利用钝顶螺旋藻提取物水热绿色合成氧化铜纳米颗粒：GC-MS表征及对革兰氏阴性菌抗菌活性的评价

《Sustainable Chemistry One World》：Hydrothermal green synthesis of copper oxide nanoparticles using Spirulina platensis extract: GC–MS characterization and evaluation of antibacterial activity against gram-negative bacteria

　　

摘要

采用绿色水热法，以平伏藻（Spirulina platensis）提取物作为水相中的生物还原剂和稳定剂，成功合成了氧化铜纳米粒子（CuO NPs）。平伏藻提取物中存在的生物分子促进了铜离子的还原，并推动了CuO NPs的形成。使用平伏藻提取物合成的CuO NPs的光致发光（PL）光谱在530 nm处显示出一个宽发射峰，对应于约2.3 eV的近带边能量。通过X射线衍射（XRD）证实了所合成CuO NPs的晶体结构，并使用Scherrer公式计算了平均晶粒尺寸。绿色合成的CuO NPs的平均晶粒尺寸为18 nm。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）显示，平伏藻提取物呈现不规则至近球形的微观结构，平均尺寸约为10 μm，而合成的CuO NPs的粒径范围为30至67 nm。傅里叶变换红外（FTIR）光谱识别了参与纳米粒子合成的特征官能团。平伏藻提取物在572 cm?1处显示出特征吸收带，而CuO NPs的最强吸收带出现在500 cm?1处，支持了CuO NPs的成功形成以及生物分子与其表面的相互作用。采用琼脂孔扩散法评估了针对革兰氏阴性菌大肠杆菌（Escherichia coli）的抗菌活性。使用平伏藻提取物合成的CuO NPs产生了33 mm的抑菌圈，而单独使用平伏藻提取物仅产生了16 mm的抑菌圈，证明了绿色合成的CuO NPs具有增强的抗菌活性。总体而言，水热辅助的绿色合成方法有效地将水热结晶的优势与生物分子介导的纳米粒子形成相结合，制备出具有明确理化特性和 promising 抗菌活性的CuO NPs。

引言

蓝藻，俗称蓝绿藻，是最古老的光合生物之一，作为原核微生物广泛分布于水陆环境中。这些生物在生态系统中发挥着至关重要的作用，参与氧气生产和碳、氮等必需元素的循环。此外，蓝藻含有广泛的生物活性化合物，包括蛋白质、多糖、色素、酶和次生代谢产物，使其成为现代生物学和生物技术应用的宝贵资源[1]。

近年来，由于纳米粒子相较于传统材料具有独特的物理和化学性质，纳米技术取得了重大进展。这些独特性质使得纳米粒子在医学、工业和环境科学等多个领域得到广泛应用。在各种纳米粒子制备方法中，绿色合成已成为一种前景广阔且环保的方法。该方法利用生物体或其生物提取物将金属离子转化为纳米粒子，同时最大限度地减少对有毒化学品的使用，降低传统合成方法带来的环境影响[2]。

蓝绿藻是纳米粒子生物合成的有前景的生物来源。其细胞和提取物中含有多种生物活性化合物，包括蛋白质、多糖、酚类化合物和色素，这些化合物在纳米粒子形成过程中可作为还原剂、封端剂和稳定剂。这些生物体还能与金属离子相互作用，促进其转化为稳定的纳米粒子，使其成为可持续、环保生产纳米材料的有前景的生物平台[3]。

大量近期研究表明，利用蓝藻生物合成的纳米粒子具有广泛的生物活性，特别是对病原微生物。这归因于纳米粒子的物理和化学性质，如小尺寸和高表面积与体积比，使其能够与微生物细胞壁相互作用并破坏其内部生物过程。这些粒子还能产生活性氧物种（ROS），损害微生物细胞成分并抑制其生长[4]。

近期研究还表明，多种蓝藻物种（如颤藻Oscillatoria、螺旋藻Spirulina和念珠藻Nostoc）在生物合成金属纳米粒子（包括银、金和金属氧化物纳米粒子）方面具有潜力。这些生物合成的纳米粒子表现出对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌活性，以及对某些致病真菌的抗真菌活性，突显了其在医学和环境应用方面的巨大潜力[5]。

蓝藻，特别是平伏藻（Spirulina platensis），由于其含有广泛的生物活性化合物（包括蛋白质、多糖、酚类化合物和色素），这些化合物在纳米粒子形成过程中可作为还原剂和稳定剂，因此是纳米粒子生物合成的有前景的生物来源。近期研究表明，平伏藻提取物在合成多种纳米粒子（包括氧化锌和二氧化钛纳米粒子）方面具有潜力，这些纳米粒子展现出理想的理化性质和显著的生物活性[6]。

