从Padina gymnospora合成的生物源氧化铁纳米颗粒：植物化学筛选、形态学表征及热稳定性研究

《Next Nanotechnology》：Biogenic iron oxide nanoparticles synthesized from Padina gymnospora: Phytochemical screening, morphological characterization, and thermal stability

　　拉吉夫·佩里亚卡鲁潘（Rajiv Periakaruppan）|拉贾鲁纳查拉姆·卡南（Rajaarunachalam Kannan）|乔瓦瓦尔·安东尼·马丁（Joaval Antony Martin）|达努斯里·巴布（Danusree Babu）|卡鲁甘·塞尔瓦拉杰·维贾伊·塞尔瓦拉杰（Karungan Selvaraj）
印度泰米尔纳德邦哥印拜陀PSG文理学院生物技术系，邮编641014

**摘要**
纳米颗粒的化学合成通常涉及使用有毒化学物质，对环境构成污染威胁。绿色合成方法则利用植物、微生物和动物等生物体来制备纳米颗粒。利用活细胞制造纳米颗粒可以拓展其应用范围，并有助于维护可持续发展的环境。本研究描述了利用P. gymnospora（漏斗草）的水提取物合成氧化铁纳米颗粒的过程。所合成的氧化铁纳米颗粒通过紫外-可见光谱（UV–visible spectroscopy）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和植物化学分析等方法进行了表征。XRD和SEM分析显示，这些纳米颗粒的尺寸为10–25纳米，呈花瓣状。EDX分析证实了氧化铁颗粒中含有铁、碳和氧元素。FTIR分析还检测到了金属氧化物的官能团。热重分析（TGA）结果显示，这些纳米颗粒的总重量损失为30.8%。因此，这些纳米颗粒可用于生物医学领域，如药物输送、成像、热疗，以及环境和催化应用。

**1. 引言**
在当今时代，绿色合成纳米颗粒方法更具优势，因为其失败概率低、成本较低且维护需求少[1]、[2]、[3]、[4]。相比化学和物理方法，利用酶、微生物和植物合成纳米颗粒的方法更为普遍。基于植物的纳米颗粒合成方法具有显著优势，因为它消除了有害化学物质带来的毒性[5]。铁是最常见的过渡金属之一，也是地球上第四大丰富的元素。氧化铁纳米颗粒具有无毒、高磁性的特点，同时具备较大的表面积和高导热性以及尺寸稳定性[6]。这类颗粒被称为磁性纳米颗粒，因其磁性而在生物学、医学、制药和自旋电子学等领域得到广泛应用[7]。由于氧化铁普遍存在且价格较低，它在地质过程中也起着重要作用。氧化铁常用于制造热剂、耐久性颜料（如油漆、彩色混凝土和涂层）及催化剂。常见的氧化铁形式有赤铁矿（α-Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）和磁铁矿（γ-Fe2O3）[8]。氧化铁纳米颗粒具有超顺磁性，这种性质使其在体内可用于组织修复、生物液体解毒、热疗和药物输送[9]。它们在诊断和治疗方面也有应用，例如磁共振成像、肝脏、炎症和血管组织的检测。此外，它们还用于癌症治疗、巨噬细胞极化、磁流体低温疗法以及贫血患者的铁补充[10]。聚合物辅助的生物制造方法能够实现药物在目标部位的持续释放，因其具有良好的生物相容性[11]。纳米级氧化铁还被广泛用作废水处理中的吸附剂、颜料、涂层材料以及磁记录设备和离子交换磁数据存储装置[12]。Piro等人使用Rhus coriaria提取物成功制备了磁铁矿（Fe?O?）纳米颗粒[13]。

**2. 材料与方法**
2.1. **P. gymnospora的采集与化学试剂**
P. gymnospora（图1）采集自印度泰米尔纳德邦曼达帕姆（Mandapam）东北海域的R. K. Algae Centre。实验中使用的化学试剂购自Sigma-Aldrich Chemicals公司。纯度为99.5%、分子量为278.02的FeSO4·7H2O（HIMEDIA）被用于氧化铁纳米颗粒的合成。

