《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Bio-inspired formulation of starch coated silver nanoparticles: A sustainable computing towards environmental monitoring and biomedical sectors
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本研究采用茶渣提取液和淀粉为绿色原料，合成了淀粉包覆茶渣还原银纳米颗粒（St/WT-AgNPs），通过UV-Vis、DLS、FTIR等分析其特性，发现粒径77.95 nm，zeta电位-28.15 mV，稳定性达9个月。比较了St/WT-AgNPs与未包覆的WT-AgNPs的催化降解性能（RhB和4-NP）及抗菌活性（MIC值100和80 μg/mL），证实包覆后催化效率提升且细胞毒性降低（IC50 80 μg/mL）。
Koyel Biswas | Zisan Ahmed | Tiasha Dutta | Bhaskar Mallick | Pooja Biswas | Jayanta Kumar Biswas | Sushil Kumar Mandal
卡利亚尼大学生态研究系及国际生态工程中心（ICEE），印度西孟加拉邦纳迪亚县卡利亚尼市741235
摘要
本文采用了一种简单且环保的方法，利用水溶性淀粉（St）溶液和茶渣提取物（WT）在无需有毒化学物质的情况下合成了生物聚合物包覆的银纳米颗粒（AgNPs）。通过动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和紫外-可见光谱技术对St/WT-AgNPs进行了分析。紫外-可见光谱分析证实了AgNPs的存在，其表面等离子体共振峰位于430纳米处。动态光散射测量结果显示Zeta电位为-28.15毫伏，平均粒径为77.95纳米。傅里叶变换红外光谱分析揭示了稳定纳米颗粒的功能基团，这些纳米颗粒的稳定性可维持长达九个月。扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱和透射电子显微镜进一步证明了其多孔结构、元素组成、球形形态以及面心立方（FCC）晶体结构。St/WT-AgNPs在罗丹明B（RhB）和4-硝基酚（4-NP）降解反应中的催化性能遵循准一级动力学。在浓度分别为50、100、150和200 ppm时，RhB的降解速率常数（K）分别为0.406、0.1382、0.0578和0.0339分钟^-1；4-NP的降解速率常数分别为0.033、0.056、0.1037和0.344分钟^-1。此外，还评估了St/WT-AgNPs的可回收性及其对降解效率的影响。抗菌测试表明，该纳米颗粒对革兰氏阳性和阴性细菌均具有显著抑制作用，枯草芽孢杆菌的最低抑菌浓度（MIC）为100微克/毫升，普通变形杆菌的MIC为80微克/毫升。与非包覆的WT-AgNPs相比，St/WT-AgNPs在催化性能、抗菌效果和细胞毒性方面表现出更优的优势。
引言
近年来，银纳米颗粒（AgNPs）因其独特的物理化学性质和广泛的生物活性而受到广泛关注。它们的纳米级尺寸赋予了较高的表面积与体积比，从而增强了反应活性，使其适用于催化、抗菌剂、生物传感器以及医学诊断和治疗等领域（Duman等人，2023年）。然而，由于裸露或未包覆的AgNPs的毒性和环境影响，研究人员开始探索生物相容性和环保的稳定剂以提高其实用性和安全性（Ma?ák等人，2024年）。在各种包覆和稳定剂中，多糖如淀粉提供了一种可持续、可生物降解且无毒的纳米颗粒表面改性方案。淀粉作为一种天然丰富的生物聚合物，因其两亲性及与金属离子形成复合物的能力而被广泛用于稳定金属纳米颗粒（García-Larez等人，2025年）。用淀粉包覆AgNPs不仅提高了胶体稳定性，还调节了银离子的释放，从而可能减少细胞毒性同时保留甚至增强其功能特性（Sati等人，2025年）。淀粉包覆AgNPs的合成通常涉及在淀粉存在下还原银盐，淀粉同时起到还原和包覆的作用。这种绿色合成方法符合可持续化学的原则，并已被证明能产生稳定性更高、生物相容性更好的纳米颗粒（Yakout等人，2015年）。对这些纳米颗粒的表征对于理解其结构、形态和功能特性至关重要，这些特性直接影响其催化、抗菌和细胞毒性行为。
