植物介导的钴铁氧体纳米粒子的合成：光催化去除结晶紫以及抗真菌活性

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Phyto-mediated synthesis of cobalt ferrite nanoparticles: photocatalytic removal of crystal violet and antifungal activity

本研究采用Trachyspermum ammi种子提取物绿色合成CoFe2O4纳米颗粒，并评估其可见光催化降解crystal violet染色物及抗真菌活性。表征显示颗粒呈立方尖晶石结构，粒径13-15 nm，比表面积142.85 m2/g，光催化效率达93.34%（40分钟），且可循环使用5次，同时具有中等抗真菌活性。

　　

科马尔·古普塔（Komal Gupta）| 基尔蒂·萨伊尼（Kirti Saini）| 库丹·辛格·谢卡瓦特（Kundan Singh Shekhawat）| 贾亚·马图尔（Jaya Mathur）

印度拉贾斯坦邦斋浦尔市拉贾斯坦大学化学系，邮编302004

摘要

合成染料持续排放到水体中是主要的污染源，对生态和健康造成严重影响，这突显了需要可持续的纳米材料来有效治理污染物。在这方面，植物介导的合成方法作为一种环境友好的方式应运而生。在本研究中，使用Trachyspermum ammi（Ajwain）种子提取物合成了钴铁氧体（CoFe₂O₄）纳米颗粒，并评估了其在可见光照射下光催化去除结晶紫（Crystal Violet, CV）染料的能力以及其抗真菌活性。对这些合成的纳米颗粒进行了全面的结构、形态、光学和表面性质分析。研究结果表明，形成了立方尖晶石晶体结构，颗粒直径为13–15纳米。这些纳米颗粒具有较高的比表面积（142.853 m²/g），对可见光有较强的吸收能力，光致发光强度较低，显示出优异的光催化潜力。在可见光下40分钟内，它们能够降解93.34%的结晶紫染料。系统研究了染料浓度、催化剂用量、pH值、照射时间和无机盐对降解过程的影响。动力学分析表明，降解过程遵循伪一级动力学，速率常数为0.060 min^?1。这些纳米颗粒在连续五个反应循环中仍保持其催化效率。通过自由基清除实验进一步阐明了降解机制。通过改良的琼脂孔扩散法评估了这些纳米颗粒对黑曲霉（Aspergillus niger）和白色念珠菌（Candida albicans）的抗真菌活性，观察到中等程度的抗真菌效果，并确定了最低抑制浓度（MICs）。本研究展示了CoFe₂O₄纳米颗粒的绿色合成方法，并强调了其在环境修复和生物医学领域的应用潜力。

引言

纳米技术通过能够在纳米尺度上精确控制材料性质，从而改变了众多科学领域。在其多样化的应用中，环境修复尤为突出（Rokunuzzaman, 2024; Asghar et al., 2024; Ullah et al., 2024）。水污染，尤其是工业排放造成的污染，对水生生物和人类健康构成了严重威胁。这一问题主要源于各种行业中广泛使用合成染料（Al-Tohamy et al., 2022）。这些染料在环境中长期存在，会降低水质，阻碍阳光穿透水体，干扰光合作用，减少水中溶解氧含量，严重破坏水生生态系统，导致长期生态失衡（Hassan and Carr, 2018; Khandelwal et al., 2024）。即使在微量浓度下，如结晶紫、甲基橙和刚果红这样的染料也会使水体呈现强烈颜色，限制光线穿透，抑制光合作用，并扰乱水生食物链（Gita et al., 2017）。

结晶紫（CV）是一种常见的阳离子染料，属于三芳基甲烷类，以其稳定性、毒性和抗生物降解性而闻名。它被归类为致癌物质，属于环境污染物（Lellis et al., 2019）。除了对环境的破坏作用外，接触结晶紫还会对人类健康造成严重风险，包括永久性角膜损伤、急性呼吸窘迫和肾衰竭（Mani et al., 2016; Hemashenpagam et al., 2023）。结晶紫的这些毒性效应及其在环境中的持久性，凸显了需要高效且可持续的治理策略。

传统的废水处理方法，包括生物降解、化学絮凝、吸附和氧化，存在降解不完全、运行成本高以及产生二次污染物的问题（Saravanan et al., 2021; Hanafi and Sapawe, 2020）。例如，由于某些染料分子具有抗菌性和抗微生物酶降解性，生物处理方法往往无效；而絮凝过程会产生大量需要进一步处理的污泥。同样，吸附过程主要是将污染物从水中转移到另一相，而非彻底清除它们（Ihsanullah et al., 2020; Vikrant et al., 2018）。为克服这些限制，光催化技术作为一种有前景的替代方案应运而生，利用半导体催化剂将污染物降解为无毒的最终产物（Kumari et al., 2023; Bayahia, 2022; Siddique et al., 2026, 2025a, 2025b, 2025c）。

铁氧体纳米颗粒，特别是具有通用化学式MFe₂O₄（M = Co, Ni, Zn等）的尖晶石型氧化物，因其独特的电学、磁学和催化性能而受到关注（Kefeni and Mamba, 2020; Akram et al., 2024）。其中，钴铁氧体（CoFe₂O₄）作为一种反尖晶石结构，具有高各向异性、可调的矫顽力、优异的化学稳定性和适中的磁化强度。其较窄的带隙使其在可见光照射下具有活性，而反尖晶石结构有助于光催化反应中的电荷分离。这些特性使其在催化、废水处理、医学和能源存储领域具有广泛应用。它能够有效分离电荷并在反应过程中保持稳定，非常适合光催化应用（Tamboli et al., 2023; Jasrotia et al., 2025; Revathi et al., 2020）。此外，钴铁氧体的磁性使其可以通过外部磁场轻松分离和回收，从而提高催化剂的可回收性并减少二次污染（Vinosha et al., 2021）。

