《Next Nanotechnology》：Green synthesis and multifunctional evaluation of Zr, Bi, and Mo?doped CeO? nanoparticles and their chitosan?encapsulated variants
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本研究以可持续路线，利用蓝花（Otacanthus azureus）叶片提取物作为生物还原剂，合成了锆（Zr）、铋（Bi）、钼（Mo）掺杂的二氧化铈纳米粒子（CeO? NPs），并进一步采用壳聚糖对纳米粒子进行封装以增强其稳定性并改善性能。溶液法合成获得了介孔
本研究以可持续路线，利用蓝花（Otacanthus azureus）叶片提取物作为生物还原剂，合成了锆（Zr）、铋（Bi）、钼（Mo）掺杂的二氧化铈纳米粒子（CeO? NPs），并进一步采用壳聚糖对纳米粒子进行封装以增强其稳定性并改善性能。溶液法合成获得了介孔纳米结构，且经壳聚糖封装后其结晶度较未封装纳米粒子有所降低，该结论由PXRD、BET及SEM-EDX分析证实。抗氧化实验显示，封装型纳米粒子（CEDCNP）的自由基清除活性（在62.5–1000 μg/ml范围内为4–24%）较未封装纳米粒子（NEDCNP，2–10%）显著提升。在优化条件下，CEDCNP对罗丹明B染料的降解性能更优（pH 2时最高达92%）。吸附等温线模型（Langmuir、Temkin和Freundlich）及蒙特卡洛模拟揭示了有利的单层吸附、强结合亲和力及热力学可行性。生物学评价突出显示了CEDCNPs增强的抗菌功效，其对霍乱弧菌（Vibrio cholerae）和单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）的最低抑菌浓度（MIC）为25 mg/ml，优于NEDCNPs。抗生物膜实验证实了胞外多糖产生的减少及微生物聚集的抑制。血液相容性研究表明，CEDCNPs处理的红细胞（0–25 mg/ml）几乎无溶血，而NEDCNPs则引起轻微的血红蛋白释放。NEDCNPs表现出比CEDCNPs更强的抗炎活性（400 mg/ml时83.13%对800 mg/ml时77.05%）。对O. azureus叶片提取物的GC-MS分析揭示了11种主要生物活性化合物，具有抗氧化、抗菌、抗生物膜、抗炎及膜保护活性，凸显了其作为天然治疗药物库和纳米材料可持续合成平台的双重作用。总体而言，本研究证明绿色合成、策略性掺杂及壳聚糖封装可改善CeO? NPs的物理化学、催化、抗氧化及抗菌性能。这些多功能纳米材料有望成为废水修复及需要氧化应激控制、微生物耐药性和安全性的生物医学应用中的环保、低成本候选材料。
**绿色合成与多功能评估：Zr、Bi、Mo掺杂CeO?纳米粒子及其壳聚糖封装体系**
**一、研究背景与问题提出**
淡水资源短缺和水体污染是当前全球面临的严峻挑战，预计到2050年数十亿人将遭受严重缺水问题。工业废水中含有大量合成有机染料和病原微生物，进一步加剧了水质恶化。罗丹明B作为一种在食品、纺织、印刷和化妆品行业广泛使用的染料，具有致突变性、致癌性和生物累积性，其在印度已被禁用。同时，霍乱弧菌和单核细胞增生李斯特菌等病原微生物污染水体，对人类健康构成直接威胁。传统修复策略如化学沉淀、膜过滤、电化学法、絮凝、臭氧化和离子交换等存在成本高、能耗大、效率低等缺点。光催化降解法利用纳米材料具有简单、低成本、高效、低残留和可重复使用等优势，成为有前景的替代方案。
二氧化铈（CeO?）纳米粒子因其Ce3?/Ce??氧化还原活性对、氧空位形成能力以及已验证的光催化和抗菌性能而备受关注。然而，未掺杂的CeO? NPs存在电荷分离受限和催化活性中等的问题。通过金属离子掺杂可增强其电子结构，壳聚糖封装则可提供有机官能化，二者协同改善功能性能。尽管已有进展，多掺杂元素在调控光催化、抗氧化和抗菌活性方面的作用，尤其是与植物化学辅助合成和生物聚合物封装相结合时，仍缺乏充分理解。研究人员假设，利用蓝花草（Otacanthus azureus）提取物合成的Zr、Bi、Mo掺杂CeO? NPs经壳聚糖封装后（简称CEDCNPs），与未封装的掺杂CeO? NPs（NEDCNPs）相比，将在染料降解、抗氧化、抗菌、抗生物膜、抗炎及生物相容性等多项功能测试中表现出更优性能。该研究旨在通过整合绿色合成路线与有效的水体污染物降解能力，推进联合国可持续发展目标，特别是SDG6（清洁水和卫生设施）、SDG14（水下生物）以及SDG3（良好健康与福祉）。
