Текущие стратегии синтеза наночастиц благородных металлов

Введение

Благородные металлы использовались очень давно, начиная с первой египетской цивилизации, и всегда считались признаком превосходящей силы и богатства. В результате их можно увидеть в истории в виде дорогих произведений искусства, монет, драгоценностей и т. Д. [1]. Эти металлы обычно дороже других из-за их наличия в земной коре [2, 3]. Благодаря своей прочности, устойчивости к экстремальным условиям коррозии и окисления они широко используются в аэрокосмической, автомобильной, химической, энергетической, электротехнической и электронной промышленности и, что более важно, в здравоохранении (от хирургического оборудования до усилителей контрастности при визуализации) [4 , 5].

За последние два десятилетия нанотехнологии оказались самой многообещающей технологией будущего, предлагающей бесчисленные возможности. Междисциплинарная поддержка академического и промышленного секторов сделала эту область наиболее быстро развивающейся с многообещающими результатами [6,7,8]. В настоящее время технологический скачок в синтезе и контроле металлов на наноразмерном уровне предоставил огромные возможности для исследований в области персонализированного здравоохранения, диагностики и лечения [9,10,11]. Металлические наночастицы (МНЧ) оказались наиболее широко изученными из-за их впечатляющих физико-химических свойств и большого отношения поверхности к объему по сравнению с их массивным материалом (металлом). Что касается биомедицинских приложений, NMNP стали естественным выбором из-за их устойчивости к суровым условиям окружающей среды. Они применялись в высокочувствительных диагностических тестах, как усилители термической абляции в лучевой терапии, а также как средства доставки лекарств и генов [3, 12, 13].

Недавнее слияние нанотехнологий с науками о материалах привело к разработке новых нанокомпозитных материалов с значительно улучшенными тепловыми, каталитическими, электрическими, оптическими и механическими свойствами по сравнению с отдельными компонентами. Примечательно, что композиты, изготовленные из NMNP, вызывают большой исследовательский интерес из-за их впечатляющих физико-химических свойств, которые играют жизненно важную роль в модификации наноразмерных строительных блоков и приводят к широкому применению в катализе (в основном электрокатализе), оптике, наномедицине и защите окружающей среды [ 14,15,16,17]. Благородные металлы в коллоидном состоянии являются предметом интенсивных исследований, в основном из-за их эффективности в терапии и диагностике [2, 18]. Точно так же улучшения в синтезе материалов, таких как оксид графена и восстановленный оксид графена [14, 19, 20], квантовые точки [21,22,23] и углеродные нанотрубки [24,25,26], способствовали более выполнимому и эффективному методы формирования NMNC.

Из-за небольшого размера Au, PtNP и NMNP, их большого отношения площади поверхности к объему и способности способствовать процессам с высоким переносом электронов, они являются идеальными кандидатами для применения в качестве электрохимических сенсоров [27,28,29]. Оптические свойства NMNPs послужили темой для многих исследований, особенно Ag и AuNPs. Эти наночастицы способны по-разному реагировать на световые волны различной длины (обширное рассеяние из видимой области в ближнюю инфракрасную область с помощью Au), поэтому они применяются в качестве усилителей сигнала в спектроскопии комбинационного рассеяния света с усилением поверхности (SERS), локализованном поверхностном плазмонном резонансе. и др. спектроскопия резонансного рассеяния [30,31,32,33]. Благодаря широким возможностям настройки оптических свойств и биосовместимости AuNP, они нашли применение в фототермической терапии и визуализации in vivo (фотоакустической визуализации) опухолей [34,35,36]. Недавно AgNP также продемонстрировали свой потенциал в фототермической терапии, где они обычно применяются в качестве систем или композитов Ag ядро-оболочка (с восстановленным оксидом графена / углеродными нанотрубками) [37,38,39]. Биосовместимость NMNP с клетками и тканями открыла широкое применение в диагностике [14]. Биосенсоры NMNP и NMNC (особенно графен) сыграли ключевую роль в повышении точности и специфичности, что дает преимущество перед существующими методами биомолекулярной диагностики [40, 41]. Обычно Au и PtNP используются при разработке новых биосенсоров и зондов из-за их способности адсорбироваться на биомолекулы наряду с их высочайшей проводимостью и стабильностью [42,43,44,45]. В результате сами NMNP или в форме NMNC применяются в качестве иммуносенсоров [46], биомолекул для обнаружения [47] и нанозондов (для визуализации клеток in vivo, отслеживания и изучения патогенеза прогрессирования заболевания) [2, 6, 48 ]. Несмотря на все эти преимущества NMNP и NMNC, по-прежнему существует много вопросов и споров относительно их профиля безопасности в организме человека [49,50,51].

