兼具生物与光催化活性的ZnO@CTAB-SA聚合物纳米复合材料的合成、表征与应用研究

《Frontiers in Nanotechnology》：Synthesis and characterization of ZnO@CTAB-SA polymer nanocomposites with biological and photocatalytic activity

本综述系统探讨了以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和海藻酸钠（SA）为基质合成ZnO基聚合物纳米复合材料（ZnO@CTAB-SA）的创新策略。该材料通过原位聚合法构建，展现出卓越的抗菌（抗金黄色葡萄球菌/Gram+和大肠杆菌/Gram-）、抗真菌（抗黑曲霉）活性及高效光催化降解染料（如Rhodamine B和Alizarin Red S）能力。结构表征（FTIR、PXRD、SEM、EDAX）证实ZnO纳米颗粒在聚合物基质中的均匀分散与稳定性。该研究为开发多功能生物医学抗菌材料和环境修复催化剂提供了重要理论与实践依据。

　　

2 Experimental

2.1 Chemicals and reagents

所有试剂均为分析级，无需进一步纯化。二水合醋酸锌（99%纯度）、CTAB（99%纯度）和海藻酸钠聚合物购自SD Fine Chemicals。氢氧化钠颗粒和乙醇（99%纯度）来自BLD Pharma。营养肉汤、琼脂粉、Rhodamine B和Alizarin Red S均购自SD Fine Chemicals。

2.2 Synthesis of zinc oxide NPs

采用溶胶-凝胶法制备氧化锌纳米颗粒：将2g二水合醋酸锌溶于15mL蒸馏水，8g氢氧化钠溶于10mL蒸馏水，分别搅拌5分钟。将氢氧化钠溶液加入醋酸锌溶液，磁力搅拌5分钟后，用滴定管将100mL乙醇逐滴加入混合液。反应生成白色沉淀，经去离子水和乙醇洗涤三次，120°C烘箱干燥，900°C煅烧2小时，完全去除有机物并形成纤锌矿相ZnO（JCPDS 36-1,451）。

2.3 Synthesis of ZnO@CTAB-SA polymer nanocomposites

通过原位聚合法制备ZnO@CTAB-SA聚合物纳米复合材料：将0.7mmol ZnO纳米颗粒悬浮于50mL去离子水中，超声处理30分钟。加入等摩尔的CTAB和SA混合物，持续磁力搅拌。溶液加热至40°C后缓慢冷却至室温。制备了ZnO纳米颗粒浓度分别为10%、20%、30%、40%和50%的系列样品（保持CTAB与SA等摩尔比）。混合物经两次离心，用酒精和去离子水洗涤，60°C烘箱干燥过夜。每批合成产量约1.2–1.5g ZnO NPs，共制备五批以确保重现性。

2.4 Biological studies of zinc nano composites

2.4.1 Anti-bacterial activity

2.4.1.1 Bacterial strains

实验菌株包括革兰阳性金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，ATCC 25923）和革兰阴性大肠杆菌（Escherichia coli，ATCC 25922），均购自ATCC。

2.4.1.2 Preparation of media for microbial activity

2.4.1.2.1 The medium of nutrient agar

营养琼脂购自商业供应商，28.0g溶于1000mL蒸馏水，121°C高压灭菌15分钟后用于平板制备。

2.4.1.2.2 Broth with nutrients

营养肉汤粉1.3g分散于100mL蒸馏水，121°C高压灭菌15分钟后用于接种物制备。

2.4.1.2.3 Fabrication of standard solution

每种生物体的初始培养物通过营养琼脂斜面制备，一份作为参考培养物，另一份作为活性培养物。细菌培养物保存在4°C琼脂表面，作为储备培养物。甘油标准溶液保存于20°C环境温度。

