Co0.85Bi0.15Fe1.9Cr0.1O4纳米颗粒的制备、表征及体外评估用于乙醇气体传感和抗癌应用

《Ceramics International》：Preparation, characterization and in vitro evaluation of Co 0.85Bi 0.15Fe 1.9Cr 0.1O 4 nanoparticles for ethanol gas sensing and anticancer applications.

　　摘要：先进多功能纳米材料，尤其是铬掺杂铋-钴铁氧体纳米颗粒，近年来因其显著的磁性、光学、传感和生物医学特性而受到广泛关注。本文通过自燃烧法制备了标称组成为Co0.85Bi0.15Fe1.9Cr0.1O4（CBFCO）的掺杂钴铁氧体纳米颗粒。利用X射线衍射（XRD）、扫描和透射电子显微镜（SEM/TEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和拉曼光谱进行了结构和形貌分析。X射线衍射表明其具有明确的立方尖晶石结构，属于Fd-3m对称性，平均晶粒尺寸约为38 nm。SEM和TEM揭示了均匀分散的纳米颗粒的存在，其形貌近似球形，而EDX和拉曼光谱确认了预期的元素组成和金属-氧键合特征。通过紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱进行的光学研究表明，其具有约3.86 eV的宽直接光学带隙，并伴有强烈的紫外吸收和抑制的可见光发射，表明Bi3+和Cr3+诱导的电子畸变的影响。另一方面，磁性测量显示出明显的铁磁行为，具有高饱和磁化强度和矫顽力，不仅产生了显著的最大磁能积（BH）max，而且表明该材料在永磁体应用方面具有潜力。关于CBFCO传感器，其表现出优异的乙醇检测能力，在200 °C的低工作温度下达到最大响应，快速的响应/恢复时间（8 s/9 s），以及检测十亿分之一（ppb）级乙醇的能力。在生物学分析方面，通过细胞毒性评估，其对乳腺癌（MDA-MB-231）和前列腺癌（PC3）细胞系表现出显著的抑制作用，同时与非癌细胞保持优异的生物相容性。最终，这些发现揭示了Cr3+取代有效增强了Bi-Co铁氧体纳米颗粒的结构、磁性、光学、传感和生物学性能，强调CBFCO作为用于紫外光电子学、气体传感器、永磁体和生物医学领域的多功能平台的前景。

引言

尖晶石铁氧体，尤其是钴铁氧体（CoFe2O4），以其优异的化学和机械稳定性、高磁晶各向异性和高矫顽力而闻名。这些特性促进了该材料在太阳能吸收器、永磁体、磁存储、电学和光电子应用以及医学应用（即靶向药物递送和磁热疗）等领域的应用[1], [2], [3], [4], [5], [6]。

CoFe2O4尖晶石铁氧体化合物通常以其反尖晶石立方结构而闻名，其中钴离子被专门限制在（B）八面体位置，而Fe3+阳离子几乎均匀分布在四面体（A）和八面体（B）位置之间，每个位置约占据一半[7]。然而，大量研究表明CoFe2O4也可以结晶成混合尖晶石形式，其通式为(Co1-λFeλ)[CoλFe2-λ]O4（反演参数λ衡量阳离子在对应于（B）八面体和（A）四面体位点的阳离子亚晶格之间重新分布的程度）[8], [9]。

另一方面，据报道，四面体（A）和八面体（B）位点之间的离子分配、颗粒尺寸、合成方法和掺杂元素均对CoFe2O4的物理和化学特性产生显著影响：它们完全控制其磁性、结构和表面特征[7], [10], [11], [12]。因此，通过选择性取代A或B位点的阳离子，可以实现尖晶石铁氧体物理化学特性的有效修饰以满足特定功能。

考虑到其固有的磁性和对癌细胞的潜在细胞毒性效应，钴尖晶石M2+Fe2O4纳米材料近年来在癌症治疗应用中受到科学界的日益关注[13], [14], [15]。这些材料在交变磁场作用下可以产生局部热量（磁热疗），从而杀死癌细胞，同时对健康组织造成最小程度的伤害[16], [17]。此外，研究表明，用稀土或过渡金属离子掺杂钴尖晶石铁氧体可以有效改变晶格应变、磁化强度和电子结构，从而直接影响磁行为和生物响应[18], [19], [20]。这些变化可能增强对癌细胞的选择性或降低对正常细胞的毒性，从而拓宽掺杂尖晶石铁氧体的生物医学应用范围。

根据Hsiao等人[21]的研究，金属纳米颗粒的细胞内电离可能通过“特洛伊木马”机制发挥作用，从而增强其细胞毒性。根据Ibrahim等人对文献的比较，MnFe2O4表现出最高的催化活性，其次是CoFe2O4，两者均优于ZnFe2O4。作者声称这是因为铁氧体亚晶格的八面体位点含有（Mn2+和Fe3+）或（Co2+和Fe3+）离子，而ZnFe2O4仅含有Fe3+离子[22]。根据另一项研究，进入乳腺癌4T1细胞后，MnFe2O4引起多种细胞损伤和变化，最终导致细胞死亡[23]。然而，其中一些磁性材料缺乏足够的生物相容性限制了它们在生物环境中的应用[24], [25], [26]。

