二氧化硅层在硫化银纳米颗粒上的生长及其对这些纳米颗粒的物理化学性质、细胞毒性和抗菌活性的影响

《Optical Materials》：Growth of silica layers on Ag 2S nanoparticles and their effect on the physicochemical properties, cytotoxicity, and antibacterial activity of these nanoparticles

　　

摘要 本工作研究了沉积在巯基乙酸（TGA）封端Ag?S纳米颗粒表面的薄层二氧化硅壳层对其理化性质、光学性质、细胞毒性和抗菌性质的影响。FTIR光谱证实TGA分子以离子形式吸附在Ag?S表面，且其羧基端基为游离状态，而TEOS分子通过化学吸附形成Ag?S-TGA-SiO?核壳纳米结构。XRD分析揭示了Ag?S的斜方晶体结构，并确认了SiO?壳层的成功形成。TEM图像显示颗粒近似球形，平均直径为5.1 nm，而EDX光谱表明硅包覆纳米颗粒中银含量更高。DLS结果显示Ag?S-TGA的粒径呈双峰分布（4.2–67.5 nm），Ag?S-TGA-SiO?纳米结构的粒径分布为13.3–90.8 nm，表明存在小簇聚体及一定程度的团聚。在488 nm激发下，于15至65°C范围内记录的光致发光（PL）光谱显示了温度依赖的近红外发射（低于1000 nm），适用于光学纳米测温。Ag?S-TGA在约915 nm处呈现宽发射带，而Ag?S-TGA-SiO?则额外出现黄/绿色带（约600 nm），且主近红外带随温度从894 nm红移至914 nm。Ag?S-TGA和Ag?S-TGA-SiO?的平均PL寿命分别为2.56 ns和3.20 ns。MTT实验对U-87 MG细胞的检测结果显示，24小时后细胞活力超过80%，确认了其生物相容性。抗菌测试表明，Ag?S-TGA表现出更强的抗菌活性（MIC=20 μg/mL，针对大肠杆菌和沙门氏菌），而Ag?S-TGA-SiO?的MIC值分别为1666 μg/mL和61 μg/mL。荧光显微镜证实了纳米颗粒的内化及细胞内均匀分布，突显了其在生物成像和抗菌应用中的潜力。

引言 由于半导体纳米颗粒相较于其块体 counterparts 及有机染料具有优异的性质，它们在现代医学中对多种疾病的诊断和治疗发挥着越来越重要的作用[1,2]。事实上，它们已发展成为强效且理想的药物递送、细胞标记、对比医学成像剂、光学纳米温度计和纳米加热器工具，此外还具有增强的抗菌和抗氧化活性[3]。这归因于它们的尺寸依赖性光学性质、优异的光稳定性、宽吸收带，以及对于Ag?S量子点而言，宽的尺寸依赖性近红外发射——可能涉及量子限域激子和缺陷辅助复合途径——以及它们高理化稳定性和多样化的表面功能化能力，可改善生物相容性和靶向特异性[[4], [5], [6], [7]]。

胶体Ag?S纳米颗粒被认为是生物和医学应用中最便捷的半导体纳米结构之一[5]。除了与其他半导体纳米颗粒的共性外，与其他常用纳米颗粒相比，它们对活细胞的毒性更低。这是因为它们不含毒性元素，且具有极小的溶解度系数（Ksp=8×10??1），从而防止在生物介质中释放大量Ag?离子[8]。此外，Ag?S纳米颗粒可能吸收和发射红外辐射，且位于生物窗口范围内，在此范围内生物组分的散射、吸收和自发荧光显著降低。

尽管半导体纳米颗粒具有引人注目的性质，但它们存在大量缺陷，导致荧光性能下降，从而减少了其在不同领域的应用。这是由于其表面积与体积比大以及非化学计量比组成所致。因此，这些纳米颗粒通常被有机分子（如硫醇）包覆，后者可牢固结合于其表面，使其在生物环境中具有良好的分散性、抗团聚稳定性，并抑制充当电荷载流子陷阱的悬挂键，从而减弱荧光[9]。另一种策略是在纳米颗粒表面生长SiO?非晶壳层，以改善其在生物介质中的分散性和稳定性，提高生物相容性，并允许功能化以实现靶向特异性。这是因为二氧化硅具有光学透明性、化学惰性、生物相容性以及多样化的硅烷化学性质，可方便地修饰纳米颗粒表面并使其与特定生物分子偶联[10,11]。

