利用 Euphorbia wallichii 通过可持续的方法合成具有光催化和抗菌特性的 CoFe?O? 纳米颗粒

《Next Materials》：Harnessing Euphorbia wallichii for the sustainable synthesis of CoFe?O? nanoparticles with photocatalytic and antibacterial potential

　　萨比哈·贾宾（Sabeeha Jabeen）、萨娜·尼萨尔（Sana Nisar）、瓦西·乌丁·西迪基（Vasi Uddin Siddiqui）、舒迈拉·苏海尔（Shumaila Suhail）、阿尔沙德·伊克巴尔（Arshad Iqbal）、纳西姆·艾哈迈德（Naseem Ahmad）、纳菲斯·艾哈迈德（Nafees Ahmad）
印度北方邦勒克瑙市Integral大学化学系，邮编226026

**摘要**
本研究利用大戟属植物（Euphorbia wallichii）的叶提取物，通过生物介导的方法合成了具有植物功能化的钴铁氧体纳米颗粒（CoFe?O? nanoparticles，简称CoFe?O? NPs），这是一种绿色且可持续的纳米颗粒合成途径。在这一过程中，叶提取物既充当还原剂，也起到稳定剂的作用。通过X射线衍射（XRD）对CoFe?O? NPs进行了相结构和结晶度的分析；扫描电子显微镜结合能量色散光谱（SEM-EDX）用于检测其元素组成和形态特征；傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于分析这些纳米颗粒的官能团；紫外-可见光谱（UV-DRS）则用于计算其带隙能量。此外，还利用循环伏安法（CV）测量了CoFe?O?纳米颗粒的比表面积。研究发现，这种植物功能化的CoFe?O? NPs具有优异的光催化性能，在可见光照射下90分钟内可降解94.7%的亚甲蓝（Methylene Blue，简称MB）染料，其降解速率常数为0.07935 min?1。进一步的研究还验证了该光催化剂的耐久性，结果显示即使经过四个连续循环使用后，其降解效率仅下降了2.4%。此外，CoFe?O? NPs对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均表现出较强的抗菌活性，这凸显了其在环境和生物医药领域的应用潜力。

**1. 引言**
近年来，纳米级的铁氧体因其较高的比表面积、化学稳定性、热稳定性以及磁性能等优异特性而受到广泛关注[1, 2]。诸如MgFe?O?、MnFe?O?、CoFe?O?、CuFe?O?等尖晶石型铁氧体被广泛应用于生物医药、能源、颜料制造、传感器以及环境修复领域[3, 4]。最近，这类铁氧体还被用作光催化剂，用于去除各种微量污染物，如肥料、有毒染料、药品以及多环芳烃[5, 6]。与其他物理或生物方法相比，光催化法在去除微量污染物方面具有更高的效率、更短的处理时间和更低的成本[7, 8, 9]。尖晶石型铁氧体可通过多种方法制备，例如溶胶-凝胶法、自动燃烧法、球磨法、水热分解法、共沉淀法以及微乳液法[10]。此外，由于植物提取物的高效性和低成本特性，也可以采用绿色合成途径来制备铁氧体，从而减少对环境的负担[11]。这种绿色合成方法利用树叶、根茎、种子等植物废弃物作为环保无害的前体。常用的植物提取物包括罗萨辛西斯木槿（Hibiscus rosa-sinesis）、芦荟（Aloe vera）、芝麻（sesame seeds）、姜（ginger roots）等，其中含有多种能够将金属硝酸盐还原为金属纳米颗粒的有机及无机植物化学物质[12]。这些植物提取物中的活性物质（如多糖、酚类酸、黄酮类化合物等）在纳米材料合成过程中起到还原、螯合、稳定及包覆的作用[13]。这些活性物质浓度的变化及其与金属离子的相互作用对纳米颗粒的形貌和大小均匀性具有重要影响。在合成过程中，植物提取物中的生物分子会固定在纳米颗粒表面，从而实现其功能化或涂层化，进而提升纳米颗粒的稳定性。
