基于稀土元素的抗菌纳米铁氧体：研究掺钕NiFe?O?纳米粒子的生物活性潜力

《Inorganic Chemistry Communications》：Rare-earth enabled antibacterial nanoferrites: Investigating the bioactive potential of neodymium-doped NiFe?O? nanoparticles

本研究采用溶胶-凝胶自燃法合成Nd3+掺杂NiFe?O?纳米颗粒，通过XRD、FTIR、SEM等表征其结构及形貌，发现掺杂使粒径从36nm降至22nm，比表面积增至49m2/g。抗菌实验表明，该纳米颗粒对金黄色葡萄球菌抑菌圈达20mm，其机制涉及ROS生成增强、膜破坏及纳米颗粒-细菌相互作用优化。

　　

Isha Bhagwatwar | Aarti N. Wazalwar

物理系，阿姆贝德卡尔学院（Dr. Ambedkar College），Deekshabhoomi，那格浦尔 440010，印度

摘要

通过溶胶-凝胶自燃法制备了钕（Nd³⁺）掺杂的镍铁氧体（NiFe₂O₄）纳米颗粒，并系统评估了其对两种革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌）以及两种革兰氏阴性菌（大肠杆菌和肺炎克雷伯菌）的抗菌活性。利用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、能量分散X射线光谱（EDAX）和振动样品磁强计（VSM）研究了这些纳米颗粒的结构、形态和磁学特性。Nd³⁺的掺入导致了明显的晶格畸变，使晶粒尺寸从36纳米减小到22纳米。FTIR光谱显示金属-氧振动带发生了位移，证实Nd³⁺离子成功取代了尖晶石晶格中的离子。磁学测量结果显示饱和磁化强度（从51埃/克降至38埃/克）和矫顽力（从300奥司降至150奥司）均有所降低，这与Nd³⁺掺杂导致的软磁行为和超交换作用减弱一致。比表面积从28平方米/克增加到49平方米/克，增强了纳米颗粒与微生物细胞之间的接触效果。在对金黄色葡萄球菌的抑菌实验中，观察到了最大的抑菌效果，抑菌圈宽度为20毫米。Nd³⁺掺杂的NiFe₂O₄纳米颗粒的增强抗菌活性归因于活性氧（ROS）生成的增加、膜破坏、细胞渗漏以及由于晶粒尺寸减小和比表面积增大而改善的纳米颗粒-细菌相互作用。总体而言，这些发现表明Nd³⁺掺杂的NiFe₂O₄纳米颗粒是具有潜在价值的抗菌候选材料，适用于未来的生物医学应用。

引言

抗生素耐药菌的日益普遍已成为一个重大的全球健康问题，威胁着传统抗菌疗法的有效性[1]。抗生素的广泛且往往不分青红皂白的滥用加速了多重耐药（MDR）菌株的出现，使得感染治疗变得越来越困难[2]。预计到2050年，由耐药疾病引起的全球死亡率将增加70%，导致4000万人死亡[3]。这一严峻形势迫切需要探索能够通过替代机制有效对抗耐药病原体的新型抗菌材料。在这方面，纳米材料因其独特的结构和表面特性而受到广泛关注，这些特性使它们能够以不同于传统抗生素的方式与微生物细胞相互作用[4]。

其中，尖晶石铁氧体纳米颗粒（SFNPs，通式为MFe₂O₄，其中M为二价金属离子，如Ni²⁺、Co²⁺、Zn²⁺等）因其可调的物理化学性质、结构稳定性和生物相容性而成为有前景的抗菌剂，特别适合用于生物医学应用[5]。尖晶石铁氧体的抗菌效果主要归因于它们能够生成活性氧（ROS），这些活性氧会破坏细菌膜并改变关键细胞过程，最终导致细胞死亡[6],[7]。

