基于*Chrysophyllum cainito*种子、叶片及茎皮提取物的ZnO与Ag/ZnO纳米粒子生物合成及其光催化降解甲基橙与抗菌应用

《Next Materials》：Biosynthesis of ZnO and Ag/ZnO nanoparticles from Chrysophyllum cainito seed, leaf and stem-bark extracts for the photocatalytic degradation of methyl orange and antimicrobial application

　　

绿色合成是一种环境友好且一步完成的方法，相较于众多其他合成方法具有显著优势。该研究利用*Chrysophyllum cainito*的三种植物提取物作为稳定剂和还原剂，进行ZnO及银掺杂ZnO纳米粒子（Ag/ZnO纳米粒子，Ag/ZnO NPs）的绿色合成。研究人员采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）及紫外-可见光谱（UV-Vis）等技术对合成纳米粒子进行表征。紫外-可见吸收光谱显示在240 nm和296 nm处存在两个 distinct 吸收峰。FTIR分析显示ZnO和Ag NPs在3419.45 cm^-1至3696.24 cm^-1范围内存在强烈而宽化的O-H振动模式。SEM结果证实了亚100 nm粒子的形成，而EDS分析揭示了SSN、LSN和SN样品中元素银的存在。XRD显示最强峰（111）峰，表明Ag和ZnO样品具有面心立方（fcc）结构。TEM显微照片显示明亮斑点且粒径分布较窄，SN、SSN、LSN和LDW的粒径分别为5.65 nm、4.51 nm、4.30 nm和5.70 nm。该研究还以未掺杂ZnO纳米粒子（ZnO NP）和掺杂Ag/ZnO纳米粒子为催化剂，研究了偶氮染料甲基橙（Methyl Orange, MO）的光催化降解。结果表明，在25°C条件下25分钟内，SN样品使甲基橙实现了89%的更快降解，优于相同条件下的未掺杂ZnO NP。抗菌结果显示，SSN和LSN样品在50和25 mg/mL浓度下对枯草芽孢杆菌（*Bacillus subtilis*）无活性，而LDW和SSN在50和25 mg/mL浓度下对克雷伯氏菌（*Klebsiella*）无活性。

**研究背景与问题提出**

工业废弃物的倾倒导致全球各类有毒污染物水平急剧上升，众多行业排放的有害物质对生态系统造成严重不良影响。纺织、造纸及印刷工业广泛使用染料进行产品生产，其中染料废水因其高化学需氧量、高含量有害化合物及悬浮固体，加之其肉眼可辨识的颜色，已成为生态系统的突出问题。甲基橙（Methyl Orange, MO）属于偶氮染料（azo dye），是造纸、食品及纺织工业中用于纤维和织物染色的主要化学染料之一，其日常大量释放及其副产物对生态系统构成了严重威胁。为更有效地光降解有机污染物并进行微生物处理，研究人员在纳米结构及新型材料的合成方面不断取得重要进展。纳米结构材料因其在多领域的广泛应用优势而备受关注，其中银纳米粒子（Silver Nanoparticles, Ag NPs）因其独特的物理、化学和生物学性质而位居首位。掺杂金属氧化物纳米粒子展示出包括化学稳定性、高热电导率、表面增强散射、优异催化活性及抗菌效应在内的独特物理化学性质。然而，传统纳米粒子合成方法如共沉淀法、溶胶-凝胶法、化学还原法等存在成本高、耗时长、能耗大、具有危害性以及使用有毒化学品等诸多弊端。因此，采用植物提取物作为稳定剂、封端剂和还原剂替代化学品进行绿色合成，成为解决上述问题的有效替代途径。

**研究目的与意义**

该研究旨在利用*Chrysophyllum cainito*植物提取物（种子、叶片和茎皮），通过绿色合成方法制备未掺杂ZnO纳米粒子（LDW）和Ag掺杂ZnO纳米粒子（SSN：种子-银/氧化锌纳米粒子；SN：茎皮-银/氧化锌纳米粒子；LSN：叶片-银/氧化锌纳米粒子），并对其抗菌性能及甲基橙染料降解性能进行系统评价。该合成方法具有生态友好、简便、成本效益高的特点，论文发表于《Next Materials》期刊。

**关键技术方法**

该研究采用的主要技术方法包括：以尼日利亚Ajayi Crowther大学采集、经伊巴丹大学植物标本馆鉴定的*Chrysophyllum cainito*种子、叶片及茎皮提取物为原料，通过水提法制备植物粗提物；采用绿色化学还原法，在60°C搅拌条件下，以NaOH为沉淀剂、AgNO₃为银源，合成未掺杂ZnO及Ag掺杂ZnO纳米粒子，并经700°C煅烧处理；利用紫外-可见光谱（UV-Vis）分析光学特性，傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定表面官能团，X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）分析形貌与元素组成，透射电子显微镜（TEM）测定粒径分布；采用琼脂孔扩散法评价对八种临床分离菌株（包括*Staphylococcus aureus*、*Bacillus subtilis*、*Escherichia coli*、*Pseudomonas aeruginosa*、*Klebsiella*、*Candida albicans*、*Salmonella* spp.、*Trichophyton rubrum*）的抗菌活性，并以微量肉汤稀释法测定最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC）；以太阳能辐照为光源、TiO₂为对照，研究纳米粒子对甲基橙染料的光催化降解性能。

**研究结果**

**3.1 紫外-可见光谱分析**

紫外-可见光谱分析证实了*Chrysophyllum cainito*溶液中Zn²⁺还原为ZnO纳米粒子以及Ag⁺还原为Ag⁰银纳米粒子。吸收峰位于240 nm和296 nm处归属于Ag纳米粒子特征吸收，而246–300 nm范围内的宽吸收带归属于ZnO纳米粒子。SN纳米粒子在240、296、328 nm处的吸收带归属于其准球形结构；SSN纳米粒子在240、296、332和358 nm处显示吸收带；LSN纳米粒子在240、296、322和350 nm处出现吸收峰。LDW的吸收带相对于SS、SSN和LSN发生了红移，表明反应混合物中不存在硝酸银。

