植物提取物抗氧化活性与pH对银纳米粒子绿色合成的影响研究

《Chemistry》：Effect of pH and Antioxidant Activity of Plant Extracts on Green Synthesis of Silver Nanoparticles

　　

本研究提出了一种利用醋栗、金银花、草莓和沙棘叶片提取物绿色合成银纳米粒子（AgNPs）的环保方法，上述提取物的抗氧化活性（AOA）依次递增。研究发现在近中性和碱性介质中可实现纳米粒子的成功形成，而在酸性介质中成核过程受到抑制。研究人员采用光谱学（TEM、EDX、UV–vis、SAED、XRD、FTIR、ICP-OES）与电化学（CV、LV、EIS）相结合的方法对纳米粒子进行了综合表征。对纳米粒子的全面分析揭示了以下依赖关系：随着AOA和合成介质pH的升高，银纳米粒子的尺寸减小；当植物提取物的AOA从1.8 ± 0.3 mmol-eq L?1增至15.7 ± 1.2 mmol-eq L?1时，银纳米粒子的合成效率提高；在具有高AOA的碱性介质中形成的银溶胶表现出增强的电子传输性能和催化活性；当使用在较高AOA和pH介质中形成的银溶胶时，亮蓝FCF、克百威和色氨酸的氧化电流增大，同时电极过程过电位降低。通过有针对性地调节反应介质的pH和AOA，可以实现具有特定光学、分散和电化学性能的AgNPs的可控合成，以满足包括高灵敏度电化学传感器在内的多种应用需求。

论文解读

一、研究背景与意义

银纳米粒子因其优异的导电性、化学稳定性、独特的光学性质、显著的催化活性以及高比表面积等特性，在电子、食品保鲜与包装、农业、医学等领域具有广泛的应用前景。传统的银纳米粒子合成方法主要分为化学合成和物理合成两大类。化学合成虽快速且可通过控制反应条件获得不同形貌的纳米粒子，但消耗大量试剂，有时涉及肼等有毒物质的使用，且存在高能耗、设备复杂等缺点。物理方法如磁控溅射、蒸发-冷凝、激光烧蚀等则具有高温高能耗、需要真空环境、产率低等不足，降低了其经济性。

绿色合成策略因其安全环保的特性而受到广泛关注。利用微生物（真菌、细菌、藻类、酵母）进行生物合成虽有效，但存在培养条件苛刻、难以获得不同尺寸和形貌的纳米粒子等局限。植物提取物介导的植物合成（phytosynthesis）作为一种有效的替代方案，其核心在于植物提取物中含有的多酚类、黄酮类、生物碱等植物化学成分，这些成分同时充当天然还原剂、封端剂和稳定剂。然而，传统上使用的提取物与银盐的体积比仅是定性指标，无法反映提取物中植物还原剂的真实浓度，导致不同地区、不同季节采集的同种植物合成的纳米粒子难以实现形状、尺寸和数量的可重复性。

为解决上述问题，研究人员提出将提取物的抗氧化活性（AOA）作为定量表征植物提取物还原能力的指标，该指标受种植自然气候特征影响较小。此外，反应混合物的酸度对银纳米粒子的合成动力学、尺寸和稳定性有显著影响。尽管已有大量关于利用不同植物提取物合成银纳米粒子的研究，但关于活性植物还原剂浓度对特定性能纳米粒子形成影响的评估问题仍未解决，且对介质酸度与提取物AOA对纳米粒子尺寸、光学和电化学性能的综合影响缺乏认识。因此，本研究旨在探究介质酸度对不同AOA植物提取物绿色合成银纳米粒子尺寸、光学及电化学性能的影响。

二、主要技术方法

本研究采用多种表征技术对合成的银纳米粒子进行综合分析。紫外-可见分光光度法（UV–Vis）用于表征光学性质并评估稳定性；高分辨透射电子显微镜（TEM）结合能量色散X射线光谱（EDX）评估粒径、形貌和元素组成；选区电子衍射（SAED）和X射线衍射（XRD）研究晶体结构；傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究纳米粒子植物壳层的官能团；循环伏安法（CV）、线性伏安法（LV）和电化学阻抗谱（EIS）进行电化学研究；电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测定银含量。植物提取物AOA采用电位法测定。植物叶片采自俄罗斯叶卡捷琳堡郊外的私人花园。

三、研究结果

3.1 植物提取物

研究人员采用电位法测定了醋栗、金银花、草莓和沙棘水提物的AOA，分别为1.8 ± 0.3、6.4 ± 1.2、11.8 ± 0.9和15.7 ± 1.2 mmol-eq L^?1，表明AOA按醋栗至沙棘的顺序递增。电位法测定的AOA结果与ABTS和DPPH法具有良好的相关性（相关系数94%），验证了该方法的客观性和可靠性。

