植物介导的CeO2纳米颗粒的实验与分子对接研究：抗菌、抗氧化、抗癌和光催化应用

《Next Nanotechnology》：Experimental and molecular docking studies of plant-mediated CeO 2 nanoparticles: Antimicrobial, antioxidant, anticancer, and photocatalytic applications

　　

氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）因其强大的药用、再生和理化性质以及宽电子带隙，已被广泛用作多种神经退行性疾病的治疗介质和环境修复剂。在本研究中，采用绿色方法利用Scolopia zeyheri Szyszyl植物叶片提取物制备CeO₂ NPs，并评估了其保护性和多功能特性。通过GC-MS研究以及定性和定量植物化学筛选，鉴定了叶片提取物中的植物化学成分。利用紫外-可见光谱（UV-Visible）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）、透射电子显微镜（TEM）、Zeta电位和动态光散射（DLS）分析对生物合成的纯CeO₂ NPs进行了结构和理化表征。UV-Visible光谱在276 nm处呈现吸收带，带隙能量为3.7 eV，证实了纳米颗粒中的电子跃迁。FTIR光谱中，在705 cm^?1处观察到的吸收峰证实了Ce–O键合的存在。XRD分析结合Scherrer方程揭示了纳米颗粒的结晶性质，平均微晶尺寸为35.7 nm。TEM和SEM-EDX分析证实了立方体形貌，平均粒径为32.3 nm，并具有适当的元素组成。此外，DLS和Zeta电位分析证明了合成纳米颗粒的聚集行为和胶体稳定性。通过抗菌、抗真菌、抗癌和抗氧化测定进一步评估了叶片提取物和CeO₂ NPs的生物医学潜力。叶片提取物和CeO₂ NPs对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、绿色木霉（Trichoderma viride）和人乳腺癌细胞系MCF-7表现出显著作用。将植物提取物和CeO₂ NPs的生物活性效率与标准药物如氯霉素（Chloramphenicol）、氟康唑（Fluconazole）和阿霉素（Doxorubicin）进行了比较。此外，分子对接计算研究进一步证实了生物活性化合物、CeO₂ NPs和标准药物氯霉素与蛋白质活性位点的相互作用能力，其对接分数分别为?6.82、?4.03和?3.91 kcal/mol。此外，在阳光照射下研究了CeO₂ NPs对工业废水中亚甲基蓝染料的光催化降解效率。催化剂在阳光照射90分钟内的染料降解效率为96.5%。此外，催化剂在五次循环使用后保留了87.4%的活性，而在自由基清除剂存在下保留了31.2%，表明其具有优异的稳定性和可重复使用性。

纳米材料（Nanomaterials，NPs）因其高比表面积和增强反应活性而在药物递送、催化、环境修复等领域备受关注。然而，传统物理化学合成方法往往成本高、条件苛刻、产生有害副产物。绿色合成利用植物提取物中的生物活性分子作为还原剂和封端剂，具有环境友好、经济可持续等优点。二氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）具有独特的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环和宽禁带，在抗菌、抗氧化、抗癌以及光催化降解等领域显示巨大应用潜力。但目前关于其多功能应用的系统研究仍不充分，且绝大多数合成依赖化学方法。为此，研究人员选用南非野生植物Scolopia zeyheri Szyszyl叶片提取物，通过绿色方法合成CeO₂ NPs，并系统表征其结构、形貌、光学性质，评估其抗菌、抗真菌、抗癌、抗氧化及光催化性能，同时采用分子对接计算研究提供机制层面的验证。该论文发表于《Next Nanotechnology》。

研究人员将叶片提取液与硝酸铈前驱体在加热搅拌下反应，经煅烧获得CeO₂ NPs，并利用紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）、透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）和Zeta电位进行表征。生物活性方面，采用琼脂孔扩散法测定抗菌和抗真菌活性，MTT法评价对人肺癌A549和人乳腺癌MCF-7细胞的毒性，DPPH法评估抗氧化能力。光催化降解以亚甲基蓝为模型污染物，在自然阳光下测定效率。分子对接使用AutoDock工具分析活性成分/纳米颗粒与靶蛋白的结合模式。样本来源：植物叶片采自印度安得拉邦Nallamala森林；微生物菌株和癌细胞系由印度哥印拜陀医学院微生物学系提供。

3.1 植物化学定性分析：水提物中检测到生物碱、酚类、黄酮和糖苷，乙醇提取物中酚类、黄酮含量更高，而鞣质、甾体仅少量存在，说明提取物富含还原性生物活性物质。

3.2 植物化学定量分析：乙醇提取物中总酚含量为3.493±0.32 mg/g，总黄酮2.066±0.14 mg/g，总生物碱1.376±0.16 mg/g。

3.3 GC-MS分析：鉴定出多种植物化学成分，其中相对丰度较高的4-{[3-(4-甲氧基苯基)-[1,2,4]三唑并[3,4-b][1,3,4]噻二唑-6-基]甲基}-3,5-二甲基-1,2-噁唑（MPSON）被选为分子对接配体。

3.4 FT-IR分析：叶片提取物和CeO₂ NPs均显示羟基、烷基、羰基和酚羟基等特征峰，且在705 cm^?1处出现Ce–O键伸缩振动，证实NPs表面结合了植物化学分子。

3.5 UV-Vis分析：CeO₂ NPs在276 nm处出现吸收峰，归因于O^2?(2p)到Ce⁴⁺(4f)的电荷转移，Tauc法计算带隙为3.7 eV，表明其具有半导体特性。

3.6 XRD分析：衍射峰对应立方萤石结构的（111）、（200）、（220）、（311）、（400）和（331）晶面，与JCPDS No. 001-0800一致，Scherrer方程计算平均微晶尺寸为35.7±0.5 nm，无杂质峰。

3.7 SEM-EDX分析：SEM显示颗粒呈不规则形貌且部分团聚，EDX确认主要元素为碳（9.0%）、氧（23.45%）和铈（56.24%），证明CeO₂ NPs成功形成。

3.8 TEM分析：TEM图像显示立方体形貌，用ImageJ统计平均粒径为32.3±5 nm，与XRD结果接近；SAED图案呈同心环点，表明高结晶性。

3.9 DLS和Zeta电位：DLS测得水合动力学直径为85.4 nm，多分散指数（PDI）为0.289，Zeta电位为?23.5 eV（原文数据），表明颗粒表面有植物分子包裹，胶体具有一定稳定性。

4.1 抗菌活性：在10、20、30 μg/mL浓度下，提取物和CeO₂ NPs对枯草芽孢杆菌（B. subtilis）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）均呈浓度依赖性抑菌；NPs对B. subtilis的最大抑菌圈为15 mm（30 μg/mL），高于P. aeruginosa的14 mm，且活性优于提取物，机制可能与释放Ce³⁺/Ce⁴⁺离子及产生活性氧（ROS）有关。

4.2 抗真菌活性