В этом обзоре мы представляем обзор методологий синтеза NMNP (Ag, Au и Pt) и NMNC (с Ag, Au и Pt), а также их текущие разработки в биомедицинских приложениях в качестве терапевтических и диагностических средств, включая синергизм, демонстрируемый NMNC. с NMNP с точки зрения повышения производительности, что является актуальной темой в исследованиях материалов.

Текущие тенденции в синтезе NMNP

Методы синтеза NMNP

Подготовка НЧ в основном осуществляется двумя разными способами:(1) сверху вниз (деструктивный метод) и (2) снизу вверх (конструктивный метод) (рис. 1).

Схематическое изображение нисходящего (изображения с зеленым фоном) и восходящего (изображения с бледно-желтым фоном) подходов к синтезу наночастиц, изображение было адаптировано и перерисовано из [52,53,54,55,56,57, 58,59,60]

Нисходящие процессы включают дробление объемных материалов на более мелкие частицы наноразмеров с использованием различных физических и химических методов. Напротив, при восходящем подходе НЧ создаются путем самосборки атомов, молекул или кластеров. Нисходящие подходы включают в себя контролируемые извне процессы резки, фрезерования и формовки материалов в желаемом порядке и форме. К этой категории относятся несколько физических методов, таких как пиролиз [61, 62], нанолитография [63, 64], термолиз [65] и радиационно-индуцированные методы [66,67,68]. Однако этот подход имеет серьезное ограничение, которым является несовершенная структура поверхности полученных МНЧ, которая существенно влияет на их физические и химические свойства [1]. Более того, этот метод требует огромного количества энергии для поддержания условий высокого давления и высокой температуры во время процедуры синтеза, что делает процесс дорогостоящим.

В восходящих методах НЧ собираются из соответствующих атомов, кластеров и молекул с использованием химических, а также биологических процедур. Подход снизу вверх оказался выгодным, поскольку он обеспечивает гораздо лучший контроль над образованием конечного продукта с более однородным размером, формой (физическими параметрами) и химическим составом. Более того, этот подход в целом менее затратный. Подход снизу вверх обычно представляет собой процедуру мокрого химического синтеза, например химический [69, 70], электрохимический [71,72,73], сонохимический [74, 75] и зеленый синтез [76, 77]. При восходящем подходе очистка синтезированных частиц от их реакционной смеси (токсичных химикатов, органических растворителей и реагентов) представляет собой серьезную проблему, которая ставит под сомнение их биомедицинское применение, за исключением методов зеленого синтеза.

Подходы сверху вниз

Распыление

Распыление - один из наиболее часто используемых протоколов синтеза, который включает осаждение наночастиц в виде тонкого слоя, образованного столкновением ионов по подложке, с последующим отжигом. Этот метод также называют методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) [78, 79]. Эффективность этого метода в основном зависит от таких факторов, как толщина слоя, тип подложки, продолжительность отжига и температура, которые напрямую влияют на размер и форму наночастиц [55, 80, 81].

Микрообразцы

Микропаттернирование, популярный метод, используемый в биосенсорах, микрочипах, тканевой инженерии и клеточных исследованиях [82], также используется в синтезе MNP. В общем, этот метод эквивалентен процессу печати, в котором материал разрезается или формируется в требуемую форму и размер с помощью светового или электронного луча для синтеза наноструктурированных массивов из соответствующего прекурсора. Это низкотемпературный невакуумный метод, использующий фотолитографию для синтеза МНЧ с использованием лазерного спекания чернил МНЧ [83, 84]. Помимо фотолитографии, были разработаны многочисленные методы литографии, такие как сканирование, мягкий наноимпринтинг, коллоидная, наносферная и электронно-лучевая литография [2, 57, 85, 86].