在各种铁氧体纳米颗粒中，钴铁氧体（CoFe?O?）因其高反应活性、良好的化学稳定性和适度的磁化强度而备受重视[14]。由于其广泛的应用前景（尤其是在生物医学和环境领域），钴铁氧体成为研究热点[15, 16]。近年来，已有许多研究利用不同的植物提取物进行钴铁氧体的生物合成探索。例如，有研究利用芦荟通过溶胶-凝胶自动燃烧法制备CoFe?O?纳米颗粒，用于高频磁记录设备[17]；另有研究使用圣罗勒（tulsi）种子合成CoFe?O?，并发现其具有出色的抗菌性能[18]；还有研究利用艾菊（Artemisia annua L.）的根系提取物实现CoFe?O?的可持续合成，并探讨了绿色合成工艺的相关参数[19]。本研究中，采用大戟属植物Euphorbia wallichii的叶提取物来制备CoFe?O?纳米颗粒。Euphorbia wallichii属于大型开花植物 genus，也是被子植物中第三大属；该植物含有丰富的次级代谢产物（如二萜类和三萜类化合物），可用于治疗多种疾病[20]。其中含有的二萜类和黄酮类化合物具有很强的螯合和包覆能力，有助于控制颗粒大小和稳定性。合成的CoFe?O?纳米颗粒被用作MB染料的光降解催化剂，并测试了其对单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的抗菌效果，显示出其在环境和生物医药应用中的双重潜力。

**2. 实验部分**
2.1. **材料与方法**
大戟属植物Euphorbia wallichii的叶片采自印度勒克瑙市的Integral大学。硝酸铁九水合物（Fe(NO?)?·9H?O）、二甲基亚砜（DMSO）和硝酸钴六水合物（Co(NO?)?·6H?O）以及亚甲蓝购自Sigma Aldrich公司；所有金属盐的溶剂均采用蒸馏水。用于抗菌分析的细菌菌株（单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌）购自印度昌迪加尔市的微生物类型培养收集与基因库。这些菌株在营养琼脂培养基上培养。
2.2. **Euphorbia wallichii叶提取物的制备**
新鲜叶片多次用去离子水清洗后置于烤箱中干燥30分钟，随后切碎成细粉，在80°C下用200毫升去离子水煮沸30分钟。冷却后用Whatmann滤纸过滤提取物，再晾干备用[21]。
2.3. **CoFe?O?纳米颗粒的绿色合成**
首先配制0.1 M的Co(NO?)?·3H?O和Fe(NO?)?·9H?O溶液；随后向每种溶液中加入30毫升植物提取物，并在室温下搅拌直至混合均匀。随后缓慢加入NaOH溶液以调节pH值至8。整个混合过程在磁力搅拌器上进行，以确保成分充分混合。逐渐升高温度至90°C后形成干凝胶，再将干凝胶在800°C下加热3小时以获得结晶的CoFe?O?纳米颗粒[22]。最终通过10,000 rpm离心15分钟分离出CoFe?O?纳米颗粒，并用乙醇和水多次洗涤；接着在马弗炉中400°C下煅烧4小时得到最终产品（见图1）。绿色合成法的产率为89.2%，高于化学合成法（81%），表明该绿色合成方法具有更高的效率。所有实验重复两次以确保结果的可重复性。

**图1. CoFe?O?纳米颗粒的合成流程示意图**
2.4. **抗菌活性测试**
采用Mueller Hinton琼脂（HiMedia Laboratories Private Limited）培养基在Petri板上评估生物合成CoFe?O?纳米颗粒的抗菌效果，测试对象包括两种革兰氏阳性菌（单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌）和两种革兰氏阴性菌（肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌）。实验中，琼脂孔中分别加入不同浓度的CoFe?O?纳米颗粒（以DMSO为阴性对照，getamucin为阳性对照）。培养24小时后观察抑菌圈大小，结果重复三次以获得准确数据。
