作者：Swapnaja S. Gajbhiye, Maya S. Khater, Maruti V. Salve, Abhishek N. Belokar, Vijay H. Ghadage, Nandu B. Chaure
所属机构：印度浦那Savitribai Phule大学物理系（邮编411 007）
摘要
本研究探讨了氧化铈纳米立方体（CeO₂ NCs）的抗菌和抗真菌活性，并分析了退火温度对其结构、形态、光学及胶体性质的影响。通过XRD和拉曼光谱对样品进行了结构和微观结构分析。XRD结果显示样品具有立方萤石结构，这一结果与拉曼分析结果一致。场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察到样品呈立方形，平均粒径约为35–50 nm；能量分散X射线光谱（EDS）验证了样品的元素组成。此外，还利用动态光散射（DLS）和ζ电位（ZP）测量方法研究了CeO₂ NCs的胶体稳定性，从而获得了粒径和表面电荷分布的信息。通过DCPIP试验评估了样品的氧化活性：未经处理的样品对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的最低抑菌浓度（MIC）分别为250 μg/mL（37.03%）和500 μg/mL（39.28%），而经过退火的样品则需要1000 μg/mL才能达到相同的抑菌效果。无论是未经处理还是经过300°C退火的样品，在1000 μg/mL浓度下均表现出抗真菌活性；然而，经过400°C退火的样品对黑曲霉（A. niger）则无抗真菌作用。
引言
随着工业化进程的加快、人口增长及环境污染问题加剧，细菌感染现象日益普遍。抗生素被用于控制有害细菌的存在和传播[1]。目前有多种抗生素可用于治疗由细菌引起的疾病。由于金属及金属氧化物纳米颗粒（NPs）具有较低的毒性，并且对耐药性细菌有效，因此成为优良的抗菌剂[2]。金属氧化物NPs具有生物相容性、较大的表面积、优异的机械强度、新颖的催化及氧化还原性能以及独特的结构[3]。基于这些特性，金属氧化物NPs在环境科学[4, 5]、生物传感[2, 3]、生物成像[2, 3]和生物医学治疗[2, 3]等领域受到了广泛关注。研究表明，TiO₂、CuO、ZnO和CeO₂等金属氧化物NPs因其抗菌性能而备受关注[1, 2, 3]。此外，这些纳米颗粒在医疗治疗和环境净化方面的应用前景也在不断探索中。其中，CeO₂作为一种n型半导体，具有3.19 eV的宽能带隙（对应吸收波长范围300–375 nm）[6, 7, 8]，展现出优异的催化性能、强紫外线吸收能力、高效的氧气储存能力以及化学和热稳定性[8, 9, 10]。CeO₂被广泛应用于太阳能电池、抗癌药物、氧气传感器和药物输送系统[3, 7, 8, 9]等领域，并在抗菌应用中展现出巨大潜力[7]。其抗菌效果受合成方法、粒径、材料纯度及前驱体性质等因素显著影响。目前已开发出多种制备CeO₂ NPs的合成方法，包括沉淀[11, 12, 13]、微波法[14, 15]、共沉淀[16]、水热法[17, 18]和溶胶-凝胶法[19, 20]，其中水热法是制备CeO₂最经济且简便的方法[17, 21]。
近年来，由于纳米材料在电气、生物和光学领域的广泛应用，人们对纳米材料的尺寸、形状及晶体相的控制合成产生了浓厚兴趣[5, 22]。合成过程、前驱体选择、退火温度和pH值等多种因素都会影响纳米颗粒的尺寸、形状和表面特性[22, 23, 24]。退火是最简单的改变表面特性的方法，它通过促进晶体生长、均匀成核、提高结晶度及增强抗菌性能来减少材料表面积[25]。此外，抗菌活性会随退火温度变化，因为表面反应性和细菌与纳米颗粒之间的相互作用会发生变化[25]。纳米颗粒的抗菌效果主要归因于活性氧（ROS）的生成[26]。研究表明，金属氧化物纳米颗粒在光照下会产生ROS[26]。当入射光子能量超过能带隙时，电子会被激发到导带，同时在价带产生空穴，这些载流子会形成超氧阴离子（O₂⁻）、羟基自由基（·OH）及单线态氧（¹O₂）[26, 27]。多项研究证实，经过退火的CeO₂ NPs具有抗菌活性，对革兰氏阳性和阴性细菌、酵母及真菌均有效[7, 25, 28, 29]。尽管对大肠杆菌（E. coli）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的抗菌效果显著，但对黑曲霉（A. niger）则无作用[7, 14, 28, 29]。
在本研究中，采用水热法制备了具有可控形态和结晶度的CeO₂纳米立方体。此前我们已探讨了反应时间对样品结构、光学和抗菌性能的影响[18]。XRD证实了样品的晶体相，UV–Vis漫反射光谱用于测定光学带隙。场发射扫描电子显微镜（FESEM）揭示了颗粒的形态和元素组成。本研究进一步评估了样品产生ROS的能力（使用2,6-二氯酚靛酚（DCPIP）试验）、材料的稳定性及抗菌机制。除了物理化学表征外，还评估了未经处理和经过退火的CeO₂ NPs的抗菌效果，重点考察了它们对革兰氏阴性菌（E. coli）、革兰氏阳性菌（S. aureus）和真菌（A. niger）的抑制作用，展示了其潜在应用价值。
材料
制备CeO₂ NPs使用了硝酸铈六水合物（Ce(NO₃)₂·6H₂O，纯度99.9%，HPLC检测）、氢氧化钠（NaOH，纯度99.9%，Aldrich）、双蒸水（DDW）和乙醇（纯度99%，AR级）。此外，还使用了琼脂（NA，Hi-Media）、氯化钠（NaCl）、蛋白胨和酵母来测定抗菌活性，以及Sabouraud葡萄糖来评估抗真菌活性。合成方法
本研究采用了一种经济高效的一步水热法制备CeO₂纳米立方体（图1示意）。
形态与EDS分析
图3(a–c)展示了未经处理和经过300°C及400°C退火的CeO₂ NCs的FESEM图像。可见颗粒呈立方形，且随退火温度升高粒径增大。退火过程通过奥斯特瓦尔德熟化或颗粒聚合作用减少了晶界面积，从而使颗粒尺寸增大。尽管颗粒仍可区分，但存在严重团聚现象。
结论
本研究成功采用水热法制备了氧化铈纳米立方体，并分析了退火温度对样品尺寸、形状、结构和光学性质的影响。通过XRD、拉曼光谱和UV–Vis DRS光谱对样品进行了评估。XRD图中的F2g峰和(111)峰证实了CeO₂具有立方萤石晶体结构。随着退火温度的升高，样品的结晶度进一步提高。
作者贡献声明
Swapnaja S. Gajbhiye：负责撰写初稿、方法设计、实验实施、数据分析与整理。
Maya S. Khater：负责撰写初稿、资源获取、数据分析与整理。
Maruti V. Salve：负责数据分析。
Abhishek N. Belokar：负责结果验证与数据分析。
Vijay H. Ghadage：负责实验指导、实验设计及数据分析。
Nandu B. Chaure：负责撰写修订稿、实验监督、资金筹措及数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Babasaheb Ambedkar研究与培训研究所（浦那）提供的财务支持。
注：
Swapnaja S. Gajbhiye目前是浦那Savitribai Phule大学的研究学者，毕业于那格浦尔Rashtrasant Tukdoji Maharaj大学，研究方向包括纳米结构、抗菌活性及抗菌应用。
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