Фрезерование

Измельчение обычно считается публичным проявлением нисходящих процессов, поскольку оно включает в себя прямое разделение объемных материалов на микро / наноструктуры. При механическом измельчении кинетическая энергия валков / шаров передается сыпучему материалу, что приводит к уменьшению размера зерна [87]. Такие параметры, как тип мельницы, атмосфера измельчения, мелющие среды, интенсивность, время и температура, играют решающую роль в управлении формой и размером наночастиц [88, 89]. Для преодоления этих ограничений были разработаны различные методы, в том числе вибрационные мельницы, барабанные мельницы, вибрационные мельницы, истирающие мельницы и планетарные мельницы.

Лазерная абляция

Лазерная абляция - один из методов, который считается подходящей заменой обычных химических методов из-за короткого времени обработки, обеспечивающего лучший контроль над размером и формой частиц и высокий выход с лучшей долгосрочной стабильностью [78, 90 , 91,92]. В процессе лазерной абляции твердая поверхность (обычно пластина из чистого металла) облучается лазерным лучом, что приводит к образованию плазменного шлейфа с низким потоком, который в конечном итоге испаряется или сублимируется с образованием НЧ [93]. При более высоком потоке материалы превращаются в плазму. Отсутствие требований к удалению избыточных реагентов, а также возможность синтеза металлических наночастиц как в водных, так и в органических растворителях позволило реализовать метод лазерной абляции в биомедицинских приложениях, таких как конъюгация биомолекул in situ с МНЧ, что было доказано. быть более эффективным, чем стандартные методы [54, 94, 95].

Пиролиз

Термическое разложение - еще один важный метод, обычно используемый отдельно или в сочетании с другими физическими методами синтеза МНЧ [78]. Это эндотермический процесс химического разложения, в котором используется тепло для разрыва химических связей соединения, что приводит к разложению предшественника, заставляя его вступать в химическую реакцию с образованием НЧ вместе с другими побочными продуктами в виде золы. При дальнейшей переработке полученной твердой золы извлекаются НЧ. Пиролиз часто используют для получения благородных МНЧ [56, 96, 97]. Чрезмерное потребление энергии - один из важнейших недостатков этого метода.

Химическое осаждение из паровой фазы

Этот метод также известен как метод вакуумного осаждения, при котором газообразный реагент осаждается в виде тонкой пленки на подложку вместе с комбинацией других молекул газа, которые способствуют перегреву подложки. Во время реакции субстрат контактирует с объединенными газами, что приводит к восстановлению ионов [78]. Продукт этой реакции обычно представляет собой пленку, с которой нужно соскабливать НЧ. Метод позволяет получать высокочистые, однородные и непористые наночастицы; в результате этот метод стал очень важным в электронной и полупроводниковой промышленности. Несмотря на эти огромные преимущества, этот метод страдает некоторыми серьезными недостатками:необходимостью специального оборудования для изготовления пленок и камер для реакции, а также тем фактом, что газообразные побочные продукты этой реакции чрезвычайно токсичны [98].>

Подходы снизу вверх

Уменьшение ионов металлов в растворе

Этот подход включает восстановление ионов металлов из их ионных солей с использованием различных химических восстановителей в присутствии стабилизатора при благоприятных параметрах реакции (pH, температура и т. Д.). Эта процедура является наиболее распространенным и надежным методом из всех восходящих подходов из-за ее абсолютной простоты [2, 99]. Для этого процесса доступен обширный список ряда восстановителей, который включает обычно используемые цитрат натрия [10, 100], дубильную кислоту [99], боргидрат натрия [101], гидразин, водород, алюмогидрид лития, а также спирты. можно использовать [2, 60]. Аналогичным образом, когда дело доходит до стабилизаторов, существует множество вариантов, и они обычно делятся на две категории (1) низкомолекулярные (например, цитрат, SDS, хитозан и т. Д.) И (2) высокомолекулярные. (например, крахмал, твин, ПВП, ПЭГ, ДИСПЕРБИК и т. д.). Стабилизаторы с низким молекулярным весом (обычно заряженные детергенты) имеют тенденцию изменять поверхностный заряд синтезированных частиц и поддерживать силу отталкивания между ними, предотвращая агрегацию; этот тип стабилизатора обычно плохо защищает от факторов стресса окружающей среды (особенно от изменений температуры хранения и воздействия света). Стабилизаторы с высоким молекулярным весом обычно захватывают частицы и защищают их от воздействия окружающей среды. Было показано, что они более эффективны, чем низкомолекулярные стабилизаторы. Несмотря на их преимущества, их биологические применения и каталитические свойства вызывают сомнения из-за толстого слоя стабилизирующего агента над частицами, который предотвращает их растворение [102, 103]. С точки зрения однородности размера и формы частиц явным победителем является химическое восстановление. Это связано с тем, что восстановление можно легко регулировать, изменяя параметры реакции (pH и соотношение между восстанавливающим и стабилизирующим агентом). Тяги и его команда получили AuNP [104], используя метод восстановления цитрата при комнатной температуре, pH 3 с молярными отношениями цитрата к AuCl 2:1 и 5:1 ₃ , давая частицы со средним размером 28 и 25 нм соответственно. При этом pH реакция протекала намного быстрее, чем при других значениях pH. Они также показали, что AuNP различной формы, такой как призмы, стержни и сферы, образовывались при значениях pH от 3 до 6 (с молярным соотношением цитрата к AuCl ₃ 2:1. ). В другом исследовании Агнихотри с соавторами [105], которые применили аналогичный метод восстановления цитрата для синтеза AgNP, были получены частицы со средним размером 5 нм при самой высокой концентрации цитрата натрия (4,28 × 10 ^–3 моль дм ⁻³ ). Их размер увеличивался при повышенных концентрациях цитрата (до 100 нм при 1,77 × 10 ^–2 моль дм ⁻³ ). Другое исследование Hou et al. [106] описал синтез высокостабильных и монодисперсных наночастиц Pt в форме гидрозолей для электрокаталитических применений.

