露兜树叶片提取物绿色合成银纳米颗粒的分子机制与抗菌活性研究

《Next Nanotechnology》：Green synthesis and molecular-level mechanism of silver nanoparticles from Pandanus fascicularis (Keya) leaf extract with antibacterial activity

本研究针对多重耐药菌感染问题，首次利用沿海植物露兜树叶片提取物绿色合成银纳米颗粒，通过实验表征证实其20-25 nm球形结构及良好稳定性，并联合DFT计算揭示没食子酸与葡萄糖通过氧原子配位自发还原Ag+的分子机制，为可持续抗菌材料开发提供新策略。

　　

随着全球多重耐药菌感染率的急剧上升，开发新型抗菌策略已成为公共卫生领域的迫切需求。传统抗生素的失效促使科学家将目光投向纳米技术领域，其中银纳米颗粒因其广谱抗菌活性和多重作用机制（如破坏细胞膜、产生活性氧物种、干扰微生物DNA和蛋白质）而备受关注。然而，传统的物理化学合成方法往往涉及有毒试剂和高能耗，不利于环境可持续性发展。在这一背景下，植物提取物介导的绿色合成技术应运而生，它利用植物中天然的生物活性分子作为还原剂和稳定剂，为纳米颗粒的制备提供了更安全、环保的途径。

尽管已有许多药用植物被用于银纳米颗粒的合成，但许多具有地域特色和民族药用价值的植物资源仍未得到充分探索。露兜树作为一种生长于南亚和东南亚沿海地区的盐生植物，在传统医学中已被用于抗炎、抗真菌和抗氧化治疗。初步研究表明其叶片含有生物碱、酚类、固醇等多种生物活性成分，但对其在纳米生物技术中的应用潜力尚未有系统研究。为此，来自孟加拉国纺织大学的研究团队在《Next Nanotechnology》上发表了最新研究成果，首次报道了利用露兜树叶片提取物绿色合成银纳米颗粒，并深入探究了其抗菌活性及分子水平的作用机制。

本研究采用多种关键技术方法开展系统研究。首先通过水提法制备露兜树叶片提取物，并在60°C条件下与1 mM AgNO₃溶液反应，利用阳光照射促进银离子还原。采用紫外-可见光谱监测纳米颗粒形成过程中的表面等离子共振现象，使用激光衍射粒度分析仪和透射电子显微镜表征纳米颗粒的尺寸分布和形貌特征。通过Kirby-Bauer孔洞扩散法评估银纳米颗粒对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性。尤为重要的是，研究还采用密度泛函理论计算，以没食子酸和D-葡萄糖为模型化合物，分析它们与Ag⁺的相互作用机制，包括自然键轨道分析、分子中的原子理论以及前沿分子轨道计算等。

3.1. UV–vis光谱分析银纳米颗粒

研究发现，当露兜树叶片提取物与硝酸银溶液混合后，溶液颜色由浅黄色逐渐变为深棕色，这是银纳米颗粒形成的典型特征。紫外-可见光谱在440 nm处出现明显的表面等离子共振吸收峰，证实了银纳米颗粒的成功合成。该吸收峰较为宽化，表明纳米颗粒的尺寸分布相对较宽，这与植物提取物中多种还原成分的共同作用有关。

3.2. 颗粒尺寸分布

激光衍射粒度分析显示，银纳米颗粒的平均粒径为0.12 μm，90%的颗粒小于0.14 μm，表明颗粒分布较为均匀。透射电子显微镜观察进一步证实，银纳米颗粒主要为球形，核心尺寸在20-25 nm之间。高倍镜下可见轻微团聚现象，这可能是由于提取物中有机物作为封端剂所致，但整体仍保持良好的分散性。与其他植物合成的银纳米颗粒相比，露兜树提取物制备的纳米颗粒尺寸适中，在生物相容性和稳定性之间取得了良好平衡。

3.3. 植物介导银纳米颗粒的抗菌活性分析

抗菌实验结果表明，银纳米颗粒对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）均表现出显著抑制作用，且呈浓度依赖性。在最高浓度0.1 mg/mL时，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为15 mm和12 mm。值得注意的是，尽管金黄色葡萄球菌具有较厚的肽聚糖层，但其对银纳米颗粒的敏感性反而高于大肠杆菌，这一现象可能与纳米颗粒表面封端的具体植物化学成分有关。与已有文献报道的其他植物合成银纳米颗粒相比，露兜树提取物制备的纳米颗粒在相对较低浓度下即表现出良好的抗菌效果，显示出其潜在的应用优势。

3.4. 计算分析

理论计算部分为理解银纳米颗粒的形成机制提供了分子水平的见解。振动光谱分析显示，没食子酸和葡萄糖与Ag⁺配位后，O-H伸缩振动和C=O伸缩振动均发生红移，表明氧原子参与了配位作用。在低频区域新出现的87-108 cm^-1振动模式被指认为Ag-O伸缩振动，直接证实了配位键的形成。

前沿分子轨道分析表明，没食子酸-Ag⁺复合物的HOMO-LUMO能隙（0.16 eV）小于葡萄糖-Ag⁺复合物（0.20 eV），说明没食子酸具有更强的电子给予能力。自然键轨道分析进一步揭示，没食子酸通过酚羟基和羧基氧原子的孤对电子向Ag⁺的空轨道捐赠电子，稳定化能达3.8 kcal·mol^-1，而葡萄糖的相应值仅为0.6 kcal·mol^-1。

分子中的原子理论分析显示，Ag-O键临界点处的电子密度为0.034-0.047 e/Bohr³，拉普拉斯值为正，总能量密度接近零，表明Ag-O相互作用属于具有部分共价特征的闭壳层配位键。结合能计算表明，两种复合物的形成均为自发过程，其中没食子酸-Ag⁺复合物表现出更强的结合能力。

综合实验和理论研究，作者提出了银纳米颗粒形成和稳定的四步机制：首先，植物化学分子通过氧原子与Ag⁺发生螯合，形成预成核复合物；随后，通过配位键稳定金属离子；接着，还原性基团（如酚羟基）将Ag⁺还原为Ag⁰；最后，未参与反应的植物化学分子通过表面配位作用，防止纳米颗粒团聚，实现稳定化。

本研究通过实验与理论计算相结合的方法，系统阐述了露兜树叶片提取物绿色合成银纳米颗粒的工艺条件、结构特征、抗菌活性及分子机制。研究结果不仅证实了露兜树作为一种新型、可持续的纳米材料合成资源的潜力，还为理解植物化学分子在纳米颗粒形成过程中的双重作用（还原和稳定）提供了理论依据。该工作为设计新型绿色合成路线、开发高效抗菌材料提供了重要参考，在生物医学、纺织抗菌处理和环境消毒等领域具有广阔的应用前景。特别值得一提的是，研究中采用的简化计算模型（1:1配位）虽然未能完全模拟实际体系中多配体、多金属离子的复杂相互作用，但为后续更深入的理论研究奠定了基础。未来通过引入更复杂的多体模型和显式溶剂环境，有望进一步揭示植物介导纳米合成的详细机制。