2.2. **P. gymnospora水提取物的制备**
将P. gymnospora用自来水和蒸馏水清洗后，取5克样品，用研钵和杵研磨并与100毫升蒸馏水混合，然后在90°C下煮沸10分钟。过滤后的提取物储存在4°C的无菌容器中以备后续研究[22]。该提取物用于分析生物碱、单宁、酚类、黄酮类、皂苷、萜类、甾醇、木质素、挥发油、香豆素、碳水化合物、喹啉、蛋白质、花青素和心苷等植物化学成分。

2.3. **氧化铁纳米颗粒的合成**
将2.7克FeSO4·7H2O加入100毫升蒸馏水中，再加入等体积的P. gymnospora水提取物和硫酸亚铁溶液，搅拌混合。在90°C下以400转/分钟的转速磁力搅拌器中搅拌2小时，调节混合液的pH值至9。混合物颜色从浅棕色变为棕黑色后进行离心，收集沉淀物并重新悬浮于蒸馏水中，重复此过程两次以获得澄清的颗粒。将沉淀物在80°C的热风干燥箱中干燥15分钟，得到棕黑色粉末，随后储存在无菌容器中备用（图2）。

2.4. **氧化铁纳米颗粒的表征**
将纳米颗粒粉末溶于去离子水（100毫克/毫升）中，用紫外-可见光谱仪在200–800纳米范围内进行扫描。通过傅里叶变换红外光谱分析纳米颗粒的官能团。使用KBr压片法对P. gymnospora提取物和FeO-NPs混合物在400–4000厘米^-1波长范围内进行光谱分析。通过X射线衍射仪（XRD）研究纳米颗粒的晶体结构，样品置于样品架中，在20°至80°的2θ角度下以1°/分钟的扫描速度进行分析。利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）观察纳米颗粒的形态。

**3. 结果与讨论**
3.1 **植物化学成分分析**
定性分析显示，P. gymnospora水提取物中含有蒽醌、碳水化合物和心苷（表1），但未检出生物碱、单宁、酚类、黄酮类、皂苷、甾醇、木质素、挥发油、香豆素、喹啉和蛋白质[23]。

3.2 **紫外-可见光谱分析**
紫外-可见光谱用于分析绿色合成氧化铁纳米颗粒的吸收光谱，在280纳米处出现明显峰值（图3）。计算得到氧化铁纳米颗粒的带隙能为1.75电子伏特（图4）。Ahmad等人也报告了Glycyrrhiza glabra介导的氧化铁纳米颗粒在280纳米处有类似峰值[24]。

3.3 **傅里叶变换红外光谱分析**
傅里叶变换红外光谱用于检测合成过程中纳米颗粒的官能团变化。Fe2O3纳米颗粒在3942、725、540和478厘米^-1处显示出伸缩振动峰，证实了其氧化铁性质[5A]。Ullah等人研究了Platanus orientalis介导的氧化铁纳米颗粒，在663、462和426厘米^-1处也有相应峰[25]。Chenopodium album介导的氧化铁纳米颗粒在624、526和450厘米^-1处也有峰[26]。

3.4 **X射线衍射分析**
X射线衍射图谱表明纳米颗粒具有结晶性（图6）。P. gymnospora介导的氧化铁纳米颗粒的晶粒尺寸为24.37纳米（Scherer公式：D = kλ/Bcos θ，其中k为Scherer常数，B为半高宽，λ为X射线波长，θ为布拉格角）。