**3.2 FTIR研究**

FTIR分析鉴定了植物生物分子中负责还原和封端的官能团。3451.57 cm^-1、3445.42 cm^-1、3640.00 cm^-1和3697.54 cm^-1处的强峰对应于植物中黄酮类化合物的O-H和N-H伸缩振动；2929.21 cm^-1和2918.00 cm^-1处的尖锐强振动峰归属于叶片样品中脂质含量的C-H伸缩；1712.00 cm^-1和1709.38 cm^-1处的伸缩振动归属于LSN和LDW中羧酸的CO伸缩；1630.13 cm^-1、1600.69 cm^-1、1618.75 cm^-1和1633.58 cm^-1处的尖锐宽带归属于酚酸。带隙分析显示LSN、SN和SSN样品的带隙略低于LDW，这可归因于Ag掺入ZnO纳米粒子导致的较小粒径。

**3.2.1 SEM-EDS分析**

SEM分析显示制备的纳米粒子粒径在15–100 nm范围内。SSN样品呈圆柱形且内部有空洞，粒径15–100 nm；LSN呈棒状，粒径20–100 nm；SN呈棱柱形，粒径8–100 nm；LDW呈螺旋状，粒径5–100 nm。Ag的掺入不影响ZnO粒子的形貌。EDS分析证实除LDW外所有样品均富含银元素，其中SSN含60 wt%、SN含48.1 wt%、LSN含59.0 wt%；LDW则富含锌元素（55 wt%）。

**3.2.2 X射线衍射研究**

XRD图谱显示2θ范围在10°至65°之间。LSN在37.34°处显示清晰的（111）尖锐峰，对应于面心立方银的晶面；SN和SSN样品也显示了银纳米粒子的晶体结构特征峰，包括（111）、（220）、（311）等。LDW的最强峰位于38.14°（111），强度为1357。通过Scherrer公式计算，SSN、LSN、SN的晶粒尺寸分别为4.51 nm、4.30 nm和5.65 nm，未掺杂ZnO纳米粒子LDW的晶粒尺寸为5.70 nm。

**3.2.3 透射电子显微镜分析**

TEM分析显示合成的纳米粒子表面均匀且分散良好，呈明亮斑点且粒径分布较窄，表明其结晶性良好。SN的粒径范围为5.20–10.22 nm，SSN和LSN的粒径分布较低，分别为2.70–7.32 nm和1.32–5.32 nm。SN、SSN、LSN和LDW的平均粒径分别为5.20 nm、4.42 nm、4.10 nm和4.39 nm。

**3.2.4 抗菌敏感性试验及抑菌浓度**

抗菌活性测试显示浓度依赖性特征，高浓度下抑菌圈较宽。对*Staphylococcus aureus*的抑菌范围为10–16 mm（标准品26 mm）。SSN和LSN在50和25 mg/mL浓度下对*Bacillus subtilis*无活性；LDW和SSN在50和25 mg/mL下对*Klebsiella*无活性。LDW在100、50和25 mg/mL浓度下对*S. aureus*、*P. aeruginosa*和*Salmonella* spp.显示活性。MIC和MBC结果显示，SSN对*Staphylococcus aureus*和*Salmonella typhi*最为活跃，MIC均为0.78 μg/mL。SSN对*S. aureus*的MIC和MBC均为6.25 μg/mL；SN对*E. coli*的MIC和MBC均为6.25 μg/mL。

**3.2.5 光催化降解活性**

在以太阳能辐照为光源、TiO₂为对照的甲基橙降解实验中，LSN、SN、SSN、TO和LDW样品在25°C、25分钟内的降解率分别为87%、89%、78%、90%和76%。Ag/ZnO纳米粒子的降解率普遍高于纯ZnO纳米粒子，这是由于Ag形成Schottky势垒，捕获电子并通过窄化带隙扩展光吸收。SN样品的降解率最高，接近标准样品TO，表明SN与MO之间存在更强的吸附作用。降解效率顺序为：SN > LSN > SSN > LDW。

**讨论与结论**

研究人员成功利用*Chrysophyllum cainito*水提物作为稳定剂、还原剂和封端剂，生物合成了未掺杂ZnO纳米粒子及Ag掺杂ZnO纳米粒子，并通过多种分析和光谱技术对其进行了表征，证实了合成纳米粒子表面的功能性。该研究的合成方法具有生态友好、简便、成本效益高的特点。根据XRD和TEM数据，通过Debye-Scherrer公式估算SSN、LSN、SN和LDW的粒径分别为14.5 nm、15.1 nm、15.6 nm和16.15 nm。XRD中最强的（111）峰表明了Ag的形成，而EDS显示Ag为最强元素，其中SSN含60 wt%、SN含48.1 wt%、LSN含59.0 wt%，LDW中锌含量为55 wt%。所合成的纳米粒子成功针对六种阳性及阴性微生物菌株和两种真菌菌株进行了评价。SSN样品对*Staphylococcus aureus*和*Salmonella typhi*最为活跃，MIC均为0.78 μg/mL。研究人员认为，ZnO纳米粒子和Ag/ZnO纳米粒子的微生物活性归因于活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）与细胞膜的相互作用，进一步导致DNA和细胞壁损伤。所合成的ZnO纳米粒子和Ag/ZnO纳米粒子还成功作为光催化剂，在紫外光辐射下实现了甲基橙的降解。