《Inorganic Chemistry Communications》：Facile synthesis and characterization of novel WO
3-graphene oxide nano-composite: Antibacterial activities determination and modelling study
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本研究通过两步水热法合成1:1钨氧化物-石墨烯氧化物纳米复合材料，利用柠檬酸和硫酸钠调控晶体生长，表征显示其结构完整、带隙窄化。该材料对S. mutans和P. aeruginosa的抗菌活性分别为23.43 mM和20.85 mM，机理包括ROS协同作用及与细菌受体的高亲和力结合。
Noor K. Omar|Duha S. Ahmed|Adi M. Abdul Hussien|Majid S. Jabir|Mouslim Messali|Gunel Imanova|James Ramontja|Salim Ali|Imran Ali
伊拉克巴格达的伊拉克技术大学应用科学学院
摘要 鉴于细菌对抗生素的耐药性迅速增加，本文采用了一种新颖且可控的方法制备了纳米复合材料：通过两步水热法合成氧化钨和氧化石墨烯纳米复合材料（1:1的比例）。该研究的创新之处在于巧妙地利用柠檬酸和硫酸钠作为结构导向剂，以控制氧化钨晶体的生长，然后再将其与氧化石墨烯片层结合。这种优化后的制备工艺通过紫外-可见光谱、光致发光、拉曼光谱、场发射扫描电子显微镜、X射线能量色散分析和X射线衍射等手段进行了表征，结果表明其均匀性和结构完整性优于传统方法。实验结果显示，该纳米复合材料具有更高的结晶度、更窄的能隙以及更低的载流子复合率。形态分析证实，氧化钨分子有效地嵌入了褶皱的氧化石墨烯层中。该纳米复合材料对变异链球菌 （Streptococcus mutans）和铜绿假单胞菌 （Pseudomonas aeruginosa）表现出优异的抗菌活性（分别达到23.43 mM和20.85 mM），这得益于活性氧的协同生成。此外，分子对接研究揭示了该纳米复合材料对变异链球菌 中的6SPE受体和铜绿假单胞菌 中的7BCZ受体的高亲和力（分别为?13.21 kcal/mol和?13.73 kcal/mol），这种亲和力源于广泛的氢键作用和π-阳离子相互作用。本研究提出了一种优化的WO?:GO纳米复合材料制备策略，凸显了其作为下一代高性能抗菌剂的潜力，适用于生物医学和环境领域。
引言 细菌对多种抗生素的耐药性日益严重，这对全球医疗系统构成了挑战。其中，铜绿假单胞菌 （Pseudomonas aeruginosa）作为一种革兰氏阴性菌，对传统抗生素具有广泛的耐药性，并且能够形成生物膜，从而在恶劣环境中存活。同样，变异链球菌 （Streptococcus mutans）作为革兰氏阳性菌，是导致龋齿和口腔感染的主要病原体。其强大的生物膜形成能力使其能够在牙齿表面持续定植，进而引发牙釉质脱矿。这些微生物（铜绿假单胞菌 和变异链球菌 ）对抗生素和其他治疗药物的耐药性很强，使得常规治疗方法难以将其根除[1]、[2]、[3]。选择这两种微生物进行研究的原因包括：i) 评估纳米复合材料的广谱抗菌潜力；ii) 阐明由活性氧（ROS）生成驱动的抗菌机制；iii) 它们的强生物膜形成能力及其在口腔和临床感染中的重要性。因此，需要开发通过多种作用机制发挥作用的新型抗菌策略。
在这方面，多功能纳米结构材料的发展受到了越来越多的关注，因为它们可以有效克服细菌耐药性。特别是将金属氧化物与碳基纳米材料结合的纳米复合材料，通过破坏细菌膜、增强表面相互作用以及生成活性氧（ROS）等方式，展现出协同抗菌效果[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。近年来，这类纳米材料因其独特的性质、优异的表面积与体积比以及生成活性氧的能力而备受关注，这些活性氧能够破坏细菌的膜结构。在医学领域，纳米材料在抑制细菌生长和对抗耐抗生素细菌方面发挥着重要作用[14]。此外，金属氧化物纳米颗粒已被应用于纺织、化妆品、水处理和生物医学等多个研究领域[15]、[16]、[17]。在金属氧化物纳米颗粒中，氧化钨（WO?）是一种氧缺陷型n型宽禁带金属氧化物（3.0 eV），存在立方、单斜和四方等多种晶体结构[18]、[19]。值得注意的是，WO?