**二、研究内容与结论概述**
研究人员利用O. azureus叶片提取液作为生物还原剂，通过绿色合成方法制备了Zr、Bi、Mo掺杂的CeO? NPs，随后用壳聚糖进行封装，获得了CEDCNPs和NEDCNPs两种制剂，并系统比较了它们的物理化学性质及多种生物活性。研究结果表明，壳聚糖封装显著改善了纳米粒子的比表面积、孔体积和孔径等织构性质，增强了抗氧化活性（DPPH自由基清除率从2–10%提升至4–24%），提高了罗丹明B光催化降解效率（pH 2时达92%），增强了抗霍乱弧菌和单核细胞增生李斯特菌的抗菌能力（MIC为25 mg/ml），抑制了生物膜形成，并大幅提高了血液相容性（溶血率远低于ASTM F756/ISO 10993-4安全阈值5%）。未封装的NEDCNPs则表现出更强的抗炎活性（400 mg/ml时抑制率83.13%）。GC-MS分析鉴定出O. azureus叶片提取物中11种主要生物活性化合物，具有抗氧化、抗菌、抗生物膜、抗炎和膜保护等多种活性。该研究证实了绿色合成、策略性掺杂和壳聚糖封装三者协同可改善CeO? NPs的综合性能，为废水处理和生物医学应用提供了环保、低成本的候选材料。
**三、主要关键技术方法**
研究采用了以下关键技术方法：（1）利用O. azureus叶提取物作为生物还原剂，与硝酸铈铵溶液混合进行绿色合成CeO? NPs，再通过超声和搅拌将Zr、Bi、Mo掺杂进入晶格，随后以壳聚糖在1%冰醋酸中封装得到CEDCNPs；（2）采用UV-Vis光谱、FTIR、粉末X射线衍射（PXRD）、BET比表面积分析、SEM-EDX等手段对纳米粒子进行理化表征，其中XRD数据通过Scherrer方程和Williamson-Hall分析计算晶粒尺寸和微应变；（3）DPPH自由基清除实验评价抗氧化活性；（4）在紫外光照射下系统优化罗丹明B降解条件（染料浓度、时间、pH、催化剂用量），并采用Langmuir、Temkin、Freundlich吸附等温线模型拟合吸附数据；（5）利用Materials Studio软件中的吸附定位模块进行蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟，研究罗丹明B在催化剂表面的吸附行为和热力学参数；（6）通过肉汤微量稀释法结合MTT显色测定最低抑菌浓度（MIC），采用刚果红琼脂平板法和结晶紫染色玻片法评估抗生物膜活性；（7）以人红细胞为模型评价血液相容性；（8）采用卵清蛋白变性抑制实验评价抗炎活性；（9）利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析叶片提取物的化学成分。
**四、研究结果与讨论**
**1. 表征结果**
UV-Vis光谱显示CeO? NPs在约315 nm处有特征吸收峰，对应O 2p价带到Ce 4f导带的电子跃迁，Tauc plot法求得间接带隙为3.45 eV。FTIR光谱中，封装后Ce-O区域吸收带从1180 cm?1移至1068 cm?1（位移约112 cm?1），并伴随O-H/N-H和酰胺基团的宽化，表明壳聚糖官能团与掺杂CeO?表面存在化学配位而非简单物理吸附。XRD图谱显示面心立方萤石结构（JCPDS 34-0394），主(111)反射向低角度偏移（CEDCNP为26.39°，NEDCNP为24.76°），归因于Bi3?等较大掺杂离子取代Ce??引起的晶格膨胀和微应变。Scherrer和Williamson-Hall分析表明，封装使相干散射域尺寸降至2.37 nm，微应变增至1.32%，而未封装粒子尺寸为9.5–15.6 nm，应变仅0.157%。掺杂离子（Zr??、Bi3?、Mo??）通过取代进入CeO?晶格并诱导氧空位，未形成明显第二相（FTIR和XRD均未检测到Bi?O?、ZrO?或Mo氧化物特征峰）。SEM显示超小初级域聚集形成66–95 nm的多孔次级粒子，EDX证实Ce、O、C以及掺杂元素Mo、Bi、Zr的存在。BET分析表明，封装使比表面积从6.56增至18.62 m2/g，总孔体积从0.0246增至0.1475 cm3/g，平均孔径从15.03增至31.70 nm，呈现典型的IV型等温线和H3滞后环，表明介孔结构形成。这些结构特征有利于染料吸附和质量传输，增强光催化活性。
