一种制备具有抗菌活性的NiO/Cu2O纳米花的简单方法

《Next Nanotechnology》：A facile method to prepare NiO/Cu2O nanoflowers with antibacterial activity

　　拉赫玛·阿洛拜迪（Rahma Alobaidi）| 蒙塔德赫尔·I·拉赫玛（Muntadher I. Rahmah）
伊拉克巴格达工业大学

**摘要**
本文介绍了一种简单的共沉淀方法，用于制备NiO/Cu?O纳米花，该方法使用聚维酮（PVP）作为形态导向/封端剂来控制成核过程。X射线衍射（XRD）结果显示，制备出的NiO和Cu?O相具有良好的结晶性和纯度，平均晶粒大小约为27.68纳米，位错密度低（1.3×10?3 nm?2），微观应变约为4.83×10?3。场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察到了由不同尺寸的花瓣状纳米片层组成的分层分支“纳米花”结构。紫外-可见光光谱（UV-Vis spectroscopy）显示出约315纳米处的明显吸收峰，以及约2.8电子伏特的直接带隙。针对大肠杆菌（Escherichia coli）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抗菌研究表明，这些纳米花具有出色的抑菌效果，凸显了其作为接触活性抗菌剂的潜力。

**1. 引言**
随着抗菌耐药性的增加，人们迫切需要寻找接触活性、广谱的化合物来补充或减少抗生素的使用[1][2][3]。纳米材料，特别是纳米颗粒（NPs），在农业、光催化、化工、医疗保健和环境以及生物医学等领域变得越来越重要[4][5][6][7][8]。它们的小尺寸和大的表面积与体积比赋予了独特的化学、物理和机械性能，从而增强了在生物医学和催化应用中的效果。由于这些优势，铜（Cu）、镍（Ni）、银（Ag）、金（Au）、铂（Pt）和钌（Ruthenium）等贵金属纳米颗粒被广泛应用于医疗、化妆品和生物领域[9]。金属氧化物纳米结构在这方面特别吸引人，因为它们的氧化还原化学性质、缺陷密度和表面拓扑结构可以调节多种杀菌途径，包括活性氧（ROS）的产生和膜破裂[10][11][12][13][14][15]。NiO和Cu?O在p型氧化物中尤为突出[16][17]。将它们配对成纳米复合材料可以提高界面电荷分离效果，延长载流子的寿命，从而促进ROS的形成；同时Cu?/Cu2?离子对可对病原体施加额外的离子应力[18][19]。纳米花的形态也很重要——分层结构中的丰富边缘和高指数面减少了营养物质和废物的扩散路径，提高了催化活性位点的密度，使得在较低剂量下也能发挥有效作用[20][21][22][23]。
本研究的目的是通过使用聚维酮（PVP）作为封端剂，实现精确控制成核和聚集过程，从而温和地合成高纯度的NiO/Cu?O纳米复合材料。与以往使用化学方法制备的NiO、Cu?O及其复合材料[24][25][26][27][28][29]相比，当前方法更注重NiO/Cu?O纳米花的结构控制，这对确定其抗菌活性至关重要。通过XRD、UV-Vis和FESEM分析了其结构、光学和形态特性。为了明确展示工程纳米复合材料的结构与其抗菌性能之间的联系，对Nanocomposite对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌的抗菌活性进行了评估。
需要指出的是，本研究的具体焦点是NiO/Cu?O纳米复合材料的合成和抗菌性能评估。由于本研究的主要目的是探究这种复合材料的协同抗菌效果，因此未单独检测纯NiO和纯Cu?O的抗菌活性。

