由Cladonia rangiformis介导的Ag–ZnO纳米复合材料的生物合成过程，该复合材料具有优异的电化学性能，适用于染料传感应用

《Microchemical Journal》：Cladonia rangiformis-mediated biosynthesis of ag–ZnO nanocomposites with enhanced electrochemical performance for dye sensing applications

本研究首次利用Cladonia rangiformis地衣提取物绿色合成Ag-ZnO纳米复合材料，并成功应用于Remazol Brilliant Blue R（RBBR）的高灵敏度电化学检测，展现出优异的电化学性能和抗干扰能力。

　　

Melike Pekin Turan | Zekiye Kocakaya | Dilek Eskik?y Bayraktepe | Kamran Polat | Zehra Yazan

安卡拉大学，理学院，化学系，土耳其安卡拉

摘要

本文首次报道了一种利用Cladonia rangiformis地衣提取物制备Ag–ZnO纳米复合材料的新型绿色方法，并将其应用于Remazol Brilliant Blue R (RBBR)的灵敏电化学检测中。这种生物合成方法制备出了具有良好分散性的准球形纳米结构，这些纳米结构具有优异的电子迁移率和改善的界面电荷转移特性。通过UV–Vis、FTIR、XRD、SEM/TEM、DLS、zeta电位、EDX和TGA等手段进行的全面物理化学表征证实了该纳米复合材料的成功制备及其稳定性。

利用Cladonia衍生的Ag–ZnO材料对铅笔石墨电极进行了改性，从而开发出一种对Remazol Brilliant Blue R (RBBR)具有高响应性的电化学传感器。与裸电极相比，该传感器的电子转移动力学显著增强，电荷转移阻力明显降低。差分脉冲伏安法能够实现RBBR的超灵敏检测，检测限低至0.0059 μM，并具有较宽的线性动态范围。

计量学评估显示该方法具有出色的精确度、重复性、短期信号稳定性以及较强的抗常见离子干扰能力。实际地表水分析的结果表明回收率超过98%，进一步验证了该方法的可靠性和实用性。生物合成技术与高分析性能的结合为监测环境持久性染料提供了一种新的可持续测量平台。

