铜纳米颗粒绿色制备及其催化、抗菌、细胞毒性和抗氧化潜能综述

摘要

铜纳米颗粒（CuNPs）因高比表面积、高屈服强度、延展性、硬度、柔韧性、刚性等卓越性质备受关注。CuNPs在催化、抗菌、抗氧化、抗真菌、细胞毒性和抗癌等多领域展现活性。物理化学合成方法众多（激光烧蚀、微波辅助、溶胶-凝胶、共沉淀、脉冲放电、真空气相沉积、高能辐射、光刻、机械研磨、光化学还原、电化学、静电喷雾、水热反应、微乳液、化学还原等）。植物合成纳米颗粒作为替代方案，因低细胞毒性、经济前景、环保、生物相容性增强、高抗氧化和抗菌活性而受重视。综述阐述CuNPs制备中表征技术的主要作用、局限和灵敏度。概述CuNPs合成技术、合成程序、影响性质的反应参数、植物植物化学成分筛选分析。给出槲皮素还原铜离子、山奈酚稳定CuNPs、抗菌活性、4-硝基酚还原的假设机制及示意图。旨在总结植物合成CuNPs数据，为研究者开发未利用植物资源开辟新路径。

研究背景

纳米颗粒（NPs）在航天、磁性、光电子、电子、化妆品、催化、制药、生物医学、环境、能源等工业领域有广泛应用。NPs相较同成分块体材料展现延展性、高屈服强度、硬度、柔韧性、刚性、高比表面积、宏观量子隧穿效应、量子尺寸效应等非凡性质。NPs性质可能与细颗粒显著不同：更高比表面积、特定光学性质、更低熔点、特定磁化、机械强度等。铜纳米颗粒（CuNPs）因易得、低成本、性质近似贵金属受关注。CuNPs还用于传感器、传热系统、电子器件（燃料电池、太阳能电池）、催化剂、医院设备涂层杀菌抗菌剂。

物理化学合成方法众多（激光烧蚀、微波、溶胶-凝胶、共沉淀、脉冲放电、真空气相沉积、高能辐射、光刻、机械研磨、光化学还原、电化学、静电喷雾、水热、微乳液、化学还原等）。虽能制得纯净明确NPs，但非成本效益、非环保（使用有毒化学品）。纳米技术重要准则是发展环保、无毒、清洁绿色化学工艺。生物合成利用植物、放线菌、真菌、细菌、酵母、病毒等生物实体，提供无毒、清洁、环保路线，合成多种尺寸、理化性质、形状、组分的NPs。

文献中利用不同植物合成稳定CuNPs：Euphorbia esula、Punica granatum、Ocimum sanctum、Ginkgo biloba、Calotropis procera、Lawsonia inermis、Citrus medicalinn、Camellia sinensis、Datura innoxia、Syzygium aromaticum、Sesamum indicum、Citrus limon、Curcuma longa、Gloriosa superba L.、Ficus carica、Aegle marmelos、Caesalpinia pulcherrima、Cassia fistula、Leucas aspera、Leucas chinensis、Delonix elata、Aloe barbadensis Miller、Thymus vulgaris、Phyllanthus emblica、Magnolia kobus、Eucalyptus、Artabotrys odoratissimus、Capparis zeylanica、Vitis vinifera、Hibiscus rosa-sinensis、Zingiber officinale、Datura metel、Zea mays、Urtica、Matricaria chamomilla、Glycyrrhiza glabra、Schisandra chinensis、Inula helenium、Cinnamomum、Dodonaea viscosa、Cassia auriculata、Azadirachta indica、Lantana camara、Tridax procumbens、Allium sativum、Asparagus adscendens、Bacopa monnieri、Ocimum basilicum、Withania somnifera、Smithia sensitiva、Colocasia esculenta、Nerium oleander、Psidium guajava；藻类/真菌：Phaeophyceae、Stereum hirsutum、Hypocrea lixii；微生物：Pseudomonas fluorescens、Enterococcus faecalis。

铜纳米颗粒生物合成

植物提取部位

植物叶、种、皮、果、果皮、纤维、根、胶等部位用于制备提取液。叶和根有两种用法：鲜叶/根制提取液；干叶/根粉末制提取液。

CuNPs合成程序

采集感兴趣植物部位，自来水和蒸馏水洗净除尘。鲜叶/根两种处理：1）阴干1–2 h去残留水分，已知重量切碎浸泡于去离子水或乙醇，磁力搅拌24 h室温，过滤备用。2）阴干4–7天或50 °C烘箱干燥1天，家用搅拌机粉碎，已知重量粉末混入水或乙醇，搅拌过滤。CuNPs合成：前驱盐（硫酸铜、氯化铜、乙酸铜、硝酸铜）不同浓度水溶液与植物提取液混合。亦制备NaOH水溶液加入调控pH。电动振荡器不同时间间隔强力振荡，烘箱不同时间温度加热。室温下也可形成CuNPs，反应混合物颜色变化确认。最后离心分离纳米颗粒，不同温度干燥。通过改变混合物pH、前驱盐浓度、加热时间、温度优化反应。文献中不同植物用不同前驱盐、反应条件制备CuNPs（表1），可见反应条件影响CuNPs形状和尺寸。

反应参数对NPs性质的影响

植物提取液浓度主导CuNPs还原和稳定。增加提取液浓度可增加颗粒数量。提高浓度增加植物化学成分浓度，加快铜盐还原，因快速还原导致纳米颗粒尺寸减小。

铜盐种类显著影响CuNPs尺寸结构。不同盐（氯化铜、乙酸铜、硝酸铜、硫酸铜）配合NaOH时形貌不同：氯化铜得三角形和四面体，乙酸铜得棒状，硫酸铜得球形。增加前驱盐浓度增大CuNPs尺寸。

在适宜pH范围内调节反应介质pH得最佳结果。改变pH控制纳米颗粒尺寸。高pH得较小颗粒，低pH得较大（棒状、三角形）。pH与纳米颗粒尺寸呈反比：升高pH得小球形颗粒，降低pH得大颗粒。这归因于植物提取液还原金属盐速率差异。不同pH（4、6、8、10、12）对吸收光谱影响见图1。有报道植物提取液加入CuCl₂不形成CuNPs，调节pH至碱性才得CuNPs，Wu和Chen观察到相同行为，结论pH在CuNPs合成中起重要作用。

铜纳米颗粒植物合成机制

植物化学筛选：定性分析

植物化学筛选分析是检测不同植物植物化学成分的化学分析。用鲜植物提取液与化学试剂反应（表2）。

还原金属离子并稳定NPs的植物化学成分

利用植物化学成分绿色合成CuNPs可通过改变反应温度、提取液浓度、金属盐浓度、反应时间、反应混合物pH更灵活控制NPs形状尺寸。反应介质颜色变化指示金属离子还原和NPs形成。植物化学成分在还原金属离子、稳定金属核形成NPs中起主导作用（图2）。植物化学成分与金属离子相互作用及其浓度控制CuNPs形状尺寸。

类黄酮含多酚化合物：槲皮素、儿茶素、黄烷酮、异黄酮、山奈酚、穗花黄素、茜素、松属素、花青素、黄酮、单宁、皂苷等，存在于Ginkgo biloba、Citrus medicalinn、Phyllanthus emblica、Hibiscus rosa-sinensis、Dodonaea viscosa等植物。这些化合物在还原和螯合金属中起主导作用。类黄酮中各官能团负责还原铜离子。假设类黄酮烯醇式互变为酮式时释放活性氢原子，可还原铜离子形成铜核或CuNPs。例如Ginkgo biloba提取物中槲皮素（类黄酮）烯醇式向酮式转变主导铜离子还原为铜核或CuNPs（图3）。

CuNPs合成过程中，一价或二价金属离子转化为零价铜核，核聚合成不同形状。成核期核聚集形成导线、球体、立方、棒、三角、五边形、六边形等。部分类黄酮能以π电子和羰基螯合CuNPs。槲皮素和山奈酚因含两官能团（羟基和羰基）具有强螯合活性，按上述机制螯合CuNPs，也解释山奈酚吸附于CuNPs表面能力（图4）。

假设Hibiscus rosa-sinensis、Camellia sinensis等植物中的蛋白分子（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽）对金属离子形成纳米颗粒显高还原活性，但螯合活性不强。Camellia sinensis中的单糖（葡萄糖）、双糖（麦芽糖、乳糖）、多糖可作还原剂或抗氧化剂，经历酮-醛互变异构。

其他植物化学成分：多酚（没食子酸、鞣花酸）在Hibiscus rosa-sinensis，苯丙素（苯丙氨酸、酪氨酸）在Aegle marmelos，萜类在Ocimum sanctum和Asparagus adscendens，半胱氨酸蛋白酶在Calotropis procera，姜黄素苯胺偶氮甲烷在Curcuma longa，抗坏血酸在Citrus medicalinn，丁香酚在Syzygium aromaticum，生物碱在Aegle marmelos，均起还原铜离子和稳定CuNPs作用。Phyllanthus emblica中的碳水化合物、蒽醌、醌、花青苷；Hibiscus rosa-sinensis中的木质素、黄酮；Colocasia esculenta中的强心苷、三萜类、类胡萝卜素苷、蒽醌苷，均作为还原稳定剂存在。部分植物化学成分结构见图5。