利用蒲桃叶提取物绿色合成Cu掺杂ZnO纳米颗粒及其抗菌评价

《Bioscience Nanotechnology》：Green synthesis of Cu-Doped ZnO nanoparticles using Syzygium cumini leaf extract and their antimicrobial evaluation

　　

通过绿色合成方法利用植物叶提取物合成纳米颗粒因被认为成本效益高、高效且环境友好而广受欢迎。本研究旨在通过绿色途径从蒲桃（Syzygium cumini）叶提取物合成铜掺杂氧化锌纳米颗粒。纯氧化锌和铜掺杂氧化锌所形成的纳米颗粒通过紫外-可见光谱（UV–Vis）在378纳米（nm）和383 nm处尖锐的吸收光谱得到确认。通过zeta粒径研究，生物合成的纯ZnO和铜掺杂ZnO纳米颗粒的平均尺寸分别为78 nm和86.07 nm，zeta电位分别为-16.9776毫伏（mV）和-28.38 mV。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，鉴定出蒲桃叶提取物的生物活性化合物峰和键伸缩振动。生物合成的纯氧化锌和铜掺杂氧化锌纳米颗粒的强氧化锌晶格振动位于500–600倒数厘米（cm^?1）之间。X射线衍射（XRD）分析揭示了纯ZnO在2θ值为36.44°、63.03°、68.12°和69.29°处的特征衍射峰，而Cu掺杂ZnO则表现出略微偏移的峰，位于36.29°、62.89°、67.98°和69.07°，证实了铜掺入后六方纤锌矿结构的保持。通过原子力显微镜（AFM）分析获得的平均表面粗糙度，纯ZnO为2.093 nm，而铜掺杂后降至1.824 nm。合成的Cu掺杂ZnO纳米颗粒对细菌和真菌病原体均表现出增强的抗菌活性，在最高测试浓度下，对野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）的最大抑菌圈为19.99±0.7 mm，对密执安棒形杆菌（Clavibacter michiganensis）为28.37±0.7 mm。研究结果表明，铜掺杂氧化锌纳米颗粒的抗菌活性低于合成抗生素，但高于蒲桃提取物。因此，通过蒲桃叶提取物合成的铜掺杂氧化锌纳米颗粒可作为抗菌应用的有前景候选材料。

**论文解读**

**研究背景与问题**
当前，纳米材料合成中大量使用有毒化学品、高能耗及复杂工艺，传统化学方法依赖昂贵且有毒的试剂及有机溶剂，对环境与人体健康构成威胁。绿色合成方法利用植物提取物等天然材料作为还原剂和稳定剂，具有成本低、效率高、环境友好等优势，成为替代化学合成的理想途径。氧化锌（ZnO）是一种多功能材料，可通过掺杂（如过渡金属离子）调控其光、电、磁及抗菌性能。铜（Cu）因与Zn的离子半径相近、电荷相似且无毒，常被选为掺杂剂，以增强ZnO的电子结构和生物活性。然而，利用蒲桃（Syzygium cumini）叶提取物绿色合成铜掺杂氧化锌（Cu-doped ZnO）纳米颗粒的研究尚属空白。蒲桃叶富含酚类、黄酮类、鞣质等次生代谢物，可作为天然封端剂和还原剂。因此，本研究旨在通过绿色共沉淀法，以蒲桃叶提取物为原料合成Cu-doped ZnO纳米颗粒，并评估其理化特性及对植物病原菌的抗菌活性，拓展可持续纳米材料在抗菌管理中的应用潜力。该研究发表在《Bioscience Nanotechnology》。

**关键技术方法**
研究人员采用绿色共沉淀法合成纳米颗粒：以乙酸锌二水合物为锌源，蒲桃叶提取物为还原/封端剂，调节pH至9–11促使沉淀形成，再加入硫酸铜溶液（5% w/v）实现铜掺杂；产物经离心、洗涤、干燥后于600°C煅烧2小时。表征方法包括：紫外-可见光谱（UV–Vis）分析光学性质；动态光散射（DLS）与电泳光散射（ELS）测定粒径和zeta电位；傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定官能团；X射线衍射（XRD）分析晶体结构；原子力显微镜（AFM）评估表面形貌和粗糙度。抗菌活性测试选用两种细菌（Xanthomonas campestris和Clavibacter michiganensis）和两种真菌（Aspergillus niger和Alternaria alternata），采用琼脂井扩散法，以环丙沙星（细菌）和氟康唑（真菌）为阳性对照。样本来源：蒲桃叶采自当地，细菌和真菌菌株均来自巴基斯坦费萨拉巴德农业大学植物病理学系。

