Cassia fistula树皮提取物介导的SnO?:V/rGO纳米复合材料的抗癌性能和光催化性能

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Anticancer and photocatalytic performance of Cassia fistula bark extract-mediated SnO 2:V/rGO nanocomposite

采用Cassia fistula树皮提取物合成的SnO?:V/rGO纳米复合材料，在光照60分钟内对阴离子（RB）和阳离子（MB）混合染料降解效率达96%和98%，优于单一组分。该材料通过XRD、FESEM等表征证实结构，且具有显著抗癌活性（IC50=39.77±0.05 μg/mL），展现出环境治理与医疗双重应用潜力。

　　

M. Varshini | K. Ravichandran | N. Muruganantham | R. Nepolean | K. Rangeetha | R. Manimekalai

物理系研究生与研究部，AVVM Sri Pushpam学院（自治学院）[隶属于Bharathidasan大学，Tiruchirappalli]，Poondi，Thanjavur 613 503，泰米尔纳德邦，印度

摘要

工业废水的净化是全球各国应优先考虑的问题之一，因为工业废水中含有有害的有机染料分子，会对人类和环境造成严重危害。本文采用简单的水热法合成了以Cassia fistula树皮提取物为载体的SnO₂:V/rGO纳米复合材料，并研究了其对含有阳离子（亚甲蓝-MB）和阴离子（罗丝红-RB）染料的混合废水的光催化效率。该纳米复合材料在光照60分钟后对亚甲蓝的降解效率达到了98%，对罗丝红的降解效率达到了96%，均优于其组成成分（SnO₂:V和rGO）。通过XRD、FESEM、EDAX、元素映射、FTIR、TEM、XPS和UV-vis-NIR光谱等多种分析技术验证了纳米复合材料的形成。同时，还研究了该纳米复合材料的细胞毒性及AO/EB染色效果，结果表明SnO₂:V/rGO纳米粉末能有效杀死乳腺癌（MCF-7）细胞，其IC₅₀值为39.77 ± 0.05 μg/mL。因此，这种利用Cassia fistula树皮提取物生物合成的环保型SnO₂:V/rGO纳米复合材料在染料降解和抗癌应用方面具有广阔前景。