Микроэмульсия

Производство металлических наночастиц на основе микроэмульсий становится темой большого интереса, а также является эффективным методом, обеспечивающим лучший контроль над физическими аспектами синтезированных наночастиц, такими как размер и форма. Обычно микроэмульсии представляют собой просто смеси двух несмешивающихся жидкостей в присутствии поверхностно-активного вещества. Эти системы обычно обладают сверхнизким межфазным натяжением, большой межфазной площадью и термодинамической стабильностью [107]. Первый синтез NMNP на основе микроэмульсии был описан группой Muñoz-Flores et al. [58, 108, 109], которые синтезировали НЧ платины, палладия и родия. При синтезе НЧ на основе микроэмульсии готовятся две отдельные микроэмульсии, одна из которых содержит ионную соль, а другая - восстанавливающий агент, полученный в амфифильной среде. Столкновение между эмульсиями приводит к смешиванию реагентов и восстанавливает ионы соли до нейтральных атомов, которые затем образуют наночастицы [2]. Системы вода-в-масле обычно используются для синтеза металлических наночастиц, и поскольку наночастицы, полученные этим методом, получают в форме эмульсий, они обычно термодинамически стабильны. В зависимости от необходимости, этот процесс также может быть адаптирован для синтеза наночастиц определенного типа путем изменения соотношения поверхностно-активного вещества к маслу. Это дает возможность контролировать размер и форму частиц [110].

Электрохимические методы

Электрохимические процессы обычно используются для синтеза NMNP и нанокомпозитов, которые в основном используются из-за их каталитических свойств и недавно были использованы в биомедицинских приложениях в качестве биосенсоров [111]. Электрохимический метод был впервые представлен в 1994 году Ритцем и Хельбигом, которые растворили чистый металлический лист с анода, чтобы добиться осаждения соли металла на катоде электрохимической ячейки в присутствии электролита для получения наночастиц [2, 112] . Эффективность этого метода зависит от различных параметров, таких как природа восстановителя, чистота металла и стабилизатора, выбор электролита, соотношение концентраций и температура, которые напрямую влияют на физические параметры наночастиц [53]. В настоящее время синтез нанокомпозитов (особенно с графеном) с использованием электрохимических методов предпочтительнее синтеза НЧ [113].

Методы синтеза, индуцированного излучением

В этом методе используется ионизирующее излучение (особенно гамма-излучение, включая рентгеновские лучи и УФ-свет) для синтеза металлических наночастиц. Было доказано, что он является высокоэффективным по сравнению с традиционными методами синтеза НЧ, поскольку он обеспечивает полностью восстановленные, высокочистые (без побочных продуктов) металлические наночастицы. Эта тема хорошо освещена в нескольких обзорах [59, 66, 114, 115]. В этом процессе водный раствор восстановителя и стабилизатора подвергается радиолизу, опосредованному излучением, что приводит к образованию НЧ. Во время радиационного воздействия молекулы воды распадаются с образованием переходных продуктов, которые действуют как сильные окислители или восстановители и восстанавливают ионы металлов до нейтральных атомов металла, которые затем зарождаются с образованием НЧ. Методы синхротронного рентгеновского излучения позволили отслеживать траектории роста коллоидных НЧ в реальном времени [116]. Физические параметры, критические для синтеза НЧ, включают дозу облучения, pH системы и тип растворителя, используемого в синтезе [117]. Недавно радиационно-индуцированный синтез был использован для производства стабилизированных твин 80 AgNP для антибактериальных применений [118].

