจสอบว่าความแตกแยกของ Nb-MXenes นั้นสัมพันธ์กับการมีอยู่ของรีแอคทีฟออกซิเจนสปีชีส์ (ROS) ในสารอาหารและ/หรือเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหรือไม่ด้วยเหตุนี้ เราจึงประเมินระดับของ singlet oxygen (1O2) ในอาหารเลี้ยงเชื้อและกลูตาไธโอนภายในเซลล์ ซึ่งเป็นไทออลที่ทำหน้าที่เป็นสารต้านอนุมูลอิสระในสาหร่ายขนาดเล็กผลลัพธ์แสดงใน SI (รูปที่ S20 และ S21)การเพาะเลี้ยงที่มี SL Nb2CTx และ Nb4C3TX MXenes แสดงคุณลักษณะโดยปริมาณที่ลดลงของ 1O2 (ดูรูปที่ S20)ในกรณีของ SL Nb2CTx นั้น MXene 1O2 จะลดลงเหลือประมาณ 83%สำหรับการเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กโดยใช้ SL ทำให้ Nb4C3TX 1O2 ลดลงมากขึ้นถึง 73%ที่น่าสนใจคือ การเปลี่ยนแปลงของ 1O2 แสดงแนวโน้มเช่นเดียวกับผลยับยั้ง-กระตุ้นที่สังเกตเห็นก่อนหน้านี้ (ดูรูปที่ 3)เป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าการบ่มในที่มีแสงจ้าสามารถเปลี่ยนแปลงโฟโตออกซิเดชั่นได้อย่างไรก็ตาม ผลของการวิเคราะห์การควบคุมแสดงให้เห็นระดับเกือบคงที่ของ 1O2 ในระหว่างการทดลอง (รูปที่ S22)ในกรณีของระดับ ROS ภายในเซลล์ เราสังเกตแนวโน้มลดลงเช่นเดียวกัน (ดูรูปที่ S21)ในขั้นต้น ระดับของ ROS ในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่เพาะเลี้ยงโดยมี Nb2CTx และ Nb4C3Tx SL นั้นสูงเกินระดับที่พบในการเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กที่บริสุทธิ์อย่างไรก็ตาม ในที่สุด ปรากฏว่าสาหร่ายขนาดเล็กปรับตัวให้เข้ากับการมีอยู่ของ Nb-MXenes ทั้งสอง เนื่องจากระดับ ROS ลดลงเหลือ 85% และ 91% ของระดับที่วัดได้ในวัฒนธรรมบริสุทธิ์ของสาหร่ายขนาดเล็กที่เพาะเลี้ยงด้วย SL Nb2CTx และ Nb4C3TX ตามลำดับสิ่งนี้อาจบ่งชี้ว่าสาหร่ายขนาดเล็กรู้สึกสบายเมื่อเวลาผ่านไปเมื่อมี Nb-MXene มากกว่าในสารอาหารเพียงอย่างเดียว
สาหร่ายขนาดเล็กเป็นกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้หลากหลายในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง พวกมันจะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ (CO2) ให้เป็นคาร์บอนอินทรีย์ผลิตภัณฑ์จากการสังเคราะห์ด้วยแสงคือกลูโคสและออกซิเจน79เราสงสัยว่าออกซิเจนที่เกิดขึ้นจึงมีบทบาทสำคัญในการเกิดออกซิเดชันของ Nb-MXenesคำอธิบายหนึ่งที่เป็นไปได้สำหรับสิ่งนี้คือพารามิเตอร์การเติมอากาศที่แตกต่างกันนั้นก่อตัวขึ้นที่ความดันบางส่วนของออกซิเจนในระดับต่ำและสูงภายนอกและภายในเกล็ดนาโน Nb-MXeneซึ่งหมายความว่าทุกที่ที่มีพื้นที่ที่มีความดันออกซิเจนบางส่วนต่างกัน พื้นที่ที่มีระดับต่ำสุดจะสร้างแอโนด 80, 81, 82 ที่นี่ สาหร่ายขนาดเล็กมีส่วนช่วยในการสร้างเซลล์ที่มีอากาศต่างกันบนพื้นผิวของเกล็ด MXene ซึ่งผลิตออกซิเจนเนื่องจากคุณสมบัติในการสังเคราะห์แสงของพวกมันเป็นผลให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนทางชีวภาพ (ในกรณีนี้คือไนโอเบียมออกไซด์)อีกประการหนึ่งคือสาหร่ายขนาดเล็กสามารถผลิตกรดอินทรีย์ที่ปล่อยลงสู่น้ำ83,84ดังนั้น สภาพแวดล้อมที่ก้าวร้าวจึงก่อตัวขึ้น ซึ่งส่งผลให้ Nb-MXenes เปลี่ยนไปนอกจากนี้ สาหร่ายขนาดเล็กยังสามารถเปลี่ยนค่า pH ของสิ่งแวดล้อมให้เป็นด่างเนื่องจากการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งอาจทำให้เกิดการกัดกร่อน79 ได้เช่นกัน
ที่สำคัญกว่านั้น ช่วงแสงมืด/สว่างที่ใช้ในการศึกษาของเรามีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจผลลัพธ์ที่ได้ลักษณะนี้มีอธิบายโดยละเอียดใน Djemai-Zoghlache et alพวกเขาจงใจใช้ช่วงแสง 12/12 ชั่วโมงเพื่อแสดงการกัดกร่อนทางชีวภาพที่เกี่ยวข้องกับการเกิดคราบจุลินทรีย์โดยสาหร่ายขนาดเล็กสีแดง Porphyridium purpureumพวกเขาแสดงให้เห็นว่าช่วงแสงนั้นสัมพันธ์กับการวิวัฒนาการของศักยภาพที่ปราศจากการกัดกร่อนทางชีวภาพ โดยแสดงออกเป็นการสั่นแบบคาบหลอกในช่วงเวลาประมาณ 24:00 น.ข้อสังเกตเหล่านี้ได้รับการยืนยันโดย Dowling และคณะ86 พวกเขาแสดงฟิล์มชีวภาพสังเคราะห์แสงของไซยาโนแบคทีเรีย Anabaenaออกซิเจนที่ละลายน้ำจะเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของแสง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงหรือความผันผวนของศักยภาพในการกัดกร่อนทางชีวภาพอิสระความสำคัญของช่วงแสงถูกเน้นด้วยความจริงที่ว่าศักยภาพในการกัดกร่อนทางชีวภาพที่เพิ่มขึ้นในเฟสแสงและลดลงในเฟสมืดนี่เป็นเพราะออกซิเจนที่ผลิตโดยสาหร่ายขนาดเล็กที่สังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งมีอิทธิพลต่อปฏิกิริยาแคโทดิกผ่านความดันบางส่วนที่สร้างขึ้นใกล้กับขั้วไฟฟ้า 87
นอกจากนี้ ยังได้ดำเนินการฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (FTIR) เพื่อดูว่ามีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่เกิดขึ้นในองค์ประกอบทางเคมีของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหลังจากอันตรกิริยากับ Nb-MXenes หรือไม่ผลลัพธ์ที่ได้เหล่านี้มีความซับซ้อนและเรานำเสนอใน SI (ตัวเลข S23-S25 รวมถึงผลลัพธ์ของระยะ MAX และ ML MXenes)กล่าวโดยย่อ สเปกตรัมอ้างอิงที่ได้รับของสาหร่ายขนาดเล็กให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับลักษณะทางเคมีของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้แก่เราการสั่นสะเทือนที่เป็นไปได้มากที่สุดเหล่านี้อยู่ที่ความถี่ 1,060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1หนึ่ง.1 1 (C–H) และ 3280 cm–1 (O–H)สำหรับ SL Nb-MXenes เราพบลายเซ็นการยืดพันธะ CH ที่สอดคล้องกับการศึกษาก่อนหน้าของเราอย่างไรก็ตาม เราสังเกตเห็นว่าจุดสูงสุดเพิ่มเติมบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับพันธะ C=C และ CH หายไปสิ่งนี้บ่งชี้ว่าองค์ประกอบทางเคมีของสาหร่ายขนาดเล็กอาจมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเนื่องจากการโต้ตอบกับ SL Nb-MXenes
