中国科学技术大学 Cu掺杂ZnO纳米颗粒的绿色合成及其电化学与生物医学综合性能研究

《ACS Omega》：Integrated Electrochemical and Biomedical Properties of Cu-Doped ZnO NPs Synthesized via Green Methods

　　

研究人员采用可持续的绿色合成方法，利用胭脂树（Bixa orellana L.）叶片提取物作为生物还原剂和稳定剂，制备了铜掺杂氧化锌（Cu-ZnO）纳米颗粒（NPs）。通过紫外-可见光谱（UV-vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对合成的NPs进行了表征，证实其球形形貌、晶体结构以及40-52 nm的粒径范围。在修饰了ZnO和Cu-ZnO NPs的玻碳电极（GCE）上通过循环伏安法（CV）评估的电化学性能显示准可逆氧化还原行为，具有增大的峰峰分离（ΔEp），表明电子转移较慢。ZnO修饰的GCE在更宽电位范围内表现出更高的电流响应，表明其比Cu-ZnO NPs具有更优的电催化活性。抗菌研究显示对革兰氏阳性菌（枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis、粪肠球菌Enterococcus faecalis和金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus）和革兰氏阴性菌（铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa和大肠杆菌Escherichia coli）具有有效抑制。细胞毒性实验显示对PANC-1细胞具有剂量依赖性抗癌效应，溶血试验证实了血液相容性。通过DPPH自由基清除法验证了抗氧化活性。这些多功能特性凸显了生态友好合成的Cu-ZnO NPs的电催化和生物医学潜力，强调了其在治疗和电化学应用中的前景，其中ZnO在能量存储方面表现出更优性能。

**论文解读：绿色合成Cu掺杂ZnO纳米颗粒的综合电化学与生物医学性能研究**

**研究背景与意义**
纳米颗粒（NPs）因其独特的物理化学性质（如高比表面积、高表面能及优异的光学、磁学特性）在纳米技术中占据核心地位。金属氧化物纳米颗粒，尤其是氧化锌（ZnO），因其抗菌、光催化及紫外屏蔽性能在催化与生物医学领域展现出巨大潜力。然而，纯ZnO的性能可通过掺杂铜（Cu）等金属进一步优化，以增强其稳定性、反应活性及生物活性。Cu掺杂ZnO（Cu-ZnO）纳米颗粒在抗菌、传感及药物递送系统中备受关注，其抗菌机制主要涉及活性氧（ROS）生成及膜损伤。尽管已有针对ZnO或CuO基纳米材料的独立研究，但系统评估Cu-ZnO纳米复合物在多种生物功能（如抗菌、抗氧化、抗癌及血液相容性）中的综合性能仍有限。本研究旨在通过绿色合成路线制备Cu-ZnO NPs，并系统表征其理化性质、电化学行为及生物医学活性，以建立Cu掺杂结构与功能之间的直接关联，为新型多功能纳米材料在治疗和电化学领域的应用提供依据。该论文发表在《ACS Omega》。

**主要技术方法**
研究人员采用胭脂树叶提取物作为生物还原剂和稳定剂，通过绿色合成法制备ZnO和Cu-ZnO NPs。利用紫外-可见光谱（UV-vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）及透射电子显微镜（TEM）对NPs进行理化表征。电化学性能通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）在修饰玻碳电极（GCE）上评估。生物活性评估包括：抗菌活性（Kirby-Bauer纸片扩散法，针对5种细菌）、抗氧化活性（DPPH自由基清除法）、血液相容性（人红细胞溶血试验）及抗癌活性（MTT法，针对人胰腺癌细胞系PANC-1）。所有实验均设置阳性对照（如氨苄青霉素、阿霉素）和阴性对照。

**研究结果**

**3.1 UV-可见吸收**：UV-vis光谱显示ZnO NPs在266 nm处有强吸收峰，Cu-ZnO NPs在378 nm处出现明显吸收峰并伴随红移，表明Cu成功掺入ZnO晶格。光学带隙（Eg）计算显示ZnO为5.354 eV，Cu-ZnO为5.098 eV，降低了0.256 eV，证实Cu掺杂调节了电子结构，增强了可见光吸收。

**3.2 FTIR研究**：FTIR光谱在3400-3450 cm^-1（-OH伸缩）、2920-2950 cm^-1（C-H伸缩）及1615-1550 cm^-1（C=O/C=C）处观察到特征峰，表明NPs表面存在植物源性有机包覆层。低频区538 cm^-1（Zn-O）和615 cm^-1（Cu-O）的振动峰证实了Zn-O和Cu-O键的形成，且Cu掺杂后峰位发生偏移，进一步确认Cu掺入。

**3.3 XRD分析揭示Cu成功掺入ZnO**：XRD图谱显示ZnO和Cu-ZnO NPs均呈现六方纤锌矿结构，衍射峰对应（002）、（100）、（101）等晶面。Cu-ZnO的峰位无显著变化，无Cu或CuO杂峰，表明Cu²⁺成功取代Zn²⁺而未改变晶相。峰强度与位置的变化反映了Cu掺杂引起的结构修饰。

