《Materials Today Communications》：Extracellular Myco-synthesis and Structural Characterization of
Ganoderma lucidum Aqueous Extract Mediated-Selenium Nanoparticles
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硒纳米颗粒（SeNPs）作为一种新兴的纳米材料，因其低毒性和良好的生物活性而受到广泛关注。本研究首次报道了利用粗提灵芝（Ganoderma lucidum, GL）水提物作为唯一还原剂和封端剂，完全通过胞外途径合成SeNPs（GL-SeNPs）。研究人员采用多
硒纳米颗粒（SeNPs）作为一种新兴的纳米材料，因其低毒性和良好的生物活性而受到广泛关注。本研究首次报道了利用粗提灵芝（Ganoderma lucidum, GL）水提物作为唯一还原剂和封端剂，完全通过胞外途径合成SeNPs（GL-SeNPs）。研究人员采用多种表征技术对合成的纳米颗粒进行了全面的理化性质分析，包括紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、光致发光光谱（PL）、能量色散X射线光谱（EDX）以及微束质子诱导X射线发射（μPIXE）。UV-Vis结果显示在385 nm处出现特征吸收峰，证实了SeNPs的形成。FTIR分析表明，灵芝提取物中的蛋白质、多糖和酚类化合物参与了Se离子的还原及纳米颗粒的稳定。TEM和SEM图像显示，GL-SeNPs呈球形，粒径分布在10-100 nm范围内，并观察到有机壳层。XRD和Raman结果共同证实了纳米颗粒具有混合晶态-非晶态的硒核，其中Raman谱在254 cm-1处出现强峰。PL光谱在386、433和492 nm处观察到发射峰。EDX分析显示主要元素组成为硒（Se, 45.66%）、氧（O, 33.25%）和钠（Na, 20.46%），而μPIXE则揭示了更广泛的元素指纹，包括铝（Al）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）、氯（Cl）、钾（K）、钙（Ca）、钛（Ti）、铁（Fe）、锌（Zn）、硒（Se）和锆（Zr）。此外，研究人员还结合时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）计算，探究了灵芝主要活性成分（β-葡聚糖、灵芝酸A和灵芝霉素B）与Se12纳米团簇之间的相互作用机制。计算结果表明，吸附几何构型显著影响拉曼增强效应，且复合物的形成导致吸收光谱红移至近可见区（约375和416 nm）。该研究不仅建立了一种绿色、环保的GL-SeNPs胞外合成方法，而且通过PIXE与第一性原理计算的结合，将纳米材料的表征从描述性提升至机理层面，为未来此类真菌合成SeNPs在生物医学、传感和催化等领域的应用提供了重要的理论基础和可重复性依据。
研究背景与科学问题
硒（Se）是人体必需的微量元素，而硒纳米颗粒（SeNPs）相较于其他形式的硒，展现出更强的耐久性、更好的生物利用度和更低的毒性，在免疫调节、抗氧化、抗病毒及抗癌等方面具有广阔的应用前景。然而，传统的物理和化学合成方法存在成本高、环境不友好等问题。生物合成法，尤其是利用微生物（如真菌）进行合成，因其生态友好、安全廉价而备受关注。真菌合成纳米颗粒可通过胞内和胞外两种途径，但胞内合成需要复杂的分离纯化过程，因此胞外合成更具优势。灵芝（Ganoderma lucidum, GL）作为一种富含多种生物活性化合物的药用真菌，已被用于合成多种纳米材料。然而，此前尚无利用粗提GL水提物作为唯一还原剂和封端剂，完全通过胞外途径合成SeNPs的报道。现有研究多采用纯化的灵芝孢子多糖或结合其他还原剂（如抗坏血酸）进行合成。因此，本研究旨在建立一种全新的、完全基于粗提GL水提物的胞外真菌合成SeNPs的方法，并通过多种先进表征技术与理论计算，深入解析其理化性质和形成机理。
研究方法与技术路线
研究人员采用了以下关键技术方法：
- 1.
材料制备：使用干燥的GL子实体粉末进行水提，获得pH 5.5的GL水提物。
- 2.
纳米颗粒合成：将GL水提物与亚硒酸钠（Na2SeO3）溶液按1:10比例混合，在pH 8.5、室温避光条件下搅拌反应6天，观察颜色变化以确认SeNPs形成。
- 3.
理化性质表征：运用紫外-可见光谱（UV-Vis）监测合成过程及表面等离子体共振（SPR）峰；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定参与还原和稳定的生物分子官能团；采用高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察形貌、尺寸及有机壳层；通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）分析晶体结构和元素组成；使用光致发光光谱（PL）研究光学特性；运用能量色散X射线光谱（EDX）和微束质子诱导X射线发射（μPIXE）进行元素组成分析。
- 4.
