黄曲霉（Aspergillus flavus）介导的五氧化二铌（Niobium (V) oxide）纳米颗粒的绿色合成：结构与表面特性研究

《Nano-Structures & Nano-Objects》：Aspergillus flavus mediated green synthesis of niobium (V) oxide nanoparticles: Structural and surface characterization

　　

安杰利卡·里贝罗·索亚雷斯（Angélica Ribeiro Soares）、加布里埃尔·德·奥利维拉·罗德里格斯（Gabriel de Oliveira Rodrigues）、乔瓦尼·帕沃斯基（Giovani Pavoski）、卢西亚娜·吉梅内斯·詹德利（Luciana Gimenes Jandelli）、丹尼斯·克罗切·罗马诺·埃斯皮诺萨（Denise Crocce Romano Espinosa）、豪尔赫·阿尔贝托·索亚雷斯·特诺里奥（Jorge Alberto Soares Tenório）、马塞拉·多斯帕索斯·加卢齐·巴尔塔扎尔（Marcela dos Passos Galluzzi Baltazar）

巴西圣保罗大学理工学院化学工程系，湖路250号，邮编05508-080

摘要

由于采用环保的方法避免使用有害化学物质，生产纳米粒子的绿色合成技术在全球范围内受到了越来越多的关注。真菌在这一过程中特别有用，因为它们能产生作为天然还原剂和稳定剂的代谢化合物和蛋白质。虽然铌纳米粒子主要通过化学合成方法制备用于各种高科技领域，但最近的研究开始转向生物生成方法。本研究旨在利用黄曲霉（Aspergillus flavus）真菌来制备铌氧化物纳米粒子。通过ATR-FTIR光谱、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、扫描电子显微镜结合能量分散X射线光谱（SEM-EDX）、粒度分析、ζ电位测量以及BET方法对纳米粒子进行了全面分析。此外，还研究了煅烧对纳米粒子样品的影响，并进一步通过XRD进行了分析。结果表明纳米粒子表面存在有机化合物，这表明它们可能具有包覆作用。这一发现通过SEM-EDX分析得到了进一步证实。据目前所知，这是首次报道利用真菌生物合成铌纳米粒子的案例。这种生物驱动的方法提供了一种低影响的纳米材料生产方式，具有在催化、生物医学技术以及支持可持续工程解决方案和资源高效利用领域的应用潜力。

引言

要推进可持续的纳米技术发展，需要摒弃传统的合成方法，转而采用环保且经济可行的替代方案。同时，传统的化学和物理方法已经成功制备了多种功能性纳米材料。然而，这些方法对能源（如煅烧）和有害试剂（如肼）的依赖引发了安全、废物产生和运营成本方面的担忧。作为回应，绿色合成技术应运而生，旨在使材料制备符合可持续性的原则[1],[2],[3]。其中最有前景的策略之一是利用生物系统，特别是微生物，作为天然的、高效的纳米工厂。

在这种情况下，真菌成为生物合成纳米粒子的有力平台。它们广泛的代谢能力使它们能够分泌多种酶、蛋白质和次级代谢产物，这些物质既可作为还原剂，也可作为包覆配体，从而促进具有可控性能的纳米粒子在细胞外的合成[4],[5],[6]。这种由真菌介导的方法不仅消除了对有害化学物质的需求，还为研究纳米-生物界面的复杂相互作用提供了宝贵途径，有助于推动纳米生物技术的发展。然而，这种生物方法的应用主要集中在锌、银和金等少数金属上，对于其他具有战略重要性的元素而言，其潜力尚未得到充分探索[7],[8],[9]。

铌因其独特的性质（如耐腐蚀性、高介电常数和催化活性[10],[11],[12]）而备受重视。这些特性使其氧化物在电子、光催化和生物医学应用中具有广泛应用前景。目前，铌纳米材料的制备仍然依赖于传统的化学方法[13],[14],[15],[16]。这些方法通常使用五氯化铌（NbCl₅）等前体，这些前体与水分反应会产生有毒的氯化氢（HCl）气体。此外，合成过程通常需要在超过500°C的温度下进行煅烧以达到所需的结晶度。尽管已有报道指出尝试通过生物方法合成铌纳米粒子[17],[18]，但这一领域仍有很大的研究空间。特别是，关于利用真菌（考虑其可扩展性和细胞外生化过程）合成铌氧化物纳米粒子的应用，在科学文献中尚未有相关记载。

本研究首次报道了利用黄曲霉真菌生物合成铌氧化物纳米粒子的成果，展示了该微生物系统如何将前体转化为稳定的纳米级氧化物，同时避免了有害化学物质和稳定剂的的使用。研究通过对纳米粒子的结构、形态和表面性质进行了全面的多技术分析，还探究了生物分子在稳定这些纳米粒子中的作用，并研究了煅烧后发生的结构变化。这项工作为未来生物生成铌纳米材料在可持续技术应用中的研究和开发奠定了基础。

节选内容

本研究使用了从巴西一个矿场获得的黄曲霉（图1）。真菌分离株采用卡斯特拉尼技术（Castellani technique）在回收、废物处理和提取实验室（LAREX）中保存。通过核苷酸序列分析确认了其身份，并将相关序列存入GenBank数据库（NCBI），编号为PX714882。实验前，这些真菌在马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）上培养。

ATR-FTIR分析揭示了黄曲霉合成的铌氧化物纳米粒子中官能团之间的相互作用（图2）。将生物合成材料、水溶性真菌滤液和对照沉淀物进行比较，证明了表面官能化的生物作用。数据证实了蛋白质衍生官能团作为包覆剂的存在，从而覆盖并稳定了纳米粒子。FTIR光谱显示了...

本研究首次报道了利用黄曲霉细胞外代谢产物生物合成铌氧化物纳米粒子的过程，表明生物来源的分子参与了在碱性条件下形成的Nb₂O₅表面的官能化和稳定化，而不仅仅作为沉淀过程的驱动因素。对照实验表明，仅靠碱性水解即可形成氧化物，而真菌代谢产物是必需的...

马塞拉·多斯帕索斯·加卢齐·巴尔塔扎尔（Marcela dos Passos Galluzzi Baltazar）：撰写、审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源获取、数据分析、概念化。丹尼斯·克罗切·罗马诺·埃斯皮诺萨（Denise Crocce Romano Espinosa）：撰写、审稿与编辑、资源获取、数据分析、概念化。豪尔赫·阿尔贝托·索亚雷斯·特诺里奥（Jorge Alberto Soares Tenório）：撰写、审稿与编辑、资源获取、数据分析、概念化。乔瓦尼·帕沃斯基（Giovani Pavoski）：撰写、审稿与编辑、数据分析。

作者感谢圣保罗研究基金会（FAPESP，项目编号2019/11866–5）、巴西国家科学技术发展委员会（CNPq/MCTI，项目编号23/2022 - InovaNióbio（编号408422/2022–0）、CNPq/MCTI编号10/2023 – Universal 404286/2023–2 - “从二次来源回收铌的生物湿法冶金”以及巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）的财政支持。

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。