相比之下，Balakrishnan等人报道CoFe2O4纳米颗粒在暴露24小时后表现出中等细胞毒性，并随着孵育时间延长至72小时逐渐增加[27]。同样，Ahamed等人证明CoFe2O4纳米颗粒在50至400 μg/mL的浓度范围内对人肝癌HepG2细胞诱导细胞毒性效应，这与活性氧（ROS）的产生有关[28]。此外，Freitas等人确定氧化应激（主要由ROS介导）是含镍材料毒性效应最常被提出的机制之一[29]。更广泛地说，ROS介导的氧化应激被广泛认为是尖晶石铁氧体纳米颗粒细胞毒性的重要机制。过量的细胞内ROS产生可诱导对必需生物分子（包括蛋白质、脂质和DNA）的氧化损伤，从而促进细胞凋亡并最终导致癌细胞死亡。近期研究进一步报道了CoFe2O4、NiFe2O4、掺杂ZnFe2O4和CuFe2O4基尖晶石纳米颗粒在不同癌细胞模型中的ROS相关细胞毒性机制[30], [31], [32], [33], [34], [35]。

我们之前的研究工作通过分析结构工程和形貌特征与块体和掺杂CoFe2O4体系的生物医学行为之间的关系，为该领域做出了贡献。首先，合成了纯CoFe2O4纳米颗粒，评估了其在永磁体应用方面的性能以及对乳腺癌和前列腺癌细胞系活力的影响，证实了其磁稳定性和选择性抗癌活性[36]。随后，开发了Bi掺杂的CoFe2O4纳米颗粒，其表现出改善的结构均匀性和增强的生物相容性，同时保持强大的抗癌功效[37]。最近，研究了Co0.85Bi0.15Fe1.9X0.1O4（X = Ce4+、Sm3+、Ho3+和Er3+）纳米颗粒，其中特定掺杂剂（即Ho3+和Sm3+）通过微结构调控导致对乳腺癌和前列腺癌细胞的选择性毒性增加[38]。

本研究扩展了前述研究，重点介绍通过柠檬酸辅助自燃烧法制备的Co0.85Bi0.15Fe1.9Cr0.1O4（CBFCO）纳米颗粒。选择该组成是考虑到铬取代有望控制尖晶石晶格内的阳离子排列，改变Fe-O-Fe超交换相互作用，从而改变磁性和生物学特性。因此，本研究对Co0.85Bi0.15Fe1.9Cr0.1O4（CBFCO）纳米颗粒的结构、形貌和光学性质以及其降低乳腺癌和前列腺癌细胞活力的能力进行了详细研究。主要目的是评估Cr-Bi共掺杂钴尖晶石铁氧体在特定抗癌应用中的潜力，并阐明结构、磁性和生物相容性之间的关系以用于癌症治疗。

章节片段

Co0.85Bi0.15Fe1.9Cr0.1O4纳米颗粒的合成与制备

使用柠檬酸C6H8O7作为燃料，通过自燃烧法制备Co0.85Bi0.15Fe1.9Cr0.1O4纳米颗粒，如图1所示。Sigma-Aldrich提供了纯度超过99%的分析级前驱体，如硝酸钴[Co(NO3)2·6H2O]、硝酸铁[Fe(NO3)3·9H2O]、硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]和硝酸铬[Cr(NO3)3·9H2O]。在将化学计量量的金属硝酸盐溶解后，以燃料与硝酸盐比例为2:1加入柠檬酸。

结构性质

在室温下对Co0.85Bi0.15Fe1.9Cr0.1O4纳米颗粒收集的X射线衍射数据如图2所示。初步观察发现存在纯钴尖晶石铁氧体Fd-3m空间群的14个特征衍射峰[40], [41], [42]。这些峰对应于以下（hkl）固有晶面：（444）、（622）、（533）、（620）、（531）、（440）、（511）、（422）、（331）、（400）、（222）、（311）、（220）和（111）。

结论

本研究强调了Cr3+取代对调控Bi-Co铁氧体纳米颗粒的影响。通过自燃烧法成功制备了Co0.85Bi0.15Fe1.9Cr0.1O4纳米颗粒，获得了均匀的立方尖晶石相（空间群Fd-3m），平均晶粒尺寸约为38 nm。通过提高饱和磁化强度、矫顽力和最大磁能积，磁性能得到了有效增强；证明了Cr3+的有益作用。

CRediT作者贡献声明

B.F.O. Costa：撰写-审阅与编辑，监督，正式分析，数据管理。L. A. Helguero：撰写-审阅与编辑，数据管理。Samah Soleman Abo-Zahera：撰写-审阅与编辑，方法学。Hichem Chouayekh：撰写-审阅与编辑，验证，监督。Nabil Miled：撰写-审阅与编辑，方法学，正式分析。Saber Abdelkader Sa?di：撰写-初稿，正式分析，数据管理。A. Benali：撰写-审阅与编辑，验证。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可应合理要求从通讯作者Saber Abdelkader Sa?di处获得。

竞争利益声明

? 作者声明，他们不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究由沙特阿拉伯吉达大学资助，资助号：（UJ-25-Dr-20363）。因此，作者感谢吉达大学的技术和财务支持。

Saber Abdelkader Saidi | A. Benali | E. Dhahri | B.F.O. Benilde | L.A. Helguero | Samah Soleman Abo-Zahera | Hichem Chouayekh | Nabil Miled