ขอบคุณที่เข้าชม Nature.com คุณกำลังใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันที่มีการรองรับ CSS จำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าเว็บไซต์จะยังคงได้รับการสนับสนุนต่อไป เราจะแสดงผลเว็บไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพสไลด์สามภาพพร้อมกัน ใช้ปุ่ม "ก่อนหน้า" และ "ถัดไป" เพื่อเลื่อนดูสไลด์ทีละสามภาพ หรือใช้ปุ่มเลื่อนที่ด้านท้ายเพื่อเลื่อนดูสไลด์ทีละสามภาพ
การพัฒนาอย่างรวดเร็วของนาโนเทคโนโลยีและการบูรณาการเข้ากับการใช้งานในชีวิตประจำวันอาจเป็นภัยคุกคามต่อสิ่งแวดล้อม ในขณะที่วิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการย่อยสลายสารปนเปื้อนอินทรีย์นั้นเป็นที่ยอมรับกันดีแล้ว การฟื้นฟูสารปนเปื้อนผลึกอนินทรีย์ยังคงเป็นปัญหาสำคัญเนื่องจากมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพต่ำและขาดความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิววัสดุกับชีวภาพ ในที่นี้ เราใช้แบบจำลอง MXenes อนินทรีย์ 2 มิติที่ใช้ Nb เป็นองค์ประกอบหลัก ร่วมกับวิธีการวิเคราะห์พารามิเตอร์รูปร่างอย่างง่าย เพื่อติดตามกลไกการบำบัดทางชีวภาพของวัสดุนาโนเซรามิก 2 มิติโดยสาหร่ายขนาดเล็กสีเขียว Raphidocelis subcapitata เราพบว่าสาหร่ายขนาดเล็กย่อยสลาย MXenes ที่ใช้ Nb เป็นองค์ประกอบหลักเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพและเคมีที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิว ในขั้นต้น นาโนเฟลค MXene แบบชั้นเดียวและหลายชั้นจะเกาะติดกับพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็ก ซึ่งช่วยลดการเจริญเติบโตของสาหร่ายได้บ้าง อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวเป็นเวลานาน สาหร่ายขนาดเล็กจะออกซิไดซ์นาโนเฟลค MXene และย่อยสลายต่อไปเป็น NbO และ Nb2O5 เนื่องจากออกไซด์เหล่านี้ไม่เป็นพิษต่อเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก พวกมันจึงบริโภคอนุภาคนาโนออกไซด์ของไนโอเบียมโดยกลไกการดูดซึม ซึ่งช่วยฟื้นฟูสาหร่ายขนาดเล็กหลังจากบำบัดน้ำเป็นเวลา 72 ชั่วโมง ผลกระทบของสารอาหารที่เกี่ยวข้องกับการดูดซึมยังสะท้อนให้เห็นในการเพิ่มขึ้นของปริมาตรเซลล์ รูปร่างที่เรียบเนียน และการเปลี่ยนแปลงอัตราการเจริญเติบโต จากผลการค้นพบเหล่านี้ เราสรุปได้ว่าการมีอยู่ของ MXenes ที่มีไนโอเบียมเป็นองค์ประกอบในระบบนิเวศน้ำจืดทั้งในระยะสั้นและระยะยาวอาจก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อย เป็นที่น่าสังเกตว่า การใช้วัสดุนาโนสองมิติเป็นระบบจำลอง เราได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการติดตามการเปลี่ยนแปลงรูปร่างแม้ในวัสดุที่มีขนาดเล็กมาก โดยรวมแล้ว การศึกษานี้ตอบคำถามพื้นฐานที่สำคัญเกี่ยวกับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวซึ่งขับเคลื่อนกลไกการบำบัดทางชีวภาพของวัสดุนาโนสองมิติ และเป็นพื้นฐานสำหรับการศึกษาเพิ่มเติมในระยะสั้นและระยะยาวเกี่ยวกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของวัสดุนาโนผลึกอนินทรีย์
วัสดุนาโนได้รับความสนใจอย่างมากนับตั้งแต่การค้นพบ และเทคโนโลยีนาโนต่างๆ ก็ได้เข้าสู่ช่วงการพัฒนาที่ทันสมัยขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้¹ อย่างไรก็ตาม การนำวัสดุนาโนมาใช้ในชีวิตประจำวันอาจนำไปสู่การปล่อยสารโดยไม่ตั้งใจเนื่องจากการกำจัดที่ไม่เหมาะสม การจัดการที่ไม่ระมัดระวัง หรือโครงสร้างพื้นฐานด้านความปลอดภัยที่ไม่เพียงพอ ดังนั้น จึงเป็นเรื่องสมเหตุสมผลที่จะสันนิษฐานว่าวัสดุนาโน รวมถึงวัสดุนาโนสองมิติ (2D) สามารถถูกปล่อยสู่สิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติ ซึ่งพฤติกรรมและกิจกรรมทางชีวภาพของวัสดุเหล่านี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ ด้วยเหตุนี้ จึงไม่น่าแปลกใจที่ความกังวลเกี่ยวกับความเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมได้มุ่งเน้นไปที่ความสามารถของวัสดุนาโน 2D ในการซึมลงสู่ระบบนิเวศทางน้ำ^2,3,4,5,6 ในระบบนิเวศเหล่านี้ วัสดุนาโน 2D บางชนิดสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งมีชีวิตต่างๆ ในระดับโภชนาการที่แตกต่างกัน รวมถึงสาหร่ายขนาดเล็ก
สาหร่ายขนาดเล็กเป็นสิ่งมีชีวิตดั้งเดิมที่พบได้ตามธรรมชาติในระบบนิเวศน้ำจืดและน้ำทะเล ซึ่งผลิตสารเคมีหลากหลายชนิดผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสง7 ด้วยเหตุนี้ พวกมันจึงมีความสำคัญต่อระบบนิเวศทางน้ำ8,9,10,11,12 แต่ก็ยังมีความไว ราคาไม่แพง และเป็นตัวบ่งชี้ความเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย13,14 เนื่องจากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กขยายพันธุ์ได้อย่างรวดเร็วและตอบสนองต่อสารประกอบต่างๆ ได้อย่างรวดเร็ว พวกมันจึงมีศักยภาพในการพัฒนาวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการบำบัดน้ำที่ปนเปื้อนสารอินทรีย์15,16
เซลล์สาหร่ายสามารถกำจัดไอออนอนินทรีย์ออกจากน้ำได้ผ่านกระบวนการดูดซับทางชีวภาพและการสะสม17,18 สาหร่ายบางชนิด เช่น Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue และ Synechococcus sp. พบว่าสามารถขนส่งและแม้กระทั่งบำรุงเลี้ยงไอออนโลหะที่เป็นพิษ เช่น Fe2+, Cu2+, Zn2+ และ Mn2+19 การศึกษาอื่นๆ แสดงให้เห็นว่าไอออน Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ หรือ Pb2+ จำกัดการเจริญเติบโตของ Scenedesmus โดยการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์และทำลายคลอโรพลาสต์20,21
วิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์และการกำจัดไอออนโลหะหนักได้รับความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรทั่วโลกเป็นอย่างมาก เนื่องจากสารปนเปื้อนเหล่านี้สามารถจัดการได้ง่ายในสถานะของเหลว อย่างไรก็ตาม สารมลพิษผลึกอนินทรีย์มีลักษณะละลายน้ำได้น้อยและมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพต่ำ ซึ่งทำให้การบำบัดเป็นไปได้ยาก และความคืบหน้าในด้านนี้ยังไม่มากนัก22,23,24,25,26 ดังนั้น การค้นหาวิธีการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการซ่อมแซมวัสดุนาโนจึงยังคงเป็นเรื่องที่ซับซ้อนและยังไม่ได้รับการสำรวจอย่างเพียงพอ เนื่องจากมีความไม่แน่นอนสูงเกี่ยวกับผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพของวัสดุนาโน 2 มิติ จึงไม่มีวิธีง่ายๆ ที่จะค้นหาเส้นทางที่เป็นไปได้ของการย่อยสลายระหว่างการลด
ในการศึกษาครั้งนี้ เราใช้สาหร่ายสีเขียวขนาดเล็กเป็นสารชีวบำบัดในน้ำที่มีประสิทธิภาพสำหรับวัสดุเซรามิกอนินทรีย์ ร่วมกับการตรวจสอบกระบวนการย่อยสลายของ MXene ซึ่งเป็นตัวแทนของวัสดุเซรามิกอนินทรีย์ คำว่า “MXene” สะท้อนถึงสัดส่วนทางเคมีของวัสดุ Mn+1XnTx โดยที่ M คือโลหะทรานซิชันช่วงต้น X คือคาร์บอนและ/หรือไนโตรเจน Tx คือสารหยุดปฏิกิริยาบนพื้นผิว (เช่น -OH, -F, -Cl) และ n = 1, 2, 3 หรือ 427.28 นับตั้งแต่การค้นพบ MXenes โดย Naguib และคณะ เซนเซอร์ การบำบัดมะเร็ง และการกรองเมมเบรน 27,29,30 นอกจากนี้ MXenes ยังสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นระบบ 2 มิติแบบจำลองเนื่องจากความเสถียรของคอลลอยด์ที่ดีเยี่ยมและปฏิสัมพันธ์ทางชีวภาพที่เป็นไปได้31,32,33,34,35,36