Методы зеленого синтеза, индуцированного микроволновым излучением

Как правило, синтез с помощью микроволн также известен как синтез в одном сосуде и включает синтез НЧ из солей и растворов поверхностно-активных веществ. Это высоконадежный, быстрый и простой метод, позволяющий контролировать морфологию синтезированных НЧ [2]. Этот метод работает по принципу дипольного взаимодействия (молекулы имеют тенденцию выравниваться и колебаться синхронно с осциллирующим электрическим полем микроволн, столкновение и трение между ними вызывает тепло) и ионной проводимости (электрическое поле генерирует движение ионов, когда молекулы пытаются ориентироваться в быстро меняющемся поле, вызывая мгновенный перегрев), вызывая эффект нагрева, который приводит к восстановлению ионов металлов до НЧ [119, 120]. Время микроволнового облучения и концентрация реагента в основном определяют морфологические параметры НЧ. В последнее время физические свойства, такие как монодисперсность и размер зерен суперпарамагнитных НЧ магнетита, полученных с помощью микроволнового синтеза, контролировались путем введения гумат-полианиона на различных стадиях синтеза [121]. Электрический разряд, индуцированный микроволновым излучением, также использовали для синтеза наночастиц Cu, Ni и Zn из металлических частиц в отсутствие растворителей или поверхностно-активных веществ [122].

Зеленые методы синтеза

Чрезмерное использование химикатов в химическом синтезе почти поставило под угрозу будущее биологических применений NMNP. Это привело к исследованию других, экологических методов с минимальным использованием химикатов. Зеленые методы синтеза с использованием растительных экстрактов, микроорганизмов и биополимеров оказались мощными кандидатами на замену химическим методам синтеза НЧ (рис. 2) [123]. Благодаря более простым и экологичным методологиям за последние два десятилетия количество публикаций резко выросло [52, 124, 125].

Схематическое изображение методов зеленого синтеза

Биосистемный синтез NMNPS

Стремление к разработке экономически и экологически благоприятных методов привело к исследованию микроорганизмов как потенциальных кандидатов для синтеза наночастиц [126, 127]. Биологические системы - прекрасные примеры иерархической организации атомов и молекул, которые привлекают исследователей к использованию микроорганизмов в качестве потенциальных клеточных фабрик для приготовления наноматериалов. Как прокариотические (бактерии), так и эукариотические (водоросли, грибы и растения) виды используются для зеленого синтеза НЧ [123].

