通过绿色合成方法对ZnSe双金属纳米颗粒进行纳米结构设计，以优化其光催化和抗菌性能的应用

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通过绿色合成方法对ZnSe双金属纳米颗粒进行纳米结构设计，以优化其光催化和抗菌性能的应用

时间：2026年3月31日

来源：Materials Science and Engineering: B

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本研究采用榴莲叶提取物绿色合成ZnSe纳米颗粒，结构为立方相，尺寸3.8 nm。具有光催化降解甲基蓝染料97%及显著抗菌活性，抑制大肠杆菌和肺炎克雷伯氏菌，证实植物提取物的环保优势。

印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利市Seethalakshmi Ramaswami学院物理系研究生与研究部，邮编620002

摘要

本研究利用Durio zibethinus（榴莲）叶提取物，描述了双金属硒化锌（ZnSe）纳米粒子的绿色合成方法、表征、光催化活性及抗菌性能。根据XRD测量结果，ZnSe纳米粒子具有立方结构，平均尺寸为3.8纳米。其吸收峰位于372纳米处，能隙为3.3电子伏特，并向蓝光方向偏移，表明存在量子限制效应。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像显示纳米粒子分布均匀，具有明显的多孔性，粒径小于25纳米。动态光散射（DLS）分析表明其流体动力学直径约为27纳米，ζ电位测量结果（-27.73 mV）证实了其良好的胶体稳定性。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了植物化学物质与纳米粒子之间的相互作用，揭示了纳米粒子尺寸稳定性的关键因素。光致发光光谱显示386、472和524纳米处的发光现象，包括带边发射和缺陷相关发射，这些特性增强了材料的光催化能力。介孔结构的比表面积为52.13 m²/g，中值孔径为5.17纳米，这些参数解释了ZnSe纳米粒子的光催化行为。在阳光照射和最佳催化剂用量条件下，ZnSe纳米粒子对亚甲蓝染料的降解效率达到了97%，显示出优异的光催化性能。此外，抗菌测试表明其对多种革兰氏阴性细菌具有显著效果：E. coli的抑菌圈直径为25 ± 0.2纳米，K. pneumoniae的抑菌圈直径为24 ± 0.1纳米。利用榴莲叶提取物制备ZnSe纳米粒子提供了一种可持续、环保的解决方案，该材料兼具优异的光催化和抗菌性能。该方法采用叶提取物作为还原剂和稳定剂，避免了传统合成方法中常用的有毒化学物质，不仅提高了纳米粒子的产量，还为污染控制和传染病管理等关键问题提供了可行的解决方案，为环境和医疗领域的更可持续发展奠定了基础。

