麻黄介导绿色合成氧化钌纳米颗粒的光催化与生物活性研究及其应用前景

本研究针对传统纳米材料合成方法的环境污染与高成本问题，创新性地采用印度麻黄（Ephedra gerandiana）提取物绿色合成氧化钌纳米颗粒（RuO-NPs）。通过系统表征证实其25-45 nm的晶体结构，并首次全面评估其在抗菌（对革兰氏阴性/阳性菌抑制率达9-12.5 mm）、抗氧化（DPPH清除率89.92%）和光催化（120分钟内染料降解率96-98%）等多领域的卓越性能，为环境修复和生物医学应用提供了可持续解决方案。

　　

随着纳米技术的飞速发展，金属氧化物纳米颗粒在能源、环境和生物医学等领域展现出巨大潜力。然而，传统化学合成方法往往使用有毒还原剂和稳定剂，不仅成本高昂，还可能对环境造成二次污染。因此，开发绿色、可持续的纳米材料合成策略成为当前研究的热点。在众多金属氧化物中，氧化钌（RuO₂）纳米颗粒因其独特的化学稳定性、低电阻率和优异催化性能而备受关注，但关于其绿色合成及多功能应用的研究仍相对有限。

在此背景下，研究人员选择具有丰富生物活性成分的印度麻黄（Ephedra gerandiana）作为还原剂和稳定剂，开展了一项创新性的绿色合成研究。这项研究不仅旨在探索一种环境友好的RuO-NPs制备方法，更系统评估了其在抗菌、抗氧化和光催化降解有机染料等方面的性能，为多功能纳米材料的开发提供了新思路。相关成果发表在《Next Materials》期刊上。

本研究采用的主要技术方法包括：1）通过水热提取法制备印度麻黄植物提取物；2）利用植物提取物还原钌盐前体并经400°C煅烧获得RuO-NPs；3）采用X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）等进行纳米颗粒表征；4）通过纸片扩散法评估抗菌活性；5）采用DPPH法测定抗氧化能力；6）在紫外和太阳光照射下测试对多种染料的光催化降解效率。

3.1. 结构确认

XRD分析显示合成的RuO-NPs具有四方晶系结构（JCPDS No. 41-1445），在28.40°、40.59°、50.258°和66.487°处出现明显衍射峰。Scherrer方程计算平均晶粒尺寸为34.7 nm，Williamson-Hall分析显示微应变为4.9×10^-4。UV-Vis光谱在492 nm处出现特征吸收峰，Tauc图计算光学带隙为2.45 eV。FT-IR光谱在528.39 cm^-1处发现Ru-O特征振动峰，证实了氧化钌的形成。SEM显示纳米颗粒呈不规则形状且存在团聚现象，尺寸分布为5-40 nm。EDX分析检测到钌（17.0 wt%）和氧（45.5 wt%）元素，以及来自植物提取物的碳、钾、钙等元素。

3.2. 氧化钌纳米颗粒的抗菌活性

RuO-NPs对四种病原菌均表现出明显的抑制效果：肺炎链球菌（12.5 mm）、铜绿假单胞菌（11 mm）、大肠杆菌（10 mm）和肺炎克雷伯菌（9 mm）。其抗菌机制可能与纳米颗粒破坏细菌细胞膜结构有关。

3.3. 氧化钌纳米颗粒的抗氧化活性

DPPH自由基清除实验显示，RuO-NPs在20-100 μg/mL浓度范围内呈现浓度依赖性的抗氧化活性，清除率从42.65%增加到88.48%，IC₅₀值为16.216 μg/mL。相比之下，抗坏血酸（维生素C）的IC₅₀为9.3 μg/mL。

3.4. 氧化钌纳米颗粒的抗真菌活性

对黑曲霉（Aspergillus niger）的抑制实验表明，RuO-NPs（20-50 μL）的抑制圈直径为13.5-16.5 mm，而植物提取物（25-100 μL）的抑制效果较弱（4.5-8 mm）。阳性对照氟康唑的抑制圈为24 mm。

3.5. 氧化钌纳米颗粒的光催化活性

在太阳光照射下，RuO-NPs对刚果红、甲基橙、亚甲蓝和孔雀石绿四种染料均表现出高效降解能力。随着纳米颗粒浓度从20 mg增加到50 mg，降解效率显著提高，120分钟内降解率达到96-98%。动力学分析表明降解过程符合准一级动力学模型，孔雀石绿的降解速率常数最高（0.0100 min^-1）。

3.6. 降解模型

通过建立Log C/C₀与时间的关系曲线，证实降解速率常数随RuO-NPs浓度增加而增大，表明纳米颗粒表面介导的电子-空穴反应是染料降解的主要机制。

本研究成功开发了一种绿色、可持续的氧化钌纳米颗粒合成方法，利用印度麻黄提取物作为还原剂和稳定剂，避免了传统合成中有毒化学品的使用。合成的RuO-NPs表现出优异的晶体结构和均一的尺寸分布，为其多功能应用奠定了基础。在生物医学方面，RuO-NPs对多种病原微生物表现出显著的抑制效果，且具备强大的自由基清除能力，展现了在抗菌治疗和抗氧化疗法中的应用潜力。在环境修复领域，RuO-NPs在太阳光照射下对多种有机染料的高效降解能力，为其在废水处理中的应用提供了坚实依据。

这项研究的重要意义在于：首先，它提供了一种环境友好的纳米材料合成策略，符合绿色化学原则；其次，它全面评估了RuO-NPs的多功能特性，突破了传统纳米材料单一应用的局限；最后，它为解决环境污染和微生物耐药性问题提供了新的解决方案，推动了纳米技术在交叉学科领域的发展。未来研究可进一步探索RuO-NPs在体内条件下的生物相容性和毒性，优化合成工艺以提高产率，并开发基于RuO-NPs的复合纳米材料以增强其性能。