Бактериальный синтез наночастиц

Бактерии, которые неоднократно подвергались воздействию богатой металлами среды, часто развивали устойчивость к этим экстремальным условиям [128]. Таким образом, прокариоты стали естественным выбором для производства наноматериалов. Pseudomonas stutzeri AG259, бактерия-накопитель металлов, выделенная из серебряного рудника, была использована Klaus et al. [129] для создания внутриклеточных нанокристаллов металлического серебра размером до 200 нм. О внеклеточном синтезе НЧ впервые сообщили Shahverdi с соавторами [130], где AgNP были получены восстановлением водного Ag ⁺ ионов через различные супернатанты культур грамотрицательных бактерий, т. е. Enterobacter cloacae , кишечная палочка и клебсиеллезная пневмония . Скорость синтеза была намного выше, чем внутриклеточный синтез, что привело к синтезу Ag-NPs в течение 5 минут после того, как ионы Ag + столкнулись с клеточным фильтратом. Ферменты внеклеточной редуктазы, продуцируемые микроорганизмами, а именно Bacillus licheniformis и Bacillus clausii , восстанавливают ионы серебра до нейтрального серебра, в результате чего образуются наноразмерные частицы. Анализ белков этих микроорганизмов показал, что фермент НАДН-зависимая редуктаза играет жизненно важную роль в биовосстановлении ионов серебра до наночастиц серебра. Фермент редуктаза получает свои электроны в результате окисления НАДН до НАД +. Во время окисления фермент одновременно окисляется, что приводит к восстановлению ионов серебра до AgNP. В некоторых случаях было замечено, что нитрат-зависимая редуктаза также может участвовать в биовосстановлении [131, 132, 133]. Кроме того, несколько штаммов бактерий (грамотрицательных и грамположительных), а именно A. calcoaceticus, B. amyloliquefaciens, B. flexus, B. megaterium и С. золотистый , также использовались как для внеклеточного, так и для внутриклеточного биосинтеза AgNPs [123]. Точно так же AuNPs и PtNPs также получают путем накопления и восстановления бактериями солей золота и платины. Б. licheniformis, B. megaterium , Delftia sp KCM-006., Shewanella sp ., Stenotrophomonas maltophilia и Lactobacillus sp . являются некоторыми примерами бактерий, которые использовались для производства золотых наноматериалов [134, 135]. Кроме того, бактерии Shewanella sp . и Acinetobacter calcoaceticus PUCM 1011 были использованы для приготовления PtNP [136, 137]. Хотя бактериально-опосредованный синтез является многообещающим с точки зрения его зеленой природы и контроля формы и размера частиц (в основном при внеклеточном синтезе), он страдает такими недостатками, как трудности с обработкой и низкий выход.

Синтез на основе грибов

В последние годы синтез NMNP с помощью эукариотических микроорганизмов стал лучшей альтернативой прокариотам из-за их высокой способности к внутриклеточному поглощению металлов, способности синтезировать NP с различным химическим составом, способности производить большое количество ферментов на единицу биомассы и простоты обращения с биомассой. в лабораторном масштабе [131].

В общем, грибы обладают потенциалом к ​​синтезу металлических НЧ благодаря их способности к биоаккумуляции металлов, их толерантности, высокой связывающей способности и внутриклеточному захвату, как у бактерий [127]. Грибы используют как внутриклеточные, так и внеклеточные методы синтеза НЧ, и внеклеточный синтез является наиболее часто описываемым механизмом синтеза из-за их способности производить большое количество внеклеточных ферментов, которые превращают Ag ⁺ ионы в наноразмерные частицы серебра [138, 139, 140]. При внутриклеточном синтезе Ag ⁺ ионы адсорбируются на поверхность клетки за счет электростатического взаимодействия между отрицательно заряженными карбоксилатными группами в ферментах и ​​положительно заряженным Ag ⁺ ионы. Ag ⁺ Позже ионы восстанавливаются ферментами, присутствующими в клеточной стенке, с образованием AgNP, в этом процессе NPs образуются на поверхности мицелия, а не в растворе. В 2001 году внутриклеточная подготовка AuNP с использованием Verticillium sp впервые сообщили Mukherjee et al. [141], где Au ³⁺ ионы тетрахлораурата восстанавливались в клетках грибов, что приводило к образованию частиц размером до 20 нм. Вахаби и его коллеги [142] использовали Trichoderma reesei для синтеза AgNPs, где среды с биомассой инокулировали AgNO ₃ и инкубировали в течение 72 часов, что привело к образованию AgNPs размером 5–50 нм. Точно так же другое исследование команды Vigneshwaran et al. [138] продемонстрировали внутриклеточный синтез AgNP из Aspergillus flavus и сообщили, что ферменты клеточной стенки в основном ответственны за восстановление, а белки - за стабилизацию. Несмотря на все эти преимущества, такие как более быстрый синтез и лучший контроль над размером и формой синтезированных частиц, внутриклеточные процессы страдают огромным недостатком с точки зрения извлечения продукта, что делает процесс трудным и дорогим, поскольку НЧ связываются с клеткой. В результате предпочтителен внеклеточный синтез. При внеклеточном синтезе бесклеточный бульон / суспензия используется в процессе синтеза, который оказывается более экологически чистым и экономичным. В 2016 году команда Balakumaran et al. [143] использовали бесклеточную суспензию Aspergillus terreus . для синтеза как Au, так и AgNP, в результате чего получаются сферические наночастицы размером 8–20 нм и 10–50 нм для Ag и AuNP соответственно. Оценка частиц с помощью FTIR подтвердила связывание белков с НЧ.