2.4.1.2.4 The culture formulation

选定细菌病原体接种于营养肉汤，37°C培养24小时，所得悬浮液确认浓度约为10^–5 CFU/mL。

2.4.2 Inhibition of fungi

2.4.2.1 Fungal strains

使用的黑曲霉（Aspergillus niger，MTCC 183）真菌菌株来自昌迪加尔微生物技术研究所（IMTECH）的微生物类型培养物保藏中心（MTCC）。

2.4.2.2 Sabouraud dextrose agar (SDA)

沙氏葡萄糖琼脂（SDA）商业获取，32.5g粉末溶于500mL蒸馏水，121°C高压灭菌15分钟后用于平板制备。

2.5 Dye adsorption degradation study

通过Rhodamine B染料和Alizarin Red S评估合成的ZnO@CTAB-SA聚合物纳米复合材料的光催化特性。Rhodamine B染料降解在太阳能照射下使用催化剂（ZnO@CTAB-SA）进行分析。Rhodamine B是有机染料，在553nm有特征吸收带；Alizarin Red S在365nm有吸收带。将20mg合成纳米颗粒分散于20mL双蒸水，超声5分钟。样品溶液加入20mL Rhodamine B溶液（2×10^-5M）和20mL Alizarin Red S，置于锥形瓶中。混合溶液搅拌几分钟，暗室超声半小时，建立纳米颗粒与染料间的吸附-脱附平衡。混合反应溶液暴露于太阳光，实验在晴天上午10点至下午5点进行，大气温度31°C–38°C。定时取2mL反应混合物，过滤去除固相，滤液在553nm和365nm测量吸光度。Rhodamine B染料在553nm吸光度随反应时间增加而降低，Alizarin Red S在365nm吸光度同样降低。降解百分比计算公式：% Degradation = 100*[(A_o-A_t)/A_o]，其中A_o为初始吸光度，A_t为时间t的吸光度。

2.6 Photocatalytic degradation kinetic study of dyes

使用合成的Zn@CTAB-SA (1.0)在太阳光照射下评估染料光催化降解动力学。Langmuir–Hinshelwood动力学模型解释了异相光催化剂对有机染料的光催化降解，进行双重重复并使用平均结果计算。光催化反应方程：Rate (r) = dC/dt = k KC/(1+KC)。低染料浓度下KC<<1，积分得ln(C_o/C_t) = kKt = k_appt，为准一级动力学模型方程。修改为ln(A_o/A_t) = K_appt。其中dC/dt为染料降解速率（mg/L·min^-1），k为反应速率常数（min^-1），K为染料在光催化剂上的吸收系数，K_app（min^-1）为表观速率常数。

2.7 Characterization

使用多种分析方法表征材料：FT-IR光谱使用Agilent ATR台式光谱仪在400–4000cm^-1范围记录；X射线衍射（XRD）使用Rigaku Ultima IV粉末衍射仪，在2θ范围10°–80°分析结构相参数；扫描电子显微镜（ZEIS Evo SEM，EDS Oxford instruments）分析形态和粒径。ZnO和ZnO@CTAB-SA纳米复合材料的粒径从100nm尺度的SEM图像测量，随机选择70个颗粒，用ImageJ软件测量粒径，计算平均尺寸和标准偏差。

3 Results and discussion

3.1 Structural and morphological analysis

3.1.1 FTIR analysis

红外光谱显示锌复合材料（SA和CTAB聚合物不同浓度）及纯ZnO的比较。在3400cm^-1观察到宽峰，表明海藻酸钠聚合物和ZnO NPs中的O-H伸缩振动。2915cm^-1和2844cm^-1的明确峰表明ZnO NPs表面CTAB烷基链中的C-H伸缩振动，1633cm^-1和1600cm^-1（C=O）表明羧酸盐基团（SA）与ZnO NPs之间的相互作用。1401cm^-1（C-H）弯曲振动进一步支持CTAB和SA的存在，1122cm^-1（C-O-C）为SA中的伸缩振动。此外，673cm^-1和621cm^-1的峰对应于ZnO键的伸缩振动，证明ZnO纳米颗粒的存在。673和621cm^-1的谱带最初归属于Zn-O伸缩。块状ZnO通常在430–560cm^-1显示横向光学模式（E₁(TO), A₁(TO)），但多项研究报道当ZnO以纳米尺寸颗粒存在或与聚合物/表面活性剂强结合时向高波数移动。Zn²⁺与海藻酸钠羧酸盐基团和CTAB胶束的相互作用可能使Zn-O键变硬，产生伸缩谱带的蓝移。类似上移（610–680cm^-1）在生物聚合物封装的ZnO中观察到。因此，较高频率与纳米尺寸ZnO配位SA/CTAB基质而非块状ZnO一致。