2.5. **材料表征**
使用X射线衍射仪（XRD-Rigaku Ultima IV，日本东京）在20°至80°范围内检测CoFe?O?纳米颗粒的相结构和晶格参数，辐射波长为1.54 ?（CuK单色光）。紫外-可见光谱使用Hitachi U3900仪器（日本东京）在200–800 nm范围内记录；样品的形态和结构通过FE-SEM显微镜（Zeiss SIGMA VP，德国）观察；官能团分析采用Bruker Tensor 37傅里叶变换红外光谱仪（美国马萨诸塞州比勒里卡）和溴化钾（KBr）试剂进行。
2.6. **光催化活性和捕获实验**
实验中使用装有500 W可见光光源（波长400–700 nm）的光化学反应器，并配备氧气泵以供应氧气。将0.02 g光催化剂与100 ml亚甲蓝溶液混合后加入反应器。光照前将样品置于暗处以维持CoFe?O?与亚甲蓝溶液之间的吸附/解吸平衡；20分钟后取出3 ml亚甲蓝溶液进行紫外-可见光谱分析。降解效率根据公式（1）计算：
**(1) 净化效率 = (C? – Ct) / C? * 100**
其中C?为初始浓度，Ct为光照时间t后的浓度。为验证活性氧（ROS）在降解中的作用，还使用了异丙醇（IPA）捕捉羟基自由基（°OH）、Na-乙二胺四乙酸（Na-EDTA）捕捉氢氧根离子（h?）及对苯醌捕捉超氧阴离子（°O??）。此外，通过连续四次循环实验测试了CoFe?O?的耐久性。

**3. 结果与讨论**
3.1. **结构与光学分析**
FTIR光谱显示CoFe?O?纳米颗粒的官能团分布（见图2a）：3391 cm?1和1644 cm?1处的峰分别对应OH基团和H-O-H伸缩振动；557 cm?1和438 cm?1处的峰分别对应Fe-O和Co-O伸缩振动[2, 23]。
XRD分析表明CoFe?O?纳米颗粒的晶型为面心立方（FCC），衍射峰位置分别为18.9°、30.40°、35.22°、37.1°、43.2°、57.12°、62.33°，对应于(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(422)、(511)、(440)、(533)晶面[24, 25]。晶格参数a = b = c = 4.208 ?，表明其具有优异的晶体质量。所有特征峰与JCPDS 22–1086标准谱图一致，未检测到杂质峰，证实其纯度较高[26]。CoFe?O?纳米颗粒的平均粒径通过薛勒方程（Scherrer方程）计算得出（见表1）。
**表1. CoFe?O?纳米颗粒的平均粒径计算结果**
| 序号 | λ (?) | 2θ (°) | FWHM (°) | β | D (nm) |
|-----|------|--------|-------|--------|
| 1 | 1.54 | 18.9 | 4.56 | 18.44 | 19.74 |
| 2 | 1.54 | 18.4 | 34.1 | 18.7 | 19.39 |
| 3 | 1.54 | 17.8 | 30.9 | 19.55 | 19.75 |
| 4 | 1.54 | 17.8 | 35.2 | 19.75 | 18.04 |
| 5 | 1.54 | 17.8 | 37.1 | 18.53 | 18.62 |
| 6 | 1.54 | 17.0 | 18.53 | 18.28 | 18.56 |
| 7 | 1.54 | 17.0 | 18.62 | 19.55 | 18.33 |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |

3.2. **带隙能量测定**
通过紫外-可见光谱（UV-DRS）和TauC图谱确定CoFe?O?纳米颗粒的带隙能量。光学带隙能量是根据以下方程式确定的：(3) h?. α = (Ah? - Eg) n/2，其中α表示吸收系数，h?是光子能量，Eg对应于带隙能量，对于间接跃迁使用了n=1的值。在图2c中，显示了一个637 nm的吸收带，从TauC图中计算得到的带隙能量为1.96 eV，如图2d所示，这与先前报道的文献[27]一致。3.2. 形态学研究通过FE-SEM结合EDX对CoFe2O4纳米粒子进行了形态学研究。不同放大倍数的FE-SEM图像显示在图3(a,b)中。从图3a,b中可以看出CoFe2O4纳米粒子具有均匀的珊瑚状颗粒形态。此外，EDX研究表明存在Co、Fe和O（见图3c [28]）。使用imagej软件计算出CoFe2O4纳米粒子的平均粒径为35.2 nm。粒子尺寸分布的直方图显示在图3d中。下载：下载高分辨率图像（367KB）下载：下载全尺寸图像图3. (a,b) 不同放大倍数的CoFe2O4 FE-SEM图像；(c) EDS光谱；(d) CoFe2O4 NPs的粒子尺寸分布直方图。3.3. 电化学表面积的测定使用循环伏安法测定了生物合成的CoFe2O4 NPs的电化学表面积（ECSA）。测量在-1.5至+1.5 V的电位窗口内使用这三种电极设置进行。Ag/AgCl电极作为参比电极（0.193 mV，3 M Cl）。工作电极为玻璃碳电极（GCE），对电极为铂（Pt）线，电解质为0.1 M KOH溶液。分析前，样品经过氮气吹扫以保持惰性环境。CoFe2O4 NPs（0.2 mg）被固定在玻璃碳电极表面，使用nafion作为粘合剂以实现良好的附着。在-1.5至+1.5 V的电位窗口内，以10 mVs?1和20 mVs?1的不同扫描速率获得了循环伏安图，如图4a所示。循环伏安图用于确定不同扫描速率（10–80 mVs?1）下的电双层电容（EDLC），如图4b所示。EDLC图相对于不同扫描速率的斜率值用于评估ECSA，结果为0.0159 mFcm?1，如图4c [29], [30]所示。较高的ECSA表明产生了活性氧物种（ROS），即°OH和°O2ˉ，这些ROS有助于染料的光降解并破坏细菌细胞壁、蛋白质和DNA，导致细胞死亡。此外，还进行了EIS研究以检查电荷转移电阻，该电阻显示了CoFe2O4的电导率和界面电荷转移行为，通过半圆的直径表示。图4d中的Nyquist图显示非常小的直径对应于更快的电子转移动力学和氧化还原活性[31]。下载：下载高分辨率图像（381KB）下载：下载全尺寸图像图4. (a) 不同扫描速率下的循环伏安图；(b) EDLC曲线；(c) 扫描速率与EDLC的线性拟合；(d) CoFe2O4的Nyquist图。3.4. 染料的光催化降解及机理CoFe2O4 NPs的光催化机理基于导带和价带的电位来确定其反应路径。价带边缘（EVB）和导带边缘（ECB）的电位使用方程式4估计：(4) EVB = X - Ee + 0.5 Eg，其中X代表原子的电负性，Eg是光学带隙能量，Ec是自由电子能量。随后，导带电位（ECB）使用方程式5计算：(5) ECB = EVB - Eg。根据上述（4）和（5）计算出CoFe2O4 NPs的价带和导带电位分别为2.21 eV和-0.35 eV。图5详细展示了MB染料降解的光催化机理。当适当的波长光子照射到CoFe2O4纳米粒子上时，会发生分子激发，产生光诱导的载流子（e-/h+）[32]，[33]，[34]。CoFe2O4纳米粒子表面的光诱导电子与分子O2反应生成超氧阴离子自由基（°O2-）。同时，价带中产生的空穴（h+）与H2O分子反应生成羟基自由基（°OH）。