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本研究采用 methanolic Azima tetracantha 叶提取物通过响应面法优化合成 ZnO 纳米颗粒，探究其抗氧化、抗癌及染料降解性能，并评估生态毒性。摘要
作者名单：Tanguturu Chandraiah、Nirmala Devi Ediga、Renuka Gudepu、Vikram Godishala、Umme Thayyiba Khatoon、Umme Thahira Khatoon、Aditya Velidandi
印度安得拉邦蒂鲁帕蒂市Sri Venkateswara工程学院（自治学院）化学系，邮编517507
摘要
本研究利用甲醇提取的Azima tetracantha叶片提取物，通过响应面方法优化了氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）的绿色合成工艺。在最佳条件下（0.187 M醋酸锌、1.999%的提取物浓度比、pH 10.83、89.99°C），合成的ZnO NPs呈现出棒状形态（直径61.68 nm，多分散指数0.325），具有较高的稳定性（ζ电位为-28.88 mV）。抗氧化实验（DPPH和ABTS）显示其具有显著的抗氧化活性（IC50约为47.89至51.66 μg/mL），与抗坏血酸相当。针对K562、HeLa和A549细胞系的抗癌研究表明，这些纳米颗粒具有剂量依赖性的细胞毒性（IC50为44.99至61.52 μg/mL），同时对非癌细胞MCF-10A的选择性较高（IC50大于100 μg/mL）。生态毒性测试表明，这些纳米颗粒对Artemia salina具有时间依赖性的影响（LC50为88.95 μg/mL，作用时间为24小时）。此外，30 μg的ZnO NPs在7分钟、9分钟和10分钟内分别能高效降解甲基红、甲基橙和伊红黄染料，其降解速率常数分别为0.5541、0.3261和0.3261 min^-1。本研究证实了生物合成ZnO NPs在生物医学和环境应用中的多功能潜力。
引言
随着绿色化学的发展，纳米颗粒（NPs）的合成方法经历了重大变革[1]。传统上依赖有毒试剂、高能耗和有害副产物的物理和化学方法已被摒弃[1][2][3]，取而代之的是更加环保和可持续的方法，这些方法利用植物提取物、真菌和细菌作为还原剂和稳定剂[4]。在各种纳米材料中，氧化锌（ZnO）纳米颗粒因其独特的光学、电学和催化性能以及良好的生物相容性和低毒性而受到广泛关注[5][6][7]。
ZnO纳米颗粒的独特之处在于其内在的多功能性：在紫外光下表现出强烈的催化活性，同时具备出色的生物相容性和生物安全性[8]。这种特性在其他金属氧化物（如二氧化钛或氧化铜）中较为罕见[9][10][11]。此外，ZnO纳米颗粒具有宽禁带（约3.37 eV）和高激子结合能（60 meV），这使得它们在室温下能够高效发光并发挥催化作用[12][13]。这些特性加上它们有效生成活性氧的能力，使得ZnO纳米颗粒能够在单一绿色合成体系中同时用于生物医学应用（如抗癌治疗）和环境治理（如染料降解）[15]。绿色合成ZnO纳米颗粒不仅符合可持续发展的原则，还能通过添加植物化学物质进一步提升其生物活性[16]，从而扩展其在生物医学和环境领域的应用[17][18][19][20]。本研究选择传统上用于药用的Azima tetracantha作为生物合成源，因为该植物含有丰富的生物活性次生代谢物，如生物碱、黄酮类和皂苷[21][22]。这些成分既能作为还原剂将锌离子还原为零价状态，又能作为包覆剂提高纳米颗粒的胶体稳定性并防止聚集[23][24]。这种植物提取物的使用代表了一种新颖且尚未充分探索的纳米颗粒合成方法，有望实现环保的一步法工艺[22]。此外，该植物的药理特性可能进一步增强合成ZnO纳米颗粒的生物功能[21][26][27]。因此，使用甲醇提取的A. tetracantha叶片提取物（Met. ATLE）在开发具有双重用途的纳米颗粒方面具有战略优势。