Синтез на основе водорослей

В синтезе НЧ, опосредованном водорослями, используются четыре различных метода:(1) целые клетки водорослей собирают из их культуральной среды на заданной фазе роста с помощью центрифугирования, а затем диспергируют непосредственно в водном растворе соли металла; (2) бесклеточный водный экстракт, полученный из свежесобранных или лиофилизированных клеток; (3) фильтрат водного экстракта или надосадочная жидкость измельченных, свежих или сушеных водорослей; и (4) водный фильтрат водорослевого бульона. Синтез, опосредованный экстрактом, является наиболее часто описываемым механизмом синтеза на основе водорослей [131, 144]. The accumulation of elemental gold in the form of AuNPs (9–20 nm) was noted with a dried cell suspension of Chlorella vulgaris by Hosea et al., who also reported an increase in the concentration of gold with time, proving the ability of the algal cells to uptake and reduce the gold ions from tetrachloroauric acid [145]. Velgosova and coworkers [146] reported on the synthesis of highly stable AgNPs from Parachlorella kessleri , a green algae aqueous extract, where the synthesized particles were in the size range of about 20 nm and exhibited excellent stability over a year. Other Algal sp, such as Pithophora oedogonia , Sargassum wightii and Plectonema boryanum , have been used successfully to construct Ag, Au and PtNPs, respectively [147,148,149].

Plant-Based Synthesis

Plant- and plant extract-mediated synthesis has been the most commonly reported synthesis methodology [123, 135, 150]. This type of synthesis is designated phytosynthesis. The major advantage of this synthesis method is easy product recovery. In 2003, the team of Gardea-Torresdey et al. was the first to illustrate the synthesis of metal nanoparticles (AgNPs) using a living plant system with alfalfa sprouts (Medicago sativa ) in an agar medium. The roots possess the tendency to absorb the Ag from the medium and transport it along the shoot of the system in the same oxidation state, in the shoot the Ag atoms are further arranged to form AgNPs. Similarly, another study employed the alfalfa plant secretome to reduce Au ⁺ to Au ⁰ , which also followed a similar procedure to produce AuNPs [151]. Plant-extract-mediated synthesis uses a plant component (leaves, stems, roots, shoots, flowers, barks and seeds) extract for the synthesis of NPs, the major advantage of this method is the ability of the extract to serve as both the reducing and stabilizing agent [152]. This method has been proved to be the most cost efficient and user friendly method to produce nanoparticles with long-term stability. In 2016, the team of Balashanmugam et al. demonstrated the phytogenic synthesis of AgNPs from Cassia roxburghii aqueous leaf extract. The synthesized AgNPs were in the size range of about 35 nm and exhibited excellent stability over a year. This method also facilitated the synthesis of both individual and bimetallic particles. Neem (Azadirachta indica ) leaf extract was successfully used by Shankar et al. [153] to prepare silver, gold and bimetallic Au/Ag core–shell NPs. Similar plant extracts (bark, leaf, fruit and gum) have been used by several researchers to produce a variety of NMNPs [153,154,155]. Currently, light-induced nanoparticles are in the spotlight, as this procedure facilitates faster synthesis during the exposure of the mixture to sunlight. Kumar et al. [156] used Erigeron Bonariensis aqueous leaf extract for the synthesis of silver nanoparticles that yielded spherical and oval-shaped AgNPs with a size range of 13 nm (TEM size). The crucial parameters to be considered in this synthesis are the light exposure time and the concentration of the plant extract in the reaction system.

Conclusion

Several physical, chemical as well as biological methods have been developed for the synthesis of NPs. All these processes are widely used based on the utility and applicability of the nanoproducts. However, each of the existing protocols suffers from certain drawbacks and also most of these processes cannot be scaled up for large-scale production. Thus, the development of alternative processes to fabricate NPs with controlled and tunable properties is still an open challenge.

Доступность данных и материалов

Не применимо.

Сокращения

NM:

Noble metals

НП:

Наночастицы

NMNPs:

Noble metal nanoparticles

AuNP:

Наночастицы золота

AgNPs:

Наночастицы серебра

PtNPs:

Platinum nanoparticles

NMNCs:

Noble metal composites

PVD:

Физическое осаждение из паровой фазы

SDS:

Додецилсульфат натрия

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

PEG:

Полиэтиленгликоль

AuCl₃ :

Gold chloride

NADH:

Nicotinamide adenine dinucleotide

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия