综述：生物合成二氧化铈纳米颗粒在生物、光催化和吸附应用中的最新进展

《Nanoscale Advances》：Recent advances in biological, photocatalytic and adsorption applications of biosynthesized CeO2 nanoparticles

本综述系统评述了生物合成CeO2纳米颗粒（NPs）的绿色制备策略及其在生物医学（抗菌、抗癌、抗氧化、神经保护等）和环境修复（光催化降解染料/抗生素/农药、吸附重金属/有机污染物）领域的创新应用。文章重点分析了生物源（植物提取物、微生物）作为可持续模板在调控CeO2-NPs形貌、尺寸及表面缺陷（如氧空位）中的关键作用，并探讨了其构效关系与作用机制（如活性氧ROS调控、异质结增强电荷分离）。同时指出当前在合成重现性、机理深入解析及功能化拓展方面的挑战，为开发高效、低毒的纳米材料提供新视角。

　　

生物合成二氧化铈纳米颗粒的绿色策略与应用前沿

引言

二氧化铈（CeO₂）纳米颗粒因其独特的氧空位缺陷、Ce³⁺/Ce⁴⁺可逆氧化还原特性及高比表面积，在生物医学和环境修复领域展现出巨大潜力。与传统化学合成法相比，生物合成法以植物提取物、微生物等生物源为还原剂和稳定剂，具有低毒性、高生物相容性和环境友好性。本综述系统梳理了生物合成CeO₂-NPs的最新进展，重点探讨其形成机制、结构调控策略及多领域应用性能。

生物介导的CeO₂纳米颗粒合成

结构特征

CeO₂晶体属萤石立方结构（空间群Fm3m），其（111）、（110）和（100）晶面暴露程度直接影响氧空位形成和表面反应活性。生物合成中，植物多酚、黄酮类等活性成分通过络合Ce离子前驱体，在碱性条件下促进Ce³⁺氧化为Ce⁴⁺，并经热处理（300–700°C）诱导结晶成核。例如，杨梅叶提取物合成的CeO₂-NPs呈球形，粒径为20纳米，比表面积达100平方米/克。

形成机制与影响因素

生物合成机制涉及生物分子与铈离子的配位、还原及包覆过程。以辣木种子提取物为例，其酚类化合物与Ce³⁺形成络合物，在煅烧中分解为CeO₂晶体。合成温度、时间及生物源比例显著调控颗粒尺寸和能带结构：提高提取物体积（5–15毫升）可减小晶粒尺寸（8–6纳米），但过量（20毫升）因pH变化反致粒径增大（12纳米）。此外，避免使用强碱试剂可减少副反应，但可能延缓反应动力学。

CeO₂基复合材料的构建

为克服纯CeO₂易团聚、带隙宽（3.0–3.7电子伏特）等局限，研究者开发了金属（Ag、Cu、Ni）掺杂或与氧化物（ZnO）、生物聚合物（壳聚糖、纤维素）复合策略。例如，桑椹叶提取物合成的Ag/CeO₂复合材料粒径降至17纳米，带隙缩至2.50电子伏特，归因于异质结促进电荷分离。明胶/海藻酸盐/CeO₂复合物则通过聚合物模板抑制颗粒聚集，提升稳定性。

生物医学应用

抗菌与抗真菌活性

生物合成CeO₂-NPs通过释放活性氧（ROS）破坏细菌细胞膜，对革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）表现出更强抑制效果。甜菊叶提取物合成的CeO₂对大肠杆菌最低抑菌浓度（MIC）低至6.25微克/毫升，而Ag掺杂CeO₂/还原氧化石墨烯复合材料抑菌圈直径扩大至15毫米。抗真菌机制涉及氧空位介导的氧化应激破坏，如Ni掺杂CeO₂对白色念珠菌抑菌圈达13毫米。

抗氧化与抗癌功能

CeO₂-NPs通过Ce³⁺/Ce⁴⁺循环清除自由基，其抗氧化活性优于原始提取物（如辣木CeO₂的DPPH清除率提高20%）。在抗癌应用中，苏格兰荆棘提取物合成的CeO₂对肺癌细胞存活率抑制至26.96%，优于顺铂（32.95%）。其选择性毒性源于酸性肿瘤微环境触发ROS生成，而正常细胞中表现为ROS清除。

神经保护与酶活性

CeO₂-NPs可保护神经元免受氧化损伤，如积雪草叶提取物合成的CeO₂（40微克/毫升）将H₂O₂诱导的SH-SY5Y细胞毒性降低74.44%，乳酸脱氢酶（LDH）泄漏减少50%。此外，大麻叶提取物合成的CeO₂对乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制活性（IC₅₀为2.789毫克/毫升），潜在用于阿尔茨海默病治疗。

环境修复应用

光催化降解污染物

CeO₂-NPs在光照下产生电子-空穴对，驱动染料（如亚甲基蓝）、抗生素（四环素）和农药（硫丹）降解。螺旋藻提取物合成的CeO₂对5 ppm亚甲基蓝降解率达98%，而ZnO-CeO₂异质结将4-硝基苯酚在4分钟内完全转化。掺杂Ag或构建Z型异质结可增强可见光吸收并抑制电荷复合。

吸附去除污染物

生物合成CeO₂及其复合材料对重金属（Cr⁶⁺、Pb²⁺）、染料（活性蓝）和氟离子表现出高吸附容量（46–201毫克/克）。豌豆荚提取物合成的CeO₂对Cr⁶⁺吸附容量为125毫克/克，去除率94%；CeO₂/生物炭复合材料通过π-π堆积和静电作用吸附亚甲基蓝，容量达492毫克/克。吸附过程符合Langmuir模型和准二级动力学，以化学吸附为主。

局限与展望

当前生物合成法存在粒径分布不均、重复性差及机理不明等问题。未来需优化合成参数标准化，并探索CeO₂在钙钛矿太阳能电池（作为电荷传输层）、电催化制氢及刺激响应型药物递送等新领域的应用。通过表面功能化（如pH敏感聚合物修饰）和复合新材料（MOFs、MXenes），可进一步提升其性能与可持续性。

结论

生物合成CeO₂-NPs及其复合材料作为绿色纳米技术代表，在生物医学和环境科学中展现出多功能性。深入理解生物分子与纳米结构相互作用机制，将推动其向精准医疗和高效环境修复方向转化。