**2. 抗氧化活性研究**
DPPH实验显示，标准抗坏血酸在1000 μg/ml时清除率为42.5%（IC??=1199.3 μg/ml）。CEDCNPs呈剂量依赖性清除活性，从62.5 μg/ml时的4%升至1000 μg/ml时的24%，IC??为2036.6 μg/ml（R2=0.9932）；NEDCNPs活性较低，仅2–10%，IC??为4692.7 μg/ml。壳聚糖封装显著提高了自由基清除能力，归因于壳聚糖本身的抗氧化性及其提供的氢原子转移和电子转移途径。掺杂离子（Zr、Bi、Mo）通过促进晶格畸变和异价取代增加氧空位浓度，有利于Ce3?/Ce??氧化还原循环，从而持续中和自由基。
**3. 罗丹明B染料降解研究**
在优化条件下，染料浓度为5 ppm、催化剂60 mg、pH 2、反应75 min时，CEDCNPs的降解效率达92.77%，高于NEDCNPs的89.36%。染料浓度从3增至5 ppm时降解效率提高，超过5 ppm后下降（活性位点饱和）。时间曲线显示CEDCNPs在45 min去除约24%，75 min达66%，始终优于NEDCNPs。pH严重影响降解效率：pH 2时最高（92% vs. 77%），pH 9.2时降至64% vs. 57%，归因于酸性条件下壳聚糖质子化增强染料吸附。催化剂剂量增加至60 mg时，CEDCNPs达93%，NEDCNPs为85%。双因素方差分析表明染料浓度、反应时间、催化剂剂量影响极显著（p<0.0001），pH影响显著（p=0.0039）。机制上，光生电子-空穴对在掺杂诱导的氧空位辅助下有效分离，产生超氧自由基（·O??）和羟基自由基（·OH），攻击罗丹明B分子发生脱乙基、芳环断裂和矿化。壳聚糖封装通过-NH?/-OH基团富集染料、防止团聚、提高比表面积和介孔率，增强吸附辅助光催化。
**4. 吸附等温线研究**
非线性回归拟合表明，Temkin等温线模型与实验数据相关性最佳（R2=0.9805），且误差指标（chi2和RMSE）最低，说明吸附过程涉及强能量异质性表面和显著的吸附质-吸附剂相互作用。Langmuir模型（R2=0.8455）和Freundlich模型（R2=0.8700）进一步支持有利的单层吸附行为及异质位点分布。这些结果证实壳聚糖封装改善了吸附亲和力，稳定了能量相互作用，保证可预测的吸附行为。
**5. 蒙特卡洛模拟研究**
蒙特卡洛模拟在298 K的NVT系综中进行，使用COMPASS力场描述吸附质-吸附剂相互作用。模拟获得的负吸附能（-5.98×103 kcal/mol）证实罗丹明B在催化剂表面的自发吸附热力学可行性，其中刚性吸附能（-29.65×103 kcal/mol）表明染料-表面直接相互作用占主导，变形能（-5.98×103 kcal/mol）反映吸附质和表面为达到最佳结合构型发生的稳定结构调整。罗丹明B的相互作用能显著低于共存的Water分子，确认了对染料的高选择性吸附。平衡构型可视化显示规则的吸附区域，与Langmuir单层吸附行为一致，从分子水平解释了壳聚糖封装提供均匀结合位点分布从而增强吸附亲和力和光催化降解性能的机制。
**6. 抗菌活性研究**
MIC测定显示，NEDCNPs对霍乱弧菌的MIC为50 mg/ml，而CEDCNPs为25 mg/ml；两种制剂对单核细胞增生李斯特菌的MIC均为25 mg/ml。CEDCNPs对革兰氏阴性菌的更强活性归因于壳聚糖的阳离子NH??基团与革兰氏阴性菌外膜阴离子脂多糖（LPS）结合，置换Ca2?/Mg2?，使外膜不稳定，促进纳米粒子渗透和ROS介导的细胞毒性。革兰氏阳性菌缺乏LPS，因此壳聚糖的膜破坏优势不明显，此时本征ROS活性占主导，故MIC值相同。刚果红琼脂实验显示，CEDCNPs处理后的菌落呈现粉红色而非黑色结晶状，表明胞外多糖（EPS）产生被抑制。EDS相关机制为ROS氧化EPS合成所需硫醇依赖性葡萄糖基转移酶，导致不可逆失活，同时壳聚糖-NH??基团可隔离自诱导物并干扰群体感应受体，阻断EPS基因上调。结晶紫染色玻片实验证实，处理组细菌呈分散状态，未处理组形成致密膜状生物膜，说明CEDCNPs有效破坏生物膜成熟过程。
