利用香叶提取物实现Ag/CeO2纳米复合材料的绿色合成：优化过程及其抗菌和抗氧化性能

《Materials Chemistry and Physics》：Green Synthesis of Ag/CeO2 Nanocomposites Using Syzygium aromaticum Extract: Optimization, Antibacterial and Antioxidant Activities

绿色合成Ag/CeO2纳米复合材料并优化条件：采用丁香提取物为还原剂，通过响应面法优化温度（74℃）、pH（9）、反应时间（5h）和提取浓度（30 mg/mL），获得96.81%产率。纳米复合材料表现出优于提取液和抗坏血酸的抗氧化活性（IC50=0.005 mg/mL），并具有显著抗菌效果（抑菌圈12-20 mm），分子对接证实生物活性成分与细菌蛋白结合。

　　

Odeh A.O. Alshammari | Munirah S.O. Alhar | Ahmed Al-Otaibi | Aljazi Abdullah AlRashidi | Ahlam F. Alshammari | Elham A. Alzahrani | Asma Khalaf Alshamari | Khadra B. Alomari | Amira S. Elmenshawy | Ahmed A. Zaher | Khaled M. Elattar

沙特阿拉伯海伊尔大学科学学院化学系，海伊尔 81451

摘要

本研究报道了一种利用Syzygium aromaticum提取物合成Ag/CeO₂纳米复合材料（NC）的绿色可持续方法。通过响应面方法（RSM）进一步优化了Ag/CeO₂ NC的合成过程，以获得更好的性能。紫外-可见光谱、FTIR、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）、Zeta电位分析、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和X射线衍射（XRD）证实了Ag@CeO₂ NC的成功合成及其结构、光学、形态特性、元素组成和结晶性。统计优化结果显示，在最佳条件下（74°C、pH 9、反应时间5小时、植物提取物浓度为30 mg/mL），纳米复合材料的产率达到96.81%。通过DPPH测定法评估的抗氧化活性表明，提取物和Ag@CeO₂ NC均表现出优异的抗氧化活性。Ag/CeO₂ NC的IC₅₀值为0.005 ± 0.001 mg/mL，低于丁香提取物（0.007 ± 0.001 mg/mL）和抗坏血酸（0.022 mg/mL）。此外，Ag/CeO₂ NC对病原菌表现出良好的抗菌活性，抑菌圈为12-20 mm，而丁香提取物的抑菌圈为10-23 mm。分子对接分析表明，S. aromaticum提取物中的生物活性化合物可能通过与Staphylococcus aureus蛋白的结合相互作用而发挥抗菌作用。结果表明，这种绿色合成方法制备的Ag/CeO₂ NC具有高效的抗氧化和广谱抗菌活性。

