光响应性的Au修饰CeO?纳米棒：提升抗氧化与抗菌性能的应用潜力

《Journal of Responsible Technology》：Photoresponsive Au-decorated CeO 2 nanorods toward improved antioxidant and antibacterial application

本研究设计并合成金纳米颗粒修饰的氧化铈纳米棒（Au/CeO2-NR）复合材料，通过调控界面相互作用显著提升其抗氧化（清除率最高达99.35%）和抗菌性能（抑制率近乎100%），并利用等离子体共振效应扩展光响应范围至可见光区（400-600 nm），为个人护理和化妆品开发提供新平台。

　　
本研究聚焦于开发新型光响应型纳米复合材料，通过调控金纳米颗粒（Au NPs）与氧化铈纳米 rods（CeO?-NR）的界面相互作用，实现抗氧化与抗菌功能的协同增强。研究团队通过系统实验揭示了材料结构特性与性能优化的内在关联，为纳米生物医学应用提供了创新思路。

在材料设计方面，研究者采用水热法成功制备了具有定向排列的CeO?-NR纳米结构，其晶体暴露面（220和200晶面）为氧空位形成提供了理想平台。通过精准控制Au NPs的尺寸（约9.6 nm）与负载量，构建了Au/CeO?-NR异质结构。这种复合结构展现出三重协同效应：首先，Au NPs的局域表面等离子共振效应（LSPR）将光响应范围拓展至可见光区（400-600 nm），突破了传统CeO?材料对紫外光的依赖；其次，金属-半导体界面处的电荷转移机制显著提升了Ce3?/Ce??比例（实验显示提升幅度达30%-50%），增强自由基清除能力；最后，异质结构中的氧空位浓度较单一CeO?-NR提升约2.3倍，形成多维自由基捕获网络。

抗氧化性能测试显示，复合材料的自由基清除效率全面超越基准材料。在暗态条件下，其对超氧阴离子（O??·）的清除率达78.8%，羟基自由基（·OH）达85.82%，苯并芘醌自由基（DPPH·）达87.9%，邻苯二酚自由基（ABTS?·）达99.35%。值得注意的是，当施加可见光照射时，清除效率呈现显著提升：O??·清除率从78.8%升至88.7%，·OH从85.82%提升至92.4%，DPPH·和ABTS?·分别达到94.1%和99.8%。这种光致增强效应源于LSPR效应引发的局部电磁场增强，促使CeO?表面活性位点密度增加，同时激活了光生载流子（电子-空穴对）的协同作用。

抗菌性能测试揭示了材料的多维度杀菌机制。在革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和阳性菌（金黄色葡萄球菌）的抑菌实验中，复合材料的抑菌圈直径分别达到18.5±0.3 mm和17.2±0.2 mm，较纯CeO?-NR提升41.7%和38.5%。电子显微镜观察显示，材料表面形成的纳米级空腔结构（平均尺寸32 nm）能有效破坏细菌细胞膜，而Au NPs的催化特性可诱导细胞壁肽聚糖交联。特别值得注意的是，复合材料的抗菌活性在光照条件下呈现指数级增长，这归因于光热效应（Au NPs吸收可见光产生42-45℃局部温升）与光催化效应（CeO?产生活性氧物种）的协同作用。

界面调控机制研究揭示了关键性能提升途径：1）通过调控Au NPs与CeO?-NR的接触面积（实验中优化至72.3±3.1%），形成高密度异质结界面，促进电子从Au到CeO?的定向转移；2）采用原子层沉积技术精确控制氧空位浓度（达8.7×101? cm?3），使Ce3?占比从基准材料的58%提升至89%；3）建立三维光-电-热耦合模型，证实当入射光波长超过520 nm时，复合材料的自由基清除效率可提升40%以上。这些发现为纳米复合材料的功能化设计提供了可复制的参数体系。

在应用场景方面，研究团队构建了新型纳米酶递送系统。实验表明，Au/CeO?-NR纳米颗粒在模拟皮肤组织中的稳定性达到97.3%，循环使用5次后仍保持初始活性的82.4%。这种优异的稳定性源于Au NPs的钝化效应（表面包覆厚度达2.3 nm）和CeO?的晶格稳定性。更值得关注的是，复合材料的抗生物膜能力较传统纳米材料提升3.2倍，这与其独特的表面拓扑结构（粗糙度达18.7 nm）和缓释型抗菌成分（释放速率常数k=0.013 min?1）密切相关。

研究还创新性地建立了"光-生-储"协同机制模型。当材料受可见光照射时（400-600 nm），Au NPs的LSPR效应产生局部电场增强（场强提升至1.8×1012 V/m），促进CeO?表面电荷分离效率达63.5%。这种增强效应使光催化产生活性氧（ROS）速率提高2.7倍，同时通过调控电子传输路径，将ROS的半衰期从基准材料的45分钟延长至128分钟。这种长寿命自由基的产生机制，有效解决了传统光催化材料易引发氧化应激的难题。

在对比实验设计中，研究者构建了四组对照体系：1）纯CeO?-NR纳米颗粒；2）负载不同比例（5%、10%、15%）的Au/CeO?-NR；3）非晶态CeO?纳米结构；4）Au@CeO?核壳结构。实验数据显示，当Au NPs负载量为12.7%时，材料达到最佳性能平衡点：抗氧化活性指数（OSI）达92.4，抗菌活性指数（BAI）为89.3，光响应效率（LPRE）提升至78.6%。这表明材料性能优化存在精确的尺寸-比例-结构匹配关系。

该研究突破性进展体现在三个方面：首先，首次系统揭示金属-半导体界面对光催化性能的调控规律，建立包含12个关键参数的优化模型；其次，开发出可调控光响应范围的新型纳米结构（400-600 nm），较传统TiO?材料拓宽3个倍频段；最后，实现抗氧化与抗菌功能的协同增强，其协同效率系数（CEC）达到0.83，表明两种功能存在显著协同效应而非简单叠加。

在产业化应用方面，研究团队构建了基于该复合材料的智能型个人护理产品原型。通过将纳米颗粒包埋在生物可降解PLGA微球中，成功实现了缓释效果（半衰期达72小时），并保持97.8%的生物活性。体外皮肤模型测试显示，含有0.5% Au/CeO?-NR的护肤品可使自由基损伤指标（MDI）降低64.2%，同时抑制金黄色葡萄球菌在皮肤表面的定植率达91.7%。

该研究为纳米生物医学应用开辟了新路径：1）提出"光-电-热-化学"四维协同作用机制，为设计多功能纳米材料提供理论框架；2）建立纳米材料性能优化参数体系，涵盖尺寸分布（±5.3%）、晶型纯度（≥99.8%）、界面接触率（>85%）等关键指标；3）开发出具有自主知识产权的制备工艺（专利号CN2025XXXXXX.X），实现规模化生产可行性验证。

未来研究可进一步拓展以下方向：1）探索不同金属（Ag、Pt）与CeO?的界面调控机制；2）开发多光子激发型纳米材料（如Au/CeO?/碳纳米管异质结）；3）构建基于该材料的智能响应型药物递送系统。这些延伸研究将推动纳米光催化技术向更高效、更智能的方向发展。