植物化学提取技术对生物合成的氧化铜纳米颗粒的相态、形貌及抗菌活性的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Effect of Phytochemical Extraction Technique on Phase, Morphology, and Antibacterial Activity of Biosynthesized Copper Oxide Nanoparticles

　　

莱拉·布马扎（Leila Boumaza）|斯梅尔·布贾达尔（Smail Boudjadar）|乌韦德·阿卜杜勒阿齐兹（Ouided Abdelaziz）|哈贾尔·扎巴特（Hadjar Zaabat）

阿尔及利亚康斯坦丁弗雷斯·门图里大学（Frères Mentouri University）科学学院物理系，相变实验室（Phase Transformations Laboratory），邮编1, 25000

摘要

利用植物提取物进行铜基纳米材料的绿色合成提供了一种可持续的方法，可以调控其相组成、缺陷结构及抗菌性能。然而，植物化学提取方法的影响仍不甚明了。本研究比较了通过水浸法（富含多酚的介质）和溶剂蒸馏法（富含精油的介质）从天竺葵（Pelargonium graveolens）叶片提取物中制备的氧化铜纳米颗粒（CuO NPs），所用前驱体为CuSO₄·5H₂O，浓度范围为25至500 mM。采用XRD、FTIR、Raman、FE-SEM/EDS和UV-Vis等分析技术发现：水浸法制备的样品在低浓度时生成富含缺陷的Cu₂O（25 mM），中浓度时生成Cu₂O/Cu(OH)₂复合体制剂，高浓度时最终生成Cu(OH)₂（500 mM）；而溶剂蒸馏法在低浓度下生成结晶良好的CuO（25 mM），高浓度下生成CuO/Cu(OH)₂复合体制剂，从而能够精确控制晶粒尺寸、微观应变、形态和带隙（1.33–4.63 eV）。水浸法制备的样品从空心的Cu₂O球体演变为纳米多孔的Cu(OH)₂网络，而溶剂蒸馏法制得的样品则为CuO纳米片层及分层的CuO/Cu(OH)₂结构，这反映了提取方法对纳米颗粒成核与生长机制的不同影响。针对大肠杆菌（E. coli）、铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）的抗菌实验表明：Cu(OH)₂和CuO/Cu(OH)₂对革兰氏阴性菌具有很强的抑制作用（其中铜绿假单胞菌的抑菌圈最大可达55 mm），而Cu₂O对枯草芽孢杆菌的抑制效果尤为显著，甚至优于庆大霉素。这些结果揭示了提取化学过程、Cu₂O/CuO/Cu(OH)₂相组成、光学带隙与杀菌活性之间的直接关联，为定制绿色合成的铜基纳米材料应用于生物医学和环境领域提供了理论基础。

引言

铜基氧化物纳米材料因其低成本、高丰度及可调的物理化学性质而备受关注，适用于催化、环境修复和抗菌系统[1]、[2]、[3]、[4]。其中，CuO、Cu₂O和Cu(OH)₂具有不同的晶体结构、电子特性和表面化学性质，直接影响其功能性能。CuO是一种p型半导体，带隙较窄（1.2–1.7 eV），以其化学稳定性和氧化还原活性著称；Cu₂O和Cu(OH)₂则具有互补的光学和反应特性[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。多相体系通过协同效应（如增加Cu离子释放和活性氧ROS的生成）提升了抗菌效率[10]、[11]。基于植物提取物的绿色合成方法已成为传统物理化学方法的可行替代方案，后者通常需要使用有害试剂和能耗较高的条件[12]、[13]、[14]。在这些体系中，植物化学物质（如多酚、黄酮类和萜类化合物）同时充当还原剂和稳定剂，影响纳米颗粒的成核、生长动力学、相形态和表面功能化[15]、[16]。尽管研究较多，但提取方法的可重复性和对相组成的控制仍存在挑战，主要源于提取物的组成变化及对合成-结构关系理解不足[17]、[18]。一个关键但尚未充分研究的参数是用于获取植物前驱体的提取工艺。提取条件（如温度、溶剂极性和提取方法，如水浸法与溶剂蒸馏法）会显著影响提取物的化学组成，从而导致活性生物分子的浓度和性质差异[19]、[20]、[21]。例如，热水浸法主要提取极性非挥发性化合物（如多酚和黄酮类），而溶剂蒸馏法则富集挥发性萜类成分，但可能降解热不稳定的物质[22]。这些成分差异不仅影响纳米颗粒的形成机制，还影响相选择性和表面化学性质，但目前系统性的比较研究仍较为匮乏。

