铜纳米粒子合成和稳定方面的环保能力：催化、抗菌、细胞毒性和抗氧化活性

背景

纳米粒子 (NP) 在工业领域有许多有趣的应用，例如空间技术、磁学、光电子学和电子学、化妆品以及催化、制药、生物医学、环境和能源应用 [1, 2]。与具有相同化学成分的大块材料的特性相比，NPs 的非凡特性，如延展性、高屈服强度、硬度、柔韧性、刚性、高表面积与体积比、宏观量子隧道效应和量子尺寸[3] ]。事实上，NPs 的特性可能与观察到的细颗粒有很大不同，包括更高的比表面积、特定的光学特性、较低的熔点、特定的磁化强度、机械强度和众多工业应用 [4]。铜纳米粒子 (CuNPs) 由于易于获得、成本低以及与贵金属相似的特性而备受关注 [5,6,7,8,9]。 CuNP 还可用于传感器、传热系统 [10,11,12] 和电子产品（燃料电池和太阳能电池），作为许多反应中的催化剂以及用于涂覆医院设备的杀菌和抗菌剂 [13,14， 15,16,17,18,19]。

许多物理和化学方法包括激光烧蚀 [20]、微波辅助工艺、溶胶-凝胶 [21]、共沉淀 [22]、脉冲线放电 [23]、真空气相沉积 [24]、高能辐照 [ 25]、光刻 [26]、机械研磨 [27]、光化学还原、电化学 [28、29、30、31、32]、电喷雾合成 [33]、水热反应 [34]、微乳液 [35] 和化学还原用于合成纳米颗粒。虽然物理和化学方法可以生产明确定义的纯纳米粒子，但由于使用有毒化学品，这些方法既不经济也不环保。纳米技术最重要的标准之一是开发环保、无毒和清洁的绿色化学程序 [36]。因此，纳米粒子的生物合成包含一种基于绿色化学的方法，该方法采用不同的生物体，如植物 [37, 38]、放线菌 [39, 40]、真菌 [41,42,43,44]、细菌 [45,46, 47,48,49]、酵母菌 [50,51,52] 和病毒 [53, 54]。生物实体提供了一种无毒、清洁和环境友好的方法来合成具有广泛尺寸、理化性质、形状和组成的纳米颗粒 [55]。

文献中使用不同植物如Euphorbia esula合成并稳定了铜纳米粒子 [56], 石榴 [57], 圣所 [58]、银杏 [59], Calotropis procera [60], 无尾草 [61], 柑橘医学 [62], 山茶花 [63], 曼陀罗无毒 [64], 香蒲 [65], 芝麻 [66], 柑橘柠檬 , 姜黄素 [67], Gloriosa superba L. [68], 榕树 [69], Aegle marmelos [70], 黄柏 [71], 决明子瘘 [72], Leucas aspera , 银莲花 [73], Delonix elata [74], 库拉索芦荟 米勒 [75]，百里香 [76], 余甘子 [77], 木兰科布斯 [78], 桉树 [79], Artabotrys odoratissimus [80], Capparis zeylanica [81], 葡萄 [82], 芙蓉花 [83], 生姜 [84]，曼陀罗 [85], 玉米 [86], 荨麻 , 洋甘菊 , 光果甘草 , 五味子 , Inula helenium , 肉桂 [87], Dodonaea viscosa [88], 桂皮 [89], 印楝 , Lantana 相机 , Tridax procumbens [90], 大蒜 [91], Asparagus adscendens , 假马齿苋 , 罗汉果 , 睡茄 [92], Smithia sensiva , 香芋 [93], 夹竹桃 [94] 和 番石榴 [95];通过使用不同的藻类/真菌，例如褐藻纲 [96], Stereum hirsutum [97] 和 Hypocrea lixii [98];并通过使用一些微生物，例如荧光假单胞菌 [99] 和粪肠球菌 [100] 文化。