**研究结果**

**UV–visible spectroscopy**
通过UV–Vis分析，纯ZnO纳米颗粒在378 nm处出现特征吸收峰，Cu-doped ZnO纳米颗粒的峰红移至383 nm。该红移归因于Cu掺杂引入杂质能级，导致光学带隙窄化，同时Cu²⁺与Zn²⁺离子半径差异引起晶格应变，证实了铜的成功掺入。

**Size distribution analysis**
DLS测量显示，纯ZnO纳米颗粒的平均流体动力学直径为78 nm，而Cu-doped ZnO增至86.07 nm，多分散指数分别为14.9%和11.2%。粒径增大表明Cu²⁺掺入影响了结晶动力学，同时保持了分散均匀性。Zeta电位分析显示，纯ZnO的电位为-16.98 mV，Cu-doped ZnO则为-28.38 mV，更负的电位表明铜掺杂增强了表面电荷，改善了胶体稳定性，这可能与氧空位或表面羟基分布变化有关。

**Fourier transform infrared spectroscopy**
FTIR分析显示，蒲桃叶提取物在3429.4 cm^?1（O–H伸缩）、2961.6、2918、2849.5 cm^?1（C–H伸缩）、1620.8 cm^?1（C=O伸缩）等处出现特征峰，对应黄酮、多酚、萜类等生物活性成分。纯ZnO在527 cm^?1处出现Zn–O伸缩振动峰，Cu-doped ZnO则在500–600 cm^?1范围内保持强Zn–O晶格振动，同时出现1387 cm^?1（C–N或COO^?）和1015.0 cm^?1（C–O）新峰，表明植物化学物在稳定铜掺入中发挥了作用。

**X-ray diffraction analysis**
XRD图谱显示，纯ZnO和Cu-doped ZnO的衍射峰均与六方纤锌矿结构（JCPDS No. 36–1451）吻合，主要晶面为(101)、(103)、(112)和(201)。Cu-doped ZnO的峰位略微偏移（如36.44°→36.29°），表明铜成功取代锌进入晶格，未改变晶体结构。通过Debye–Scherrer公式计算，纯ZnO的微晶尺寸为18.67 nm，Cu-doped ZnO降至16.25 nm，说明铜掺入抑制了晶体生长并引入了晶格应变。

**Atomic force microscopy**
AFM分析显示，纯ZnO纳米颗粒的平均粒径为48.45 nm，Cu-doped ZnO降至13.83 nm；平均表面粗糙度（Ra）从2.093 nm降至1.824 nm，峰高（Rp）从148.219 nm降至24.572 nm，谷深（Rv）从22.944 nm降至9.378 nm。铜掺杂有效抑制了团聚，使表面更光滑、结构更紧凑。

**Biological activities**
抗菌活性：Cu-doped ZnO纳米颗粒对Xanthomonas campestris的抑菌圈为19.99±0.7 mm，对Clavibacter michiganensis为28.37±0.7 mm（100 μL浓度），优于蒲桃叶提取物，但低于环丙沙星。抗真菌活性：对Aspergillus niger的抑菌圈为30.14±0.7 mm，对Alternaria alternata为28.12±0.6 mm（100 μL浓度），均高于提取物，但低于氟康唑。Cu掺杂通过增强活性氧（ROS）生成、释放Cu²⁺和Zn²⁺离子、破坏细胞膜、干扰DNA和蛋白质合成等机制，提升了抗菌性能。

**讨论与结论**
研究人员总结指出，本研究成功实现了以蒲桃叶提取物绿色合成Cu-doped ZnO纳米颗粒的目标。综合UV–Vis、FTIR、XRD、DLS、Zeta电位和AFM表征，确认了纳米颗粒的合成、结晶度、表面特性和胶体稳定性。与纯ZnO和植物提取物相比，Cu-doped ZnO纳米颗粒表现出增强的抗菌和抗真菌活性，表明铜掺入对提升抗菌性能具有积极作用。结论部分强调，这些生物合成的Cu-doped ZnO纳米颗粒作为环境友好的抗菌纳米材料，在农业及相关生物医学领域具有应用潜力。研究局限性在于未进行EDX、SEM、TEM等高级元素和形貌表征，且抗菌测试仅针对两种细菌和两种真菌，未来需扩大病原体范围、研究分子机制并评估体内安全性。