ดังนั้น ระเบียบวิธีที่พัฒนาขึ้นในบทความนี้และสมมติฐานการวิจัยของเราจึงแสดงไว้ในรูปที่ 1 ตามสมมติฐานนี้ สาหร่ายขนาดเล็กจะย่อยสลาย MXenes ที่มีไนโอเบียมเป็นองค์ประกอบหลักให้กลายเป็นสารประกอบที่ไม่เป็นพิษเนื่องจากปฏิกิริยาทางกายภาพและเคมีที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิว ซึ่งช่วยให้สามารถนำสาหร่ายกลับมาใช้ประโยชน์ได้ต่อไป เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ จึงได้เลือก MXenes สองชนิดในกลุ่มคาร์ไบด์และ/หรือไนไตรด์ของโลหะทรานซิชันที่มีไนโอเบียมเป็นองค์ประกอบหลักในยุคแรก ได้แก่ Nb2CTx และ Nb4C3TX
ระเบียบวิธีวิจัยและสมมติฐานที่อิงตามหลักฐานสำหรับการฟื้นฟู MXene โดยสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็ก Raphidocelis subcapitata โปรดทราบว่านี่เป็นเพียงแผนภาพแสดงสมมติฐานที่อิงตามหลักฐานเท่านั้น สภาพแวดล้อมของทะเลสาบจะแตกต่างกันไปตามตัวกลางทางโภชนาการที่ใช้และเงื่อนไขต่างๆ (เช่น วัฏจักรรายวันและข้อจำกัดของสารอาหารที่จำเป็นที่มีอยู่) สร้างด้วย BioRender.com
ดังนั้น การใช้ MXene เป็นระบบแบบจำลอง จึงเปิดประตูสู่การศึกษาผลกระทบทางชีวภาพต่างๆ ที่ไม่สามารถสังเกตได้จากวัสดุนาโนแบบดั้งเดิมอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการบำบัดทางชีวภาพของวัสดุนาโนสองมิติ เช่น MXene ที่มีไนโอเบียมเป็นองค์ประกอบ โดยสาหร่ายขนาดเล็ก Raphidocelis subcapitata สาหร่ายขนาดเล็กเหล่านี้สามารถย่อยสลาย Nb-MXene ให้กลายเป็นออกไซด์ที่ไม่เป็นพิษอย่าง NbO และ Nb2O5 ซึ่งยังให้สารอาหารผ่านกลไกการดูดซึมไนโอเบียม โดยรวมแล้ว การศึกษานี้ตอบคำถามพื้นฐานที่สำคัญเกี่ยวกับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมีกายภาพของพื้นผิวที่ควบคุมกลไกการบำบัดทางชีวภาพของวัสดุนาโนสองมิติ นอกจากนี้ เรากำลังพัฒนาวิธีการที่ง่ายโดยใช้พารามิเตอร์รูปร่างเพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในรูปร่างของวัสดุนาโนสองมิติ ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจให้เกิดการวิจัยเพิ่มเติมในระยะสั้นและระยะยาวเกี่ยวกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่างๆ ของวัสดุนาโนผลึกอนินทรีย์ ดังนั้น งานวิจัยของเราจึงช่วยเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับการปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิววัสดุและวัสดุชีวภาพ นอกจากนี้ เรายังได้วางรากฐานสำหรับการศึกษาในระยะสั้นและระยะยาวเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อระบบนิเวศน้ำจืด ซึ่งสามารถตรวจสอบได้อย่างง่ายดายในขณะนี้
MXenes เป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่น่าสนใจ มีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์และน่าดึงดูดใจ จึงมีศักยภาพในการใช้งานมากมาย คุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับสัดส่วนทางเคมีและเคมีพื้นผิวเป็นอย่างมาก ดังนั้น ในการศึกษาของเรา เราจึงได้ตรวจสอบ MXenes แบบชั้นเดียว (SL) ที่มีไนโอเบียมเป็นองค์ประกอบหลัก 2 ชนิด ได้แก่ Nb2CTx และ Nb4C3TX เนื่องจากสามารถสังเกตผลกระทบทางชีวภาพที่แตกต่างกันของวัสดุนาโนเหล่านี้ได้ MXenes ผลิตขึ้นจากวัสดุเริ่มต้นโดยการกัดกร่อนแบบเลือกเฉพาะจากบนลงล่างของชั้น A ของเฟส MAX ที่บางระดับอะตอม เฟส MAX เป็นเซรามิกสามองค์ประกอบที่ประกอบด้วยบล็อกของคาร์ไบด์โลหะทรานซิชันที่ "ยึดติด" และชั้นบางๆ ของธาตุ "A" เช่น Al, Si และ Sn ที่มีสัดส่วนทางเคมี MnAXn-1 สัณฐานวิทยาของเฟส MAX เริ่มต้นถูกสังเกตโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) และสอดคล้องกับการศึกษาครั้งก่อนๆ (ดูข้อมูลเพิ่มเติม รูปที่ S1) Nb-MXene แบบหลายชั้น (ML) ได้รับหลังจากกำจัดชั้น Al ด้วย HF (กรดไฮโดรฟลูออริก) 48% ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของ ML-Nb2CTx และ ML-Nb4C3TX ได้รับการตรวจสอบโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) (รูปที่ S1c และ S1d ตามลำดับ) และพบว่ามีลักษณะทางสัณฐานวิทยาของ MXene แบบเป็นชั้นทั่วไป คล้ายกับนาโนเฟลคสองมิติที่ผ่านช่องแคบคล้ายรูพรุนยาว Nb-MXene ทั้งสองชนิดมีลักษณะร่วมกันหลายอย่างกับเฟส MXene ที่สังเคราะห์ก่อนหน้านี้โดยการกัดด้วยกรด27,38 หลังจากยืนยันโครงสร้างของ MXene แล้ว เราได้สร้างชั้นของมันโดยการแทรกเตตระบิวทิลแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์ (TBAOH) ตามด้วยการล้างและการใช้คลื่นเสียง หลังจากนั้นเราได้นาโนเฟลค Nb-MXene แบบชั้นเดียวหรือชั้นต่ำ (SL) สองมิติ
เราใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) และการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของการกัดเซาะและการลอกเพิ่มเติม ผลลัพธ์ HRTEM ที่ประมวลผลโดยใช้การแปลงฟูริเยร์ผกผันแบบเร็ว (IFFT) และการแปลงฟูริเยร์แบบเร็ว (FFT) แสดงในรูปที่ 2 นาโนเฟลค Nb-MXene ถูกจัดวางโดยให้ขอบหงายขึ้นเพื่อตรวจสอบโครงสร้างของชั้นอะตอมและวัดระยะห่างระหว่างระนาบ ภาพ HRTEM ของนาโนเฟลค MXene Nb2CTx และ Nb4C3TX เผยให้เห็นลักษณะที่เป็นชั้นบางระดับอะตอม (ดูรูปที่ 2a1, a2) ดังที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้โดย Naguib et al.27 และ Jastrzębska et al.38 สำหรับโมโนเลเยอร์ Nb2CTx และ Nb4C3Tx ที่อยู่ติดกันสองชั้น เราได้กำหนดระยะห่างระหว่างชั้นไว้ที่ 0.74 และ 1.54 นาโนเมตร ตามลำดับ (รูปที่ 2b1,b2) ซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ของเรา38 สิ่งนี้ได้รับการยืนยันเพิ่มเติมโดยการแปลงฟูริเยร์ผกผันแบบเร็ว (รูปที่ 2c1, c2) และการแปลงฟูริเยร์แบบเร็ว (รูปที่ 2d1, d2) ที่แสดงระยะห่างระหว่างโมโนเลเยอร์ Nb2CTx และ Nb4C3Tx ภาพแสดงแถบสีอ่อนและสีเข้มสลับกัน ซึ่งสอดคล้องกับอะตอมของไนโอเบียมและคาร์บอน ซึ่งยืนยันลักษณะเป็นชั้นของ MXenes ที่ศึกษา สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ สเปกตรัมการวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDX) ที่ได้สำหรับ Nb2CTx และ Nb4C3Tx (รูปที่ S2a และ S2b) ไม่แสดงร่องรอยของเฟส MAX ดั้งเดิม เนื่องจากไม่พบพีคของ Al
การวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของนาโนเฟลค SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXene รวมถึง (a) ภาพนาโนเฟลค 2 มิติแบบมองด้านข้างจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูง (HRTEM) และ (b) โหมดความเข้มที่สอดคล้องกัน (c) การแปลงฟูริเยร์ผกผันแบบเร็ว (IFFT) (d) การแปลงฟูริเยร์แบบเร็ว (FFT) (e) รูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของ Nb-MXenes สำหรับ SL 2D Nb2CTx ตัวเลขจะแสดงเป็น (a1, b1, c1, d1, e1) สำหรับ SL 2D Nb4C3Tx ตัวเลขจะแสดงเป็น (a2, b2, c2, d2, e1)
ผลการวัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของ SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXenes แสดงในรูปที่ 2e1 และ e2 ตามลำดับ พีค (002) ที่ 4.31 และ 4.32 สอดคล้องกับ MXenes แบบชั้น Nb2CTx และ Nb4C3TX38,39,40,41 ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ตามลำดับ ผลการวิเคราะห์ XRD ยังบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของโครงสร้าง ML และเฟส MAX ที่เหลืออยู่บ้าง แต่ส่วนใหญ่เป็นรูปแบบ XRD ที่เกี่ยวข้องกับ SL Nb4C3Tx (รูปที่ 2e2) การมีอยู่ของอนุภาคขนาดเล็กของเฟส MAX อาจอธิบายพีค MAX ที่แข็งแกร่งกว่าเมื่อเทียบกับชั้น Nb4C3Tx ที่เรียงซ้อนกันแบบสุ่ม
งานวิจัยเพิ่มเติมมุ่งเน้นไปที่สาหร่ายขนาดเล็กสีเขียวที่อยู่ในสายพันธุ์ R. subcapitata เราเลือกสาหร่ายขนาดเล็กเพราะพวกมันเป็นผู้ผลิตที่สำคัญที่เกี่ยวข้องกับห่วงโซ่อาหารหลัก42 พวกมันยังเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้ความเป็นพิษที่ดีที่สุดเนื่องจากความสามารถในการกำจัดสารพิษที่ถูกนำไปยังระดับที่สูงขึ้นของห่วงโซ่อาหาร43 ยิ่งไปกว่านั้น การวิจัยเกี่ยวกับ R. subcapitata อาจช่วยให้เข้าใจถึงความเป็นพิษโดยบังเอิญของ SL Nb-MXenes ต่อจุลินทรีย์น้ำจืดทั่วไป เพื่อแสดงให้เห็นถึงเรื่องนี้ นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าจุลินทรีย์แต่ละชนิดมีความไวต่อสารพิษที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมแตกต่างกัน สำหรับสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ ความเข้มข้นต่ำของสารจะไม่ส่งผลกระทบต่อการเจริญเติบโต ในขณะที่ความเข้มข้นที่สูงกว่าขีดจำกัดที่กำหนดอาจยับยั้งหรือถึงขั้นทำให้ตายได้ ดังนั้น สำหรับการศึกษาปฏิสัมพันธ์บนพื้นผิวระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กและ MXenes และการฟื้นตัวที่เกี่ยวข้อง เราจึงตัดสินใจทดสอบความเข้มข้นของ Nb-MXenes ทั้งในระดับที่ไม่เป็นอันตรายและเป็นพิษ เพื่อจุดประสงค์นี้ เราได้ทดสอบความเข้มข้นของ MXene ที่ 0 (เป็นค่าอ้างอิง), 0.01, 0.1 และ 10 มิลลิกรัมต่อลิตร และยังได้ทดลองกับสาหร่ายขนาดเล็กที่ติดเชื้อ MXene ในความเข้มข้นสูงมาก (100 มิลลิกรัมต่อลิตร) ซึ่งอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตต่อสภาพแวดล้อมทางชีวภาพใดๆ ก็ได้
ผลกระทบของ SL Nb-MXenes ต่อสาหร่ายขนาดเล็กแสดงในรูปที่ 3 โดยแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของการส่งเสริมการเจริญเติบโต (+) หรือการยับยั้ง (-) ที่วัดได้จากตัวอย่าง 0 มก./ลิตร เพื่อเปรียบเทียบ ได้มีการทดสอบเฟส Nb-MAX และ ML Nb-MXenes ด้วย และผลลัพธ์แสดงในเอกสารเสริม (ดูรูปที่ S3) ผลลัพธ์ที่ได้ยืนยันว่า SL Nb-MXenes แทบไม่มีความเป็นพิษเลยในช่วงความเข้มข้นต่ำตั้งแต่ 0.01 ถึง 10 มก./ลิตร ดังแสดงในรูปที่ 3a,b ในกรณีของ Nb2CTx เราพบความเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมไม่เกิน 5% ในช่วงที่กำหนด
การกระตุ้น (+) หรือการยับยั้ง (-) การเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กใน présence ของ SL (a) Nb2CTx และ (b) Nb4C3TX MXene วิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ระหว่าง MXene กับสาหร่ายขนาดเล็กเป็นเวลา 24, 48 และ 72 ชั่วโมง ข้อมูลที่มีนัยสำคัญทางสถิติ (t-test, p < 0.05) จะถูกทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมายดอกจัน (*). ข้อมูลที่มีนัยสำคัญทางสถิติ (t-test, p < 0.05) จะถูกทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมายดอกจัน (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*) ข้อมูลที่มีนัยสำคัญทางสถิติ (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 (การทดสอบ t, p < 0.05) จะถูกทำเครื่องหมายด้วยเครื่องหมายดอกจัน (*)ลูกศรสีแดงแสดงถึงการยกเลิกการกระตุ้นยับยั้ง
ในทางกลับกัน พบว่า Nb4C3TX ที่ความเข้มข้นต่ำมีความเป็นพิษมากกว่าเล็กน้อย แต่ไม่เกิน 7% ตามที่คาดไว้ เราพบว่า MXenes มีความเป็นพิษและยับยั้งการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กได้มากขึ้นที่ความเข้มข้น 100 มก./ลิตร ที่น่าสนใจคือ ไม่มีวัสดุใดแสดงแนวโน้มและความสัมพันธ์กับเวลาของผลกระทบที่เป็นพิษ/ไม่เป็นพิษเหมือนกับตัวอย่าง MAX หรือ ML (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมใน SI) ในขณะที่สำหรับเฟส MAX (ดูรูป S3) ความเป็นพิษสูงถึงประมาณ 15–25% และเพิ่มขึ้นตามเวลา แต่กลับพบแนวโน้มตรงกันข้ามสำหรับ SL Nb2CTx และ Nb4C3TX MXene การยับยั้งการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กลดลงตามเวลา โดยสูงถึงประมาณ 17% หลังจาก 24 ชั่วโมง และลดลงเหลือต่ำกว่า 5% หลังจาก 72 ชั่วโมง (รูปที่ 3a และ 3b ตามลำดับ)
ที่สำคัญกว่านั้น สำหรับ SL Nb4C3TX การยับยั้งการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กสูงถึงประมาณ 27% หลังจาก 24 ชั่วโมง แต่หลังจาก 72 ชั่วโมงลดลงเหลือประมาณ 1% ดังนั้น เราจึงเรียกผลที่สังเกตได้ว่าเป็นการยับยั้งแบบผกผันของการกระตุ้น และผลดังกล่าวรุนแรงกว่าสำหรับ SL Nb4C3TX MXene การกระตุ้นการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กถูกสังเกตได้เร็วกว่าด้วย Nb4C3TX (ปฏิกิริยาที่ 10 mg L-1 เป็นเวลา 24 ชั่วโมง) เมื่อเทียบกับ SL Nb2CTx MXene ผลการผกผันของการยับยั้งและการกระตุ้นยังแสดงให้เห็นได้ชัดเจนในเส้นโค้งอัตราการเพิ่มมวลชีวภาพเป็นสองเท่า (ดูรายละเอียดในรูปที่ S4) จนถึงขณะนี้ มีเพียงความเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมของ Ti3C2TX MXene เท่านั้นที่ได้รับการศึกษาในหลายวิธี มันไม่เป็นพิษต่อตัวอ่อนปลาซีบราฟิช44 แต่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมในระดับปานกลางต่อสาหร่ายขนาดเล็ก Desmodesmus quadricauda และพืช Sorghum saccharatum45 ตัวอย่างอื่นๆ ของผลกระทบเฉพาะเจาะจง ได้แก่ ความเป็นพิษต่อเซลล์มะเร็งมากกว่าเซลล์ปกติ46,47 อาจสันนิษฐานได้ว่าสภาวะการทดสอบจะมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงในการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กที่สังเกตได้ใน présence ของ Nb-MXenes ตัวอย่างเช่น ค่า pH ประมาณ 8 ในสโตรมาของคลอโรพลาสต์นั้นเหมาะสมที่สุดสำหรับการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพของเอนไซม์ RuBisCO ดังนั้น การเปลี่ยนแปลง pH จึงส่งผลเสียต่ออัตราการสังเคราะห์แสง48,49 อย่างไรก็ตาม เราไม่พบการเปลี่ยนแปลง pH อย่างมีนัยสำคัญในระหว่างการทดลอง (ดูรายละเอียดใน SI, รูปที่ S5) โดยทั่วไปแล้ว การเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กที่มี Nb-MXenes จะทำให้ค่า pH ของสารละลายลดลงเล็กน้อยเมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ตาม การลดลงนี้คล้ายกับการเปลี่ยนแปลง pH ของตัวกลางบริสุทธิ์ นอกจากนี้ ช่วงของการเปลี่ยนแปลงที่พบยังคล้ายกับที่วัดได้สำหรับการเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กบริสุทธิ์ (ตัวอย่างควบคุม) ดังนั้น เราจึงสรุปได้ว่าการสังเคราะห์แสงไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลง pH เมื่อเวลาผ่านไป