铜纳米粒子的生物合成

用于提取的植物部分

植物的不同部分用于制备植物提取物，例如叶、种子、树皮、果实、果皮、椰壳纤维、根和树胶。叶和根有两种用途。一是用鲜叶和根制备植物提取物，二是用干叶和根粉制成。

CuNPs 的合成过程

为了合成 CuNPs，使用不同植物的不同部位制备植物提取物。为了合成目标植物的提取部分，收集叶子并用自来水洗涤，然后用蒸馏水洗涤以去除灰尘颗粒。洗过的叶子有两种用途。首先，将这些叶子晒干 1-2 小时以去除残留的水分。将已知重量的这些晒干的叶子分成小份并浸泡在去离子水或乙醇溶液中。使用磁力搅拌器将该混合物在室温下搅拌 24 小时，然后过滤以备进一步使用。其次，将这些叶子晒干 4-7 天或在 50°C 的烤箱中干燥 1 天，然后使用家用搅拌机磨成粉末。将已知重量的植物粉末与水或乙醇溶液混合，搅拌过滤。

为了合成CuNPs，将不同浓度的硫酸铜、氯化铜、醋酸铜和硝酸铜等前体盐的水溶液与植物提取物混合。还制备氢氧化钠水溶液并将其添加到反应混合物中以控制pH介质。将反应混合物在电动振荡器中强烈振荡不同的时间间隔，并在烘箱中以不同的时间间隔和不同的温度加热。 CuNPs 的形成也可以在室温下发生，并通过改变反应混合物的颜色来确认。最后，将纳米颗粒离心并在不同温度下干燥。通过改变混合物的 pH 值、前体盐的浓度、加热时间和反应混合物的温度来进行反应优化。在文献中，不同的植物通过使用不同的前体盐在不同的反应条件下形成铜纳米粒子，如表1所示。从表中可以看出，不同的反应条件影响了铜的形状和尺寸纳米粒子。

反应参数对纳米颗粒性质的影响

植物提取物的浓度在减少和稳定 CuNPs 方面起主要作用。据报道，通过增加植物提取物的浓度，颗粒数量增加[88]。通过增加植物提取物的浓度，植物化学物质的浓度增加，铜盐的减少量也增加。由于金属盐的快速还原，纳米颗粒的尺寸也随之减小[101]。

CuNPs 的大小和结构受铜盐的影响很大。当在氢氧化钠存在下使用盐（例如氯化铜、醋酸铜、硝酸铜或硫酸铜）时，纳米颗粒的形态会发生变化。据报道，氯化铜的形状为三角形和四面体，醋酸铜的形状为棒状，硫酸铜的形状为球形[102]。随着前体盐浓度的增加，CuNPs的尺寸也随之增加。

通过在优选范围内改变反应介质的 pH 值，CuNPs 的合成可获得最佳结果。通过改变反应混合物的pH值来控制纳米颗粒的尺寸。在较高的 pH 值下，与在低 pH 值下获得的纳米粒子相比，获得的纳米粒子尺寸更小。这种差异可归因于植物提取物对金属盐的还原率差异。 pH 值与纳米颗粒大小之间的反比关系表明，pH 值的增加使我们能够获得小尺寸的球形纳米颗粒，而 pH 值的降低则获得大尺寸（棒状和三角形）纳米颗粒。不同 pH 值（4、6、8、10 和 12）对吸收光谱的影响如图 1 [36] 所示。据报道，将植物提取物添加到 CuCl2 中并没有导致 CuNPs 的形成，而是通过将反应混合物的 pH 值改变为碱性介质来获得 CuNPs。 Wu 和 Chen 也观察到了同样的行为，得出的结论是 pH 在 CuNPs 的合成中起重要作用 [103]。