这些超氧阴离子自由基和羟基自由基在反应路径中与MB分子反应，导致其降解。下载：下载高分辨率图像（158KB）下载：下载全尺寸图像图5. CoFe2O4 NPs降解MB染料的可能光催化机理。根据上述机理，MB染料分子的光催化反应可以描述为：(6) CoFe2O4 + hν → CoFe2O4 (e-CB + h+VB) (7) e-CB + O2 → °O2? + H+ → HOO° (8) h+VB + H2O → °OH + H+ (9) 活性氧物种（°OH, °O2-）+ MB染料 → 分解产物因此，高活性氧自由基（°O2?和°OH）的产生在将染料分子分解为无害产物中起着关键作用。MB染料的降解产物显示在图6中。下载：下载高分辨率图像（320KB）下载：下载全尺寸图像图6. MB染料降解后的UV–可见光谱。图7a显示了MB染料的UV–可见光谱，吸光度的逐渐降低表明了染料的降解。根据UV–可见光谱得到的结果，研究了光催化降解动力学，并使用Langmuir Hinshelwood公式（10），（11）计算了速率常数：(10) Ct/C0 = e^(-kt) (11) ln [Ct/C0] = -kt下载：下载高分辨率图像（329KB）下载：下载全尺寸图像图7. (a) MB染料的UV-可见光谱；(b) 光降解动力学；(c) CoFe2O4的速率常数曲线。通过MB浓度与时间之间的图表计算了CoFe2O4 NPs的速率常数，结果表明其遵循一级降解动力学，如图7b所示。无催化剂时的速率为0.00031 min?1，无光时的速率为0.001231 min?1，CoFe2O4纳米粒子的速率为0.07935 min?1。提供了以前报道的CoFe2O4纳米颗粒的光催化性能比较表（表S1）作为补充信息。此外，根据数据得到的速率常数值，绘制了速率常数曲线，如图7c所示。通过添加NaOH和HCl将水溶液的pH维持在4、7和10，研究了pH的影响。在pH 10的碱性介质中观察到更高的降解速率，这是由于溶液中形成了OH-离子（图8a）。这些OH-离子捕获溶液中的光生成空穴（h+），形成°OH自由基[35]。这些°OH自由基是降解亚甲蓝染料的主要物种。进一步通过改变溶液中的催化剂剂量观察了催化剂的效果。分别在光催化实验中添加了0.1 g、0.2 g、0.4 g和0.6 g的催化剂。当添加0.4 g催化剂时观察到最高的活性，而进一步增加催化剂剂量（即0.6 g）时，光催化活性降低，如图8b所示。较高的催化剂剂量会在溶液中产生浑浊，减少光线到达活性位点的程度。此外，颗粒聚集和光生成电子-空穴对的重新结合减少了ROS的生成，从而降低了光催化活性。因此，从结果来看，获得更好光催化活性的最佳催化剂剂量为0.4 g的CoFe2O4纳米粒子。还通过回收实验研究了CoFe2O4纳米粒子的耐久性。每次光催化运行后，回收CoFe2O4，用去离子水和丙酮多次离心洗涤以去除杂质，以便在接下来的四次连续降解实验中重复使用。四次重复使用后，CoFe204的光催化效率仅下降了2.4%，验证了其高稳定性和可回收性，如图8c所示。此外，为了验证活性氧物种（ROS）的作用，在光催化过程中添加了各种捕获剂（1 mM）。有趣的是，当引入IPA时，速率常数发生了显著变化，而当引入Na-EDTA和p-苯醌时变化很小，如图8d所示。因此可以得出结论，羟基自由基（°OH）是降解MB染料的主要反应物种，尽管h+和°O2-也对MB染料的光降解有所贡献，但它们的贡献相对较小。下载：下载高分辨率图像（509KB）下载：下载全尺寸图像图8. (a) 催化剂剂量的影响；(b) pH的影响；(c) 回收实验；(d) 清除剂对光降解的影响。3.5. 抗菌活性评估使用一组革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌分离株研究了CoFe204的抗菌效果。