นอกจากนี้ MXenes ที่สังเคราะห์ขึ้นยังมีหมู่ฟังก์ชันที่พื้นผิว (ระบุด้วย Tx) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นหมู่ฟังก์ชัน -O, -F และ -OH อย่างไรก็ตาม เคมีของพื้นผิวมีความสัมพันธ์โดยตรงกับวิธีการสังเคราะห์ หมู่ฟังก์ชันเหล่านี้เป็นที่ทราบกันดีว่ากระจายตัวแบบสุ่มทั่วพื้นผิว ทำให้ยากที่จะคาดเดาผลกระทบต่อคุณสมบัติของ MXene50 อาจกล่าวได้ว่า Tx อาจเป็นแรงเร่งปฏิกิริยาสำหรับการออกซิเดชันของไนโอเบียมด้วยแสง หมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวให้จุดยึดหลายจุดสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาแสงที่อยู่ด้านล่างเพื่อสร้างเฮเทอโรจังก์ชัน51 อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบของตัวกลางการเจริญเติบโตไม่ได้ให้ตัวเร่งปฏิกิริยาแสงที่มีประสิทธิภาพ (สามารถดูรายละเอียดองค์ประกอบของตัวกลางได้ในตารางเสริม S6) นอกจากนี้ การดัดแปลงพื้นผิวใดๆ ก็มีความสำคัญมากเช่นกัน เนื่องจากกิจกรรมทางชีวภาพของ MXenes อาจเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากการประมวลผลหลังการสังเคราะห์ชั้น การออกซิเดชัน การดัดแปลงพื้นผิวทางเคมีของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์52,53,54,55,56 หรือวิศวกรรมประจุพื้นผิว38 ดังนั้น เพื่อทดสอบว่าไนโอเบียมออกไซด์มีส่วนเกี่ยวข้องกับความไม่เสถียรของวัสดุในตัวกลางหรือไม่ เราจึงทำการศึกษาศักย์ซีตา (ζ) ในตัวกลางการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กและน้ำปราศจากไอออน (เพื่อเปรียบเทียบ) ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่า SL Nb-MXenes มีความเสถียรพอสมควร (ดูรูปที่ S6 ในเอกสารเสริมสำหรับผลลัพธ์ MAX และ ML) ศักย์ซีตาของ SL MXenes อยู่ที่ประมาณ -10 mV ในกรณีของ SR Nb2CTx ค่าของ ζ จะเป็นลบมากกว่า Nb4C3Tx เล็กน้อย การเปลี่ยนแปลงของค่า ζ ดังกล่าวอาจบ่งชี้ว่าพื้นผิวของนาโนเฟลค MXene ที่มีประจุลบดูดซับไอออนที่มีประจุบวกจากตัวกลางการเพาะเลี้ยง การวัดศักย์ซีตาและการนำไฟฟ้าของ Nb-MXenes ในตัวกลางการเพาะเลี้ยงตามเวลา (ดูรูปที่ S7 และ S8 ในเอกสารเสริมสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม) ดูเหมือนจะสนับสนุนสมมติฐานของเรา
อย่างไรก็ตาม SL ของ Nb-MXene ทั้งสองชนิดแสดงการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยจากศูนย์ ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความเสถียรในตัวกลางการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็ก นอกจากนี้ เรายังประเมินว่าการมีอยู่ของสาหร่ายสีเขียวของเราจะส่งผลต่อความเสถียรของ Nb-MXene ในตัวกลางหรือไม่ ผลลัพธ์ของศักย์ซีตาและการนำไฟฟ้าของ MXene หลังจากปฏิสัมพันธ์กับสาหร่ายขนาดเล็กในตัวกลางธาตุอาหารและวัฒนธรรมเมื่อเวลาผ่านไป สามารถดูได้ในเอกสารเสริม (รูปที่ S9 และ S10) ที่น่าสนใจคือ เราสังเกตเห็นว่าการมีอยู่ของสาหร่ายขนาดเล็กดูเหมือนจะช่วยให้การกระจายตัวของ MXene ทั้งสองชนิดมีความเสถียรมากขึ้น ในกรณีของ SL Nb2CTx ศักย์ซีตาลดลงเล็กน้อยเมื่อเวลาผ่านไปเป็นค่าลบมากขึ้น (-15.8 เทียบกับ -19.1 mV หลังจากบ่ม 72 ชั่วโมง) ศักย์ซีตาของ SL Nb4C3TX เพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่หลังจาก 72 ชั่วโมงก็ยังคงแสดงความเสถียรที่สูงกว่านาโนเฟลคที่ไม่มีสาหร่ายขนาดเล็ก (-18.1 เทียบกับ -9.1 mV)
นอกจากนี้ เรายังพบว่าสารละลาย Nb-MXene ที่บ่มในที่ที่มีไมโครอัลgae มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่ามีปริมาณไอออนในตัวกลางธาตุอาหารน้อยลง ที่น่าสังเกตคือ ความไม่เสถียรของ MXene ในน้ำส่วนใหญ่เกิดจากการออกซิเดชันที่พื้นผิว57 ดังนั้น เราจึงสงสัยว่าไมโครอัลgae สีเขียวได้กำจัดออกไซด์ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของ Nb-MXene และอาจป้องกันการเกิดออกไซด์ (การออกซิเดชันของ MXene) ได้ด้วย ซึ่งสามารถเห็นได้จากการศึกษาชนิดของสารที่ไมโครอัลgae ดูดซับ
ในขณะที่การศึกษาพิษวิทยาต่อสิ่งแวดล้อมของเราบ่งชี้ว่าสาหร่ายขนาดเล็กสามารถเอาชนะความเป็นพิษของ Nb-MXenes ได้เมื่อเวลาผ่านไป และการยับยั้งการเจริญเติบโตที่ถูกกระตุ้นอย่างผิดปกติ จุดมุ่งหมายของการศึกษาของเราคือการตรวจสอบกลไกการออกฤทธิ์ที่เป็นไปได้ เมื่อสิ่งมีชีวิตเช่นสาหร่ายสัมผัสกับสารประกอบหรือวัสดุที่ไม่คุ้นเคยกับระบบนิเวศของพวกมัน พวกมันอาจมีปฏิกิริยาได้หลายวิธี58,59 ในกรณีที่ไม่มีออกไซด์ของโลหะที่เป็นพิษ สาหร่ายขนาดเล็กสามารถหาอาหารได้เอง ทำให้พวกมันเติบโตได้อย่างต่อเนื่อง60 หลังจากรับประทานสารพิษ กลไกการป้องกันอาจถูกกระตุ้น เช่น การเปลี่ยนรูปร่างหรือรูปแบบ ความเป็นไปได้ของการดูดซึมก็ต้องนำมาพิจารณาด้วยเช่นกัน58,59 ที่สำคัญ สัญญาณใด ๆ ของกลไกการป้องกันเป็นตัวบ่งชี้ที่ชัดเจนถึงความเป็นพิษของสารประกอบที่ทดสอบ ดังนั้น ในงานเพิ่มเติมของเรา เราจึงตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวระหว่างนาโนเฟลค SL Nb-MXene และสาหร่ายขนาดเล็กโดยใช้ SEM และการดูดซึมที่เป็นไปได้ของ MXene ที่มี Nb เป็นองค์ประกอบโดยใช้สเปกโทรสโกปีฟลูออเรสเซนซ์รังสีเอกซ์ (XRF) โปรดทราบว่า การวิเคราะห์ SEM และ XRF ดำเนินการเฉพาะที่ความเข้มข้นสูงสุดของ MXene เท่านั้น เพื่อแก้ไขปัญหาความเป็นพิษที่อาจเกิดขึ้น
ผลการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) แสดงในรูปที่ 4 เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่ไม่ผ่านการบำบัด (ดูรูปที่ 4a ตัวอย่างอ้างอิง) แสดงให้เห็นลักษณะทางสัณฐานวิทยาและรูปร่างเซลล์คล้ายครัวซองต์ของ R. subcapitata อย่างชัดเจน เซลล์มีลักษณะแบนและไม่เป็นระเบียบเล็กน้อย เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบางส่วนซ้อนทับและพันกัน แต่คาดว่าเกิดจากกระบวนการเตรียมตัวอย่าง โดยทั่วไปแล้ว เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กที่บริสุทธิ์จะมีพื้นผิวเรียบและไม่แสดงการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาใดๆ
ภาพถ่าย SEM แสดงปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวของสาหร่ายสีเขียวและแผ่นนาโน MXene หลังจากปฏิสัมพันธ์นาน 72 ชั่วโมงที่ความเข้มข้นสูง (100 มก./ลิตร) (a) สาหร่ายสีเขียวที่ไม่ได้รับการบำบัดหลังจากปฏิสัมพันธ์กับ SL (b) Nb2CTx และ (c) Nb4C3TX MXenes โปรดสังเกตว่าแผ่นนาโน Nb-MXene ถูกทำเครื่องหมายด้วยลูกศรสีแดง เพื่อเปรียบเทียบ ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงก็ถูกเพิ่มเข้ามาด้วย