纳米颗粒具有很强的光催化活性，能够在光照下生成活性氧，从而破坏细菌的膜、蛋白质和核酸。此外，大多数碳基纳米材料也表现出抗菌特性。尤其是氧化石墨烯片层（GO），这种二维碳基材料因出色的吸附性能、可重复使用性和良好的稳定性，在去除水中的抗生素残留物方面具有显著优势[20]。GO片层表面含有丰富的含氧官能团（-COOH、-OH和-NH），使其具有优异的分散性、较大的比表面积和较高的机械强度。生成的氧自由基和羟基自由基可以与细菌细胞膜中的有机物质相互作用，导致细菌死亡[21]、[22]。在各种混合系统中，氧化石墨烯-金属氧化物纳米复合材料因其改进的电荷传输效率和在可见光下的增强ROS生成能力而成为有前景的抗菌平台[23]、[24]、[25]、[26]。
鉴于GO和WO?材料的显著特性，本文提出了WO?:GO纳米复合材料的制备方案。在WO?中添加氧化石墨烯可以防止颗粒聚集，提高纳米级的分散性，并增强与细菌表面的接触。GO片层作为电子受体，减少了光生载流子的复合速率[4]、[13]、[27]。在WO?:GO纳米复合材料中，WO?与GO之间的强界面作用有助于增加电荷分离，减少电子-空穴复合，从而比纯WO?产生更多的•OH。同时，超氧阴离子（O?•?）和过氧化氢（H?O?）通过后续反应间接参与•OH的生成，尽管由于细菌细胞内的抗氧化防御系统存在，它们的直接作用较弱。因此，WO?:GO复合材料的优异抗菌性能归因于ROS生成的协同效应，尤其是羟基自由基[28]、[29]、[30]、[31]。本研究采用水热法合成了氧化钨和氧化石墨烯（WO?:GO）纳米复合材料，摩尔比为1:1。该研究的创新之处在于巧妙地利用柠檬酸和硫酸钠作为结构导向剂，以控制氧化钨的生长过程。这种外部水热制备工艺确保了WO?:GO的高均匀性和结构完整性。通过优化这些制备参数，本研究旨在揭示氧化钨纳米结构与氧化石墨烯片层之间的协同效应。此外，还利用XRD、紫外-可见光谱、拉曼光谱、Zeta电位、EDS和FESEM等手段评估了WO?、GO以及WO?:GO纳米复合材料（摩尔比为1:1）的协同抗菌效果，并对其物理化学性质进行了分析。研究重点阐明了在可见光下的ROS介导的杀菌机制，并探讨了纳米复合材料对革兰氏阴性和阳性细菌的ROS生成潜力。同时，还通过计算方法研究了WO?、纯GO和WO?:GO纳米复合材料与铜绿假单胞菌 和变异链球菌 目标蛋白的结合相互作用和对接性能，以评估其抗菌效果，并探讨结构-活性关系，为未来的抗菌材料设计提供依据。
使用的化学物质和试剂 钨酸钠、硫酸钠和柠檬酸购自德国默克公司（Merck Company）。盐酸（HCl，纯度38%）同样购自德国默克公司。氧化石墨烯（GO，纯度98%，粒径5–15 nm，直径20 μm）购自印度Platonic Nanotech公司，由本研究团队使用。所有实验均使用去离子水进行。
氧化钨（WO?）纳米颗粒的合成
首先，通过水热法制备了纯氧化钨（WO?），从而实现了可控的晶体生长。
结果与讨论 结果和讨论部分包括材料表征、抗菌活性和建模研究等内容。
结论 本研究制备并表征了一种WO?:GO纳米复合材料，该材料具有优异的界面结合性能，表现出增强的可见光吸收能力、更窄的能隙（Eg = 2.16 eV）和降低的光致发光现象，表明电荷分离效果得到改善。FESEM和EDS分析证实了WO?颗粒在GO片层上的均匀分布，并具有良好的胶体稳定性。抗菌活性呈剂量依赖性，表现为WO?:GO > GO > WO?
CRediT作者贡献声明 Noor K. Omar： 撰写初稿、方法论设计、实验研究。Duha S. Ahmed： 审稿与编辑、撰写初稿、概念构思。Adi M. Abdul Hussien： 撰写初稿、方法论设计、实验研究。Majid S. Jabir： 审稿与编辑、撰写初稿、概念构思。Mouslim Messali： 审稿与编辑、撰写初稿、概念构思。Gunel Imanova： 审稿与编辑、撰写初稿、概念构思。
利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
Imran Ali 博士，FRSC，C Chem，伦敦（英国），被斯坦福大学评为“高被引学者”（MDPI-Scilit），在分析化学（色谱学）领域每年排名前3%，职业生涯总排名前8%。他是全球公认的学术界和科研专家，在印度鲁尔基理工学院（Indian Institute of Technology Roorkee）获得博士学位。Ali教授因在色谱分析领域的杰出贡献而享誉全球。
