利用柑橘属植物中的植物化学物质辅助构建具有可调成核动力学的植物水解纳米平台，从而提升活性氧催化性能并应用于生物医学领域

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Citrus cavaleriei Phytochemical-Assisted Interfacial Engineering of a Phyto-Hydrolysis Nanoplatform with Tunable Nucleation Kinetics for Enhanced ROS Catalysis and Biomedicine

　　巴夫娜·维德哈尼|阿南德·索姆万希|鲁胡尔·阿巴德·汗|桑迪普·考沙尔|乔蒂·高尔|桑吉夫·库马尔
印度旁遮普邦莫哈利市加鲁安，昌迪加尔大学物理系，邮编140413

摘要
本研究采用稀释控制型植物热液法，以柑橘卡瓦莱里叶提取物为原料，制备出具有可调控成核行为、优化晶粒尺寸以及活性固液界面的锐钛矿TiO?纳米颗粒。水相植物提取物作为富含植物化学物质的反应介质，其中的配位活性功能团能够调控TTIP的水解、缩合过程以及纳米颗粒的生长。通过系统地稀释水解环境，可得到纳米级锐钛矿TiO?，其中优化后的CC:TiO?-3样品的晶粒尺寸约为9纳米，比表面积高达126.35平方米/克，具有介孔结构，其表面呈两性特征，pH?zc值约为6.61。该材料的环境应用和生物医学应用性能也得到了评估：在光催化修复方面，CC:TiO?-3在紫外线照射下80分钟内即可使四环素降解92%，ROS捕获实验及LC–MS分析表明，降解过程是通过•OH-、h?-和•O?-等自由基介导的；在生物学检测中，CC:TiO?-3对MCF-7乳腺癌细胞具有剂量依赖性的细胞毒性，同时会导致细胞进入Sub-G1期，BAX/BCL-2比例发生变化，CASP-7表达上升，这些均表明细胞发生了凋亡。此外，该纳米颗粒在琼脂扩散试验中对大肠杆菌和白色念珠菌也表现出一定的抗菌活性。总体而言，本研究证明了利用柑橘卡瓦莱里叶辅助合成TiO?是一种绿色界面工程方法，可用于实现多功能光催化和生物交互应用。

引言
水解驱动的成核动力学对二氧化钛纳米颗粒的结构构型和功能性能有着重要影响[1]、[2]。在醇盐体系中，钛异丙氧基化物（TTIP）通过水的作用迅速转化为Ti–O–Ti网络，这一过程对局部过饱和度和核密度极为敏感，然而在绿色合成中，这些参数很少被用作可控因素[3]、[4]。不受控制的成核通常会导致晶粒分布不均以及表面配位状态不明确，从而限制了吸附活性位点和自由基参与位点的数量[2]、[5]、[6]。对于锐钛矿TiO?而言，这些界面特性决定了电荷转移速率以及活性氧物种的生成速度[1]、[5]、[6]。因此，系统调控水相水解环境是构建高性能界面的关键策略，有助于为环境和生物医学应用调整材料的反应性[1]、[2]。

锐钛矿TiO?的功能效率取决于光生载流子向表面活性位点的定向迁移，进而引发活性氧物种的生成[7]、[8]。虽然材料的本征能带结构（ECB约-0.46伏，EVB约+2.7伏，相对于NHE标准）为超氧阴离子（O2?）和羟基自由基（?OH）的生成提供了热力学动力，但实际应用效率则取决于纳米颗粒界面的精确结构设计[9]、[10]。除了几何尺寸之外，表面羟基化程度、比表面积以及电泳势等界面参数也决定了底物吸附和电荷分离的概率[7]、[11]。在此框架下，零电荷点（pHPZC）和ζ电位等参数在复杂水环境中起着决定碰撞频率和活性位点可及性的关键作用[12]。因此，调控水解驱动的成核动力学不仅有助于控制材料尺寸，更是构建固液界面的基础，而这一界面最终决定了在环境修复和生物交互应用中的活性氧介导的反应过程[8]。

传统的TiO?合成方法往往难以有效控制固液界面，因为在成核阶段很少对水解动力学进行调控[4]、[13]。通常，人们通过后续的煅烧处理（400–800摄氏度）来改善材料结构，但这一过程会使得晶粒变粗，比表面积降低[13]、[14]。这种对温度的依赖性使得在实现高结晶度的同时保持高密度的表面活性位点之间存在难以调和的矛盾[14]、[15]。尽管生物合成已成为一种可持续的替代方案，但植物提取物往往仅被视为被动稳定剂，而非用于调控成核过程的主动手段[16]、[17]。因此，诸如水与前驱体之间的比例以及局部稀释程度等关键参数很少被系统地加以利用，从而难以建立水解环境与界面性质之间的定量关系[18]。这一局限性制约了预测性结构-性能关系的建立，因此需要采用能够在纳米颗粒形成初期就精确调控水解动力学的合成策略[19]、[20]。