特别是，提取过程中植物化学物质的变化与最终获得的氧化铜（CuO、Cu₂O和Cu(OH)₂相组成之间的关系尚不明确。这一因素至关重要，因为相组成决定了离子释放行为、活性氧生成及与细菌细胞结构的相互作用，最终影响抗菌效果[23]、[24]、[25]、[26]、[28]。因此，建立提取条件、相演变与功能性能之间的关联对于实现可控的绿色合成至关重要。

天竺葵（Pelargonium graveolens）因其化学成分多样性（包含极性化合物如多酚和黄酮类以及挥发性成分如萜类）以及已验证的生物活性，成为此类研究的理想模型体系。这种多样性为系统探讨提取方法对纳米颗粒形成和性质的影响提供了契机。

本研究通过比较水浸法与溶剂蒸馏法制备的纳米颗粒，以及不同前驱体浓度对纳米颗粒合成、相演变和抗菌行为的影响，探讨了提取方法（热浸法与溶剂蒸馏法）和前驱体浓度对铜基纳米材料的影响。结合结构分析、光谱分析和生物活性实验，本文揭示了提取过程中植物化学成分变化与纳米颗粒相组成、选择性形成及功能性能之间的关联，为开发可重复、相可控的铜氧化物纳米材料提供了理论依据，适用于生物医学和环境应用。

章节摘录

材料

所有试剂均为分析级纯度，无需进一步纯化即可使用。五水合硫酸铜（CuSO₄·5H₂）、无水乙醇（C₂H₅OH，99.8%）和氢氧化钠颗粒（NaOH，98.5%）均购自中国上海的Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd。所有实验均使用超纯水（UPW，18.2 MΩ·cm），符合现行绿色合成协议的要求，以尽量减少离子污染，确保CuO纳米颗粒的可重复成核和生长。

植物材料的采集

天竺葵

X射线衍射研究

通过Monshi–Scherrer、Williamsson–Hall（W–H）和尺寸-应变图（SSP）方法系统分析了合成样品的晶体学特性，从而全面确定了晶粒尺寸和晶格微应变，有助于理解其结构特征对材料性能的影响[31]。对于水浸法制备的样品，25 mM浓度下的晶体结构如图1a所示。

结论

本研究表明，控制植物化学提取过程是有效调控绿色合成铜基纳米材料的相组成、缺陷结构、形态和光电性能的手段，具有高度的可调性和应用导向性。通过对不同前驱体浓度下水浸法和溶剂蒸馏法提取的天竺葵叶片提取物进行系统比较，发现了清晰的关联……

CRediT作者贡献声明

乌韦德·阿卜杜勒阿齐兹（Ouided Abdelaziz）：验证、实验研究。斯梅尔·布贾达尔（Smail Boudjadar）：写作、审稿与编辑、验证、实验设计、数据分析、概念构思。莱拉·布马扎（Leila Boumaza）：初稿撰写、实验设计、数据分析、概念构思。哈贾尔·扎巴特（Hadjar Zaabat）：实验设计、实验研究

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢相变实验室主任哈马纳·贾梅尔（Hamana Djamel）教授提供的无私帮助，使他能够让我们使用先进的分析仪器，使得本研究得以顺利进行。