引言

具有抗菌性能的纳米材料多年来已被广泛应用于医疗领域[1]、[2]、[3]、[4]。尤其是金属氧化物纳米粒子，由于在制药和工业领域中作为抗菌药物、填充剂、消毒剂、催化剂和遮光剂的高需求而备受关注[5]、[6]。此外，纳米级金属氧化物对微生物的响应特性是决定其应用效果的关键[7]。无机纳米金属氧化物还具有化学稳定性、生物相容性和优异的抗菌性能，吸引了众多科学家的研究[8]。硒化物是一种硫属半导体纳米结构，其带隙比金属（氧）硫化物更窄，因为Se的4p轨道形成的价带比O的2p轨道和S的3p轨道更浅。这些独特的电子特性（如线性能隙、高稳定性和可塑的能带结构）推动了其在太阳能转换[10]、生物标记[10]、光伏电池[9]和光电器件[9]等领域的深入研究。特别是硫属半导体，凭借其出色的物理化学性质，在电子学、光学导体、红外探测器和电磁场传感器[11]、[12]等领域具有广泛应用前景。因此，已经开发出多种技术来调控纳米粒子的尺寸和形貌，包括湿化学法[13]、水热法[14]、共沉淀法[15]、气相法[16]、薄膜法[17]和反向混合法[18]。其中，绿色纳米粒子的合成方法因过程简单且无有毒副产物而备受关注[19]。该方法还可用于清理有害废物、处理环境污染、海水淡化、制造药品、皮革制品和防晒产品等[20]，并在多个行业中得到广泛应用[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。在生物活性纳米粒子的合成中，单宁、生物碱、萜类化合物、黄酮类、酚类、甾体、蛋白质、碳水化合物和还原糖等植物成分是良好的绿色来源[26]、[27]、[28]，它们无毒且能产生稳定、形状和尺寸可控的纳米粒子。长期以来，Durio zibethinus（榴莲）的叶子和根部的提取物在亚洲被用作退烧药和抗疟疾药物[29]，还可用于治疗痰液问题、感冒以及黄疸和肿胀等皮肤疾病。在纳米尺度上，材料的效率与其块状形式相比，主要受表面原子的影响，表面原子比内部原子对纳米粒子的物理化学和生物性质有更大影响[30]、[31]。由于具有独特性质的纳米结构在跨学科应用中具有巨大潜力，因此受到了广泛研究[32]。在生物医学应用方面，金属纳米粒子是最有前景和最有用的纳米结构之一。除了尺寸外，这些粒子还具有独特的物理、化学和生物特性。基于锌的半导体在太阳能电池[33]、[34]和光催化[34]等领域具有广泛应用。特别是ZnSe纳米粒子表现出强大的抗菌效果，为医疗应用带来了希望[35]、[36]。尽管关于ZnSe的生物学效应的研究较少，但已有少数文献报道了其光学、结构和抗菌性能[37]、[38]。本研究采用简单的绿色一锅法合成ZnSe纳米粒子，其中加入榴莲叶提取物作为乳化剂和还原剂。随后通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）、光致发光（PL）、紫外-可见光（UV–visible）、ζ电位（ZE）、动态光散射（DLS）、X射线衍射（XRD）和丁基羟基甲苯（BHT）等多种技术对纳米粒子进行了表征。还使用甲基蓝（MB）染料评估了ZnSe纳米粒子+H₂O₂体系在可见光照射下的光催化活性，并研究了催化剂的重复使用情况以及对人类病原菌的抗菌效果。

化学试剂

所有溶剂均具有高纯度，具体如下：乙酸锌脱水物（ZnCH₃COO₂·2H₂O）、亚硒酸钠（Na₂SeO₃）、甲基蓝（C₁₆H₁₈CIN₃S）和氢氧化钠（NaOH）均从印度庞迪切里的Subra Scientific商店购买，由Sigma Aldrich公司提供。

水提取过程

本研究使用的榴莲叶来自泰米尔纳德邦的Salem地区，并经Salem的Periyar大学生物系验证。生物样本经过常规清洗处理。

纯度和晶体尺寸分析（X射线衍射分析）

样品分析的第一步是确定纳米粒子的尺寸分布和晶体相。如图1所示，生物合成的双金属ZnSe纳米粒子的XRD图谱与标准JCPDS数据（卡片编号：01–088-2345）[41]一致。ZnSe纳米粒子的衍射峰（111）、（220）、（311）、（400）和（203）表明其具有立方结构。

结论

通过生物合成法制备的ZnSe纳米粒子经过多种方法检测，证实其纯度高、尺寸小且晶体结构优异。这些纳米粒子的晶粒尺寸为3.84纳米，远小于化学合成法制备的纳米粒子。紫外-可见光谱在372纳米处显示出明显的吸收峰，表明存在蓝移现象，进一步验证了其晶体结构。

作者贡献声明

K. Seethalakshmi：负责撰写、审稿和编辑；撰写初稿。N. Mustapha：负责撰写、审稿和编辑；撰写初稿。M. Gurumoorthy：负责撰写、审稿和编辑；撰写初稿。K. Jayachitra：负责撰写、审稿和编辑；撰写初稿。A. Muthuvel：负责撰写、审稿和编辑；撰写初稿；方法学设计；实验研究；数据分析。Mokhtar Hjiri：负责撰写、审稿和编辑；撰写初稿。