植物化学物质辅助合成则为实现这种精确控制的同时保持可持续性提供了一种可行途径[21]、[22]。在这些体系中，植物来源的代谢物，尤其是多酚、黄酮类化合物和脂质，可作为配位活性配体，通过多种配位方式（–OH、–COOH、–C=O）调控前驱体的形态[22]、[23]、[24]、[25]。柑橘类生物质尤其适合这一应用，因为它不仅含有大量氧化还原活性分子，还可作为循环经济中的生物废弃物原料[26]、[27]。然而，目前大多数生物合成方法仍将这些植物化学物质视为被动稳定剂，未能充分利用它们在调控界面形成方面的潜力[21]、[28]、[29]。本研究通过采用“稀释控制型植物热液法”，将这类体系转变为一种可精确调控的合成平台，通过调节水相环境来实现对成核和生长过程的精准控制。由于界面电荷转移和活性氧物种的生成在催化和生物反应中都起着核心作用，这一平台使得我们能够统一解释不同应用场景下的性能表现，即表面可及性和电荷动态等参数如何影响材料的性能[30]、[31]。

本研究正是基于此思路，利用柑橘卡瓦莱里叶中的植物化学物质，通过稀释控制型植物热液法合成了一系列具有可调控界面特性的锐钛矿TiO?纳米颗粒。通过逐步调节水相环境，该方法能够直接研究水解动力学如何影响晶粒发育、表面特性以及电泳行为。这些材料通过多种结构和表面分析技术进行了全面表征，以便建立合成条件与界面特性之间的关联。在功能测试方面，该优化后的材料被用于四环素降解实验，以探究吸附-反应动力学以及ROS介导的降解路径；同时，还进行了生物交互研究，以观察氧化应激引发的反应。这一方法为将水解控制的界面形成与催化和生物效应联系起来提供了一个统一的分析框架。

材料
本研究以钛（IV）异丙氧基化物（TTIP，纯度≥97%，Sigma-Aldrich，研究级）作为TiO?纳米颗粒合成的前驱体。水解和缩合过程中，使用氨水溶液（NH?，分析级，Sigma-Aldrich）来调节pH值。洗涤以及所有溶液的配制则使用乙醇（分析级，Sigma-Aldrich）和双蒸馏水。柑橘卡瓦莱里叶是从印度旁遮普邦当地采集的新鲜叶片，用于提取物的制备。

柑橘卡瓦莱里叶提取物的制备
用于GC–MS分析的柑橘卡瓦莱里叶提取物
通过对柑橘卡瓦莱里叶提取物进行GC–MS分析，可以识别出其中参与TiO?纳米颗粒合成的主要植物化学成分。分析得到的GC–MS峰面积分布范围约为3.96–47.56分钟，其中在保留时间较早的区域，峰面积相对较小，而在约41–48分钟的区域内，峰面积较大。已鉴定出的主要化合物的相对峰面积分布如图所示。

CC:TiO?-3的光降解效率：UV–Vis光谱变化与降解曲线
通过UV–Vis光谱法监测了四环素在CC:TiO?-3上的光催化降解过程（见图12a）。随着光照时间的增加（0–80分钟），200–400纳米区域的四环素特征吸收峰持续减弱，这表明反应过程中母体分子正在被持续消耗，而非出现随机的光谱波动。相应的降解曲线（见图12b）显示，降解效率随时间快速上升：10分钟时为24.26%，20分钟时为31.95%，30分钟时为45.30%，40分钟时为58.57%。

结论
本研究通过采用由柑橘卡瓦莱里叶植物化学物质介导的稀释控制型植物热液法，建立了一种高效的材料工程框架，用于合成高性能锐钛矿TiO?纳米颗粒。通过将水相水解环境作为调控成核动力学的可控因素，我们成功实现了对材料结构的精细调控，使其晶粒尺寸降至约9纳米，并构建出了具有极高比表面积的固液界面。

CRediT作者贡献说明
鲁胡尔·阿巴德·汗：撰写原始稿件、提供资源、概念构思。
阿南德·索姆万希：撰写原始稿件、提供资源、概念构思。
桑迪普·考沙尔：负责审稿与编辑、项目监督、项目管理。
巴夫娜·维德哈尼：撰写原始稿件、设计实验方法、开展实验研究、进行正式分析。
桑吉夫·库马尔：负责审稿与编辑、项目监督、项目管理。
乔蒂·高尔：撰写原始稿件、验证实验结果、开展相关研究。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢国王哈立德大学研究与研究生院通过编号为RGP.2/129/46的大型研究项目为这项工作提供的资金支持。

作者声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。