对抗细菌的实验包括李斯特菌（图9a）、金黄色葡萄球菌（图9b）、肺炎克雷伯菌（图9c）和铜绿假单胞菌（图9d），结果列在表2中。下载：下载高分辨率图像（185KB）下载：下载全尺寸图像图9. CoFe204 NPs对（a）李斯特菌；（b）金黄色葡萄球菌；（c）肺炎克雷伯菌；（d）铜绿假单胞菌的抗菌活性。表2. 合成的CoFe204 NPs的抑菌圈（mm）。编号. 细菌株. 抑菌圈（mm）不同浓度（mg/ml）的CoFe204 NPs. 盐酸庆大霉素（标准）（mm）. 对照（DMSO）50 75 100 50 mg/ml空白 1李斯特菌-15 ± 0.6 17 ± 0.8 20 ± 0.2 0.02金黄色葡萄球菌0.1 ± 0.2 0.1 ± 0.3 0.1 ± 0.4 0.5 ± 0.1 0.03肺炎克雷伯菌15 ± 0.2 18 ± 0.2 21 ± 0.4 21 ± 0.2 0.04铜绿假单胞菌18 ± 0.2 19 ± 0.6 20 ± 0.3 20 ± 0.1 0.0为了评估抗菌活性，将合成的纳米颗粒与标准商业抗生素庆大霉素进行了比较，在50、75和100 mg/ml的浓度下进行了测试。在75 mg/ml的浓度下，纳米颗粒对李斯特菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌产生了15 ± 0.6、14 ± 0.6、0.01 ± 0.4、18 ± 0.2和19 ± 0.6的抑菌圈。如图9所示，纳米颗粒在细菌细胞内的积累可能导致膜变性，从而影响所研究纳米结构的抗菌效果。现有研究结果与[36]的研究一致，该研究表明CoFe204 NPs对革兰氏阴性大肠杆菌的活性比对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的活性更强。类似地[37]指出，这些差异是由于细菌细胞壁的结构和化学性质差异造成的。此外，这项研究还发现CoFe204 NPs对革兰氏阳性细菌的效力明显较低。在最近的一项研究中，使用木槿花提取物合成的CoFe204 NPs对革兰氏阴性大肠杆菌的敏感性高于对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的敏感性。为了更好地理解CoFe204纳米颗粒对抗细菌的抗菌机制及其导致的细胞膜损伤和细胞死亡，图10展示了一个可能的机制。下载：下载高分辨率图像（235KB）下载：下载全尺寸图像图10. CoFe204 NPs抗菌活性的可能机制。基于本研究的结果，提供了补充信息中的比较表（表S2），总结了CoFe204的带隙能量、降解效率、速率常数和抗菌性能。4. 结论总之，MB染料有效吸附在CoFe204纳米粒子表面并通过光催化过程被降解。CoFe204表现出优异的光催化活性，即对MB染料的降解效率为94.7%，这归因于电子-空穴对的较低重新结合率和活性氧物种的生成。即使在四个连续的光降解循环后，CoFe204仍保持稳定，这一点通过回收实验得到了证实。此外，CoFe204对所有细菌菌株均表现出良好的抑菌圈。最大抑菌圈出现在100 mg/ml浓度下对肺炎克雷伯菌的作用。总体而言，CoFe204展示了其双重作用，即由于优异的氧化还原性能、表面积和吸附能力，在抗菌活性和MB染料的光降解方面表现出色。进一步的研究可以集中在光催化剂的可重复使用性和在实际废水处理及生物医学应用中的实施。cRediT作者贡献声明Sabeeha Jabeen：方法论、撰写——原始草稿。Nafees Ahmad：概念化、监督、验证、撰写——审阅与编辑。Naseem Ahmad：形式分析、调查、方法论。Vasi Uddin Siddiqui：调查、可视化。Shumaila Suhail：概念化、数据管理、方法论、可视化。Arshad Iqbal：数据管理、调查。Sana Nisar：形式分析、方法论、撰写——原始草稿。