ในทางตรงกันข้าม เซลล์ไมโครอัลเกที่ถูกดูดซับโดยนาโนเฟลค SL Nb-MXene ได้รับความเสียหาย (ดูรูปที่ 4b, c ลูกศรสีแดง) ในกรณีของ Nb2CTx MXene (รูปที่ 4b) ไมโครอัลเกมีแนวโน้มที่จะเติบโตโดยมีนาโนสเกลสองมิติที่ยึดติดอยู่ ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างของพวกมันได้ ที่น่าสังเกตคือ เรายังสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (ดูรายละเอียดในรูปที่ S11 ในเอกสารเสริม) การเปลี่ยนแปลงรูปร่างนี้มีพื้นฐานที่สมเหตุสมผลในสรีรวิทยาของไมโครอัลเกและความสามารถในการป้องกันตัวเองโดยการเปลี่ยนรูปร่างของเซลล์ เช่น การเพิ่มปริมาตรของเซลล์61 ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องตรวจสอบจำนวนเซลล์ไมโครอัลเกที่สัมผัสกับ Nb-MXenes จริงๆ การศึกษา SEM แสดงให้เห็นว่าประมาณ 52% ของเซลล์ไมโครอัลเกสัมผัสกับ Nb-MXenes ในขณะที่ 48% ของเซลล์ไมโครอัลเกเหล่านี้หลีกเลี่ยงการสัมผัส สำหรับ SL Nb4C3Tx MXene สาหร่ายขนาดเล็กพยายามหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับ MXene จึงทำให้เกิดการกระจายตัวและเจริญเติบโตจากระดับนาโนแบบสองมิติ (รูปที่ 4c) อย่างไรก็ตาม เราไม่พบการแทรกซึมของระดับนาโนเข้าไปในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กและความเสียหายที่เกิดขึ้นกับเซลล์เหล่านั้น
การรักษาตัวเองยังเป็นพฤติกรรมตอบสนองที่ขึ้นอยู่กับเวลาต่อการปิดกั้นการสังเคราะห์แสงอันเนื่องมาจากการดูดซับอนุภาคบนพื้นผิวเซลล์และสิ่งที่เรียกว่าผลกระทบจากการบังแสง (shading effect)62 เป็นที่ชัดเจนว่าวัตถุแต่ละชิ้น (เช่น นาโนเฟลค Nb-MXene) ที่อยู่ระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กและแหล่งกำเนิดแสงจะจำกัดปริมาณแสงที่คลอโรพลาสต์ดูดซับ อย่างไรก็ตาม เราไม่สงสัยเลยว่าสิ่งนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อผลลัพธ์ที่ได้รับ ดังที่แสดงโดยการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ของเรา นาโนเฟลค 2 มิติไม่ได้ห่อหุ้มหรือยึดติดกับพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็กอย่างสมบูรณ์ แม้ว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กจะสัมผัสกับ Nb-MXene ก็ตาม แต่กลับพบว่านาโนเฟลคมีทิศทางเข้าหาเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กโดยไม่ปกคลุมพื้นผิว ชุดของนาโนเฟลค/สาหร่ายขนาดเล็กเช่นนี้ไม่สามารถจำกัดปริมาณแสงที่เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับได้อย่างมีนัยสำคัญ ยิ่งไปกว่านั้น การศึกษาบางชิ้นยังแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงการดูดซับแสงของสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้เมื่อมีนาโนวัสดุสองมิติอยู่ด้วย63,64,65,66
เนื่องจากภาพ SEM ไม่สามารถยืนยันการดูดซึมไนโอเบียมโดยเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กได้โดยตรง การศึกษาเพิ่มเติมของเราจึงหันไปใช้การวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์ฟลูออเรสเซนซ์ (XRF) และสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนด้วยรังสีเอกซ์ (XPS) เพื่อชี้แจงประเด็นนี้ ดังนั้น เราจึงเปรียบเทียบความเข้มของพีค Nb ของตัวอย่างสาหร่ายขนาดเล็กอ้างอิงที่ไม่ทำปฏิกิริยากับ MXenes, นาโนเฟลค MXene ที่หลุดออกจากพื้นผิวของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก และเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหลังจากกำจัด MXenes ที่เกาะอยู่แล้ว เป็นที่น่าสังเกตว่าหากไม่มีการดูดซึม Nb ค่า Nb ที่ได้จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กควรเป็นศูนย์หลังจากกำจัดนาโนสเกลที่เกาะอยู่แล้ว ดังนั้น หากมีการดูดซึม Nb เกิดขึ้น ผลลัพธ์ทั้ง XRF และ XPS ควรแสดงพีค Nb ที่ชัดเจน
ในกรณีของสเปกตรัม XRF ตัวอย่างสาหร่ายขนาดเล็กแสดงพีค Nb สำหรับ SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXene หลังจากทำปฏิกิริยากับ SL Nb2CTx และ Nb4C3Tx MXene (ดูรูปที่ 5a และโปรดทราบว่าผลลัพธ์สำหรับ MAX และ ML MXenes แสดงอยู่ใน SI รูปที่ S12–C17) ที่น่าสนใจคือ ความเข้มของพีค Nb เท่ากันในทั้งสองกรณี (แท่งสีแดงในรูปที่ 5a) ซึ่งบ่งชี้ว่าสาหร่ายไม่สามารถดูดซับ Nb ได้มากกว่านี้ และความจุสูงสุดสำหรับการสะสม Nb ได้เกิดขึ้นในเซลล์แล้ว แม้ว่าจะมี Nb4C3Tx MXene เกาะติดกับเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กมากกว่าถึงสองเท่า (แท่งสีน้ำเงินในรูปที่ 5a) ที่สำคัญคือ ความสามารถของสาหร่ายขนาดเล็กในการดูดซับโลหะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของโลหะออกไซด์ในสิ่งแวดล้อม67,68 Shamshada et al.67 พบว่าความสามารถในการดูดซับของสาหร่ายน้ำจืดลดลงเมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น Raize et al.68 ตั้งข้อสังเกตว่าความสามารถของสาหร่ายทะเลในการดูดซับโลหะสูงกว่าสำหรับ Pb2+ ประมาณ 25% เมื่อเทียบกับ Ni2+
(a) ผลการวิเคราะห์ XRF ของการดูดซึม Nb พื้นฐานโดยเซลล์สาหร่ายสีเขียวที่บ่มในความเข้มข้นสูงของ SL Nb-MXenes (100 มก. L-1) เป็นเวลา 72 ชั่วโมง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของ α ในเซลล์สาหร่ายบริสุทธิ์ (ตัวอย่างควบคุม คอลัมน์สีเทา) นาโนเฟลค 2 มิติที่แยกได้จากพื้นผิวเซลล์สาหร่าย (คอลัมน์สีน้ำเงิน) และเซลล์สาหร่ายหลังจากแยกนาโนเฟลค 2 มิติออกจากพื้นผิว (คอลัมน์สีแดง) ปริมาณของธาตุ Nb (b) เปอร์เซ็นต์ขององค์ประกอบทางเคมีของส่วนประกอบอินทรีย์ของสาหร่าย (C=O และ CHx/C–O) และออกไซด์ของ Nb ที่มีอยู่ในเซลล์สาหร่ายหลังจากบ่มกับ SL Nb-MXenes (c–e) การปรับให้เข้ากับยอดองค์ประกอบของสเปกตรัม XPS SL Nb2CTx และ (f) SL Nb4C3Tx MXene ที่ถูกดูดซึมเข้าไปในเซลล์สาหร่าย
ดังนั้น เราจึงคาดว่า Nb จะถูกดูดซึมโดยเซลล์สาหร่ายในรูปของออกไซด์ เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ เราจึงทำการศึกษา XPS กับ MXenes Nb2CTx และ Nb4C3TX และเซลล์สาหร่าย ผลลัพธ์ของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างไมโครอัลgae กับ Nb-MXenes และ MXenes ที่แยกได้จากเซลล์สาหร่ายแสดงในรูปที่ 5b ดังที่คาดไว้ เราตรวจพบพีค Nb 3d ในตัวอย่างไมโครอัลgae หลังจากนำ MXene ออกจากพื้นผิวของไมโครอัลgae การหาปริมาณ C=O, CHx/CO และออกไซด์ของ Nb คำนวณจากสเปกตรัม Nb 3d, O 1s และ C 1s ที่ได้จาก Nb2CTx SL (รูปที่ 5c–e) และ Nb4C3Tx SL (รูปที่ 5c–e) ที่ได้จากไมโครอัลgae ที่บ่มไว้ รูปที่ 5f–h) MXenes ตาราง S1-3 แสดงรายละเอียดของพารามิเตอร์สูงสุดและเคมีโดยรวมที่ได้จากการปรับให้เหมาะสม เป็นที่น่าสังเกตว่าบริเวณ Nb 3d ของ Nb2CTx SL และ Nb4C3Tx SL (รูปที่ 5c, f) สอดคล้องกับองค์ประกอบ Nb2O5 หนึ่งตัว ในที่นี้ เราไม่พบพีคที่เกี่ยวข้องกับ MXene ในสเปกตรัม ซึ่งบ่งชี้ว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กดูดซับเฉพาะรูปแบบออกไซด์ของ Nb เท่านั้น นอกจากนี้ เราได้ประมาณสเปกตรัม C 1s ด้วยองค์ประกอบ C–C, CHx/C–O, C=O และ –COOH เรากำหนดให้พีค CHx/C–O และ C=O เป็นส่วนประกอบอินทรีย์ของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก ส่วนประกอบอินทรีย์เหล่านี้คิดเป็น 36% และ 41% ของพีค C 1s ใน Nb2CTx SL และ Nb4C3TX SL ตามลำดับ จากนั้นเราได้ทำการปรับสเปกตรัม O 1s ของ SL Nb2CTx และ SL Nb4C3TX ด้วย Nb2O5 ส่วนประกอบอินทรีย์ของสาหร่ายขนาดเล็ก (CHx/CO) และน้ำที่ดูดซับอยู่บนพื้นผิว