**结论**
本研究创新之处在于采用P. gymnospora的水提取物作为氧化铁纳米颗粒合成的包覆和稳定剂。同样，使用含羞草（Mimosa pudica）合成了氧化铁纳米颗粒，通过XRD光谱发现其具有正交结构，其晶面分别位于（202）、（132）、（322）、（016）和（151）[30]。下载：下载高分辨率图片（72KB）下载：下载全尺寸图片图6. 由P. gymnospora介导的氧化铁纳米颗粒的XRD光谱。4.4. SEM分析图7a和b显示，合成的纳米颗粒分布均匀并表现出聚集现象。这些纳米颗粒的形状被确定为纳米花瓣状。同样，Abdullah等人[31]观察到使用Phoenix dactylifera叶提取物合成的氧化铁纳米颗粒具有类似花朵的特征。Devi等人[25]通过SEM分析描述了使用Platanus orientalis合成的氧化铁纳米颗粒具有粗糙表面和空腔状结构。下载：下载高分辨率图片（464KB）下载：下载全尺寸图片图7. a和b。P. gymnospora介导的氧化铁纳米颗粒的FESEM图像——观察到了纳米花瓣形状。4.5. EDX分析使用能量色散X射线光谱（EDX）分析了合成的氧化铁纳米颗粒的成分。图8显示了氧化铁纳米颗粒中含有铁（Fe- 40.83%）、氧（O- 33.50%）和碳（C- 25.67%）等元素。Demirezen等人[32]之前的研究也证实了铁（Fe）、氯（Cl）、钾（K）和氧（O）等元素的存在。使用Ceratonia siliqua合成的Psidium guajava-氧化铁纳米颗粒含有铁（Fe）和氧（O）等元素[28]。表2对比了本研究与基于Azadirachta indica油的氧化铁纳米颗粒。下载：下载高分辨率图片（213KB）下载：下载全尺寸图片图8. P. gymnospora介导的氧化铁纳米颗粒的EDX分析——观察到铁、氧和碳的存在。表2. Padina gymnospora介导的氧化铁纳米颗粒与基于Azadirachta indica油的氧化铁纳米颗粒的比较。属性Padina gymnospora介导的氧化铁纳米颗粒基于Azadirachta indica油的氧化铁纳米颗粒[33]尺寸10–25 nm21–29 nm形状纳米花瓣球形晶体晶体元素组成40.83% Fe, 33.50% O 和 25.67% C71.5% Fe 和 25.1% O4.6. TGA分析图9展示了使用P. gymnospora合成的Fe2O3的TGA曲线。结果显示，在30°C至800°C的温度范围内存在两个重量损失阶段。第一个重量损失阶段发生在100°C至480°C之间，损失了12.9%，主要是有机溶剂、水和残留溶剂的去除。第二个重量损失阶段发生在480°C至900°C之间，主要是由于生物分子的消除。氧化铁纳米颗粒的总重量损失为30.8%。同样，使用Carica papaya叶提取物合成的氧化铁纳米颗粒也观察到了三个重量损失阶段。Bhuiyan等人[34]报告称，使用C. papaya叶提取物合成的氧化铁纳米颗粒的第一阶段重量损失为24.38%，最后两个阶段重量损失为34.43%。Pati?o-Ruiz等人[35]进行的TGA分析表明，使用Cymbopogon citratus合成的氧化铁纳米颗粒的重量损失约为17%。下载：下载高分辨率图片（134KB）下载：下载全尺寸图片图9. P. gymnospora介导的氧化铁纳米颗粒的TG分析——观察到30.8%的重量损失。5. 结论本研究展示了使用P. gymnospora的水提取物通过可持续且经济有效的方法合成氧化铁纳米颗粒。P. gymnospora介导的氧化铁纳米颗粒的尺寸范围为10–25 nm，其形状为纳米花瓣状。FTIR分析证实了氧化铁纳米颗粒中存在金属氧化物基团。TGA揭示了合成氧化铁纳米颗粒的热稳定性。氧化铁纳米颗粒可以应用于生物医学、农业和纺织等行业。P. gymnospora提取物介导的氧化铁纳米颗粒可以用作生物治疗剂、催化剂、染料还原剂或重金属去除剂。进一步研究Padina gymnospora提取物介导的氧化铁纳米颗粒的抗菌、抗氧化和抗炎特性可以确定其作为治疗剂的潜力。伦理标准不适用CRedI作者贡献声明Rajiv Periakaruppan：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理。Danusree Babu：数据整理。Karungan Selvaraj Vijai Selvaraj：数据整理。Rajaarunachalam Kannan：撰写——初稿、研究。Joaval Antony Martin：数据整理。伦理批准不适用涉及人类参与者和/或动物的研究不适用知情同意不适用参与同意不适用出版同意不适用资助作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。