:芦丁-Zn材料的理化表征及其对埃及伊蚊的杀幼虫活性

《ACS Omega》：Physicochemical Characterization and Larvicidal Activity of a Rutin–Zn Material against Aedes aegypti

　　

芦丁是一种天然黄酮类化合物，其杀幼虫活性可能受限于其理化性质。本研究以标称1:1的前驱体摩尔比制备了芦丁-Zn材料，并评估了其对埃及伊蚊四龄幼虫的杀幼虫活性。紫外-可见光谱显示Band II从258 nm迁移至270 nm，Band I从361 nm迁移至439 nm。傅里叶变换红外光谱中归属于O–H和芳香/共轭振动的谱带分别从3391 cm^–1迁移至3163 cm^–1、从1601 cm^–1迁移至1560 cm^–1，同时在694 cm^–1处出现一条新谱带，暂归属于Zn–O振动。核磁共振谱显示多个配体环境发生扰动，其中C-5信号从157.5 ppm移至161.6 ppm，支持Zn²⁺与芦丁含氧区域之间存在相互作用，但未能确定唯一的配位位点或化学计量比。X射线衍射结果显示结构重组有限，并残留有前驱体相关的晶体特征。强度加权流体动力学直径从游离芦丁的226 ± 3 nm增加至芦丁-Zn材料的1501 ± 19 nm，表明在测定条件下形成了更大的溶剂化聚集体，而非初级颗粒尺寸增大。48 h后，半数致死浓度(LC₅₀)从322 mg L^–1降至227 mg L^–1，90%致死浓度(LC₉₀)从701 mg L^–1降至420 mg L^–1。上述研究结果表明，Zn²⁺反应改变了芦丁的理化特性，并在所测试的实验室条件下与杀幼虫活性的适度提高相关联。

一、研究背景与意义

登革热及其他由埃及伊蚊传播的虫媒病毒性疾病仍然是全球重大的公共卫生威胁。2024年的监测数据显示登革热传播出现了前所未有的增长，而伊蚊传播疾病的扩散与城市化、气候变率、人口流动以及家域蚊媒的适应性密切相关。幼虫控制仍然至关重要，因为它能在成蚊羽化前针对水生栖息地中的蚊虫发挥作用。然而，传统杀幼虫剂面临杀虫剂抗性、重复施用、环境关切以及田间效果不稳定等局限性。这些挑战促使研究人员探索具有可测量杀幼虫活性且理化性质可系统表征的替代材料。

天然产物在媒介控制研究中重新受到关注，包括植物提取物、精油、纳米乳剂、金属及金属氧化物纳米颗粒以及仿生杂化系统。然而，许多研究在报告生物活性时缺乏对测试材料的充分表征。杀幼虫性能可能受分子电子性质、聚集状态、水分散性、胶体稳定性以及幼虫接触或摄入等因素影响。因此，理化表征对于解释生物学结果具有重要意义。黄酮类化合物是多氧化的天然化合物，能够形成氢键并与金属离子相互作用。芦丁即槲皮素-3-O-芸香糖苷，是一种广泛分布的槲皮素糖苷，具有公认的生物学相关性以及多个潜在的氧供体基团。金属络合或缔合可通过电子密度再分布、供体基团酸性和结合平衡的改变、优先相互作用位点和构象的变化、表观溶解度的改变以及分子间组织的变化来修饰黄酮类化合物的行为。Zn²⁺是一种生物学上重要的、具有d¹⁰电子构型的氧化还原惰性离子，可与氧供体配体相互作用且不引入过渡金属常见的氧化还原行为。尽管已有金属-黄酮类化合物的相关研究，但经充分理化表征的芦丁-Zn材料对埃及伊蚊的杀幼虫活性仍未得到充分研究。

二、研究内容与技术方法

研究人员以标称1:1的Zn:芦丁前驱体摩尔比，将0.4 mol·L^–1甲醇乙酸锌二水合物溶液逐滴加入0.1 mol·L^–1甲醇芦丁溶液中，在300 rpm搅拌、40 ± 3 °C条件下反应24 h，经真空过滤、甲醇洗涤并室温干燥，制得芦丁-Zn材料。主要表征技术包括：紫外-可见光谱(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、粉末X射线衍射(XRD)、溶液核磁共振波谱(NMR，包括¹H和¹³C NMR)以及动态光散射(DLS)。生物测定使用巴西北亚帕联邦大学节肢动物实验室提供的埃及伊蚊四龄幼虫，在25 ± 2 °C、相对湿度75 ± 5%、光周期12 h光照/12 h黑暗的条件下进行。使用Abbott公式校正对照死亡率，通过概率分析(probit analysis)测定24 h和48 h暴露期的半数致死浓度(LC₅₀)和90%致死浓度(LC₉₀)。