引言

如今，由于众多工业和制药实验室向水体排放有害废物，清洁饮用水的短缺已成为一个主要问题。在许多发展中国家，纺织业是这种环境污染的主要来源。纺织制造商使用多种色彩鲜艳的合成染料，包括偶氮染料、直接染料、活性染料、媒染剂染料、酸性染料、碱性染料、分散染料和硫化染料，这些染料大多具有致癌性[1]。全球每年生产约7 × 10⁷吨染料，其中10,000吨被纺织业使用。纺织染料不易牢固地附着在织物上，因此未经处理或部分处理的含染料废水排放到湖泊、河流、溪流和池塘等水体中，会对生物造成严重的生态和毒性危害。因此，亟需开发一种环保、经济且简单的方法来去除这些有害染料。光催化作为一种有效的解决方案，已被证明能够几乎完全降解染料[2]。 半导体可以作为高效的光催化剂，吸收能量等于或高于带隙的光子，生成电子-空穴对，进而与污染物分子发生氧化还原反应，最终分解染料分子[3]。二氧化锡（SnO₂）是一种成本低廉、无毒且耐用的光催化剂，能有效降解废水中的有害染料。然而，由于其较宽的带隙（约3.6 eV），该半导体仅在紫外光范围内具有催化活性。通过添加离子态较高的掺杂剂，可以提高SnO₂的光催化性能[4]。这是因为电子在生成活性氧（ROS）过程中起着关键作用，而活性氧是光催化降解染料所必需的。为了提高SnO₂晶格中的载流子浓度，研究者添加了离子态为+5+的钒作为掺杂剂[5]。 在本研究中，将还原氧化石墨烯（rGO）这种碳基材料与SnO₂:V共同用作催化剂，以进一步增强光催化性能。 二维碳基材料（如rGO）通常可作为半导体光催化剂（如TiO₂、ZnO和SnO₂）的支撑层，促进载流子的传输，从而提高光催化活性[6]。此外，这种碳基二维层还能抑制载流子复合，进一步提升光催化性能[7]。 本研究使用Cassia fistula树皮提取物作为还原和稳定剂制备rGO，因为该提取物含有丰富的生物活性成分，如黄酮类、单宁和酚酸[8]。提取物中的植物化学物质向GO上的含氧官能团（环氧基、羟基和羧基）捐赠电子，使其转化为还原氧化石墨烯（rGO）[9]。同时，这些生物分子可吸附在rGO表面，改善rGO在水介质中的分散性。Cassia fistula树皮中的酚类化合物通过覆盖还原后的石墨烯颗粒并防止其聚集，有助于稳定新形成的rGO。 为了充分发挥所有材料（SnO₂、V和rGO）的优势，本研究使用Cassia fistula树皮提取物合成了SnO₂:V/rGO，并将其用作有效降解含有阳离子（MB）和阴离子（RB）染料的混合溶液的光催化剂。由于MB和RB染料在许多工业领域广泛应用，因此选择了这两种染料进行降解实验。此外，还研究了该纳米复合材料对乳腺癌MCF-7细胞的体外细胞毒性。结果表明，随着ROS生成的增加，细胞毒性呈剂量依赖性。为了区分存活细胞、早期凋亡细胞、晚期凋亡细胞和坏死细胞，还采用了AO/EB染色技术。 本研究的新颖之处在于实现了SnO₂晶格中V掺杂的协同作用以及还原氧化石墨烯（rGO）的紧密耦合，这是以往研究未曾实现的。与以往未系统优化掺杂过程或缺乏导电二维支撑层的SnO₂/rGO研究不同，所合成的SnO₂:V/rGO复合材料实现了带隙的协同调节、载流子传输的增强以及活性位点的增加，从而显著提升了光催化性能[10]、[11]、[12]。该纳米复合材料的双重功能得益于各组分之间的协同作用：V⁵⁺掺杂有助于更好的电荷分离[13]，rGO提高了光吸收能力[14]，而SnO₂则作为可靠的ROS生成剂[15]。这种通过经济环保工艺制备的纳米材料解决了两个重要的全球性问题：癌症治疗和水污染。其对癌细胞的细胞毒性为纳米医学带来了新机遇，其光催化活性可快速分解有害染料。我们认为，利用Cassia fistula树皮提取物合成的绿色SnO₂:V/rGO纳米复合材料在抗癌和环保应用方面具有巨大潜力。

材料

材料

分析级石墨粉、高锰酸钾、磷酸、硫酸、盐酸、过氧化氢（30%）、乙醇、氯化亚锡二水合物和氢氧化钠均购自Merck?和Sigma-Aldrich。Cassia fistula树皮采自泰米尔纳德邦Thanjavur的Nallavanniyan Kudikadu，树皮提取物在第一位作者的实验室中制备。整个实验使用去离子水（DI水）作为溶剂。

Cassia fistula树皮提取物的制备

XRD分析

X射线衍射（XRD）用于研究纳米材料的晶体性质、相组成和结构。图2显示了GO、rGO、SnO₂、SnO₂:V和SnO₂:V/rGO纳米复合材料的X射线衍射图谱。 对于GO，发现10.2°处有一个与(001)面相关的峰[22]。当使用Cassia fistula树皮提取物将GO还原为rGO时，在26.8°处出现了一个尖锐的强峰，对应于(002)面，同时其他峰消失。

结论

水热合成的Cassia fistula树皮提取物载体SnO₂:V/rGO纳米复合材料在60分钟光照时间内对亚甲蓝（98%）和罗丝红（96%）混合染料溶液具有显著的光催化降解效果，而其组成成分rGO（分别为79%和76%）和SnO₂:V（分别为89%和81%）的降解效果较低。这种改进的光催化性能可能归因于以下因素：

(i)

作者贡献声明

N. Muruganantham： 数据分析。 M. Varshini： 文稿撰写、方法设计、数据整理、概念构建。 K. Ravichandran： 文稿修订与编辑、可视化处理、结果验证。 R. Manimekalai： 可视化处理、结果验证、实验监督。 R. Nepolean： 数据分析。 K. Rangeetha： 数据分析。

未引用参考文献

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数据可用性声明

数据可应要求提供。

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的研究结果。