引言

纳米颗粒（1-100 nm）具有独特的物理化学性质，如高表面积、可调的光学行为和增强的催化活性，使其在众多技术和生物医学应用中具有吸引力[1],[2]。绿色合成纳米颗粒因其在环境可持续性、降低毒性和利用自然资源进行低成本生产方面的优势而受到广泛关注[3]。 银纳米颗粒通过释放银离子、破坏微生物细胞膜和生成活性氧等机制，对细菌、真菌和病毒表现出广谱抗菌活性[4],[5]。它们可以中和细菌细胞中的蛋白质并改变其结构，从而使其失去活性[6]。因此，银纳米颗粒的反应性受其大小、形态和表面化学性质的影响。 氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）因其高氧储存能力和可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环而备受关注，这些特性赋予了它们催化和抗氧化性能[7]。CeO₂ NPs具有抗氧化性，因为它们可以在Ce(III)和Ce(IV)氧化态之间转换[8]。这可能为细胞提供保护，防止氧化应激，而氧化应激与神经退行性疾病和癌症等疾病有关[9]。 丁香（Syzygium aromaticum）提取物含有丁香酚、黄酮类化合物和单宁等生物活性成分，这些成分具有强还原性、抗菌性和抗氧化性[10],[11]。植物提取物已被证明可以替代传统的化学还原剂用于纳米颗粒合成[12]。它们具有环保、生物相容性强、多功能性和可控还原等优点。S. aromaticum提取物由于其丰富的具有还原性的生物活性成分，是绿色纳米颗粒合成的潜在候选材料[13]。使用这种提取物有助于开发更生态和环保的纳米颗粒生产方法。绿色合成方法通过利用天然还原剂并减少有毒副产物，为传统化学方法提供了可持续的替代方案[14]。 响应面方法（RSM）是一种常用的统计和数学优化技术，用于研究多个实验变量与一个或多个响应变量之间的相互作用。与传统的一次只调整一个变量的方法不同，RSM能够同时研究多个参数的单独效应和交互效应，从而大大减少了实验次数。该方法有助于高效探索实验设计空间，并可用于开发过程优化模型。在纳米材料合成中，RSM已被广泛用于优化合成条件、提高纳米颗粒产量和改善其性能。许多研究人员已成功应用RSM来优化基于CeO₂的纳米复合材料及其相关系统。例如，RSM已被用于优化CeO₂-聚苯胺复合材料的Cr(VI)离子去除效率[15]、磁性AC/CeO₂纳米复合材料对染料的吸附效率[16]、以及CeO₂/Fe₂O₃/石墨烯纳米复合材料对砷的去除效率[17]，证明了RSM在优化CeO₂纳米材料性能方面的潜力[18]。因此，在本研究中，通过应用RSM研究了pH值、温度、反应时间和Syzygium aromaticum提取物浓度对Ag/CeO₂纳米复合材料绿色合成的影响。借助RSM，成功预测了最佳合成条件，从而最大化了纳米复合材料的产量。 尽管关于银和氧化铈纳米颗粒的研究很多，但利用植物提取物绿色合成Ag/CeO₂纳米复合材料的研究较少，尤其是在优化合成参数和评估其对生物活性的影响方面。因此，本研究旨在利用Syzygium aromaticum提取物开发一种环保的Ag/CeO₂纳米复合材料合成方法，并通过响应面方法（RSM）优化合成参数，以提高纳米复合材料的产量和功能性能。我们计划研究pH值、温度、反应时间和提取物浓度等因素对产量的影响，以优化和改进合成过程。此外，本研究通过应用RSM提供了一种统计优化的策略，从而获得了比以往报道的方法更高的纳米复合材料产量。还对Ag/CeO₂纳米复合材料进行了与以往方法比较分析，展示了其改进的粒径、抗氧化活性和抗菌活性。此外，进行了分子对接分析，以了解S. aromaticum提取物中的生物活性化合物与病原菌DNA在Ag/CeO₂纳米复合材料绿色合成过程中的相互作用。最后，测试了合成纳米复合材料的抗菌和抗氧化性能，以评估其在抑制细菌感染和氧化应激方面的应用潜力。

仪器

样品的光学性质使用紫外-可见分光光度计（UV2，Unicam UV-Vis，美国）进行分析。功能基团通过傅里叶变换红外光谱（FTIR，Nicolet IS10，Thermo Fisher Scientific，美国）进行鉴定。Zeta电位测量使用Zeta电位仪（HORIBA SZ-100，日本）进行。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM，Talos F200i，Thermo Scientific，美国）用于观察形态和粒径。

紫外-可见光谱分析

紫外-可见光谱用于研究从S. aromaticum提取物中生物合成的Ag/CeO₂ NC的光学特性，这也验证了纳米复合材料形成的理论（图1a,b）。426 nm处的吸收带以及0.530的吸光度表明S. aromaticum提取物中存在能够吸收该区域光线的色素或含有特定色素的化合物。这些数据对进一步的研究非常有用。

结论

在本研究中，利用S. aromaticum提取物通过绿色方法成功合成了Ag/CeO₂ NC，并通过响应面方法（RSM）确定了最佳合成条件。合成效率高达96.81%。最佳合成条件为74°C、pH 9、反应时间5小时和提取物浓度30 mg/mL。植物化学分析显示含有大量酚类物质（204.76 ± 1.03 mg GAE/g）和单宁（20.49 ±

CRediT作者贡献声明

Ahlam F Alshammari：撰写——原始草稿、可视化、验证、研究、资金获取。 Aljazi Abdullah AlRashidi：可视化、验证、方法学。 Ahmed Al-Otaibi：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、研究、数据管理。 Munirah S. O. Alhar：撰写——审阅与编辑、方法学、资金获取、数据管理。 Odeh A. O. Alshammari：撰写——审阅与编辑、软件应用、资金获取、概念构思。 Khaled M. Elattar：

出版同意

不适用。

数据和材料的可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在本文及其补充信息文件中。

利益冲突

无利益冲突。

资金声明

本研究由沙特阿拉伯海伊尔大学的科学研究办公室资助，项目编号为<>。

未引用的参考文献

[23a][23b][23c][24a][24b][24b][24c][25a][24b][25b][25c]

竞争利益声明

? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。