三、研究结果

3.1 理化表征结果

紫外-可见光谱：游离芦丁呈现典型的黄酮醇双带吸收特征，Band II位于258 nm，Band I位于361 nm。与Zn²⁺反应后，Band II迁移至270 nm，而Band I发生显著红移至439 nm，迁移幅度达78 nm。该位移表明芦丁共轭电子体系受到明显扰动，电子密度在黄酮骨架内重新分布。与文献报道的锌-槲皮素和锌-桑色素体系的光谱行为一致。但UV-Vis结果本身不能确定唯一的配位位点、分子几何构型或芦丁:Zn化学计量比。

傅里叶变换红外光谱：ν(O–H)宽谱带从3391 cm^–1迁移至3163 cm^–1，表明羟基环境发生显著改变。共轭羰基带仅从1657 cm^–1小幅移至1653 cm^–1。芳香/共轭区域ν(C═C)带从1601 cm^–1显著迁移至1560 cm^–1。在694 cm^–1处出现一条归属于Zn–O相关振动的新谱带。然而，芦丁的主要骨架得以保留，醚键和糖苷框架基本未受影响。

粉末X射线衍射：衍射图谱中2θ约为12.3°、14.4–16.7°、22.0°和26.3–26.8°处的Bragg反射主要与结晶态芦丁和乙酸锌二水合物一致，表明产物中残留有结晶态前驱体。未识别出归属于新结晶态芦丁-Zn相的独立Bragg反射组。漫散射背景表明产物中同时含有X射线非晶态组分。

核磁共振波谱：在¹H谱中，5-OH、7-OH、3′-OH和4′-OH信号未分辨，表明酚羟基环境发生改变。C-5信号从157.5 ppm移至161.58 ppm，是位移最大的共振信号。C-4羰基和C-3信号也有变化，共同支持5-羟基/4-羰基区域受到扰动。同时，B环儿茶酚区域C-2′、C-5′和C-4′的位移表明该区域也受到电子效应影响。但一维谱学数据无法明确区分具体的作用方式。

动态光散射：游离芦丁的强度加权平均流体动力学直径为226 ± 3 nm，多分散指数(PDI)为0.28 ± 0.02。芦丁-Zn材料显著增大至1501 ± 19 nm，PDI升高至0.44 ± 0.11。DLS结果应解释为溶剂化散射实体在分散体系中的有效尺寸，而非初级颗粒尺寸或固态结构尺寸。这表明Zn²⁺反应改变了芦丁的聚集行为，在DMSO-水条件下形成更大的溶剂化聚集体。

3.2 杀幼虫活性结果

24 h时，游离芦丁在100–700 mg L^–1浓度范围内活性有限，由于死亡率未达到可靠估算要求且模型拟合差(r²=0.175)，无法可靠确定LC₅₀和LC₉₀。48 h时，游离芦丁的LC₅₀为322 mg L^–1、LC₉₀为701 mg L^–1，模型拟合改善(r²=0.946)。芦丁-Zn材料24 h时的LC₅₀和LC₉₀分别为408和683 mg L^–1，48 h时分别为227和420 mg L^–1，两个时间点的r²均约为0.96。与游离芦丁相比，48 h时LC₅₀约降低30%，LC₉₀约降低40%。

四、讨论与结论

讨论部分指出，由于未包含乙酸锌和芦丁-乙酸锌物理混合物对照，观察到的活性改善不能专门归因于Zn²⁺-芦丁缔合。残留乙酸锌、释放的Zn²⁺或芦丁与锌的联合暴露也可能对观察到的活性有所贡献。文献中报道的一些纳米杀幼虫平台的LC₅₀数值低于本研究材料，但这些研究在材料组成、制剂形式、蚊虫品系、幼虫龄期、暴露时间和浓度单位等方面存在差异，不能直接进行效力排序。

研究结论为：以标称1:1的Zn:芦丁前驱体摩尔比制备了芦丁-Zn材料，并通过互补的光谱学、衍射和DLS技术进行了表征。UV-Vis、FTIR和NMR结果支持Zn²⁺与芦丁含氧区域之间存在相互作用，但无法建立确定的配位位点、分子几何构型或配体-金属化学计量比。粉末XRD表明产物为异质材料，含有残留结晶态前驱体和X射线非晶态组分，未发现新的结晶态芦丁-Zn相。DLS显示Zn²⁺反应改变了芦丁的聚集行为，产生更大的溶剂化聚集体。芦丁-Zn材料对埃及伊蚊幼虫表现出比游离芦丁更强的浓度-死亡率响应，但其绝对活性仍属中等水平。总体而言，这些结果为Zn²⁺反应修饰芦丁并与实验室条件下改善的杀幼虫性能相关联提供了初步的理化和生物学证据。该研究发表于《ACS Omega》。
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