在众多引起医学和环境应用关注的纳米粒子中，CuO NPs因其抗菌性能和通过与微生物细胞相互作用破坏细胞膜完整性并促进活性氧物种（ROS）的产生，从而抑制各种致病菌生长而备受关注。多项研究表明，CuO NPs对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出显著的抗菌活性，使其成为开发抗菌剂的有前景的候选者[7]、[8]。

尽管近期已有数项研究报告利用平伏藻提取物绿色合成CuO NPs，但大多数研究主要关注纳米粒子的制备及其一般的生物或光催化应用。然而，关于建立平伏藻提取物的植物化学成分与生物合成的CuO NPs的结构、光学和抗菌性能之间全面关系的研究相对有限。此外，将XRD、FE-SEM、FTIR、PL和GC–MS分析结合起来阐明植物化学品在纳米粒子形成和抗菌活性中的作用尚未得到充分探讨。因此，本研究旨在通过提供生物合成的CuO NPs的综合表征并将其理化性质与抗菌性能相关联来填补这一研究空白[9]、[10]。

基于上述考虑，本研究旨在利用平伏藻提取物作为可持续的生物来源合成CuO NPs，并调查其作为环保纳米材料的潜力。具体目标包括：通过绿色水热方法合成CuO NPs；使用XRD、FE-SEM、FTIR和PL光谱表征其结构、形貌、元素和光学性质；确定其晶粒尺寸和近带边能量；评估其针对选定病原微生物的抗菌活性。这些研究旨在全面理解所合成CuO NPs的理化性质与其抗菌性能之间的关系，从而突出其作为传统抗菌材料环保可持续替代品的潜力。

本研究的创新之处在于利用平伏藻提取物作为天然还原剂和稳定剂进行CuO NPs的绿色水热合成。与主要关注纳米粒子合成的先前的研究不同，本工作将使用GC–MS进行的植物化学分析、使用XRD、FE-SEM和FTIR进行的结构和形貌表征、使用PL光谱进行的光学表征以及抗菌活性评估相结合。这种综合方法提供了对提取物植物化学组成、所合成CuO NPs理化性质及其抗菌性能之间关系的更全面理解。

水热处理与生物提取物的结合是金属氧化物纳米粒子的一种有效绿色合成策略。水热加工在高温和自生压力下提供受控的反应环境，可促进成核和晶体生长。同时，平伏藻等生物提取物含有广泛的生物活性化合物，包括酚类化合物、蛋白质、多糖、色素和脂肪酸，这些化合物可能作为天然还原剂、封端剂和稳定剂。这些生物分子可以影响纳米粒子的成核和生长，并可能有助于减少粒子团聚，从而降低对额外化学稳定剂的需求。因此，水热处理与生物提取物的协同结合为合成具有理想理化性质和抗菌活性的CuO NPs提供了可持续的途径。该方法符合绿色纳米技术的原理，减少了对危险化学品试剂的依赖，同时提供了高效的纳米粒子合成途径。

材料与方法

标准级平伏藻粉末（纯度99%）购自中国Archived公司，用作提取液制备和CuO NPs绿色合成的生物来源。三水合硝酸铜[Cu(NO?)?·3H?O]（纯度99.99%）购自印度制造商，用作金属前驱体。本研究中使用的化学试剂均为分析纯级别，未经进一步纯化直接使用。所有实验程序中使用蒸馏水（DW）。

使用水热法和平伏藻提取物制备的CuO NPs的XRD图谱

X射线衍射（XRD）图案是一种用于检查样品以确定相、晶粒尺寸、晶体结构和取向的技术。图4A-B证实了使用平伏藻提取物通过水热法制备的平伏藻和CuO NPs的相。图4A观察到平伏藻提取物在8.5°和18.3°处的峰非常宽，但43.9°、64.3°和76.4°处的峰非常尖锐。这是由于颗粒尺寸和活性化合物所致。

结论

在本研究中，利用平伏藻提取物作为纳米粒子形成和稳定的环保生物介质，成功合成了CuO NPs。FE-SEM分析显示，所合成的CuO NPs粒径范围为30至67 nm，而XRD证实形成了结晶态CuO，平均晶粒尺寸约为18 nm。FTIR分析揭示了约500 cm?1处特征性的Cu–O吸收带，支持了CuO的成功形成。

CRediT作者贡献声明

Huda J. Ali：调查研究、形式分析、概念化。Muslim A. Abid：验证、资源、方法学。Duha A. Kadhim：软件、资源、方法学。

利益冲突声明

无利益冲突声明。作者声明没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢穆斯塔尼亚大学（www.uomustansiriyah.edu.iq），伊拉克巴格达，对本文工作的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

未引用参考文献

[17]、[18]

Huda J. Ali | Duha A. Kadhim | Muslim A. Abid