绿色合成 Co3O4与 Ag 掺杂 Co3O4纳米颗粒及其抗菌活性研究

研究人员利用西方朴树叶水提取物合成 Co3O4和 Ag 掺杂 Co3O4纳米颗粒，发现其抗菌活性良好，有应用潜力。

　　在科学的微观世界里，纳米颗粒正逐渐成为科研人员的 “宠儿”。金属氧化物纳米颗粒，凭借其独特的表面能量、荧光和介电特性，以及多种类似酶的活性，在生物研究领域大显身手，在抗菌、抗炎和抗癌等方面展现出巨大的应用潜力。其中，Co₃O₄作为一种 p 型半导体，拥有独特的自旋 el 晶体结构和适宜的光学带隙能量，在光电子领域和生物医学领域都备受关注。

然而，传统的纳米颗粒合成方法，如物理化学合成法，存在着诸多问题。它们往往需要消耗大量的能量，对环境也不太友好。而利用植物提取物进行纳米颗粒的生物合成，作为一种绿色化学方法，近年来受到了广泛的关注。这种方法不仅环保、安全，而且成本效益高。许多植物中富含的抗菌化合物，还能增强纳米颗粒的抗菌效果。西方朴（Celtis occidentalis）是一种具有药用价值的植物，其提取物中含有的活性植物化学物质，暗示了它在纳米颗粒合成中的潜在应用价值。但此前，利用西方朴树叶提取物合成金属氧化物和掺杂金属氧化物纳米颗粒的研究尚未被深入探索。

为了填补这一研究空白，来自南非西北大学（North-West University）、尼日利亚大学（University of Nigeria）、约翰内斯堡大学（University of Johannesburg）等机构的研究人员 Mercy C. Ogwuegbu、Olalekan C. Olatunde 等人开展了相关研究。他们利用西方朴树叶水提取物，通过绿色合成技术制备了 Co₃O₄和 Ag 掺杂 Co₃O₄（Ag-Co₃O₄）纳米颗粒，并对这些纳米颗粒的结构、形态和光学性质进行了表征，同时研究了它们的抗菌和抗真菌活性。该研究成果发表在《Heliyon》杂志上。

研究人员在此次研究中用到了多种关键技术方法。通过 X 射线衍射（XRD）分析纳米材料的结构特性；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究纳米颗粒中化学键的性质；借助扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行形态学研究；运用紫外 - 可见光谱（UV-vis）研究纳米颗粒的光吸收特性。在抗菌和抗真菌活性测试方面，采用琼脂孔扩散法和肉汤稀释法，分别对纳米颗粒的抗菌和抗真菌效果进行评估。

下面来看具体的研究结果：

1. 结构和功能基团分析：XRD 图谱证实了 Co₃O₄的面心立方尖晶石结构的形成，并且在掺杂 Ag 后，晶体结构发生了轻微的改变。FTIR 光谱显示，合成的 Co₃O₄和 Ag-Co₃O₄纳米颗粒中存在与 Co³⁺-O、Co²⁺-O 相关的振动峰，以及其他与自旋 el 结构和吸附水分子相关的峰。Ag 的引入导致了特征峰位置和强度的变化，表明自旋 el 结构发生了扭曲。
2. 表面形貌和元素组成：SEM 和 TEM 图像显示，Co₃O₄具有颗粒状且均匀的形态，有一些可见的孔隙，而 Ag-Co₃O₄的形态则更为不规则且聚集。Ag 的掺杂改变了纳米材料的形态，这可能会影响其催化和抗菌活性。
3. 光学性质：UV-vis 吸收光谱表明，两种材料在紫外区域都有吸收，这源于电荷转移跃迁。Ag 掺杂使材料在可见光区域的光吸收强度有所增加，并且通过 Tauc 图发现，Ag 掺杂导致带隙能量从 2.06 eV 缩小到 1.81 eV，这意味着 Ag 掺杂改变了 Co₃O₄的电子结构。
4. 抗菌性能：研究人员用两种革兰氏阳性菌株（单核细胞增生李斯特菌 Listeria monocytogenes、粪肠球菌 Enterococcus faecalis）和一种革兰氏阴性菌株（大肠杆菌 Escherichia coli）测试了 Co₃O₄和 Ag-Co₃O₄纳米颗粒的抗菌效力。结果显示，在不同浓度下，两种纳米颗粒对不同菌株都有一定的抑制作用，且 Ag-Co₃O₄纳米颗粒的抗菌活性总体优于 Co₃O₄纳米颗粒，但标准药物新霉素的效力比纳米颗粒更高。纳米颗粒能够穿透细菌细胞膜，与蛋白质和其他细胞成分发生化学反应，最终导致细胞损伤和死亡。
5. 抗真菌活性：研究人员评估了 Co₃O₄和 Ag-Co₃O₄纳米颗粒对三种真菌菌株（黑曲霉 Aspergillus niger、青霉 Penicillium sp.、毛霉 Mucor sp.）的抗真菌活性。结果表明，Ag-Co₃O₄纳米颗粒对所有三种真菌菌株的抗真菌活性都显著优于未掺杂的 Co₃O₄纳米颗粒，但标准药物两性霉素的效力略高于这两种纳米颗粒。纳米颗粒可能通过与生物分子相互作用发挥抗真菌作用，其小尺寸有助于穿透真菌细胞膜。

综合以上研究，研究人员通过环保的绿色合成路线成功合成了 Co₃O₄和 Ag-Co₃O₄纳米颗粒，并对其多种性质进行了全面研究。结果显示，这些纳米颗粒具有显著的抗菌活性，尤其是 Ag-Co₃O₄纳米颗粒表现更为突出。这一研究成果表明，绿色合成的 Ag-Co₃O₄纳米颗粒在抗菌剂开发方面具有很高的潜力。在未来，它们有望在生物医学领域，如伤口敷料、医疗器械涂层和药物递送系统中发挥重要作用，以降低感染风险；在农业领域，可作为生物农药或添加到肥料中，保护农作物和动物免受病原体侵害，提高产量并减少对化学农药的依赖。这项研究为新型抗菌材料的开发提供了新的思路和方向，推动了绿色化学和纳米技术在生命科学和健康医学领域的应用发展。