สุดท้ายนี้ ผลการวิเคราะห์ XPS แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงรูปแบบของ Nb ไม่ใช่แค่การมีอยู่ของมัน จากตำแหน่งของสัญญาณ Nb 3d และผลลัพธ์ของการแยกสัญญาณ เรายืนยันได้ว่า Nb ถูกดูดซึมในรูปของออกไซด์เท่านั้น ไม่ใช่ไอออนหรือ MXene เอง นอกจากนี้ ผลการวิเคราะห์ XPS ยังแสดงให้เห็นว่าเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กมีความสามารถในการดูดซึมออกไซด์ของ Nb จาก SL Nb2CTx ได้มากกว่าเมื่อเทียบกับ MXene SL Nb4C3TX
แม้ว่าผลการดูดซับ Nb ของเราจะน่าประทับใจและช่วยให้เราสามารถระบุการเสื่อมสภาพของ MXene ได้ แต่ก็ยังไม่มีวิธีการใดที่จะติดตามการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาที่เกี่ยวข้องในนาโนเฟลค 2 มิติได้ ดังนั้นเราจึงตัดสินใจพัฒนาวิธีการที่เหมาะสมซึ่งสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นในนาโนเฟลค Nb-MXene 2 มิติและเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กได้โดยตรง สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าเราสมมติว่าหากสารที่ทำปฏิกิริยากันมีการเปลี่ยนแปลง การสลายตัว หรือการแตกตัวใดๆ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะปรากฏให้เห็นอย่างรวดเร็วในพารามิเตอร์รูปร่าง เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นที่วงกลมเทียบเท่า ความกลม ความกว้างของ Feret หรือความยาวของ Feret เนื่องจากพารามิเตอร์เหล่านี้เหมาะสมสำหรับการอธิบายอนุภาคที่มีรูปร่างยาวหรือนาโนเฟลคสองมิติ การติดตามพารามิเตอร์เหล่านี้โดยการวิเคราะห์รูปร่างอนุภาคแบบไดนามิกจะให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของนาโนเฟลค SL Nb-MXene ในระหว่างการรีดิวซ์
ผลลัพธ์ที่ได้แสดงในรูปที่ 6 เพื่อเปรียบเทียบ เรายังได้ทดสอบเฟส MAX ดั้งเดิมและ ML-MXenes ด้วย (ดูรูปที่ S18 และ S19 ในเอกสารเสริม) การวิเคราะห์แบบไดนามิกของรูปร่างอนุภาคแสดงให้เห็นว่าพารามิเตอร์รูปร่างทั้งหมดของ Nb-MXene SL ทั้งสองชนิดเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญหลังจากปฏิสัมพันธ์กับสาหร่ายขนาดเล็ก ดังแสดงโดยพารามิเตอร์เส้นผ่านศูนย์กลางพื้นที่วงกลมเทียบเท่า (รูปที่ 6a, b) ความเข้มของยอดที่ลดลงของเศษส่วนของนาโนเฟลคขนาดใหญ่บ่งชี้ว่าพวกมันมีแนวโน้มที่จะสลายตัวเป็นชิ้นส่วนที่เล็กลง ในรูปที่ 6c, d แสดงให้เห็นถึงการลดลงของยอดที่เกี่ยวข้องกับขนาดตามขวางของเฟลค (การยืดตัวของนาโนเฟลค) ซึ่งบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงของนาโนเฟลค 2 มิติไปเป็นรูปร่างที่คล้ายอนุภาคมากขึ้น รูปที่ 6e-h แสดงความกว้างและความยาวของ Feret ตามลำดับ ความกว้างและความยาวของ Feret เป็นพารามิเตอร์เสริมกันและควรพิจารณาร่วมกัน หลังจากบ่มนาโนเฟลค Nb-MXene 2 มิติในที่ที่มีสาหร่ายขนาดเล็ก ยอดความสัมพันธ์ Feret ของพวกมันจะเลื่อนและมีความเข้มลดลง จากผลลัพธ์เหล่านี้ร่วมกับสัณฐานวิทยา XRF และ XPS เราสรุปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้นั้นมีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับการออกซิเดชัน เนื่องจาก MXenes ที่ถูกออกซิไดซ์จะเกิดรอยย่นมากขึ้นและแตกออกเป็นชิ้นส่วนและอนุภาคออกไซด์ทรงกลม69,70
การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของ MXene หลังจากการปฏิสัมพันธ์กับสาหร่ายสีเขียว การวิเคราะห์รูปร่างอนุภาคแบบไดนามิกจะพิจารณาพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น (a, b) เส้นผ่านศูนย์กลางของพื้นที่วงกลมเทียบเท่า (c, d) ความกลม (e, f) ความกว้างของ Feret และ (g, h) ความยาวของ Feret เพื่อจุดประสงค์นี้ ตัวอย่างสาหร่ายอ้างอิงสองตัวอย่างถูกวิเคราะห์ร่วมกับ MXene SL Nb2CTx และ SL Nb4C3Tx หลัก, MXene SL Nb2CTx และ SL Nb4C3Tx, สาหร่ายที่เสื่อมสภาพ และ MXene SL Nb2CTx และ SL Nb4C3Tx ของสาหร่ายที่ผ่านการบำบัดแล้ว ลูกศรสีแดงแสดงการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์รูปร่างของนาโนเฟลคสองมิติที่ศึกษา
เนื่องจากการวิเคราะห์พารามิเตอร์รูปร่างมีความน่าเชื่อถือสูง จึงสามารถเปิดเผยการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กได้ ดังนั้น เราจึงวิเคราะห์เส้นผ่านศูนย์กลางพื้นที่วงกลมเทียบเท่า ความกลม และความกว้าง/ความยาวเฟเรตของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กบริสุทธิ์และเซลล์หลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับนาโนเฟลค Nb แบบ 2 มิติ รูปที่ 6a–h แสดงการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์รูปร่างของเซลล์สาหร่าย ดังที่เห็นได้จากการลดลงของความเข้มสูงสุดและการเลื่อนของค่าสูงสุดไปสู่ค่าที่สูงขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พารามิเตอร์ความกลมของเซลล์แสดงให้เห็นการลดลงของเซลล์ที่ยาวและเพิ่มขึ้นในเซลล์ทรงกลม (รูปที่ 6a, b) นอกจากนี้ ความกว้างของเซลล์เฟเรตเพิ่มขึ้นหลายไมโครเมตรหลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับ SL Nb2CTx MXene (รูปที่ 6e) เมื่อเทียบกับ SL Nb4C3TX MXene (รูปที่ 6f) เราคาดว่านี่อาจเป็นผลมาจากการดูดซับออกไซด์ของ Nb โดยสาหร่ายขนาดเล็กอย่างมากเมื่อเกิดปฏิสัมพันธ์กับ Nb2CTx SR การยึดเกาะของเกล็ด Nb กับพื้นผิวที่ไม่แข็งแรงนักอาจส่งผลให้เซลล์เติบโตโดยมีผลกระทบจากการบังแสงน้อยที่สุด
การสังเกตการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์รูปร่างและขนาดของไมโครอัลgae ของเรานั้นสอดคล้องกับการศึกษาอื่นๆ ไมโครอัลgae สีเขียวสามารถเปลี่ยนรูปร่างเพื่อตอบสนองต่อความเครียดจากสิ่งแวดล้อมได้โดยการเปลี่ยนขนาด รูปร่าง หรือกระบวนการเผาผลาญของเซลล์61 ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนขนาดของเซลล์ช่วยให้การดูดซึมสารอาหารง่ายขึ้น71 เซลล์สาหร่ายขนาดเล็กจะมีการดูดซึมสารอาหารต่ำกว่าและมีอัตราการเจริญเติบโตที่บกพร่อง ในทางกลับกัน เซลล์ขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะบริโภคสารอาหารมากขึ้น ซึ่งจะถูกสะสมไว้ภายในเซลล์72,73 Machado และ Soares พบว่าสารฆ่าเชื้อราไตรโคลซานสามารถเพิ่มขนาดเซลล์ได้ พวกเขายังพบการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในรูปร่างของสาหร่าย74 นอกจากนี้ Yin et al.9 ยังเปิดเผยการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาในสาหร่ายหลังจากสัมผัสกับนาโนคอมโพสิตกราฟีนออกไซด์ที่ลดลง ดังนั้นจึงเห็นได้ชัดว่าพารามิเตอร์ขนาด/รูปร่างที่เปลี่ยนแปลงไปของไมโครอัลgae เกิดจากการมีอยู่ของ MXene เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่างนี้บ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงในการดูดซึมสารอาหาร เราจึงเชื่อว่าการวิเคราะห์พารามิเตอร์ขนาดและรูปร่างเมื่อเวลาผ่านไปสามารถแสดงให้เห็นถึงการดูดซึมไนโอเบียมออกไซด์โดยไมโครอัลเกในสภาวะที่มี Nb-MXenes ได้
นอกจากนี้ MXenes ยังสามารถถูกออกซิไดซ์ได้ในที่ที่มีสาหร่าย Dalai et al.75 สังเกตว่าสัณฐานวิทยาของสาหร่ายสีเขียวที่สัมผัสกับนาโน-TiO2 และ Al2O376 ไม่สม่ำเสมอ แม้ว่าการสังเกตของเราจะคล้ายกับการศึกษาในปัจจุบัน แต่ก็เกี่ยวข้องกับการศึกษาผลกระทบของการบำบัดทางชีวภาพในแง่ของผลิตภัณฑ์การย่อยสลาย MXene ในที่ที่มีนาโนเฟลค 2 มิติเท่านั้น ไม่ใช่ในอนุภาคนาโน เนื่องจาก MXenes สามารถย่อยสลายเป็นโลหะออกไซด์ได้31,32,77,78 จึงเป็นเหตุผลที่สมควรที่จะสันนิษฐานว่านาโนเฟลค Nb ของเราก็สามารถก่อตัวเป็นออกไซด์ Nb ได้เช่นกันหลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับเซลล์ไมโครอัลgae
เพื่ออธิบายการลดลงของนาโนเฟลค 2D-Nb ผ่านกลไกการสลายตัวโดยอาศัยกระบวนการออกซิเดชัน เราได้ทำการศึกษาโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) (รูปที่ 7a,b) และสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ (XPS) (รูปที่ 7c-i และตาราง S4-5) ทั้งสองวิธีนี้เหมาะสมสำหรับการศึกษาการออกซิเดชันของวัสดุ 2 มิติและเสริมซึ่งกันและกัน HRTEM สามารถวิเคราะห์การเสื่อมสภาพของโครงสร้างชั้นสองมิติและการปรากฏตัวของอนุภาคนาโนโลหะออกไซด์ในภายหลัง ในขณะที่ XPS มีความไวต่อพันธะบนพื้นผิว ด้วยเหตุนี้ เราจึงทดสอบนาโนเฟลค 2D Nb-MXene ที่สกัดจากสารละลายเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก นั่นคือ รูปร่างของนาโนเฟลคหลังจากทำปฏิกิริยากับเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก (ดูรูปที่ 7)
ภาพ HRTEM แสดงสัณฐานวิทยาของ MXenes ที่ถูกออกซิไดซ์ (a) SL Nb2CTx และ (b) SL Nb4C3Tx ผลการวิเคราะห์ XPS แสดง (c) องค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ออกไซด์หลังจากการรีดิวซ์ (d–f) การจับคู่พีคของส่วนประกอบในสเปกตรัม XPS ของ SL Nb2CTx และ (g–i) Nb4C3Tx SL ที่ซ่อมแซมด้วยไมโครอัลgae สีเขียว
การศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบความละเอียดสูง (HRTEM) ยืนยันการเกิดออกซิเดชันของนาโนเฟลค Nb-MXene สองชนิด แม้ว่านาโนเฟลคจะยังคงรักษารูปร่างสองมิติไว้ได้ในระดับหนึ่ง แต่การเกิดออกซิเดชันส่งผลให้เกิดอนุภาคนาโนจำนวนมากปกคลุมพื้นผิวของนาโนเฟลค MXene (ดูรูปที่ 7a,b) การวิเคราะห์ XPS ของสัญญาณ c Nb 3d และ O 1s บ่งชี้ว่ามีการก่อตัวของออกไซด์ Nb ในทั้งสองกรณี ดังแสดงในรูปที่ 7c MXene 2D Nb2CTx และ Nb4C3TX มีสัญญาณ Nb 3d ที่บ่งชี้ถึงการมีอยู่ของออกไซด์ NbO และ Nb2O5 ในขณะที่สัญญาณ O 1s บ่งชี้จำนวนพันธะ O–Nb ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของพื้นผิวนาโนเฟลค 2D เราสังเกตเห็นว่าการมีส่วนร่วมของออกไซด์ Nb นั้นเด่นกว่าเมื่อเทียบกับ Nb-C และ Nb3+-O
รูปที่ 7g–i แสดงสเปกตรัม XPS ของ Nb 3d, C 1s และ O 1s ของ SL Nb2CTx (ดูรูปที่ 7d–f) และ SL Nb4C3TX MXene ที่แยกได้จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก รายละเอียดของพารามิเตอร์พีคของ Nb-MXene แสดงอยู่ในตาราง S4–5 ตามลำดับ เราได้วิเคราะห์องค์ประกอบของ Nb 3d ก่อน ในทางตรงกันข้ามกับ Nb ที่ถูกดูดซับโดยเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก ใน MXene ที่แยกได้จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก นอกเหนือจาก Nb2O5 แล้ว ยังพบองค์ประกอบอื่นๆ อีกด้วย ใน Nb2CTx SL เราสังเกตเห็นการมีส่วนร่วมของ Nb3+-O ในปริมาณ 15% ในขณะที่สเปกตรัม Nb 3d ที่เหลือถูกครอบงำโดย Nb2O5 (85%) นอกจากนี้ ตัวอย่าง SL Nb4C3TX ยังมีองค์ประกอบ Nb-C (9%) และ Nb2O5 (91%) ในที่นี้ Nb-C มาจากชั้นอะตอมภายในสองชั้นของโลหะคาร์ไบด์ใน Nb4C3Tx SR จากนั้นเราทำการแมปสเปกตรัม C 1s ไปยังองค์ประกอบที่แตกต่างกันสี่ส่วน เช่นเดียวกับที่เราทำในตัวอย่างที่ถูกทำให้เป็นภายใน ตามที่คาดไว้ สเปกตรัม C 1s นั้นถูกครอบงำด้วยคาร์บอนกราไฟต์ ตามด้วยส่วนประกอบจากอนุภาคอินทรีย์ (CHx/CO และ C=O) จากเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก นอกจากนี้ ในสเปกตรัม O 1s เราสังเกตเห็นส่วนประกอบของสารอินทรีย์ในเซลล์สาหร่ายขนาดเล็ก ไนโอเบียมออกไซด์ และน้ำที่ถูกดูดซับ
นอกจากนี้ เรายังตรวจสอบว่าการแตกตัวของ Nb-MXenes เกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของสารออกซิเจนที่ว่องไว (ROS) ในอาหารเลี้ยงเชื้อและ/หรือเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กหรือไม่ เพื่อจุดประสงค์นี้ เราได้ประเมินระดับของออกซิเจนโมเลกุลเดี่ยว (1O2) ในอาหารเลี้ยงเชื้อและกลูตาไธโอนภายในเซลล์ ซึ่งเป็นไทออลที่ทำหน้าที่เป็นสารต้านอนุมูลอิสระในสาหร่ายขนาดเล็ก ผลลัพธ์แสดงอยู่ในเอกสารเสริม (รูปที่ S20 และ S21) การเพาะเลี้ยงด้วย SL Nb2CTx และ Nb4C3TX MXenes มีลักษณะเฉพาะคือปริมาณ 1O2 ลดลง (ดูรูปที่ S20) ในกรณีของ SL Nb2CTx ปริมาณ 1O2 ของ MXene ลดลงเหลือประมาณ 83% สำหรับการเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กโดยใช้ SL Nb4C3TX ปริมาณ 1O2 ลดลงมากกว่านั้น เหลือ 73% ที่น่าสนใจคือ การเปลี่ยนแปลงของ 1O2 แสดงแนวโน้มเดียวกันกับผลยับยั้ง-กระตุ้นที่สังเกตได้ก่อนหน้านี้ (ดูรูปที่ 3) อาจกล่าวได้ว่าการบ่มเพาะในที่ที่มีแสงสว่างจ้าสามารถเปลี่ยนแปลงการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันจากแสงได้ อย่างไรก็ตาม ผลการวิเคราะห์ควบคุมแสดงให้เห็นระดับของ 1O2 ที่เกือบจะคงที่ตลอดการทดลอง (รูปที่ S22) ในกรณีของระดับ ROS ภายในเซลล์ เราก็สังเกตเห็นแนวโน้มที่ลดลงเช่นเดียวกัน (ดูรูปที่ S21) ในตอนแรก ระดับของ ROS ในเซลล์ไมโครอัลเกที่เพาะเลี้ยงในที่ที่มี Nb2CTx และ Nb4C3Tx SLs นั้นสูงกว่าระดับที่พบในไมโครอัลเกที่เพาะเลี้ยงแบบบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม ในที่สุด ปรากฏว่าไมโครอัลเกปรับตัวให้เข้ากับการมีอยู่ของ Nb-MXenes ทั้งสองชนิด เนื่องจากระดับ ROS ลดลงเหลือ 85% และ 91% ของระดับที่วัดได้ในไมโครอัลเกที่เพาะเลี้ยงแบบบริสุทธิ์ที่ใส่เชื้อด้วย SL Nb2CTx และ Nb4C3TX ตามลำดับ ซึ่งอาจบ่งชี้ว่าไมโครอัลเกรู้สึกสบายขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปในที่ที่มี Nb-MXene มากกว่าในอาหารเลี้ยงเชื้อเพียงอย่างเดียว