**2. 实验**
**2.1. 材料**
作为前驱体的化学物质包括六水合硝酸镍（Ni(NO?)?·6H?O）、三水合硝酸铜（Cu(NO?)?·3H?O）、聚维酮（PVP）、油酸和氢氧化钠（NaOH）。所有使用的化学物质均为分析级，纯度为99%，购自Sigma-Aldrich。实验中使用的乙醇纯度也为99%，从市场购买。去离子水在实验室中配制。
**2.2. 方法**
将3.5克（约0.019摩尔）的Ni(NO?)?溶解在500毫升去离子水中，密封后置于高压釜中，在100°C下磁力搅拌15分钟。然后加入1.5克PVP作为结构导向剂，继续搅拌1小时。同时，将1.2克的油酸溶解在30毫升乙醇中，并在持续搅拌（800 RPM）的情况下逐渐加入前驱体溶液中。混合物静置24小时以确保各组分充分反应。随后加入0.5克（约0.0027摩尔）的Cu(NO?)?，使Ni2?:Cu2?的摩尔比约为7:1。选择此比例是为了使NiO作为主要成分，而Cu?O作为次要相，从而形成具有增强界面相互作用的NiO/Cu?O纳米复合材料。进一步搅拌80分钟以实现完全混合。接着逐渐加入0.01摩尔/升的NaOH溶液，促使有色固体沉淀。生成的碱性反应介质pH值大于9，适合金属氢氧化物前驱体的完全沉淀。沉淀物通过过滤收集，用去离子水和乙醇多次洗涤以去除残留杂质，然后在120°C下干燥4小时。最后，将干燥后的粉末在500°C下煅烧2小时，得到NiO/Cu?O纳米花。
**2.3. 特性分析**
FESEM图像由FBI（美国）进行分析，分析工作在伊拉克巴士拉大学科学学院完成。XRD分析使用的是Shimadzu-Japan公司的XRD-6000仪器。UV-可见光光谱由Shimadzu-1900i仪器进行，纳米材料的表征工作由伊拉克巴格达的Phi Nanoscience Centre实验室完成。通过PerkinElmer FTIR仪器进行了官能团和化学键的检测。
**2.4. 抗菌活性**
使用圆扩散法评估NiO/Cu?O纳米花的抗菌活性。无菌培养皿中加入20毫升Mueller-Hinton琼脂培养基，然后在无菌条件下用细菌菌株进行涂布。使用无菌打孔器在琼脂板上打直径6毫米的孔，每个孔中加入100微升NiO/Cu?O纳米花，并在37°C下培养24小时。测量并量化孔周围的抑菌圈大小（以毫米为单位）。

**3. 结果与讨论**
**3.1. XRD分析**
XRD用于验证相组成、评估结晶度并筛查晶格缺陷。图1显示了制备的NiO/Cu?O纳米花的XRD图谱，其中（111）、（200）、（220）、（311）和（222）处的反射峰清晰，这些峰对应于NiO（ICSD 01–071–1179），表明结晶度很高。在检测范围内未观察到杂峰。较弱的（110）、（111）和（200）反射峰归属于Cu?O（ICSD 00–005–0667），而NiO峰占主导，表明样品为主要含有NiO的复合材料，具有高整体结晶度。根据Scherrer公式计算晶粒大小（D）：
(1) D = K × λ / β × Cosθ
其中K = 0.9（Cu Kα射线波长，λ = 1.5406 ?），β为衍射峰宽度，θ为X射线的衍射角。计算结果表明平均晶粒大小D为27.68纳米。
由于应力作用，纳米材料的晶体结构中存在位错密度（δ），可利用公式（2）估算δ：
(2) δ = 1/D2
制备样品的δ值为1.3×10?3（nm）?2，表明NiO/Cu?O纳米花的结晶度很高。同时，根据最强烈的衍射峰（2θ = 43.62°），利用单峰法估算了微观应变，结果约为4.83×10?3；这与Williamson–Hall分析得到的应变值相符，证实了纳米尺度效应引起的适度晶格畸变。
立方NiO相的晶格参数通过公式（4）计算：
(4) 1/d2 = (h + k + l)/a2
使用（111）、（200）、（220）和（311）主衍射平面，计算得到的平均晶格常数为4.160 ?，与报道的立方NiO标准晶格常数相当。误差可能归因于Cu?O的纳米尺度和界面区域的影响。
**3.2. FTIR光谱**
图2显示了NiO/Cu?O纳米花的FTIR光谱。3456 cm?1处的宽吸收带可归因于羟基（OH）的伸缩振动，可能源于表面羟基化或水分吸收[5]；2923 cm?1处的吸收峰较弱，表明表面残留有PVP或油酸，尤其是C-H键[30]。1427 cm?1处的吸收峰可能表示C-N键或C-O键的存在，而1677 cm?1处的吸收峰则可能与CO键或H-O-H弯曲振动有关。900 cm?1以下的低频区域还有Ni-O和Cu-O晶格振动的明显吸收峰（分别位于878和848 cm?1）。
**3.3. FESEM测量**
图3展示了制备样品的微观和纳米尺度表面形态。FESEM图像显示，NiO/Cu?O纳米花在基底上均匀分布。每个聚集体由 radially oriented 的花瓣状纳米片层或针状亚单元组成，它们通过开放的间隙隔开。花瓣状纳米片的直径通常在亚微米到约1.5微米之间，单个纳米片的尺寸约为几百纳米。FESEM图像的统计分析表明，平均纳米片直径约为168纳米，标准偏差为35.6纳米，显示出中等程度的尺寸分散。表面光滑且边界清晰，几乎没有收缩现象，表明结晶度很高。这种高宽高比、边缘丰富的结构提供了较大的可接触表面积，有利于促进与抗菌性能相关的界面反应。
**3.4. UV-Vis光谱**
金属氧化物通常具有由其电子结构决定的特征性UV-Vis响应。制备的NiO/Cu?O纳米花（200–800 nm）的光谱在约315纳米处有一个明显的吸收峰，以及在可见光区域的宽吸收带（图4A）。该光谱用于后续的光学分析。这些特征与氧化物半导体一致，可能来源于带间跃迁以及与纳米复合材料结构相关的缺陷或界面态。
**3.5. 抗菌效果研究**
图5显示了NiO/Cu?O纳米花对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌的抗菌活性。圆扩散实验显示，所有细菌的抑制效应都与剂量相关。抗菌敏感性顺序为：大肠杆菌 > 金黄色葡萄球菌 ≥ 肺炎克雷伯菌，随着剂量从12.5 μg/mL增加到100 μg/mL，抑菌圈大小从17毫米增加到33毫米。大肠杆菌在100 μg/mL浓度下显示出显著增长，表明这一浓度阈值下ROS的产生和Cu?/Cu2?的释放超过了细胞的防御能力。纳米花的独特结构（具有高面/边缘密度）以及NiO/Cu?O纳米花的组合，提高了界面电荷分离效果，使得ROS在细胞与纳米粒子之间得以持续存在，从而增强了杀菌活性。NiO/Cu?O纳米花的抗菌活性与之前报道的大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌的实验结果进行了比较（见表2）。

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**图5. NiO/Cu?O纳米花的抗菌活性**
上图：针对（A）大肠杆菌、（B）肺炎克雷伯菌和（C）金黄色葡萄球菌的代表性培养板实验结果；
下图：相应的抑菌圈直径（毫米）。
对照组（A）为6毫米空白盘的基线值；
培养盘A–E中的浓度分别为：
A：对照组；
B–E：12.5 μg/mL、25 μg/mL、50 μg/mL和100 μg/mL。

**表2. 当前NiO/Cu?O纳米花与其他金属氧化物纳米粒子的抗菌性能对比**
| 抑菌圈直径（毫米） | 微生物种类 | 形态 | 浓度 | [参考文献] |
|-------------|----------|-------|------|---------|
| | | | | |
| 19.6 | 金黄色葡萄球菌 | 团簇状纳米粒子 | 100 | [35] |
| 18 | 金黄色葡萄球菌 | 不规则形状纳米粒子 | 100 | [36] |
| 13 | 金黄色葡萄球菌 | 立方形状纳米粒子 | 100 | [37] |
| 11 | 大肠杆菌 | 聚集状纳米粒子 | 100 | [39] |
| 2.9 | 大肠杆菌 | 聚集状纳米粒子 | 50 | [40] |
| 18 | 金黄色葡萄球菌 | 立方形状纳米粒子 | 100 | [41] |
| 24 | 金黄色葡萄球菌 | 立方形状纳米粒子 | 30 | [41] |
| 19 | 肺炎克雷伯菌 | 针状纳米粒子 | 50 | [40] |
| 33 | 金黄色葡萄球菌 | 花状纳米粒子 | 100 | [41] |

NiO/Cu?O纳米花的抗菌机制可能涉及氧化物的还原反应以及金属离子的释放[39, 42]。带正电的Ni2?和Cu?/Cu2?离子与带负电的细菌细胞膜（如脂多糖/胞壁酸）发生静电相互作用，破坏膜完整性和蛋白质功能。同时，NiO/Cu?O纳米花内部的界面电荷分离促进了ROS的生成，进而引发脂质过氧化反应，在细胞膜上形成孔洞，增加膜的通透性，导致细胞内物质泄漏，最终导致细胞死亡。纳米花的微小尺寸和高表面积比增强了与细胞的接触，进一步放大了这些效应，实现了高效的杀菌效果。

尽管NiO/Cu?O纳米花具有良好的抗菌效果，但本研究并未评估其细胞毒性和生物相容性。未来的研究将探讨这些对生物医学应用至关重要的因素。

**4. 结论**
本研究采用简便的PVP辅助共沉淀法制备了高纯度的NiO/Cu?O纳米花。XRD分析证明这些氧化物为纯相且结晶度高（平均晶粒尺寸约27.68纳米）；FESEM观察到花瓣状纳米片层的层次结构；UV–Vis光谱显示其在315纳米处具有约2.8电子伏特的直接带隙。NiO/Cu?O纳米花对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌具有剂量依赖性的抗菌作用，其中大肠杆菌的反应最为明显。尽管抗菌效果令人鼓舞，但目前的研究仅限于体外琼脂培养实验，尚未进行细胞毒性和生物相容性的全面评估。NiO/Cu?O纳米花丰富的边缘结构有助于改善界面电荷分离、调控金属离子的释放以及ROS的生成，这种简单且可能可扩展的合成方法为未来的抗菌表面处理或涂层应用提供了潜力，有待进一步生物学验证。

**作者贡献**
M. I. Rahmah负责撰写初稿、数据分析及修订稿件；R. Alobaidi负责实验部分的完成和结果解释。

**CRedI作者贡献声明**
Muntadher I. Rahmah：撰写、审稿与编辑；Rahma Alobaidi：撰写初稿及实验设计。

**资金信息**
不适用。