尽管二氧化硅包覆已被广泛用于改善半导体纳米颗粒的稳定性、生物相容性和表面功能化，但其对TGA封端Ag?S纳米颗粒的理化性质、光学性质、细胞毒性和抗菌性质的影响尚未得到充分阐明。因此，本研究的目的是系统比较通过水热法合成的Ag?S-TGA和Ag?S-TGA-SiO?纳米颗粒，以阐明薄二氧化硅壳层的生长如何影响其结构、光学、纳米测温、细胞毒性和抗菌性质，并评估二氧化硅包覆在潜在生物医学应用中的优势与局限性。为实现这一目标，采用MTT实验对两种纳米结构在U-87 MG细胞上的细胞毒性进行了评估，同时使用基于雷苏啉的微稀释法研究了其对抗菌活性——针对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌ATCC 25923及革兰氏阴性菌大肠杆菌ATCC 25922、铜绿假单胞菌ATCC 27853和沙门氏菌ATCC 1408的抗菌活性。此外，将这些纳米颗粒作为荧光探针用于U-87 MG细胞的体外成像评估。

材料与方法

化学品 合成Ag?S纳米结构所使用的化学品包括硝酸银（AgNO?）、硫化钠（Na?S）、巯基乙酸（TGA）、氢氧化钠（NaOH）和四乙氧基硅烷（TEOS），均购自Sigma-Aldrich，未经进一步纯化直接使用。合成这些纳米颗粒时使用蒸馏水作为溶剂。

样品制备 我们首先将1.5 mmol AgNO?和3 mmol TGA混合于75 mL蒸馏水中制备Ag?S-TGA纳米晶，然后加入钠盐……

细胞系和培养条件 使用人胶质母细胞瘤细胞系U-87 MG评估Ag?S纳米结构的细胞毒性。细胞在含10%胎牛血清（FBS）和1%青霉素-链霉素（PS）的Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）中培养。在含5% CO?的加湿气氛中于37°C培养。每2-3天更换一次培养基，当细胞达到约80-90%汇合度时进行传代。细胞毒性实验中，接种2×10?个细胞……

抗菌活性 对Ag?S-TGA和Ag?S-TGA-SiO?两种纳米颗粒的抗菌活性进行评价，参考菌株为革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌ATCC 25923和革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌ATCC 27853、大肠杆菌ATCC 25922及沙门氏菌……。细菌菌株在37°C培养箱中于无菌Mueller-Hinton（MH）培养基中培养24 h，该培养基通过将21 g MH粉末溶解于1 L无菌蒸馏水中制备而成。每株细菌培养……

细胞成像 两种Ag?S纳米结构被用作U-87 MG细胞的光学成像剂。将约4×10?个U-87 MG细胞接种于35 mm共聚焦培养皿中，在37°C、含5% CO?的加湿气氛中贴壁培养24 h。细胞与Ag?S纳米颗粒在相同条件下孵育24 h。孵育后，用PBS轻柔洗涤三次。为维持适宜的生存环境并防止成像过程中干燥，加入2 mL PBS……

FTIR光谱 TGA-Ag?S纳米颗粒的FTIR光谱（图2a）显示两个吸收带，分别位于约1397 cm?1和1581 cm?1，分别对应羧基（COO?）的对称和不对称伸缩振动。这可能表明TGA分子以离子形式吸附于Ag?S纳米颗粒表面，且具有游离的羧基端基。此外，我们还注意到对应硫醇键（S-H）振动的峰的消失，这通常……

结论 我们通过湿化学胶体法合成了TGA封端的硫化银纳米颗粒（Ag?S-TGA），并在这些纳米颗粒表面沉积二氧化硅壳层制备了Ag?S-TGA-SiO?核壳结构。FTIR和XRD分析证实了Ag?S纳米颗粒表面二氧化硅壳层的生长。从TEM观察中，我们确认了纳米颗粒尺寸的减小，其平均半径约为2.2 nm，意味着它们表现为处于中间量子限域状态下的量子点。

CRediT作者贡献声明 Mayssa Ibrahim：撰写——初稿、软件、方法论、形式分析、数据整理、概念化。Noura Amamou：撰写——审阅与编辑、数据整理。Mohamed Haouari：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念化。Fengchan Zhang：撰写——审阅与编辑、数据整理。Pablo Camarero：撰写——审阅与编辑、数据整理。P. Haro-González：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、概念化。

利益冲突声明 作者声明不存在已知可能影响本文所述工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢 本工作由MCIN/AEI/10.13039/501100011033资助的PID2023-151078OB-I00项目以及"欧洲联盟NextGenerationEU/PRTR"支持。F.Z.感谢中国国家留学基金委奖学金（编号：202108440235）的支持，P.C.感谢马德里自治区奖学金（编号：PIPF-2023/TEC-29840）的支持。

Mayssa Ibrahim | Noura Amamou | Mohamed Haouari | Fengchan Zhang | Pablo Camarero | P. Haro-González
先进界面与材料实验室（LIMA），蒙纳斯提尔大学理学院，突尼斯