理论计算：采用密度泛函理论（DFT）和时间依赖密度泛函理论（TD-DFT），以Se12纳米团簇为模型，计算了GL主要活性成分（β-葡聚糖、灵芝酸A、灵芝霉素B）与其相互作用的吸附能、电子结构（HOMO-LUMO能隙、态密度DOS）和光学性质（吸收光谱、拉曼光谱）。
主要研究结果
3.1 真菌合成GL-SeNPs
研究人员成功利用GL水提物将亚硒酸钠还原，观察到溶液颜色在6天内由浅棕色变为红宝石红色，标志着GL-SeNPs的形成。这一颜色变化归因于GL提取物中多种生物分子的还原作用。
3.2 表征结果
3.2.1 紫外-可见光谱分析
UV-Vis光谱显示，随着孵育时间延长（2-18小时），吸光度稳步增加并发生轻微蓝移。最终在6天孵育后，在385 nm处出现最大吸收峰，这符合已报道的生物合成SeNPs的特征范围。
3.3 官能团分析
3.3.1 傅里叶变换红外光谱分析
FTIR分析表明，GL-SeNPs表面存在羟基（O-H）、酰胺I带（C=O伸缩）、酰胺II带（N-H弯曲）以及C-O、C-N伸缩振动等多种官能团。这些官能团来源于GL提取物中的蛋白质、多糖和酚类物质，证实它们参与了Se离子的还原、封端和稳定化过程。与GL提取物相比，GL-SeNPs的某些特征峰发生了位移，特别是羟基基团的位移，表明其与SeNPs表面原子之间存在强烈的键合作用。
3.4 形貌分析
3.4.1 高分辨透射电镜和扫描电镜
TEM图像显示GL-SeNPs呈球形，粒径范围为10-100 nm，并可见有机壳层。SEM结果进一步证实了无定形态的球形和不规则球形颗粒，粒径分布为5-120 nm，呈现多分散性。
3.4.2 X射线衍射分析
XRD图谱在2θ值为24.1°、31.0°、33.4°、38.8°和46.9°处出现衍射峰，分别对应三角相硒的(100)、(101)、(110)、(102)和(111)晶面。结果表明，GL-SeNPs主要由结晶度较低的三角相硒组成，同时存在无定形成分，这可能源于有机封端剂的存在。
3.5 拉曼光谱分析
拉曼光谱在254 cm-1处出现一个强而尖锐的峰，这是Se-Se链或环振动的特征峰，强烈证明了GL-SeNPs中元素硒核的形成。此外，在67 cm-1处的低频峰对应于Se-Se模式的A1伸缩振动。
3.5.1 光致发光性能分析
PL光谱在386 nm、433 nm和492 nm处观察到发射峰。386 nm的峰归因于带边发射，而其余峰则与缺陷态或表面态发射有关，反映了纳米颗粒独特的电子和光学性质。
3.5.2 能量色散X射线光谱和质子诱导X射线发射分析
EDX分析显示GL-SeNPs的主要元素组成为Se（45.66%）、O（33.25%）和Na（20.46%）。μPIXE分析则揭示了一个更广泛的元素指纹，包括Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、Fe、Zn、Se和Zr。Se的存在证实了SeNPs的成功合成，而P、S、Cl、K、Ca等元素则源自参与封端和稳定的GL生物分子。
讨论与结论总结
讨论部分：该研究首次实现了利用粗提GL水提物完全通过胞外途径合成SeNPs，这是一种简单、安全、环保且经济的方法。合成的GL-SeNPs呈现出球形、粒径适中（10-100 nm）、表面富含生物分子等特性，这些特性有利于其在生物医药领域的应用，如提高细胞摄取效率和与靶标分子的相互作用。研究指出，不同研究中SeNPs的合成时间和理化性质差异（如吸收峰位置、粒径大小）主要归因于前驱体浓度、提取物比例、孵育时间、pH值、温度等合成条件的差异。通过对比，本研究的6天孵育时间与先前利用GL菌丝体细胞内合成的研究一致，但长于使用纯化多糖或额外还原剂的方法。FTIR和XRD/Raman结果共同证实了生物分子对纳米颗粒的封端作用以及混合晶态-非晶态的结构特征。μPIXE技术相较于常规EDX，提供了更灵敏、更广泛的元素信息，有助于理解批次间差异和表面化学性质。DFT计算表明，GL活性成分（β-葡聚糖、灵芝酸A、灵芝霉素B）通过含氧官能团与Se12纳米团簇发生弱化学吸附，这种非破坏性的配位作用保留了生物分子的功能完整性。复合后，HOMO-LUMO能隙减小，亲电性增加，增强了界面反应活性。TD-DFT计算解释了吸收光谱向近可见区的红移现象，并阐明了吸附几何构型对拉曼增强效应的分子起源。
结论部分：本研究成功建立了利用粗提GL水提物作为唯一还原剂和封端剂，完全通过胞外途径合成SeNPs的新方法。通过UV-Vis、FTIR、TEM、SEM、XRD、Raman、PL、EDX和μPIXE等多重表征技术的综合应用，全面揭示了GL-SeNPs的理化性质，包括其球形形貌、10-100 nm的粒径范围、混合晶态-非晶态的硒核结构以及丰富的表面官能团。μPIXE分析提供了超越传统EDX的更全面的元素指纹。DFT和TD-DFT计算从理论上阐明了GL活性成分与Se纳米团簇的相互作用机制，揭示了吸附几何构型对拉曼增强和电子跃迁的影响。该工作不仅提供了一种绿色、可重复的真菌合成SeNPs方案，更重要的是，通过将先进的实验表征（特别是PIXE）与第一性原理建模相结合，将纳米材料的表征从描述性提升到机理性水平，为未来合理调控这类真菌合成SeNPs的光学和表面化学性质，推动其在生物医学、传感和催化领域的转化应用奠定了坚实的基础。