ไมโครอัลเกเป็นกลุ่มสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงที่มีความหลากหลาย ในระหว่างการสังเคราะห์แสง พวกมันจะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในบรรยากาศให้เป็นคาร์บอนอินทรีย์ ผลิตภัณฑ์ของการสังเคราะห์แสงคือกลูโคสและออกซิเจน79 เราสงสัยว่าออกซิเจนที่เกิดขึ้นมีบทบาทสำคัญในการออกซิเดชันของ Nb-MXenes คำอธิบายที่เป็นไปได้ประการหนึ่งคือพารามิเตอร์การเติมอากาศที่แตกต่างกันเกิดขึ้นที่ความดันย่อยของออกซิเจนต่ำและสูงทั้งภายนอกและภายในนาโนเฟลค Nb-MXene ซึ่งหมายความว่าไม่ว่าที่ใดก็ตามที่มีพื้นที่ที่มีความดันย่อยของออกซิเจนแตกต่างกัน พื้นที่ที่มีระดับต่ำที่สุดจะก่อตัวเป็นแอโนด80, 81, 82 ในที่นี้ ไมโครอัลเกมีส่วนช่วยในการสร้างเซลล์ที่มีการเติมอากาศที่แตกต่างกันบนพื้นผิวของเฟลค MXene ซึ่งผลิตออกซิเจนเนื่องจากคุณสมบัติการสังเคราะห์แสงของพวกมัน ส่งผลให้เกิดผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนทางชีวภาพ (ในกรณีนี้คือไนโอเบียมออกไซด์) อีกแง่มุมหนึ่งคือไมโครอัลเกสามารถผลิตกรดอินทรีย์ที่ถูกปล่อยออกมาในน้ำ83,84 ดังนั้นจึงเกิดสภาพแวดล้อมที่รุนแรงขึ้น ส่งผลให้ Nb-MXenes เปลี่ยนแปลงไป นอกจากนี้ สาหร่ายขนาดเล็กยังสามารถเปลี่ยนค่า pH ของสภาพแวดล้อมให้เป็นด่างได้เนื่องจากการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งอาจก่อให้เกิดการกัดกร่อนได้เช่นกัน79
ที่สำคัญกว่านั้น ช่วงเวลาแสง/ความมืดที่ใช้ในการศึกษาของเรามีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจผลลัพธ์ที่ได้รับ แง่มุมนี้ได้รับการอธิบายอย่างละเอียดใน Djemai-Zoghlache et al. 85 พวกเขาจงใจใช้ช่วงเวลาแสง 12/12 ชั่วโมงเพื่อแสดงให้เห็นถึงการกัดกร่อนทางชีวภาพที่เกี่ยวข้องกับการเกาะติดของสาหร่ายขนาดเล็กสีแดง Porphyridium purpureum พวกเขาแสดงให้เห็นว่าช่วงเวลาแสงมีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของศักยภาพโดยไม่มีการกัดกร่อนทางชีวภาพ ซึ่งแสดงออกมาเป็นการแกว่งแบบกึ่งคาบประมาณ 24:00 น. การสังเกตเหล่านี้ได้รับการยืนยันโดย Dowling et al. 86 พวกเขาแสดงให้เห็นถึงฟิล์มชีวภาพสังเคราะห์แสงของไซยาโนแบคทีเรีย Anabaena ออกซิเจนที่ละลายน้ำจะเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของแสง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงหรือความผันผวนในศักยภาพการกัดกร่อนทางชีวภาพอิสระ ความสำคัญของช่วงเวลาแสงได้รับการเน้นย้ำโดยข้อเท็จจริงที่ว่าศักยภาพอิสระสำหรับการกัดกร่อนทางชีวภาพเพิ่มขึ้นในระยะแสงและลดลงในระยะมืด เป็นผลมาจากออกซิเจนที่ผลิตโดยไมโครอัลgaeที่สังเคราะห์แสง ซึ่งส่งผลต่อปฏิกิริยาแคโทดิกผ่านความดันย่อยที่เกิดขึ้นใกล้กับอิเล็กโทรด87
นอกจากนี้ ยังได้ทำการวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม (FTIR) เพื่อตรวจสอบว่ามีการเปลี่ยนแปลงใดๆ เกิดขึ้นในองค์ประกอบทางเคมีของเซลล์ไมโครอัลเกหลังจากทำปฏิกิริยากับ Nb-MXenes หรือไม่ ผลลัพธ์ที่ได้มีความซับซ้อน และเราได้นำเสนอไว้ใน SI (รูปที่ S23-S25 รวมถึงผลลัพธ์ของขั้นตอน MAX และ ML MXenes) โดยสรุป สเปกตรัมอ้างอิงของไมโครอัลเกที่ได้ให้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับลักษณะทางเคมีของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ การสั่นสะเทือนที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดเหล่านี้อยู่ที่ความถี่ 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1, 11 (C–H) และ 3280 cm–1 (O–H) สำหรับ SL Nb-MXenes เราพบสัญญาณการยืดพันธะ CH ที่สอดคล้องกับการศึกษาครั้งก่อนของเรา38 อย่างไรก็ตาม เราสังเกตว่าพีคเพิ่มเติมบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับพันธะ C=C และ CH หายไป ซึ่งบ่งชี้ว่าองค์ประกอบทางเคมีของไมโครอัลgae อาจมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเนื่องจากการโต้ตอบกับ SL Nb-MXenes
เมื่อพิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้นในชีวเคมีของสาหร่ายขนาดเล็ก การสะสมของออกไซด์อนินทรีย์ เช่น ไนโอเบียมออกไซด์ จำเป็นต้องได้รับการพิจารณาใหม่59 ซึ่งเกี่ยวข้องกับการดูดซับโลหะโดยพื้นผิวเซลล์ การขนส่งโลหะเข้าสู่ไซโตพลาซึม การเชื่อมโยงของโลหะกับกลุ่มคาร์บอกซิลภายในเซลล์ และการสะสมของโลหะในโพลีฟอสโฟโซมของสาหร่ายขนาดเล็ก20,88,89,90 นอกจากนี้ ความสัมพันธ์ระหว่างสาหร่ายขนาดเล็กและโลหะยังคงรักษาไว้โดยกลุ่มฟังก์ชันของเซลล์ ด้วยเหตุนี้ การดูดซับจึงขึ้นอยู่กับเคมีพื้นผิวของสาหร่ายขนาดเล็กซึ่งค่อนข้างซับซ้อน9,91 โดยทั่วไปแล้ว ตามที่คาดไว้ องค์ประกอบทางเคมีของสาหร่ายสีเขียวขนาดเล็กเปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อยเนื่องจากการดูดซับไนโอเบียมออกไซด์
ที่น่าสนใจคือ การยับยั้งการเจริญเติบโตของสาหร่ายขนาดเล็กที่สังเกตได้ในระยะเริ่มต้นนั้นสามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้เมื่อเวลาผ่านไป ดังที่เราสังเกตเห็น สาหร่ายขนาดเล็กสามารถเอาชนะการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมในระยะเริ่มต้นและในที่สุดก็กลับมาเจริญเติบโตในอัตราปกติและเพิ่มขึ้นอีกด้วย การศึกษาศักย์ซีตาแสดงให้เห็นถึงความเสถียรสูงเมื่อนำไปใส่ในอาหารเลี้ยงเชื้อ ดังนั้น ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวของเซลล์สาหร่ายขนาดเล็กและนาโนเฟลค Nb-MXene จึงคงอยู่ตลอดการทดลองลดปฏิกิริยา ในการวิเคราะห์เพิ่มเติมของเรา เราได้สรุปกลไกการทำงานหลักที่อยู่เบื้องหลังพฤติกรรมที่น่าทึ่งนี้ของสาหร่ายขนาดเล็ก
จากการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) พบว่าสาหร่ายขนาดเล็กมีแนวโน้มที่จะเกาะติดกับ Nb-MXenes โดยใช้การวิเคราะห์ภาพแบบไดนามิก เรายืนยันว่าผลกระทบนี้ทำให้นาโนเฟลค Nb-MXene สองมิติเปลี่ยนไปเป็นอนุภาคทรงกลมมากขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการสลายตัวของนาโนเฟลคเกี่ยวข้องกับการออกซิเดชัน เพื่อทดสอบสมมติฐานของเรา เราได้ทำการศึกษาทางด้านวัสดุและชีวเคมีหลายชุด หลังจากการทดสอบ นาโนเฟลคค่อยๆ เกิดออกซิเดชันและสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ NbO และ Nb2O5 ซึ่งไม่เป็นอันตรายต่อสาหร่ายสีเขียว จากการสังเกตด้วย FTIR เราพบว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในองค์ประกอบทางเคมีของสาหร่ายที่บ่มในที่ที่มีนาโนเฟลค Nb-MXene สองมิติ เมื่อพิจารณาถึงความเป็นไปได้ของการดูดซับไนโอเบียมออกไซด์โดยสาหร่าย เราจึงทำการวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์ฟลูออเรสเซนซ์ ผลการวิจัยเหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าสาหร่ายขนาดเล็กที่ศึกษานั้นกินออกไซด์ของไนโอเบียม (NbO และ Nb2O5) ซึ่งไม่เป็นพิษต่อสาหร่ายขนาดเล็กที่ศึกษา