此外，将稀土（RE）离子掺入尖晶石铁氧体晶格中可以通过改变阳离子分布和引入晶格畸变来显著增强抗菌活性，从而改变铁氧体基体的整体结构[8],[9]。尽管对稀土掺杂的尖晶石铁氧体已有大量研究，但Nd³⁺掺杂的NiFe₂O₄的抗菌行为仍大部分未被探索。值得注意的是，钕的离子半径（0.995埃）大于铁离子（0.645埃），这会导致显著的晶格畸变并促进氧空位的形成[10]。此外，Nd³⁺的替代可以减小颗粒尺寸、增加比表面积并增强纳米颗粒与细胞的相互作用，使其成为调节抗菌效率的极具前景的掺杂剂[11]。

Nd³⁺掺杂引起的这些结构变化有助于生成更高浓度的活性氧，如超氧阴离子（O₂^?）、羟基自由基（·OH）、过氧化氢（H₂O₂）和单线态氧（¹O₂），从而提高杀菌效率[12]。因此，Nd³⁺掺杂的NiFe₂O₄成为一类具有巨大潜力的材料，有望开发成高效抗菌剂，用于生物医学应用。

本研究旨在评估Nd³⁺掺杂的NiFe₂O₄纳米颗粒对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的抗菌性能。通过研究这些纳米颗粒的特性，本研究旨在证明它们对抗抗生素耐药菌株的有效性，并阐明其作用机制，最终将其定位为生物医学应用中具有前景的抗菌候选材料。据我们所知，此前没有研究报道过Nd³⁺掺杂的NiFe₂O₄纳米铁氧体的抗菌性能，因此这项研究是首次探索其生物活性潜力的研究。

化学试剂

化学品和试剂

所需的化学品包括六水合硝酸镍[Ni(NO₃)₂·6H₂O]、六水合硝酸铁[Fe(NO₃)₃·9H₂O]和尿素(NH₂CONH₂，均来自LOBA公司，纯度为99%，属于分析级（AR）。六水合硝酸钕[Nd(NO₃)₃·6H₂O》购自Sigma Aldrich公司。所有化学品均按原样使用，未进行额外纯化。

纳米颗粒的合成

准确称量了Ni(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、Nd(NO₃)₃·6H₂O和尿素，然后...

XRD

图2展示了在10–80°范围内记录的合成纳米颗粒的XRD图谱。对应于(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面的衍射峰与JCPDS卡片编号86–2267非常吻合，证实形成了Fd-3 m空间群的立方尖晶石晶格。在NF0中观察到的额外峰可能是由于Fe³⁺前驱体在合成过程中反应不完全而形成的α–Fe₂O₃

抗菌活性

评估了合成的NF0–NF3纳米颗粒对两种革兰氏阴性菌（肺炎克雷伯菌和大肠杆菌）以及两种革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌）的抗菌活性。通过测量微生物菌落周围的抑菌圈（ZOI）来确定抑制效果。所有样品均表现出强烈的抗菌效果，ZOI值范围为14–20毫米，如表5所示，并在图8中进行了说明。

结论

通过溶胶-凝胶自燃法成功合成了钕掺杂的NiFe₂O₄纳米铁氧体，并对其结构、磁性和抗菌性能进行了全面评估。XRD和微观结构分析证实，Nd³⁺的掺入导致了明显的晶格畸变，并有效抑制了晶粒生长，使颗粒尺寸从36纳米减小到22纳米。这些结构变化以及比表面积从28平方米/克增加到49平方米/克的显著增加...

作者贡献声明

Isha Bhagwatwar：撰写 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、方法学设计、数据分析、概念构建。 Aarti N. Wazalwar：指导。

资金来源

作者感谢印度大学拨款委员会（拨款编号：82–7/2022/SA-III）为这项研究提供必要的资金支持。

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报告的工作。

Isha Bhagwatwar是物理学领域的研究人员，主要研究尖晶石铁氧体纳米颗粒的纳米材料和功能特性。她的工作探讨了稀土掺杂对纳米铁氧体催化和抗菌性能的影响，这些纳米铁氧体可用于环境和生物医学应用。她参与了多项出版物，并积极参与跨学科研究，旨在开发用于环境修复的新纳米材料。