《Nanomaterials》：Steady-State Fluorescence and Excitation–Emission Matrix Analysis of Sunlight-Assisted Silver Nanoparticle Formation Using Cucurbita pepo Peel Extract
编辑推荐：
摘要：日光辅助的植物介导银纳米颗粒（AgNPs）合成已得到充分研究，然而，利用荧光光谱法检测含复杂植物化学介质的光学响应的互补性研究仍值得关注。本研究采用南瓜（Cucurbita pepo）皮提取物（CPE），在自然日光条件下，通过一步添加（A-Sun）和逐滴
摘要：日光辅助的植物介导银纳米颗粒（AgNPs）合成已得到充分研究，然而，利用荧光光谱法检测含复杂植物化学介质的光学响应的互补性研究仍值得关注。本研究采用南瓜（Cucurbita pepo）皮提取物（CPE），在自然日光条件下，通过一步添加（A-Sun）和逐滴添加（B-Sun）两种策略实现AgNPs的快速形成。在5分钟内，特征性局域表面等离子体共振（LSPR）吸收带在445–450 nm附近形成，而相应的暗对照在相同时间内未观察到明显的纳米颗粒形成。在六个月的紫外-可见光谱监测期间，两种分散体系均保持其特征性LSPR响应。在300–350 nm激发波长下的稳态光致发光（PL）测量以及激发-发射矩阵（EEM）荧光图谱显示，记录的荧光强度顺序为CPE > A-Sun > B-Sun，且主要发射区域大致保持在435–440 nm附近。这些观测结果为所研究的制备体系提供了互补的荧光指纹信息；然而，内滤效应和光散射可能对测得的衰减有贡献，因此不能将其完全归因于分子猝灭。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示含氧官能团振动发生变化，透射电子显微镜（TEM）显示主要为球形至准球形的AgNPs，A-Sun和B-Sun的平均粒径分别为11.88 ± 3.60 nm和9.77 ± 3.43 nm。所得分散体系对所测试的六种细菌菌株也表现出抗菌活性。总体而言，将PL和EEM与常规表征手段相结合，可为日光辅助AgNPs形成过程中伴随的荧光变化提供补充信息，但并未直接确定植物化学还原物种、电子转移步骤或分子表面封端机制。
基于南瓜皮提取物日光辅助银纳米颗粒合成研究的系统解读
一、研究背景与意义
银纳米颗粒（AgNPs）因其尺寸依赖的光学、表面、催化和生物特性，在抗菌技术、传感、环境修复、食品系统及生物医学材料等领域具有广泛应用前景。其特征性局域表面等离子体共振（LSPR）为纳米颗粒形成及周围介电环境提供了灵敏的光学表征手段。然而，传统物理和化学法制备AgNPs往往需要强还原剂、稳定剂、高温或高能耗工艺。植物介导合成提供了一种绿色替代方案，植物提取物中天然存在的生物分子可在温和条件下同时参与Ag?还原和纳米颗粒稳定化。但植物提取物成分复杂，包含酚类、黄酮类、碳水化合物、蛋白质、萜类、有机酸等多种代谢物，这带来了一个根本性挑战：虽然纳米颗粒的形成容易证实，但阐明植物化学环境在还原和稳定化过程中的演变却十分困难。
农业副产物为植物化学资源提供了极具吸引力的来源，将纳米材料合成与废弃物增值相结合。南瓜（Cucurbita pepo）皮已被报道含有酚类化合物并具有抗氧化活性。然而，现有文献主要依赖紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、电子显微镜等常规表征手段来确认纳米颗粒的形成与性质，这些方法对复杂荧光植物化学群体在AgNPs形成过程中的光学响应提供的信息有限。荧光光谱法可提供互补性信息，激发-发射矩阵（EEM）光谱尤其适用于复杂荧光混合物的多维表征。将稳态光致发光（PL）与EEM系统整合，结合FTIR、显微镜和稳定性测量，以探究植物介导AgNPs形成过程中伴随的荧光变化，目前仍相对缺乏探索。自然阳光作为可持续的光子能源，可加速植物化学介导的Ag?还原，但快速纳米颗粒出现本身并不能解释复杂植物化学环境的荧光特性如何随纳米颗粒形成而变化，也不能说明AgNPs形成后主要荧光特征是否保留。
二、研究内容与主要结论
