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利用桔梗皂苷从桔梗根绿色合成金银纳米颗粒

摘要

本研究展示了一种完全绿色的合成路线,利用从药用植物桔梗根(Platycodon grandiflorum)提取的富集桔梗皂苷 D(PD)组分,一锅法制备球形金纳米颗粒(AuNPs,平均直径 14.94 ± 2.14 nm)和银纳米颗粒(AgNPs,平均直径 18.40 ± 3.20 nm),全程无毒化学品。UV–vis 光谱显示特征表面等离子共振(SPR)峰分别位于 536 nm(AuNPs)和 427 nm(AgNPs)。高分辨透射电镜(HR-TEM)、原子力显微镜(AFM)和 X 射线衍射(XRD)确认了面心立方晶结构和以球形为主的形貌。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析表明 –OH、芳香 C=C、C–O 和 C–H 基团参与了还原过程。重要的是,PD-AuNPs 催化 4-硝基酚还原为 4-氨基酚,速率常数为 3.4 × 10⁻³ s⁻¹,彰显其作为环保纳米催化剂的潜力。该绿色策略展示了植物皂苷制备多功能纳米材料的通用性。

背景

随着环境关注度提升,绿色化学已成为各研究领域的核心。天然产物,特别是植物提取物,越来越多地用于替代金属纳米颗粒(MNP)合成中的有害还原剂。此类方法可减少化学废物、提高生物相容性,并可规模化用于工业应用。金银纳米颗粒因其独特的光学和表面性质,在催化、药物递送、传感和抗菌等方面备受关注。传统还原法常依赖硼氢化钠等有毒试剂;相比之下,植物源皂苷提供了可持续的替代方案。

桔梗根是一种传统中药,含有具有多种药理活性(抗炎、抗氧化、抗肿瘤等)的三萜皂苷。其中桔梗皂苷 D(PD)是主要标志成分。通过酶法转化桔梗皂苷 E 和桔梗皂苷 D₃,分离得到了 PD 富集组分,作为 AuNP 和 AgNP 合成的天然还原剂。

材料与仪器

PD 富集组分按文献方法制备。金属盐(HAuCl₄·3H₂O,AgNO₃)和试剂(NaBH₄,4-NP)购自 Sigma-Aldrich。UV-vis 光谱用 Shimadzu UV-2600 记录。HR-TEM(JEM-3010,300 kV)观察碳膜铜网样品;AFM(Bruker Dimension Icon,轻敲模式)测试云母片样品;XRD(Bruker D8 Discover,Cu Kα,20°–90° 2θ);FT-IR(Nicolet 6700,KBr 压片)。样品经冻干(FD5505)后分析。

PD-AuNPs 和 PD-AgNPs 的绿色合成

AuNPs:0.05% PD 富集组分 + 0.2 mM HAuCl₄·3H₂O,1 mL,室温 5 min。AgNPs:0.01% PD 富集组分 + 0.8 mM AgNO₃,1 mL,80 °C 3 h 后室温 21 h。UV-vis 光谱(300–700 nm)确认完全还原。

基于曲率演化的 AFM 图像增强

对原始 AFM 高度数据施加主曲率流(κ₂),改善边界勾勒,实现精确尺寸测量。增强图像采用 500 步演化,Δt = 10⁻⁷ 生成。

PD-AuNPs 的催化活性

PD-AuNPs(0.04 mM)在过量 NaBH₄(4.13 mM)存在下催化 4-NP(0.113 mM)还原为 4-AP。反应在 720 s 内完成,拟一级速率常数为 3.4 × 10⁻³ s⁻¹,通过 UV-vis 监测 400 nm 吸光度衰减和 300 nm 新峰出现得到证实。

结果与讨论

颜色学确认纳米颗粒形成

PD-AuNPs 呈酒红紫色,SPR 峰 536 nm;PD-AgNPs 呈黄色,SPR 峰 427 nm,证实还原成功。

高分辨透射电镜

AuNPs:球形,14.94 ± 2.14 nm;少量三角形/多边形。AgNPs:球形,18.40 ± 3.20 nm。高斯分布分别集中于 ~15 nm(Au)和 ~18 nm(Ag)。PD 富集组分作为封端剂防止团聚。

AFM 分析

AuNPs 和 AgNPs 在 2D 高度和 3D 幅度误差图像中均呈球形。截面分析测得高度 10.44–10.47 nm(Au)和 7.46–10.35 nm(Ag)。曲率增强后直径为 19.14 nm(Au)和 29.93 nm(Ag),因基底效应略大。

晶体结构(HR-XRD)

确认为面心立方结构。AuNPs:(111) 38.2°,(200) 44.4°。AgNPs:(111) 38.2°,(200) 44.4°,(220) 65.2°,(311) 78.0°。Scherrer 公式估算尺寸分别为 11.05 nm(Au)和 12.54 nm(Ag)。

官能团(FT-IR)

–OH(3421→3426 cm⁻¹)、芳香 C=C(1654→1633 cm⁻¹)、C–O/C–H(1035→1043/1058 cm⁻¹)峰位移表明这些基团主动参与还原。

催化性能

PD-AuNPs 对 4-NP 还原速率常数达 3.4 × 10⁻³ s⁻¹,媲美或超越许多植物源 AuNPs 催化剂。后续工作将探索纯化效应及体外/体内协同生物活性。

结论

桔梗根 PD 富集组分提供了一条高效、环保的制备球形 AuNPs 和 AgNPs 路线,产物具有面心立方结构。–OH、芳香、C–O 和 C–H 基团充当天然还原剂和稳定剂。PD-AuNPs 在 4-NP 还原中展现出良好催化活性,说明植物皂苷在多功能纳米材料制备中的潜力。后续研究将评估这些纳米颗粒在生物医学领域的联合治疗效应。

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