3.1.2 PXRD analysis

合成的ZnO@CTAB-SA纳米复合材料的PXRD图谱显示特征衍射峰在22.3°、26.6°、30.76°，更高强度峰在32.59°、38.29°、44.27°、46°和50.26°，这些峰可索引至（100）、（002）、（101）、（102）和（110）晶面，与JCPDS卡片号36-1,451匹配。复合材料中观察到微小峰移和相对强度降低，可能归因于晶格应变和ZnO纳米颗粒与海藻酸钠-CTAB聚合物基质之间的相互作用。较低角度（22.3°、26.6°、30.76°）的额外峰归因于聚合物组分（海藻酸钠和CTAB）及可能的无定形有机残留物。类似特征在含ZnO NPs的聚合物基纳米复合材料中有报道。峰强度的显著变化，如ZnO@CTAB-SA (0.6)在47°附近的强峰与其他样品普遍44°附近的强度差异，归因于纳米颗粒尺寸分布、形态和聚合物基质内优先取向的不同。这些峰不对应于ZnO或任何杂质相。ZnO峰的轻微位移和强度变化由于复合材料中的应变和强界面相互作用，此类系统典型。未检测到其他晶相，确认复合材料中ZnO纤锌矿结构的保留纯度。

3.1.3 FESEM analysis

FE SEM图像显示锌聚合物纳米复合材料（0.2）、（0.4）、（0.6）、（0.8）和（1.0）的形状和结构随锌含量增加而变化。锌复合材料0.2呈现光滑、薄片状结构，具有中等孔隙度。锌复合材料0.4呈现更多互连和聚集的薄片，导致高度多孔结构。随着锌浓度水平增加，锌复合材料0.6、0.8和1.0显示更大颗粒团聚，导致更致密和紧凑结构。EDS分析表明形状改变与材料组成修改对应。复合材料由富含碳的基质组成，含不同数量的锌、氯和氧，表明表面经过修饰和掺杂，孔隙度和锌及其他元素功能化增加。表面面积和活性位点可用性相应增加。

3.2 Antibacterial activity

锌作为高效抗菌剂，以其纳米颗粒或氧化物形式特别有用，促进活性氧物种（ROS）生成。水杨酸作为酚类化合物，显示温和抗菌活性和强螯合能力，增强Zn离子释放和提高表面反应性。CTAB作为阳离子表面活性剂，在破坏细菌膜中起作用。通过琼脂孔扩散法在四个不同浓度（25、50、75和100μL）评估化合物效能，针对多种细菌病原体包括金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。平板在37°C培养18–24小时，测量抑制区直径（mm）并计算活性指数。测量在四个特定固定方向进行，平均值显示在表中。ZnO@CTAB-SA复合材料对金黄色葡萄球菌（革兰阳性）和大肠杆菌（革兰阴性）的抗菌效能与标准抗菌剂比较。标准显示强且一致的抗菌活性，对金黄色葡萄球菌抑制区17至25mm，对大肠杆菌11–16mm。复合材料中，ZnO@CTAB-SA (0.2)对金黄色葡萄球菌显示最小活性，对大肠杆菌显示适度活性，在100μg/mL浓度达到最大抑制区15mm。ZnO@CTAB-SA (0.4)和(0.6)显示浓度依赖性，对金黄色葡萄球菌分别导致抑制区10mm和11mm。ZnO@CTAB-SA (0.8)对两种细菌菌株显示增强有效性，在100μg/mL浓度达到对金黄色葡萄球菌12mm和大肠杆菌14mm抑制区。ZnO@CTAB-SA (1.0)在复合材料中显示最高抗菌活性，在100μg/mL浓度显示对金黄色葡萄球菌16mm和大肠杆菌15mm抑制区，与标准相当，可能由于较高锌浓度增强ROS，损伤细菌膜和细胞内组分，锌离子减少细菌酶活性和生长，功能化复合材料表面增加其与细菌细胞壁结合亲和力，特别是革兰阳性金黄色葡萄球菌具有厚肽聚糖屏障。该复合材料是最有效的抗菌复合材料和微生物控制剂。