然而，纳米颗粒的生物合成过程本身较为复杂，因为它们的最终物理化学性质（如大小、形状、结晶度和表面电荷）受到众多相互依赖的过程参数的影响[28][29]。关键变量包括前体浓度、提取物体积、反应pH值、温度和孵育时间，这些因素共同决定了纳米颗粒的形成、生长和稳定过程[30][31]。为了高效地应对这些多变因素并获得具有最佳和可重复性质的纳米颗粒，系统的优化策略至关重要。在此背景下，响应面方法（RSM）结合中心复合设计（CCD）成为一种强大的统计工具[32][33]。该方法能够对过程变量之间的复杂相互作用进行建模和分析，从而以最少的实验次数确定最佳合成条件。
绿色合成的ZnO纳米颗粒的多功能性使其成为广泛应用的有希望的候选材料[8]。它们的抗氧化能力有助于清除自由基，对于缓解氧化应激相关疾病具有重要意义[34]。同时，它们对癌细胞的选择性毒性以及对非癌细胞的低毒性凸显了其在抗癌治疗中的潜力[35]。除了生物医学领域，ZnO纳米颗粒的强催化活性还可用于降解工业废水中的持久性有机污染物，从而解决关键的环境问题[36][37]。综合考虑这些多种功能（抗氧化、抗癌和染料降解）以及生态毒性评估，可以全面了解其适用性和安全性。
根据现有文献，尚未有关于使用A. tetracantha叶片合成ZnO纳米颗粒及其生物和染料降解特性的研究。因此，本研究旨在建立使用Met. ATLE进行ZnO纳米颗粒一步绿色合成的综合框架。研究目标包括：（i）利用RSM-CCD系统优化合成参数；（ii）详细表征纳米颗粒；（iii）进行体外抗氧化和抗癌活性评估；（iv）初步进行生态毒性测试以评估其环境安全性；（v）研究纳米颗粒在硼氢化钠（SBH，一种还原剂）存在下的染料降解效率。通过这项多方面的研究，本文旨在展示绿色合成与精确优化相结合的成功案例，从而合成出在生物医学和环境治理领域具有广泛应用潜力的ZnO纳米颗粒。
实验设计与数据
所有试剂和0.22 μm聚偏二氟乙烯注射器过滤器均购自HiMedia Laboratories Pvt. Ltd.（印度），纯度高于99%。实验使用蒸馏水（pH值介于6.6至7.4之间）。根据需要，通过加入1 M NaOH或1 N HCl调节溶液的pH值。储备溶液及后续稀释液均使用蒸馏水配制。
植物采集
2025年9月在印度特伦甘纳邦海得拉巴收集了A. tetracantha的叶片。
实验设计与响应数据
从CCD获得的实验数据汇总在表S1中。这些数据为构建二次响应面模型提供了基础。设计点间的变化反映了过程参数对纳米颗粒形成和性质的影响，后续通过响应面分析和统计分析进一步验证了这些影响。
2D和3D响应面图的分析
图1. 展示了醋酸锌浓度联合效应的交互图
结论
本研究成功利用传统上未被用于ZnO纳米颗粒合成的Azima tetracantha植物，实现了ZnO纳米颗粒的一步绿色合成。响应面方法的集成使得合成参数得到精确优化，最终获得了具有理想物理化学性质的纳米颗粒：棒状形态、纳米级尺寸、高结晶度和良好的胶体稳定性。这些植物化学物质包覆的纳米颗粒表现出接近抗坏血酸的显著抗氧化活性。
作者贡献声明
Tanguturu Chandraiah：负责撰写初稿、方法设计、数据整理和概念构建。Nirmala Devi Ediga：负责数据可视化、实验分析和结果整理。Renuka Gudepu：负责数据可视化、实验分析和结果整理。Vikram Godishala：负责数据可视化、实验分析和结果整理。Umme Thayyiba Khatoon：负责结果整理、文本修订和初稿撰写。Umme Thahira Khatoon：负责文本修订和初稿撰写。Aditya Velidandi：负责文本审阅。
参与同意书
不适用。
出版同意书
不适用。
伦理批准
不适用。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，作者使用了Grammarly工具来提高文章的可读性和句子结构。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容承担全部责任。
资助信息
不适用。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
无。
Tanguturu Chandraiah是蒂鲁帕蒂Sri Venkateswara工程学院的化学教授，拥有化学博士学位。他的研究方向包括热力学、环境化学和土壤科学，已在同行评审期刊上发表多篇论文，主要贡献在于理解化学混合物中的分子相互作用以及分析环境样品中的有毒污染物。