用于制备植物提取物的植物部位

铜纳米粒子的植物合成机制

植物化学筛选：定性分析

植物化学筛选分析是为检测不同植物中的植物化学物质而进行的化学分析。新鲜植物提取物与化学品或化学试剂用于该分析 [77]，如表 2 所示。

用于还原金属和稳定纳米颗粒的植物化学物质

通过使用植物化学物质绿色合成 CuNPs 可以更灵活地控制 NPs 的形状和大小（即通过改变反应温度、植物提取物的浓度、金属盐浓度、反应时间和反应混合物的 pH 值）。反应介质的颜色变化表明金属离子的还原和 NPs 的形成。铜盐的绿色还原立即开始，反应混合物的颜色变化表明铜纳米颗粒的形成。植物化学物质的主要作用是首先还原金属离子，然后以纳米粒子的形式稳定金属核，如图 2 所示。植物化学物质与金属离子的相互作用以及这些植物化学物质的浓度控制着 CuNP 的形状和大小。

一种减少金属离子然后稳定金属核的方案

黄酮类化合物含有多酚类化合物，例如槲皮素、儿茶素、黄烷酮、异黄酮、桑丁、钟摆素、茜素、松香素、花青素、黄酮、单宁和皂苷，它们存在于银杏等不同植物中。 [59], 柑橘医学 [62], 余甘子 [77], 芙蓉花 [83] 和 Dodonaea viscosa [93]。这些化合物在还原和螯合金属方面起主要作用。黄酮类化合物中存在的各种官能团负责还原铜离子。据推测，在烯醇形式到酮形式的互变异构变化过程中，类黄酮中的活性氢原子可能会被释放，这可以将铜离子还原形成铜核或 CuNPs。例如，假设在 Ginkgo biloba 的情况下 在植物提取物中，由于烯醇形式转变为酮形式，槲皮素（黄酮类化合物）的转化在铜金属离子还原为铜核或CuNPs中起主要作用，如图3所示。

槲皮素还原铜离子

在CuNPs的合成过程中，具有一价或二价氧化态的金属离子转化为零氧化铜核，这些核合并得到不同的形状。在成核过程中，原子核聚集形成不同的形状，如线、球、立方、棒、三角形、五边形和六边形。一些黄酮类化合物具有将 CuNPs 与其 π 螯合的能力 电子和羰基。由于存在涉及羟基和羰基的两个官能团，槲皮素和桑丁是具有强螯合活性的黄酮类化合物。这些基团按照前面的机理与铜纳米粒子螯合，也解释了山丁（黄酮类化合物）在 CuNPs 表面的吸附能力，如图 4 所示。

santin对纳米铜的稳定作用

假设Hibiscus rosa-sinensis等不同植物中的蛋白质分子（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽） [83] 和Camellia sinensis [104] 显示出从金属离子形成纳米粒子的高还原活性，但它们的螯合活性并不过分。 山茶中的糖类，如单糖（葡萄糖）、双糖（麦芽糖和乳糖）和多糖 植物[63] 可作为还原剂或抗氧化剂，并具有从酮到醛的一系列互变异构转化。

Hibiscus rosa-sinensis 中存在的其他植物化学物质，例如多酚（例如鞣花酸和没食子酸） [40]，Aegle marmelos 中的苯丙烷（苯丙氨酸、酪氨酸） [70]，罗汉果中的萜类化合物 和 Asparagus adscendens [58, 92]，Calotropis procera 中的半胱氨酸蛋白酶 [60]、姜黄素中的姜黄素苯胺偶氮甲碱 [67]，柑橘药材中的抗坏血酸 [62]，丁香木中的丁香酚 [65] 和 Aegle marmelos 中的生物碱 [70]起到减少铜离子和稳定铜纳米粒子的相同作用。 余甘子中的碳水化合物、蒽醌、醌和花青素 [77]; Hibiscus rosa-sinensis中的木质素和氧杂蒽酮 [83]; Colocasia esculenta中的强心苷、三萜、类胡萝卜素和蒽醌苷 植物 [93] 也是植物化学物质，存在于不同植物的提取物中，可作为还原剂和稳定剂。某些具有结构的植物化学物质的例子如图 5 所示。