**3.4 形貌研究**：SEM和TEM图像显示NPs呈球形并轻微团聚，ZnO NPs平均粒径约50.8 nm，Cu-ZnO NPs约44.5 nm，Cu掺杂导致粒径减小。EDX分析确认ZnO中Zn/O比为73.01%/41.43 wt%，Cu-ZnO中Cu/Zn/O比为25.66%/11.58%/56.04 wt%，验证了Cu的存在。

**3.5 XPS分析**：XPS全谱证实Cu-ZnO中存在Cu信号，而ZnO中无。高分辨Zn 2p谱显示结合能1022.7 eV（Zn 2p_3/2）和1045.8 eV（Zn 2p_1/2），Cu掺杂后不变，表明Zn²⁺氧化态稳定。Cu 2p谱显示934.5 eV（Cu 2p_3/2）和954.4 eV（Cu 2p_1/2）及卫星峰，确认Cu主要以Cu²⁺形式存在。O 1s谱分峰显示晶格氧（530.1 eV）、表面羟基（531.3-531.4 eV）和吸附氧（532.4-532.6 eV），Cu-ZnO中高结合能氧组分强度增加，表明Cu掺杂引入更多表面缺陷和化学吸附氧，可能增强催化活性。

**3.6 电化学催化活性**：CV测试显示，裸GCE具有清晰的氧化还原峰，ΔEp约178 mV；ZnO和Cu-ZnO修饰GCE显示准可逆行为，ΔEp分别增至482 mV和550 mV，电子转移受阻。在0.1 M KOH宽电位窗口下，ZnO修饰电极的阳极和阴极电流密度显著高于Cu-ZnO和裸GCE，表明ZnO具有更优电催化活性。EIS测量显示ZnO修饰GCE的电荷转移电阻（Rct）最小，Cu-ZnO的Rct略高，进一步证实ZnO电子转移能力更强。

**3.7 抗菌活性**：纸片扩散法显示，Cu-ZnO NPs对5种测试菌株（枯草芽孢杆菌、粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌）的抑菌圈直径均显著大于ZnO NPs，且在100-750 μg/mL浓度范围内呈剂量依赖性。对于金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌，Cu-ZnO NPs的抑菌效果甚至超过标准抗生素氨苄青霉素（10 μg）。增强的抗菌活性归因于Cu-ZnO较小的粒径（44.5 nm vs 50.8 nm）及Cu²⁺离子释放诱导的氧化应激和膜损伤。

**3.7.1 光催化与抗菌协同机制**：Cu掺杂通过引入缺陷态抑制电子-空穴复合，促进光生载流子迁移，生成超氧阴离子（O₂^•?）和羟基自由基（•OH），破坏细菌脂质、蛋白质和DNA。暗条件下则主要依赖Cu离子释放和静电作用。文献对比显示，Cu-ZnO/g-C₃N₄复合物在可见光下60分钟内可完全灭活大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌，优于纯ZnO。

**3.8 抗氧化活性**：DPPH自由基清除实验显示，ZnO NPs的清除率高于Cu-ZnO NPs，呈剂量依赖性。这一结果与文献报道一致，纯ZnO因更优的能带结构和表面化学更易提供电子清除自由基；Cu掺杂可能改变表面电荷动力学或减少活性位点，导致抗氧化能力略降。

**3.9 血液相容性**：人红细胞溶血实验显示，在100-750 μg/mL浓度范围内，ZnO和Cu-ZnO NPs诱导的溶血率均低于5%，属于非溶血至轻微溶血范围，表明具有良好的血液相容性。这一结果与绿色合成ZnO NPs低溶血活性的报道一致。

**3.10 抗癌活性**：MTT法检测显示，ZnO和Cu-ZnO NPs对PANC-1细胞呈剂量依赖性细胞毒性。在1000 μg/mL时，ZnO组细胞存活率为48.34%，Cu-ZnO组降至12.27%，接近标准药物阿霉素（DOX，1 μg/mL）的26.4%存活率。Cu-ZnO NPs更强的抗癌活性归因于Cu掺杂增加ROS生成、增强细胞摄取及更小的粒径（44.5 nm），有利于促进癌细胞凋亡。

**结论与讨论**
本研究证实，通过绿色合成路线制备的Cu掺杂ZnO NPs，在保持ZnO六方纤锌矿结构的同时，Cu²⁺成功掺入晶格，使粒径减小、表面氧物种增多，提升了催化潜力。Cu-ZnO NPs在抗菌（对金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌效果优于氨苄青霉素）和抗癌（对PANC-1细胞毒性接近阿霉素）方面显著优于纯ZnO，但抗氧化能力略低于ZnO。两种NPs均表现出良好的血液相容性。电化学测试显示ZnO修饰电极具有更高的电流响应和更低的电荷转移电阻，在能源存储方面更具优势。总体而言，Cu掺杂通过增大表面积、增强反应活性及Cu-Zn协同作用促进ROS生成，提升了治疗效能。该研究将理化表征与生物学评价相结合，明确了Cu掺杂、ROS生成与生物活性之间的关联，为Cu-ZnO NPs在感染控制和癌症治疗中的潜在应用提供了依据。但当前工作仅限于体外实验，未来需开展体内验证。