3.2 UV–Vis分光光度法表征

在pH 3条件下合成的溶液UV–vis光谱中未观察到特征峰，表明未形成纳米粒子。pH 6条件下仅在λ = 418–420 nm处出现较小的吸收峰。pH 11条件下合成的AgNPs在λ = 404–407 nm处呈现典型的纳米银表面等离子体共振（SPR）带，且其强度分别比pH 6条件下相应植物合成的纳米银高5、6、8和12倍（醋栗、金银花、草莓和沙棘）。消光强度从醋栗到沙棘递增，且pH 11高于pH 6。消光峰位置随AOA和pH的升高发生蓝移，表明形成了更小的纳米粒子。

3.3 TEM表征

TEM图像显示纳米粒子分散良好，主要为球形。pH 6条件下醋栗、金银花、草莓和沙棘提取物合成的AgNPs平均尺寸分别为11.3、11.3、9.6和8.4 nm，多分散指数（PI）为0.23–0.36。pH 11条件下相应平均尺寸分别为8.3、6.9、4.7和4.3 nm，PI值降至0.10–0.14，表明尺寸分布更窄、均匀性更高。AOA升高和pH增大均导致纳米粒子尺寸减小。EDX分析在3 keV处确认银的存在，同时检测到O、S、Si、Cl、Na和Cu等元素。SAED和XRD分析确认了银纳米粒子的面心立方晶格结构，衍射峰对应(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面。

3.4 FTIR表征

FTIR光谱显示植物提取物含有羟基（-OH）、脂肪族基团（-CH₂-、-CH₃）、氨基、芳香族C=C键和C-O键等官能团。纳米粒子光谱中特征谱带的强度降低和位移证实了抗氧化物质吸附在纳米粒子表面并形成稳定壳层。碱性介质中合成的纳米粒子出现对称（1396 cm^?1）和不对称（1591 cm^?1）伸缩振动的强双峰，表明去质子化的羧酸根离子（R-COO-）积极参与植物壳层构建，形成比近中性介质中更紧密的壳层。

3.5 电化学方法表征

3.5.1 循环伏安法

沙棘提取物（最高AOA）合成的phyto-AgNPs(b)在电化学氧化过程中电流最高。合成介质pH升高时，银纳米粒子的氧化电流增大。从醋栗到沙棘，氧化电流电位一致降低，表明高AOA提取物形成电化学活性更高的纳米粒子，在更低电位下即可氧化。

3.5.2 电化学阻抗谱

未修饰GCE的电荷转移电阻为359.2 ± 5.0 kΩ cm²。与碱性phyto-AgNPs(g)–phyto-AgNPs(b)修饰的GCE相比，电荷转移电阻降低5.4–14.4倍；与近中性phyto-AgNPs(g)–phyto-AgNPs(b)修饰的GCE相比，降低1.7–2.4倍。电荷转移电阻的降低与提取物AOA的升高相关。碱性介质中沙棘提取物合成的银纳米粒子修饰的GCE具有最低的电荷转移电阻。异相电子转移速率常数（k_et）在近中性phyto-AgNPs修饰电极上提高1.5–1.6倍，在碱性phyto-AgNPs修饰电极上提高2.9–5.4倍。

3.5.3 特定分析物在AgNPs修饰电极上的电化学行为

以沙棘提取物（最高AOA）在不同pH下合成的银纳米粒子修饰GCE，研究亮蓝FCF（BB）、克百威和色氨酸三种模型分析物的电化学行为。在裸GCE上，BB在0.95 V处的信号较弱，在近中性AgNPs(b)(pH 6)/GCE和碱性AgNPs(b)(pH 11)/GCE上分别增强1.5倍和3.3倍。克百威在裸GCE上0.6 V处出现不明显的信号，在近中性AgNPs修饰电极上氧化电流增加1.8倍，电位负移20 mV；在碱性AgNPs修饰电极上氧化电流增加3.3倍，氧化峰电位降低40 mV。色氨酸在修饰电极上的氧化电流同样显著增加，碱性介质合成的AgNPs修饰电极信号最强。

四、结论

本研究展示了利用不同植物提取物绿色合成银纳米粒子的环保方法，证明了提取物AOA和合成介质pH对形成具有可预测特性银纳米粒子的综合影响。银纳米粒子在近中性和碱性介质中成功合成，而在酸性介质中未形成。提取物AOA和介质pH的同步升高加速了成核过程，促进了更多小尺寸、高表面能和高催化活性纳米粒子的形成。通过降低电荷转移电阻、加速电化学动力学和增强分析物的电氧化信号，证明了这些纳米粒子作为电极修饰剂的潜力。优化pH值和AOA可实现具有特定光学、尺寸和电化学性能的AgNPs的定向合成，这对于其在电化学传感等领域的应用具有重要意义。