利用AgNPs作为催化剂催化有机污染物（尤其是染料）的降解已成为环境修复的有效途径（Zahid等人，2023年）。AgNPs的催化效率与其表面性质及与反应物的相互作用密切相关。淀粉包覆会改变电子转移动力学和吸附能力，从而影响甲基蓝或刚果红等模型的降解速率（Arya等人，2023年；Bhatu等人，2024年）。因此，对比包覆与未包覆AgNPs的催化降解动力学对于评估其在废水处理中的应用可行性至关重要。AgNPs的抗菌潜力也有充分研究，其机制包括破坏微生物膜、生成活性氧（ROS）以及与细胞成分的相互作用（Ghosh等人，2023年）。然而，抗菌活性的程度会因颗粒大小、表面电荷和包覆材料而显著不同。据报道，淀粉包覆的AgNPs具有更强的选择性和持久的抗菌效果，同时减少了对哺乳动物细胞的细胞毒性（Harun-Ur-Rashid等人，2025年）。对比革兰氏阳性和阴性菌株的抗菌效果有助于深入了解表面改性在微生物抑制中的作用（Khan等人，2023年）。细胞毒性是评估AgNPs生物医学应用的重要参数。未包覆的AgNPs往往对哺乳动物细胞表现出剂量依赖性的毒性，而使用淀粉等生物相容性包覆层可以通过控制银离子的释放和限制纳米颗粒与细胞的直接相互作用来减轻这种毒性（Chahardoli等人，2025年；Rajalakshmi等人，2024年；Tripathi等人，2022年）。使用已建立的细胞系进行的体外比较研究可以阐明淀粉包覆对纳米颗粒诱导的细胞毒性的影响。
为了制备具有附加价值的稳定纳米颗粒，我们合成了淀粉（St）包覆的银纳米颗粒，并使用茶渣提取物（WT）作为强还原剂。在之前的研究中，茶渣提取物（WT）介导的银纳米颗粒（WT-AgNPs）在去除水溶液中的致癌偶氮染料（如甲基橙和刚果红）方面表现出显著的催化降解效率（Biswas等人，2024年）。在本研究中，我们旨在合成并表征淀粉（St）包覆的银纳米颗粒（St/WT-AgNPs），并与未包覆的对应颗粒（WT-AgNPs）进行比较分析，重点关注三个核心方面：催化降解动力学、抗菌效率和细胞毒性效应。尽管有相关研究使用淀粉包覆纳米颗粒，但这些研究通常结合了PVA，并采用静电纺丝工艺，且未对合成的纳米颗粒进行全面的表征，仅展示了抗菌应用（Aktürk等人，2020年；Khan 2019年）。少数研究利用淀粉包覆的AgNPs处理有毒污染物（如RhB和4-NP），但未提供关于淀粉包覆银纳米颗粒在长期催化染料降解中的稳定性的信息。本研究完全采用绿色可持续的合成方法，使用成本低廉且易于获取的生物聚合物作为包覆剂，采用相对简单的合成方法，进行了最全面的表征，对比了未包覆颗粒的性能，并检验了生物聚合物包覆银纳米颗粒的稳定性。这种综合方法将有助于全面了解淀粉功能化在提升AgNPs性能和安全性方面的优势和局限性。
化学物质、试剂和溶液制备
所有使用的化学物质和试剂均为分析级。硝酸银（AgNO3）、淀粉、硼氢化钠（NaBH4）、冰醋酸（纯度99–100%）、NaOH、乙醇（纯度99.9%）、罗丹明B（RhB）和4-硝基酚（4-NP）均购自印度Merck公司。营养肉汤、Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）、空腹血糖（FBS）、青霉素和链霉素由HI Media Laboratories提供，琼脂粉（Bacto级）购自印度Sisco Research Laboratories。
合成与优化
初始观察发现，当将WT提取物和淀粉溶液与硝酸银溶液混合时，反应混合物呈现淡黄色。随后，淡黄色逐渐变为棕黑色，表明银纳米颗粒的形成。这是由于金属纳米颗粒中的自由电子与光波相互作用时产生了表面等离子体共振（SPR）现象（Deepa等人，2022年）。
未引用的参考文献
Sati等人，2024年；Bouttier-Figueroa等人，2023年；Duman等人，2024年；Nascimento Ribas等人，2020年；Jaidev和Narasimha，2010年；Almalki和Khalifa，2020年；Rai等人，2014年；Khan等人，2023a；Shabil Sha等人，2024年；Tripathi和Goshisht，2022年；Zhou和Srinivasan，2015年；Vinayagam等人，2018年；Devanesan和AlSalhi，2021年；Khan等人，2023b；Daly等人，xxxx；Yakout和Mostafa，2015年；Aktürk等人，2018年。
CRediT作者贡献声明
Koyel Biswas：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构建。
Zisan Ahmed：数据可视化、正式分析。
Tiasha Dutta：数据可视化、方法论设计。
Bhaskar Mallick：软件开发、正式分析。
Pooja Biswas：数据可视化、方法论设计。
Jayanta Kumar Biswas：撰写——审稿与编辑、监督。
Sushil Kumar Mandal：数据可视化、验证、监督、资源协调、实验设计。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益或个人关系：Sushil Kumar Mandal表示，卡利亚尼大学提供了财务支持、设备、药品或试剂，并提供了写作协助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢卡利亚尼大学为这项工作提供的仪器支持，以及Koyel Biswas获得的科研奖学金。作者还要感谢Debanjan Mukherjee在印度西孟加拉邦Burdwan大学科学仪器中心（USIC）进行的透射电子显微镜（TEM）测量和图像分析工作。同时，作者感谢Bipradeep Mandal在印度西孟加拉邦IISER Kolkata协助收集X射线衍射（XRD）数据。