3.3 Antifungal activity

使用琼脂孔扩散法评估药物抗真菌增殖效能，纳入四种不同剂量测试化合物（25、50、75和100μL）。制备的SDA培养平板用黑曲霉感染，使用涂布平板技术。平板保持在37°C ± 2°C 48小时评估真菌生长。48小时培养后，评估孔周围区域存在，记录抑制区尺寸（mm），并计算活性指数。测量在所有三个重复的三个特定固定方向进行，平均值总结在表中。ZnO@CTAB-SA复合材料在不同浓度（0.2、0.4、0.6、0.8和1.0）抗黑曲霉效能与标准抗真菌药物比较。结果显示显著剂量依赖性抗真菌效应，抑制区范围从25μg的11mm到100μg的20mm。复合材料中，ZnO@CTAB-SA (0.2)显示轻微活性，抑制区在50μg开始12mm，100μg上升至14mm。ZnO@CTAB-SA (0.4)和(0.6)显示类似模式，在100μg浓度最大抑制区分别为13mm和14mm。ZnO@CTAB-SA (0.8)显示稍改善活性，在50和100μg浓度显示抑制区11mm和14mm。ZnO@CTAB-SA (1.0)在复合材料中表现卓越，在最小浓度25μg显示9mm抑制区，100μg扩展至14mm。尽管所有复合材料显示显著抗真菌活性，但无一超越标准有效性，表明未来增强ZnO@CTAB-SA复合材料配方的潜力。

3.4 Dye adsorption and photocatalytic degradation study

评估ZnO@CTAB-SA纳米复合材料对Rhodamine B（阳离子染料）和Alizarin Red S（阴离子染料）的去除，两者广泛用于纺织品、食品着色、印刷和生物染色。最初，所有含复合材料的染料溶液在暗处保持30分钟建立吸附-脱附平衡。此步骤确认纳米复合材料的吸附容量。随后暴露于UV-可见光1–5小时，观察到吸光度强度显著降低，确认光催化降解。样品中，ZnO@CTAB-SA (1.0)显示最高降解效率，归因于聚合物基质吸附和ZnO NPs光催化的协同效应。

3.4.1 Rhodamine B dye adsorption

分析Rhodamine B降解，通过观察其在～553nm distinct吸光度峰 throughout 1–5小时使用ZnO@CTAB-SA纳米复合材料。结果显示吸光度随ZnO@CTAB-SA浓度上升（0.2,0.4,0.6,0.8,和1.0）逐渐降低。在ZnO@CTAB-SA (0.2)，光催化活性明显减少，归因于有限活性位点用于染料相互作用。随着ZnO@CTAB-SA浓度上升（0.2和0.4），光催化效率明显增强，表现为吸光度强度稳定减少。最显著下降在ZnO@CTAB-SA (0.8)和(1.0)复合材料，吸光度峰标记减少，特别是在5小时处理后。改善的降解与有效产生活性氧和带正电Rhodamine B染料与ZnO@CTAB-SA纳米复合材料之间的静电相互作用相关。

3.4.2 Percentage of degradation of RB dye using ZnO@CTAB-SA (1.0)

在太阳照射下ZnO@CTAB-SA (1.0)纳米复合材料存在下RB效能降解百分比评估，结果显示在图中。数学方程，% Degradation = 100*[(A_o-A_t)/A_o]，用于计算反应期间RB染料降解百分比，其中A_o和A_t为RB染料在初始和时间t的吸光度（λ_max = 553）。表显示使用合成ZnO@CTAB-SA (1.0)在太阳照射下计算RB染料降解百分比。染料降解百分比 = (100- (在1, 2, 3, 4和5小时Abs x 100)/在0小时Abs)。例如在1小时= (100-(0.487 × 100)/0.805) = 39.50%。