然而，传统的铁氧体纳米颗粒合成技术通常能耗高、成本昂贵且对环境不友好。共沉淀、溶胶-凝胶、水热和热分解等方法往往需要高温、有害化学试剂和复杂的实验条件（Ansari et al., 2025; Dichayal et al., 2024），可能导致颗粒尺寸分布不均匀、孔隙率失控或残留毒性，从而限制其实际应用（Dippong et al., 2021）。为解决这些问题，植物提取物介导的绿色合成方法成为一种环保的替代方案。在这种方法中，植物提取物中的植物化学物质作为天然还原剂和稳定剂，在温和条件下促进纳米颗粒的形成，同时产生稳定且生物相容的纳米材料（Wani and Suresh, 2022; Dhanda et al., 2023）。多种植物，包括Zingiber officinale、Elettaria cardamomum、Ginkgo biloba、Ocimum sanctum、Allium sativum和Punica granatum，已被用于CoFe₂O₄纳米颗粒的绿色合成，证明了基于植物的合成途径的多样性（Barkat et al., 2022; Liaskovska et al., 2021; Mahajan et al., 2019; Synthiya et al., 2025）。

本研究旨在利用Trachyspermum ammi（Ajwain）种子提取物绿色合成CoFe₂O₄纳米颗粒。该植物属于伞形科，其种子富含生物活性植物化学物质，如萜烯、生物碱、黄酮类、酚类、苷类和单宁。主要成分包括百里酚、γ-萜品烯、对伞花烃、香芹酚、柠檬烯、香叶醇、芸香苷和咖啡酸（Chauhan et al., 2012）。Trachyspermum ammi具有多种药理和生物活性，包括抗真菌、抗菌、抗氧化、抗癌、抗炎、驱虫、抗病毒、抗血小板聚集、解痉和镇痛作用（Asif et al., 2014; Chahal et al., 2017）。此外，这些种子易于获取且成本低廉，使其成为绿色纳米颗粒合成的理想前体。

合成的CoFe₂O₄纳米颗粒经过表征，以确定其物理化学性质。研究了其在可见光照射下光催化降解结晶紫染料的能力。这些纳米颗粒在连续五个循环中表现出高降解效率并保持活性。系统研究了染料浓度、催化剂用量、pH值、照射时间和无机盐存在对降解过程的影响。还进行了自由基清除实验，以阐明光催化反应中活性物种的作用。这些纳米颗粒对黑曲霉和白色念珠菌也表现出中等程度的抗真菌效果。

据我们所知，这是首次使用Trachyspermum ammi种子提取物合成CoFe₂O₄纳米颗粒，并对其光催化和抗真菌活性进行评估的报告。

部分内容摘要

植物来源和化学前体

CoFe₂O₄纳米颗粒的合成使用了Trachyspermum ammi（Ajwain）种子提取物。种子在当地采购。实验中使用了分析纯度的化学试剂。所有实验步骤均使用去离子水。

Trachyspermum ammi种子提取物的制备

准确称取2克Trachyspermum ammi种子并研磨成细粉。将粉末状种子与50毫升去离子水混合，在80°C下加热60分钟。

CoFe₂O₄纳米颗粒的绿色合成机制

Trachyspermum ammi种子提取物中的植物化学物质在纳米颗粒的合成、包覆和稳定过程中起着关键作用。提取物中含有多种生物活性化合物，如噻吩类、黄酮类、类胡萝卜素、多酚酸和三萜类，这些物质有助于金属离子的还原和纳米颗粒的稳定（Mirniyam et al., 2022），主要包括咖啡酸、香芹酚、γ-萜品烯、百里酚和芸香苷

结论

本研究通过使用Trachyspermum ammi种子提取物，采用环保工艺合成了CoFe₂O₄纳米颗粒。这些纳米颗粒呈立方尖晶石结构，颗粒呈球形，元素分析证实其中含有钴、铁和氧。它们具有较高的比表面积（142.85 m²/g）和中孔隙结构，带隙为1.18 eV，电子-空穴复合率较低，表明其具有较高的光催化潜力。

未引用的参考文献

Kossar et al., 2021; Thiam et al., 2025; Kiew et al., 2023; Ugwuoke et al., 2023; Karthiga et al., 2025; Kavitha et al., 2024; Karthik et al., 2022; Kaur et al., 2024; Devi et al., 2019; Velsankar et al., 2020; Sivasankarapillai et al., 2023; Biswas et al., 2021; Rao et al., 2016; Chandrasekaran and Anbazhagan, 2024; Gingasu et al., 2016.

CRediT作者贡献声明

科马尔·古普塔（Komal Gupta）：撰写初稿、争取资金、进行数据分析。基尔蒂·萨伊尼（Kirti Saini）：软件支持、资源提供、方法论设计。库丹·辛格·谢卡瓦特（Kundan Singh Shekhawat）：软件支持、资源提供、方法论设计。贾亚·马图尔（Jaya Mathur）：撰写和编辑初稿、监督工作、方法论设计、数据分析、概念构思。

资助

作者衷心感谢印度新德里的大学拨款委员会（University Grants Commission）对科马尔·古普塔女士的资助（项目编号F. No. 16-9 (2019)/2019 (NET/CSIR)，UGC参考编号：300/ (CSIR-UGC NET JUNE 2019）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢印度拉贾斯坦大学化学系、拉贾斯坦大学马尔维亚国家理工学院（Malviya National Institute of Technology, Jaipur）和印度查谟理工学院（Indian Institute of Technology, Jammu）在样品表征方面提供的宝贵支持。同时感谢Jaipur的Biomitra Life Sciences Pvt. Ltd.公司在抗真菌实验中的协助。