《Next Materials》：Recent advancements on plant mediated fabrication of zinc chalcogenide nanomaterials for environmental and therapeutic applications
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近年来，关于植物介导的锌硫族纳米材料在环境和治疗应用方面的进展取得了显著成果。本文全面讨论了植物介导的锌硫族纳米材料的合成方法，重点阐述了植物化学物质在缺陷工程和光学带隙调控中的作用，强调了增强的光催化效率在环境修复中的应用，并对其抗菌和抗癌治疗重要性进行了批
近年来，关于植物介导的锌硫族纳米材料在环境和治疗应用方面的进展取得了显著成果。本文全面讨论了植物介导的锌硫族纳米材料的合成方法，重点阐述了植物化学物质在缺陷工程和光学带隙调控中的作用，强调了增强的光催化效率在环境修复中的应用，并对其抗菌和抗癌治疗重要性进行了批判性分析，同时概述了工业规模化面临的主要挑战和未来前景。纳米科学与技术作为变革性的跨学科领域，通过在约1–100 nm尺度上操控物质来设计全新材料和器件。在此独特维度下，纳米材料因其显著的量子限域效应、增强的化学反应性和极高的比表面积而与块体材料截然不同。当前，环境和生物领域是这些先进材料最关键且快速发展的两大应用方向。工业化与城市化给地球带来了严峻的环境威胁，传统的去污方法通常缓慢、低效且成本高昂，亟需更简便、廉价且高效的纳米修复方法。另一方面，纳米材料与生物系统的整合正在革新现代医疗保健，例如利用物理和多靶点机制摧毁耐药病原体，以及作为“智能”递送系统选择性靶向肿瘤微环境以实现精准治疗。锌硫族化合物（如ZnS、ZnSe、ZnTe）因其优异的电子、光学和光谱特性而备受关注，它们通常结晶为立方闪锌矿和六方纤锌矿两种多晶型结构，具有宽的直接带隙和可调的发光性能。然而，传统的物理和化学合成方法依赖苛刻的反应条件，产生有毒副产物和高能耗，不符合绿色化学原则。因此，利用富含植物化学物质的植物提取物进行绿色合成成为理想替代方案。本文综述了植物介导的锌硫族纳米材料（涵盖ZnS、ZnSe和ZnTe）的合成策略，深入探讨了植物化学物质如何调控成核、生长、尺寸、形貌、晶相和表面缺陷，进而影响其光电行为、电荷转移动力学和表面反应性。这些材料在光催化降解有机染料、药物污染物和重金属离子方面展现出高效能，同时在抗菌、抗真菌和抗肿瘤等治疗领域也显示出多功能潜力。此外，文章还探讨了这些纳米生物材料的细胞毒性和生物安全性问题，为环境科学、纳米技术和制药领域的未来研究提供了路线图。
研究背景与现存问题
随着工业化和城市化的快速发展，全球面临着严峻的环境污染问题，传统的水体和土壤去污方法往往效率低下、成本高昂且易造成二次污染。同时，抗生素耐药性和癌症等疾病对现有治疗方案提出了巨大挑战。纳米技术为解决这些问题提供了新思路，其中锌硫族化合物纳米材料（包括硫化锌ZnS、硒化锌ZnSe和碲化锌ZnTe）因其优异的光电特性、宽直接带隙和可调的发光性能，在光催化和生物医学领域展现出巨大潜力。然而，传统的物理和化学合成方法通常需要高温高压、有毒化学试剂和有机溶剂，不仅能耗高、成本昂贵，还会产生有害副产物，严重违背绿色化学和可持续发展的原则。尽管已有大量关于金属氧化物纳米颗粒绿色合成的综述，但对于整个锌硫族家族（尤其是ZnSe和ZnTe）的植物介导合成研究仍较为零散，缺乏系统性梳理。特别是，植物代谢物在缺陷工程、晶体生长调控、表面功能化以及由此引起的光学、电子和生物学性质调制中的具体作用机制尚未被充分阐明。因此，迫切需要一项综合评估，将合成参数、结构特征、缺陷状态与应用性能系统地关联起来，以指导这类功能性纳米材料在环境和治疗技术中的理性设计。
研究内容、结论与意义
研究人员开展了全面的文献调研与分析，系统总结了利用植物提取物绿色合成ZnS、ZnSe和ZnTe纳米材料的最新进展。研究表明，植物中的多种次生代谢产物（如多酚、萜类、黄酮类等）能够同时充当还原剂、稳定剂和封端剂，在温和条件下高效地将锌盐和硫族前驱体转化为目标纳米材料。通过优化反应参数（如pH值、温度、前驱体比例、提取物体积等），可以精确调控纳米颗粒的尺寸、形貌、晶相和表面缺陷，进而有效调节其光学带隙和光电性能。结论指出，植物介导的锌硫族纳米材料在光催化降解有机染料、药物残留和重金属离子方面表现出显著增强的效率，同时在抗菌、抗真菌和抗肿瘤等治疗领域也展现出多功能的生物活性。这项研究的重大意义在于：它为开发低成本、环境友好、生物相容性高的新型纳米材料提供了可持续的合成路线，弥合了传统合成方法与实际应用需求之间的鸿沟，并为推动纳米技术在环境修复和精准医疗中的规模化应用奠定了理论基础。
关键技术与方法