3.4.3 Photodegradation kinetics of RB dye

Langmuir–Hinshelwood (L-H)方程可解释反应性结果并给出光催化反应期间小时降解的反应速率值。反应速率常数（k）和关联因子值通过绘制ln(A_o/A_t)对照射时间计算RB染料降解。图显示本实验反应速率常数和关联因子值。此RB染料光催化降解遵循准一级动力学反应。ln(A_o/A_t)基于催化反应期间RB染料吸光度计算。结果值显示在表中。

3.4.4 Alizarin Red S dye adsorption

Alizarin Red S（阴离子染料）的光催化降解，通过观察其在～365nm吸光度峰使用ZnO@CTAB-SA纳米复合材料 over 1–5小时持续时间。在最小ZnO@CTAB-SA (0.2)，吸光度仅有轻微减少，表明染料有限降解。在ZnO@CTAB-SA (0.4)和(0.6)，光催化活性明显增强，伴随吸光度额外减少。显著Alizarin Red S降解发生在升高ZnO@CTAB-SA浓度(0.8)和(1.0)，特别是在4–5小时持续时间后。

3.4.5 Percentage of degradation of Alizarin Red S dye using ZnO@CTAB-SA (1.0)

在ZnO@CTAB-SA (1.0)纳米复合材料存在下Alizarin Red S效能降解百分比在太阳照射下评估，结果显示在图中。数学方程，% Degradation = 100*[(A_o-A_t)/A_o]，用于计算反应期间Alizarin Red S染料降解百分比，其中A_o和A_t为Alizarin Red S染料在初始和时间t的吸光度（λ_max = 365）。表显示使用合成Zn@CTAB-SA (1.0)在太阳照射下计算Alizarin Red S染料降解百分比。

3.4.6 Photodegradation kinetics of Alizarin Red S dye

Langmuir–Hinshelwood (L-H)方程可解释反应性结果并给出光催化反应期间小时降解的反应速率值。反应速率常数（k）和关联因子值通过绘制ln(A_o/A_t)对照射时间计算Alizarin Red S染料降解。图显示本实验反应速率常数和关联因子值。此Alizarin Red S染料光催化降解遵循准一级动力学反应。ln(A_o/A_t)基于催化反应期间Alizarin Red S染料吸光度计算。结果值显示在表中。

ZnO@CTAB-SA纳米复合材料显示显著有效性降解Rhodamine B（阳离子染料）和Alizarin Red S（阴离子染料），光催化效率随ZnO@CTAB-SA浓度增加和暴露时间延长而改善。带正电染料与ZnO@CTAB-SA纳米复合材料之间的相互作用增强吸附有效性和导致有效降解。相反，Alizarin Red S的阴离子性质促进与带正电ZnO@CTAB-SA纳米复合材料表面的强相互作用，从而改善降解效率。两种染料显示吸光度显著降低，Rhodamine B显示略微更快降解，可能归因于更强静电相互作用。海藻酸钠-CTAB基质的联合影响显著提升光催化性能并实现ZnO@CTAB-SA纳米复合材料一致分布，使这些纳米复合材料异常有效去除水溶液中的阳离子和阴离子染料。

4 Conclusion

合成ZnO@CTAB-SA聚合物纳米复合材料有效抗金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和黑曲霉。海藻酸钠、CTAB和ZnO纳米颗粒协同改善复合材料结构特性和微生物细胞接触，导致生物活性。此外，纳米复合材料光催化降解工业染料Rhodamine B和Alizarin Red S，证明其污水处理潜力。这些发现表明ZnO@CTAB-SA复合材料可应对微生物抗性和染料污染。合成ZnO@CTAB-SA聚合物纳米复合材料有效抗金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和黑曲霉。海藻酸钠、CTAB和ZnO纳米颗粒协同增加复合材料结构和微生物细胞接触，导致生物活性。纳米复合材料还光催化降解商业染料包括Rhodamine B和Alizarin Red S，提示污水处理潜力。结果表明ZnO@CTAB-SA复合材料可能面对微生物抗性和环境染料污染。需要这些材料合成和整合入生物医学和环境系统。