เมื่อพิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้ทางชีวเคมีของสาหร่ายขนาดเล็ก การสะสมของอนินทรีย์ออกไซด์ เช่น ไนโอเบียมออกไซด์ จำเป็นต้องได้รับการพิจารณาใหม่59มันเกี่ยวข้องกับการดูดซึมของโลหะโดยผิวเซลล์ การขนส่งของพวกมันไปยังไซโตพลาสซึม การเชื่อมโยงของพวกมันกับหมู่คาร์บอกซิลภายในเซลล์ และการสะสมของพวกมันในสาหร่ายโพลีฟอสโฟโซมขนาดเล็ก20,88,89,90นอกจากนี้ ความสัมพันธ์ระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กและโลหะยังได้รับการดูแลโดยกลุ่มการทำงานของเซลล์ด้วยเหตุนี้ การดูดซึมยังขึ้นอยู่กับเคมีพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็กซึ่งค่อนข้างซับซ้อน9,91โดยทั่วไปตามที่คาดไว้ องค์ประกอบทางเคมีของสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็กเปลี่ยนไปเล็กน้อยเนื่องจากการดูดซับของ Nb ออกไซด์
ที่น่าสนใจคือ การยับยั้งเริ่มต้นของสาหร่ายขนาดเล็กที่สังเกตได้นั้นสามารถย้อนกลับได้เมื่อเวลาผ่านไปตามที่เราสังเกตเห็น สาหร่ายขนาดเล็กสามารถเอาชนะการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมในช่วงแรกและในที่สุดก็กลับคืนสู่อัตราการเติบโตตามปกติและเพิ่มขึ้นอีกการศึกษาศักยภาพซีตาแสดงความคงตัวสูงเมื่อใส่ในอาหารเลี้ยงเชื้อดังนั้นปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวระหว่างเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กและเกล็ดนาโน Nb-MXene จึงยังคงอยู่ตลอดการทดลองการลดลงในการวิเคราะห์เพิ่มเติม เราได้สรุปกลไกการทำงานหลักที่อยู่ภายใต้พฤติกรรมที่โดดเด่นของสาหร่ายขนาดเล็ก
การสังเกต SEM แสดงให้เห็นว่าสาหร่ายขนาดเล็กมีแนวโน้มที่จะยึดติดกับ Nb-MXenesเมื่อใช้การวิเคราะห์ภาพแบบไดนามิก เราขอยืนยันว่าผลกระทบนี้นำไปสู่การเปลี่ยนรูปของเกล็ดนาโน Nb-MXene สองมิติให้เป็นอนุภาคทรงกลมมากขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการสลายตัวของเกล็ดนาโนเกี่ยวข้องกับการเกิดออกซิเดชันเพื่อทดสอบสมมติฐานของเรา เราได้ทำการศึกษาวัสดุและชีวเคมีชุดหนึ่งหลังจากการทดสอบ เกล็ดนาโนจะค่อยๆ ออกซิไดซ์และสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ NbO และ Nb2O5 ซึ่งไม่เป็นอันตรายต่อสาหร่ายสีเขียวจากการใช้การสังเกต FTIR เราไม่พบการเปลี่ยนแปลงที่มีนัยสำคัญในองค์ประกอบทางเคมีของสาหร่ายขนาดเล็กที่บ่มในที่ที่มีเกล็ดนาโน 2D Nb-MXeneโดยคำนึงถึงความเป็นไปได้ของการดูดซับไนโอเบียมออกไซด์โดยสาหร่ายขนาดเล็ก เราทำการวิเคราะห์การเรืองแสงด้วยรังสีเอกซ์ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าสาหร่ายขนาดเล็กที่ศึกษานั้นกินไนโอเบียมออกไซด์ (NbO และ Nb2O5) ซึ่งไม่เป็นพิษต่อสาหร่ายขนาดเล็กที่ทำการศึกษา