引言

纳米技术是一个快速发展领域，其科学和技术应用旨在在纳米尺度上创造新材料[1]。构成纳米技术的材料是直径在1到100纳米之间的纳米颗粒(NPs)[2]。如今，纳米颗粒被广泛应用于生物医学、药物递送和催化等多个领域[3]。纳米颗粒的合成方法主要有两种：自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）[4]。自上而下的方法采用化学或机械手段将颗粒缩小到所需尺寸，例如粉碎、研磨和气相沉积。相比之下，自下而上的方法更为有效且被广泛接受，这些方法通过形成核来结合小原子、分子或纳米颗粒[5]、[6]、[7]。 由于物理（如蒸发-冷凝、激光烧蚀、微波辐射、紫外线辐射、超声波场等）和化学（如氧化还原系统、微乳液法、电化学合成法等）技术在制备所需尺寸的纳米颗粒时存在局限性——包括过程耗时较长、颗粒稳定性差以及成本高昂等问题，因此需要新的方法。在探索新方法的过程中，研究人员从生物体中汲取灵感，利用其结构来研究无机物质的制备[8]。由此产生了“绿色纳米技术（生物合成）”的概念，这是一种极其重要的方法，它能够最小化废物产生，产生几乎无毒或无毒的产品，实现资源的高效利用，减少有害溶剂和稳定剂的使用，并降低化学物质使用带来的风险[5]。在纳米技术中，生物合成指的是利用植物提取物、微生物（如细菌、真菌、酵母、藻类和病毒）或化学化合物来制备纳米颗粒。地衣通过与金属离子（包括铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铁(Fe)、锌(Zn)、镍(Ni)和钴(Co)等相互作用来生成纳米颗粒，从而利用其天然的生物化学过程实现环保的纳米颗粒合成[9]、[10]。 地衣是真菌和藻类的共生体[11]，在生物技术和环境应用方面越来越受到关注[12]、[13]。特别是地衣通过生物吸附能力隔离和还原金属离子的能力，在绿色化学领域具有显著优势[14]。地衣衍生的生物化学成分，尤其是多糖、酚类化合物和次级代谢物，通过还原和稳定金属离子促进了纳米颗粒的合成。凭借这些特性，基于地衣的纳米颗粒在环保、低成本和高效率生产方面具有优势[9]。 文献表明，利用不同种类的地衣成功制备出了纳米颗粒，并且它们的抗菌、催化和电化学性能得到了提升[13]、[14]。在这方面，通过地衣生物合成制备的金属纳米颗粒为可持续、创新的材料生产提供了一种重要的替代方案。 蒽醌类染料源自蒽和醌，广泛用于纺织品、食品、塑料、纸张、橡胶和化妆品[15]。Remazol Brilliant Blue R属于蒽醌类染料，因其能够为织物赋予永久的蓝色而受到青睐。然而，这类酸性染料具有致癌和致突变性，对水生生态系统及生物体构成威胁[16]、[17]。已有研究表明某些染料对人体大脑、中枢神经系统、肝脏、肾脏和生殖系统具有致癌作用[18]。开发灵敏且准确的分析方法对于定量测定这些化合物至关重要。此类方法也有助于阐明蒽醌类染料的致突变及其他生物活性。研究蒽醌类化合物的电化学性质有助于更好地理解其氧化还原机制。 文献中采用了多种分析方法（包括UV–vis光谱法[19]、高效液相色谱法(HPLC)[20]和电化学方法[21]）来检测有毒染料。其中，电化学方法因具有低检测限、高灵敏度和成本效益以及快速分析能力而受到越来越多的关注。特别是针对合成染料开发的电化学传感策略表明，纳米结构化的传感界面显著提升了分析灵敏度，并为染料氧化过程提供了宝贵的见解[22]。同时，采用纳米结构化材料的电分析平台的发展表明，这种结构显著增强了电极界面处的信号放大和电子转移效率[23]。据我们所知，目前尚未有关于RBBR染料测定及其电化学氧化机制的电化学研究。因此，本研究重点探讨了利用地衣提取物通过绿色合成途径制备Clad-Ag–ZnO纳米复合材料，并将其作为电化学传感界面用于Remazol Brilliant Blue R (RBBR)的分析。传感平台的设计基于Ag和ZnO之间的协同作用：Ag增强了导电性并加速了电子转移，而ZnO提供了高的表面反应性和吸附能力。先前的研究已证实，无论是通过将Ag掺入ZnO晶格还是通过Ag?O/ZnO杂化纳米复合结构，Ag–ZnO体系都能显著提升性能[24]、[25]、[26]。所制备的Clad-Ag–ZnO纳米复合材料被用于RBBR的灵敏电化学检测。此外，以往的研究主要报道了使用金刚石基电极对RBBR的电化学氧化或降解行为，但缺乏详细的电子-质子转移分析[27]、[28]；而本研究则基于电子转移数测定、pH依赖性动力学以及使用Clad Ag–ZnO改性的铅笔石墨电极进行的质子耦合电子转移建模，提出了RBBR的全面伏安氧化机制。

试剂和设备

分析级RBBR (C??H??N?Na?O??S?)、壳聚糖、乙酸(CH?COOH)、氢氧化钠(NaOH)、氯化钠(NaCl)、磷酸(H?PO?)、硼酸(H?BO?)、亚铁氰化钾(K?Fe(CN)?)和铁氰化钾(K?Fe(CN)?)以及中等纯度的壳聚糖均购自Sigma Aldrich公司。用于制备Ag-ZnO纳米颗粒的99%纯硝酸银(AgNO?)和98%纯六水合硝酸锌(Zn(NO?)?·6H?O也购自Sigma Aldrich公司。

Cladonia rangiformis在生物合成中的还原作用

Cladonia rangiformis因其丰富的次级代谢物而被广泛认为是制备绿色纳米材料的理想生物基质。这种地衣主要含有atranorin和rangiformic酸等化合物，在某些情况下还可能含有fumarprotocetraric酸[29]。根据现有文献，这些次级代谢物含有参与金属离子还原和纳米颗粒稳定的氧化还原活性功能基团。

结论

本研究成功开发了一种利用Cladonia rangiformis地衣提取物制备Ag–ZnO纳米颗粒的绿色可持续方法。所得纳米复合材料呈球形、稳定性高且结晶度好，在应用于铅笔石墨电极时表现出优异的电子转移性能。Clad-Ag-ZnO/PGE传感器具有出色的电化学性能，检测限低至0.0059 μM，灵敏度高。

CRediT作者贡献声明

Melike Pekin Turan：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据整理。 Zekiye Kocakaya：撰写与编辑、软件开发、方法设计、数据整理。 Dilek Eskik?y Bayraktepe：撰写与编辑、方法设计、实验研究、数据整理。 Kamran Polat：撰写与编辑、实验研究、数据整理。 Zehra Yazan：撰写与编辑、指导工作、实验研究、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢安卡拉大学研究基金（项目编号：FDK-2022-2501）提供的财务支持。本研究还得到了TUBITAK科学家支持计划局(BIDEB) 2211-国内研究生奖学金计划的支持。