**7. 生物相容性研究**
血液相容性实验显示，CEDCNPs在0–25 mg/ml浓度范围内几乎无血红蛋白释放（最大溶血率0.424%），NEDCNPs引起轻微溶血（最大0.643%），两者均远低于ASTM F756/ISO 10993-4规定的5%安全阈值。双因素方差分析显示，封装状态对溶血率有显著主效应（F=133.82, p=0.007），剂量效应不显著（F=3.66, p=0.214），交互作用不显著。壳聚糖涂层在纳米粒子与红细胞膜之间形成保护性聚合物界面，物理隔离了反应性CeO?和掺杂位点，部分吸收或散射ROS，减少直接的膜接触，从而降低氧化损伤。照片和分光光度分析均证实CEDCNPs处理的RBCs保持完整，体现出优异的生物相容性。
**8. 抗炎活性研究**
卵清蛋白变性抑制实验显示，CEDCNPs的抑制率在200 mg/ml时为72.13%，800 mg/ml时达最大77.05%，1000 mg/ml时略降至73.56%；NEDCNPs在200 mg/ml时为82.93%，400 mg/ml时峰值83.13%，1000 mg/ml时降至76.55%。双因素方差分析表明浓度影响不显著（p=0.5934），封装状态影响显著（p=0.0212），NEDCNPs整体活性更强。未封装NPs更高的抗炎活性归因于其表面暴露更多的Ce3?/Ce??氧化还原活性位点，有利于蛋白质稳定；封装可能遮蔽反应位点并限制与蛋白质的直接相互作用，从而降低抑制效率。高浓度下两种NPs均出现活性下降，可能是粒子聚集减少有效表面积所致。
**9. GC-MS分析**
GC-MS分析O. azureus叶片乙酸乙酯提取物共检测到131个峰，鉴定出11种主要生物活性化合物，包括2,4-二叔丁基苯酚（抗菌、抗生物膜、抗氧化）、13-二十二碳烯酰胺（Z）（抗菌）、抗坏血酸2,6-二棕榈酸酯（抗氧化、膜保护）、苯丙酸酚酯（抗氧化、抗菌、抗炎、膜保护）、1-辛醇（抗菌、膜渗透）、6-甲基-1-庚醇（抗菌、膜破坏）、2-异丙基-5-甲基-1-庚醇（抗菌、膜破坏）、2-乙基-2-甲基十三醇（抗菌、膜破坏）、3-异丙基-6,10-二甲基十一烷-2-醇、5-甲基-2-(1-甲基乙基)-1-己醇（抗菌、膜破坏）、2,4-二甲基-1-庚醇（抗菌、膜破坏）。这些化合物涵盖酚类抗氧化剂、酰胺衍生物、亲脂性维生素C酯和长链醇/醚类，具有多种且重叠的机制，表明O. azureus叶提取物可作为天然多功能生物活性剂来源。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，研究通过绿色合成和壳聚糖封装策略成功改善了掺杂CeO? NPs的多功能性。壳聚糖封装不仅增强了纳米粒子的结构稳定性和织构性能，还通过表面官能团协同作用显著提升了抗氧化、光催化、抗菌和抗生物膜活性，同时保持了良好的血液相容性。未封装NPs在抗炎方面表现更佳，提示封装需要在生物活性与安全性之间进行权衡。GC-MS分析揭示了植物提取物中多种生物活性成分，支持其在绿色合成中作为还原剂和稳定剂的双重角色。
研究结论认为，利用O. azureus叶提取物实现了Zr、Bi、Mo掺杂CeO? NPs的绿色合成，并通过壳聚糖封装显著增强了多功能性能。详细表征证实了纳米结构的结晶性、介孔性和稳定性，功能实验确定了其广泛的生物活性。壳聚糖封装显著提高了染料降解效率、抗氧化潜力、抗菌效能、抗生物膜活性和生物相容性，同时保持中等抗炎活性。鉴定出的代谢物化学多样性和协同机制凸显了O. azureus叶提取物作为天然多功能生物活性剂来源的潜力，可应用于抗菌治疗、细胞保护和氧化还原调节。然而，研究也存在局限性：生物学实验仅限于体外模型；氧空位和ROS途径的机制归因是基于晶格膨胀、带隙窄化、BET孔隙率等间接结构指标推断，而非直接光谱定量（如XPS、EPR）；掺杂比例或封装参数未系统验证；成本和可扩展性未评估。未来研究应聚焦于将这些纳米材料转化为实际治疗和工业应用。