研究人员主要采用了以下关键技术和方法：（1）植物提取物的制备与表征，涉及对不同药用植物（如辣木、印楝、大蒜、柑橘等）的叶片、果实或废弃物进行水提或醇提，并通过紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术确认植物化学组分的存在；（2）纳米材料的绿色合成，即在室温或适度加热搅拌条件下，将锌前驱体（如ZnCl?、Zn(CH?COO)?）与硫族前驱体（如Na?S、Na?SeO?）混合，加入植物提取物进行反应；（3）结构与性能表征，综合运用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、光致发光光谱（PL）、热重分析（TGA）等手段，对产物的晶相、形貌、元素组成、表面化学态、光学带隙及热稳定性进行全面分析；（4）性能评价，通过光催化降解实验（以有机染料和药物污染物为模型）评估环境修复能力，通过最小抑菌浓度（MIC）测定和细胞毒性测试（MTT法）评估抗菌和抗癌活性。
研究结果
3.1 光学带隙的变化
研究发现，通过改变植物提取物的用量，可以有效调控锌硫族纳米颗粒的尺寸，进而实现光学带隙的调制。例如，使用不同比例的印度橄榄叶提取物合成的ZnS纳米颗粒，其带隙可在3.8–4.1 eV范围内变化；大蒜提取物合成的ZnS，随着提取物体积从10 mL增加到30 mL，直接带隙从3.87 eV增至4.25 eV。这种蓝移现象归因于植物化学物质对纳米核的快速包裹抑制了颗粒生长，导致粒径减小，从而引发量子限域效应。值得注意的是，某些植物提取物（如仙草、番石榴叶、木橘籽）合成的ZnSe纳米颗粒，其带隙（2.55–2.58 eV）反而低于块体ZnSe（约2.70 eV），这可能是由于植物化学基质引入了亚带隙缺陷态或形成了替代晶相。
3.2 晶相的调控
在植物提取物介导的合成中，ZnS纳米颗粒可同时观察到立方闪锌矿和六方纤锌矿两种晶相共存的现象。通常情况下，立方ZnS是室温下的稳定相，而六方相需要高于1000°C的高温才能形成。然而，植物提取物中不同的生物分子能够选择性地结合到生长的ZnS晶核的特定晶面上，显著降低了六方相的表面能，使其在常温常压下变得热力学可行。这种由植物化学物质诱导的晶相调控为在不使用极端条件的情况下获得所需晶体结构提供了新途径。
3.3 形貌的控制
通过改变植物提取物的种类和反应条件，可以获得多样化的纳米形貌。例如，利用柠檬汁提取物成功合成了ZnS纳米球、纳米花和纳米管等多种结构。这种形貌多样性源于不同植物化学物质对特定晶面的差异化吸附和封端作用，从而引导晶体沿特定方向优先生长。
3.4 光催化性能
植物介导的锌硫族纳米材料在光催化降解有机污染物方面表现出色。以Acalypha indica提取物合成的ZnS为例，其吸收边从纯ZnS的353 nm红移至381 nm，表明植物提取物有效拓宽了光响应范围。增强的光催化活性主要归因于：植物化学物质引入的表面缺陷促进了电子-空穴对的分离，增大的比表面积提供了更多的活性位点，以及合适的带隙位置有利于产生强氧化性的活性氧物种（ROS）。
3.5 抗菌与抗癌活性
生物合成的锌硫族纳米颗粒对多种细菌和真菌表现出显著的抑制作用，其机制主要包括：释放Zn2?离子破坏微生物细胞膜完整性、产生ROS引起氧化应激损伤，以及纳米颗粒的直接物理接触导致膜破裂。在抗癌方面，这些纳米材料能够选择性地在肿瘤微环境中积累，通过诱导ROS生成触发癌细胞凋亡，同时减少对正常细胞的毒性。植物提取物本身所含的药用成分（如抗氧化、抗炎物质）进一步增强了纳米颗粒的生物活性和生物相容性。
讨论与结论
研究人员在讨论部分指出，尽管植物介导的绿色合成方法在实验室规模取得了令人鼓舞的成果，但在工业放大过程中仍面临诸多挑战。首先，植物提取物的化学成分受季节、地理来源、栽培条件和提取工艺的影响波动较大，导致批次间重现性差。其次，与传统化学方法相比，植物介导合成的产率通常较低，且需要更长的反应时间。此外，对于ZnSe和ZnTe等较重的硫族化合物，其纳米颗粒的化学稳定性较差，需要更有效的表面涂层以防止氧化和毒性释放。研究人员强调，未来的研究应致力于建立标准化的植物提取物制备和质量控制体系，深入解析植物化学物质在纳米颗粒形成各阶段的具体分子机制，并开发连续流反应器等新型工艺以提高生产效率和一致性。同时，必须进行全面的生命周期评估和严格的体内外毒理学研究，以确保这些生物纳米材料在实际应用中的安全性和生态友好性。
研究结论部分翻译：本综述提供了一个全面且最新的评估，涵盖了植物介导的锌硫族纳米材料（包括ZnS、ZnSe和ZnTe）在环境修复和治疗应用中的研究进展，这一领域此前在很大程度上未被充分探索。重要的是，本综述工作着重阐明了植物源植物化学物质控制这些纳米材料成核、生长、尺寸、形貌、晶相和表面缺陷的机理路径。文章进一步讨论了植物化学辅助的缺陷工程和带隙调制如何影响生物源锌硫族化合物的光电行为、电荷转移动力学和表面反应性，这些特性促成了其在光催化降解废水中有机染料、药物污染物和重金属离子方面的先进技术实用性，同时也展现了其在抗菌、抗真菌和抗肿瘤等多功能治疗潜力。此外，还探讨了这些纳米生物材料相关的细胞毒性和生物安全问题。因此，在一个统一的框架内，本综述为可持续锌硫族纳米材料的设计和应用提供了整体视角，并试图为环境科学、纳米技术和制药领域的未来研究绘制路线图。