植物化学物质及其结构

表征技术

为了表征合成的纳米粒子，使用了不同的技术，如紫外-可见光谱 (UV-vis)、透射电子显微镜 (TEM)、小角 X 射线散射 (SAXS)、傅里叶变换红外光谱 (FTIR)、X-射线荧光光谱 (XRF)、X 射线衍射 (XRD)、X 射线光电子能谱 (XPS)、扫描电子显微镜 (SEM)、场发射扫描电子显微镜 (FESEM)、粒度分析 (PSA)、Malvern Zetasizer ( MZS)、能量色散 X 射线光谱 (EDX/EDS)、纳米粒子追踪分析 (NTA)、X 射线反射计 (XRR)、布鲁诺-埃米特-泰勒分析 (BET)、选区电子衍射 (SAED) 和原子力显微镜 (AFM)（表 3）。

铜纳米粒子的应用

由于其优异的化学和物理性质、大的比表面积、不断更新的表面、低成本和无毒制备，CuNPs 在不同领域的应用引起了极大的兴趣。铜纳米粒子在不同的应用中表现出催化活性、抗菌活性、细胞毒性或抗癌活性、抗氧化活性和抗真菌活性。在催化活性方面，铜纳米颗粒用于在许多溶剂中在无配体条件下 [3 + 2] 炔烃和叠氮化物的环加成反应 [59]、1-甲基-3-苯氧基苯、3,3-氧基双（甲基苯） [94]，1-取代的1H的合成 -1,2,3,4-四唑[76]，二氧化氮吸附，二氧化硫吸附[66]。在大多数催化的过渡金属中，文献中报道了 Ullmann 偶联反应配体，例如膦，并且大多数配体价格昂贵、难以制备且对湿气敏感。在这项工作中，合成的铜纳米粒子用于二苯醚的无配体乌尔曼偶联。工业废物中存在的不同染料和有毒有机化合物和杀虫剂对环境和生物体非常有害。铜纳米粒子用于降解亚甲蓝[73]、降解莠去津[86]、还原4-硝基苯酚[76]等不同染料。

在抗菌剂中，铜化合物在农业中常用作除草剂 [105]、杀藻剂 [106]、杀菌剂 [107] 和杀虫剂，以及在畜牧业中用作消毒剂 [108]（见表 4）。生物铜纳米粒子对铜绿假单胞菌等革兰氏阳性和革兰氏阴性病原体显示出强大的抗菌活性 (MTCC 424)，藤黄微球菌 (MTCC 1809)，产气肠杆菌 (MTCC 2832) [57]，沙门氏菌 (MTCC 1253)，茄属丝核菌 , 轴突黄单胞菌 光伏柑橘 , 轴突黄单胞菌 光伏石榴 [58], 大肠杆菌 (ATCC 14948) [62]，金黄色葡萄球菌 (ATCC 25923)，枯草芽孢杆菌 (ATCC 6633), 乳酸片球菌 [69] 和肺炎克雷伯菌 (MTCC 4030)。在抗真菌活性中，铜纳米颗粒用于对抗红花链球菌 , 胶孢炭疽菌 , 炭疽菌 , Drechslera sorghicola , 尖孢镰刀菌 f.sp. 红花 , 匍匐茎 , 尖孢镰刀菌 f.sp. 西塞里斯 , 菜豆巨蜂 , 尖孢镰刀菌 f.sp. 乌姆 , 丝核菌 [58], 白色念珠菌 , 弯虫 , 黑曲霉 , 和类似毛癣菌 [67]。在细胞毒性方面，铜纳米颗粒用于研究 HeLa、A549、MCF7、MOLT4 和 BHK21 细胞系（癌症肿瘤）[60, 104]。

抗菌活性的假设机制

据观察，CuNPs 具有优异的抗菌活性，文献中只有有限的报道介绍了铜纳米颗粒的抗菌活性机制，但这些机制是假设性的。据观察，由于 CuNP 与 -SH（巯基）基团的相互作用，细菌和酶/蛋白质被破坏 [109, 110]。据报道，DNA 分子的螺旋结构会因 CuNPs 的相互作用而受到干扰 [111]。 CuNPs与细菌细胞膜的相互作用降低了跨膜电化学电位，由于跨膜电化学电位的降低，它影响了细胞膜的完整性[112]。假设金属纳米颗粒会释放它们各自的金属离子。铜纳米颗粒和铜离子积聚在细菌的细胞表面并在细胞膜中形成凹坑，导致细胞成分从细胞和细胞内部泄漏，引起氧化应激，导致细胞死亡 [112,113,114]。代表上述可能性的抗菌活性假设机制如图 6 所示。

纳米铜的抗菌作用机制

还原 4-硝基苯酚的催化活性

通常存在于农业废水和工业产品中的 4-硝基苯酚 (4-NP) 是有害的，而且不环保。在 CuNPs 存在下，4-NP 发生氢化或还原反应，转化为 4-氨基苯酚 (4-AP)。 CuNPs可以通过辅助电子从供体硼水合物离子转移到受体4-NP来催化反应以克服动力学障碍。

在硼氢化钠水溶液的存在下，研究了合成的 CuNPs 在室温下在水性介质中还原 4-硝基苯酚的催化活性 [56]。使用 CuNPs 还原 4-NP 是一个简单且环保的过程。通过使用紫外-可见光谱仪检查 CuNPs 对 4-NP 还原的催化效率。观察到 4-NP 在水性介质中的最大吸收峰在 317 nm，由于 4-硝基苯酚离子的形成，通过加入硼氢化钠，吸附峰移至 403 nm。 403 nm 处的峰即使在 2 天后仍不受影响，这表明 4-NP 在没有催化剂的情况下无法还原。添加 CuNPs 后，溶液的吸收峰移至 300 nm，403 nm 处的峰完全消失，表明 4-NP 还原为 4-AP，没有任何副产物。 4-NP 还原的假设机制如图 7 所示。在该机制中，4-NP 和硼氢化钠以离子形式存在于溶液中。硼氢化物离子的质子吸附在铜纳米颗粒的表面，并产生 BO2。 4-硝基苯酚离子也吸附在 CuNPs 的表面。由于质子和4-硝基苯酚离子的吸附，CuNPs克服了反应物的动力学障碍，4-硝基苯酚离子转化为4-氨基苯酚离子。转化后，4-氨基苯酚离子发生解吸，转化为4-氨基苯酚。

4-硝基苯酚的还原机理

结论

本文回顾和总结了使用不同植物合成铜纳米粒子 (CuNPs) 的生物方法的最新信息。 CuNPs 的绿色合成已被提出作为物理和化学方法的有价值的替代方法，具有低细胞毒性、经济前景、环境友好、增强的生物相容性、可行性以及 CuNPs 的高抗氧化活性和高抗菌活性。纳米颗粒的生物合成机制尚不清楚，更多的研究需要集中在纳米颗粒的形成机制和植物化学物质在纳米颗粒形成中的作用的理解上。这篇综述给出了用于合成铜纳米粒子的植物数据、合成程序和影响合成铜纳米粒子性能的反应参数。植物化学筛选分析是一种化学分析，用于鉴定不同植物中的碳水化合物、单宁、皂苷、黄酮类、生物碱、蒽醌和花青素等植物化学物质。阐述了槲皮素还原铜离子和桑汀稳定铜纳米粒子的机理。文献中用于铜纳米粒子的表征技术有 UV-vis、FTIR、XRD、SEM、FESEM、TEM、PSA、MZS、EDX、NTA、SAXS、XRR、XRF、XPS、BET、SAED 和 AFM。铜纳米粒子在不同的应用中表现出催化活性、抗菌活性、细胞毒性或抗癌活性、抗氧化活性和抗真菌活性。 4-硝基苯酚的抗菌活性和还原作用的假设机制如图所示。

在未来几天内，可以使用新的绿色协议制造具有不同结构特性和有效生物效应的 CuNP。对粒径的控制以及 CuNP 与尺寸相关的特性将为其应用打开新的大门。本研究概述了使用植物提取物、微生物提取物和天然存在的生物分子合成 CuNP。尽管所有这些用于 CuNP 合成的绿色方案都有其自身的优点和局限性，但与使用微生物提取物相比，使用植物提取物作为还原剂更有利，因为使用以前的绿色还原剂可以快速生产纳米颗粒。