研究人员开展了利用南瓜皮提取物（CPE）在自然日光下快速合成AgNPs的研究，重点采用荧光辅助表征手段考察纳米颗粒形成过程中植物化学介质的变化。研究比较了一步添加（A-Sun）和逐滴添加（B-Sun）两种CPE添加策略，以考察两种制备路线在荧光响应和纳米颗粒形貌方面的差异。研究得出以下主要结论：在5分钟内，两种日光处理样品均在约445 nm处出现特征性LSPR吸收带，而暗对照无明显纳米颗粒形成；A-Sun和B-Sun的平均粒径分别为11.88 ± 3.60 nm和9.77 ± 3.43 nm，B-Sun粒径更小；两种样品在六个月监测期间均保持特征性LSPR响应；稳态PL和EEM测量显示荧光强度顺序为CPE > A-Sun > B-Sun，但主要发射区域大致保持在435–440 nm附近；FTIR显示含氧官能团振动发生变化；两种AgNPs样品对六种测试细菌菌株均表现出抗菌活性，而单独的CPE无可检测的抑菌圈。该研究的重要意义在于，将多激发稳态PL和EEM荧光图谱与常规光谱和显微表征相结合，在不将其归因于特定分子还原或表面稳定机制的前提下，揭示了快速日光驱动AgNPs形成过程中复杂植物化学介质整体荧光响应的变化，为植物介导AgNPs的光学表征提供了互补性手段。
三、主要关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）用于监测LSPR吸收带及长期光学稳定性；稳态光致发光（PL）光谱在300–350 nm范围内以5 nm步长记录11个激发波长下的发射光谱；二维激发-发射矩阵（EEM）荧光图谱和三维荧光剖面用于多维荧光指纹分析；傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于检测官能团振动变化；透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）用于形貌和晶格分析；扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）用于元素分布分析。研究在沙特阿拉伯阿尔卡吉地区进行，日光辅助合成实验于10月上午9:00–10:00在晴朗天空条件下开展，平均太阳辐照度约90 mW cm?2。
四、研究结果
4.1 日光辅助银纳米颗粒的快速形成：视觉与UV-Vis证据
通过视觉观察和UV-Vis光谱评估了自然日光和CPE对AgNPs形成的贡献。单独的AgNO?溶液在日光和暗条件下均保持无色，无特征性等离激元吸收带；单独的CPE在两种条件下呈现相似的UV-Vis谱图。当CPE与AgNO?混合后，A-Sun和B-Sun在5分钟内均呈现红棕色，并在约445 nm处出现明显吸收带，而暗对照无相应吸收带。对照实验表明，只有在CPE、AgNO?和日光三者结合时，才能在5分钟内观察到强等离激元响应。
4.2 AgNPs的形貌与结构表征
TEM分析显示，A-Sun和B-Sun均以球形至准球形纳米颗粒为主，部分颗粒呈聚集排列。粒径分析（每样品测量100个颗粒）显示，A-Sun平均粒径为11.88 ± 3.60 nm，B-Sun为9.77 ± 3.43 nm，B-Sun平均粒径约小17.8%。HRTEM显示A-Sun晶格间距为0.208 nm，与面心立方（fcc）Ag的（200）晶面接近；B-Sun晶格间距为0.237 nm，与Ag（111）晶面匹配。SEM-EDS元素图谱检测到Ag、C和O的空间分布，支持银含材料的形成，但未确定有机成分与AgNP表面的具体结合方式。
4.3 日光合成AgNPs的长期光学响应
在1小时、3个月和6个月的时间点监测UV-Vis光谱，A-Sun和B-Sun均在440–450 nm区域保持清晰的LSPR吸收带，未出现明显的峰位移动或严重谱带展宽，表明两种样品在六个月内保持了特征性等离激元响应。
4.4 与AgNPs形成相关的植物化学官能团FTIR分析
CPE在约3245 cm?1处呈现宽吸收带，归属于含羟基植物化学物质的氢键O–H伸缩振动；AgNPs形成后该谱带的宽度和轮廓发生变化。2984 cm?1处归属于脂肪族C–H伸缩振动的弱吸收带在合成后变得不明显。约1640 cm?1处可能包含共轭C=O/C=C振动和结合水弯曲贡献的吸收带在两种AgNPs样品中位置基本保持。约1085和1044 cm?1处归属于C–O和C–O–C振动的吸收带在AgNPs形成后显著减弱或不再清晰分辨。低波数区域中，CPE在约655 cm?1处的特征发生明显变化，A-Sun和B-Sun分别在约452和478 cm?1处出现新吸收带。
4.5 CPE和AgNPs的稳态光致发光
在300–350 nm范围内以5 nm步长记录11个激发波长下的PL发射光谱。三种制备体系均呈现以430–440 nm为中心的宽发射带，AgNPs形成后主要发射区域基本保留。在固定发射波长440 nm处，所有11个激发波长下记录的荧光强度顺序均为CPE > A-Sun > B-Sun。310 nm处激发强度最高，向350 nm逐渐降低。值得注意的是，B-Sun在整个激发范围内的荧光强度均低于A-Sun，尽管两者的LSPR峰位相近。研究人员指出，由于未进行内滤效应校正，且AgNPs分散体系在310 nm和440 nm处均表现出明显且不等价的光吸收，观测到的强度差异不能完全归因于分子猝灭。
4.6 激发-发射矩阵荧光分析
EEM荧光图谱显示，CPE在约Ex = 305–320 nm、Em = 420–450 nm区域呈现最强荧光响应，高强度区域大致延伸至Ex = 300–340 nm、Em = 400–500 nm。AgNPs形成后，记录的荧光强度逐渐降低，A-Sun的高强度区域不如CPE显著，B-Sun进一步减弱，主要荧光域以黄绿和青色表示。三种制备体系的主要荧光域大致保持在Ex = 300–325 nm、Em = 420–450 nm区域，未出现清晰分离的新主导荧光域。EEM图谱在统一强度标尺下与PL测量得到的CPE > A-Sun > B-Sun强度顺序一致。
4.7 提出的日光辅助AgNPs形成途径
基于光/暗对照实验和综合表征结果，研究提出了包含四个相互关联阶段的日光辅助AgNPs形成途径：可能的光促进CPE氧化还原活性成分变化、植物化学介导的Ag?还原为Ag?、纳米颗粒的成核与生长、以及残余或转化植物化学物质与纳米颗粒表面的可能结合。研究强调，该途径是与实验观测和文献相符的合理假设，光激发植物化学中间体、单个电子供体和成核动力学并未被直接鉴定。
4.8 日光合成AgNPs的抗菌活性
采用琼脂孔扩散法评估了AgNPs对三种革兰氏阳性菌和三种革兰氏阴性菌的抗菌活性。单独的CPE无可检测的抑菌圈，而A-Sun和B-Sun对全部六种菌株均产生明显抑菌圈。光照孵育条件下抑菌圈直径为12.8–15.0 mm，暗孵育条件下为11.1–16.3 mm。两种合成路线在不同菌株上表现出数值差异，但未呈现一致的合成路线依赖模式，也未观察到一致的依赖光照的增强效应。研究人员将结果解释为比较性抗菌筛选，而非抗菌效力的定量测定。
五、讨论与结论
研究人员指出，稳态PL和EEM测量的荧光衰减不能完全归因于分子猝灭，因为内滤效应和光散射可能对记录强度有贡献，且未进行校正的荧光测量无法定量分离光学衰减与分子猝灭的各自贡献。尽管A-Sun和B-Sun具有相似的LSPR峰位，但其PL和EEM响应在记录强度上呈现可区分的差异，为两种添加策略提供了互补性的光学区分手段。FTIR和荧光观测均未鉴定出具体的还原物种，也未建立特定的光活化、电子转移或表面封端机制。抗菌结果表明AgNPs在测试条件下具有活性，但未确立固有效力、任一合成路线的一致优势或普遍的依赖光照增强效应。
结论部分指出，该研究证实了利用南瓜皮提取物作为农业废弃物资源进行快速日光辅助AgNPs合成的可行性。5分钟内特征性LSPR吸收带的形成以及相应的光/暗对照实验确立了自然日光在所研究反应条件下的促进作用。两种添加策略均产生以球形至准球形为主的纳米颗粒，B-Sun的平均粒径小于A-Sun。两种制备体系在六个月光学监测期间保持特征性等离激元响应。该研究的主要分析贡献在于将多激发稳态PL和EEM荧光图谱整合用于表征复杂植物提取物介质中AgNPs形成伴随的变化。两种合成路线在LSPR特征相似的情况下表现出可区分的荧光响应，遵循CPE > A-Sun > B-Sun的顺序，而主要发射区域基本保留。两种AgNPs制备体系对六种测试细菌菌株均产生抑菌圈，而单独的CPE无可检测的抑制。未来研究可纳入吸收校正或时间分辨荧光、分子水平植物化学鉴定、独立胶体稳定性测量和定量抗菌试验，以阐明潜在机制并评估所得纳米材料的更广泛适用性。
