오늘날 많은 산업 분야에서 나노 입자(NP)의 광범위한 적용으로 인해 환경에 이러한 물질이 축적되는 것은 큰 위험을 초래합니다. 불활성으로 인해 귀금속 NP는 오염된 토양에 오랫동안 거의 변하지 않고 남아 있을 수 있습니다. 이러한 맥락에서 식물에 의한 입자의 크기, 모양 및 농도 의존적 흡수는 미개척 지역에 속합니다. 이 작업에서 우리는 10~18nm 크기 범위에서 매우 좁은 크기 분포를 가진 생물학적 친화적 합성 구형 AuNP의 수용액을 제시합니다. 원자 흡수 분광법, 질량 분광법이 장착된 유도 결합 플라즈마, 동적 광산란(DLS) 및 TEM 방법에 의한 철저한 특성화에 이어 Arabidopsis thaliana의 성장에 미치는 영향에 대한 연구가 이어졌습니다. (1차 및 측근), 입자 크기 및 농도 의존적 방식. AuNP의 엄격한 원형 형태와 입자 덩어리의 부재로 인해 DLS에서 파생된 크기 및 크기 분포는 TEM에서 얻은 것과 잘 일치했습니다. A의 길이와 개수. 탈리아나 측근은 모든 유형의 AuNP에 의해 크게 영향을 받았습니다. 최고 농도에서 가장 작은 AuNP는 기본 뿌리의 길이를 억제하고 대조적으로 모근 성장을 향상시켰습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">오늘날 현대 화학 및 공학은 특수 응용 분야뿐만 아니라 일상 소비 제품에서 물질의 유용성을 향상시키기 위해 엄청난 양의 나노 물체를 만들어냅니다. 나노구조 재료, 즉 나노입자[1, 2], 나노막대[3], 나노튜브[4], 부직포 나노섬유[5]는 서로 다른 종류의 지지체에 서 있거나 부착되어 있기 때문에 다음과 같은 산업 응용 분야의 거의 모든 영역에서 수율을 크게 증가시킵니다. 화장품 [6] 및 건강 관리 [7], 생명 공학 [8, 9], 에너지 전환 응용 [10] 및 촉매 [3]. 이러한 제품에 나노물질을 포함하면 성능이 향상될 수 있지만 사용 수명이 끝날 때 분해되면 합성 NP가 환경으로 진입하는 몇 가지 핵심 지점을 제공합니다. 촉매, UV 보호 염료 안정제, 섬유 산업의 항균제 또는 건강 관리 제품 및 화장품에 광범위하게 사용되는 특히 가공된 NP(특히 Au, Ag, Pt 및 Pd와 같은 높은 화학적 불활성)는 반드시 그들은 수년 동안 거의 변하지 않은 환경에 축적되어 식물 흡수에 대해 지금까지 알려지지 않은 과정을 유발할 수 있으므로 특별한주의를 기울여야합니다. 귀금속 나노입자(NMNP)와 관련하여 은 나노입자(AgNP)가 유채과(Arabidopsis thaliana ), 매우 낮은 농도의 AgNPs(<1 ppm)가 묘목에 유독할 수 있음을 나타냅니다[11]. 20~80nm의 AgNP는 성장을 분명히 저해했으며 식물 독성은 농도와 입자 크기에 따라 다릅니다. 1차 뿌리가 AgNP에 노출되었을 때 뿌리 끝(캡과 기둥)이 밝은 갈색으로 변하는 것이 관찰되었습니다. 갈색 팁은 AgNP 자체의 흡착 또는 뿌리 팁에 의해 생성된 세포벽 물질 또는 2차 대사산물과 함께 흡착에 기인합니다. 그러나 정확한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았습니다.
환경에서 나노입자의 역할을 다룬 연구가 있었지만[12], 금 나노입자(AuNP)를 표적으로 하는 연구는 여전히 드물다[13]. 가능한 경우, 나노독성학에 관해 발표된 데이터의 대부분은 포유동물 세포독성[14,15,16] 또는 동물 및 박테리아에 대한 영향[17,18,19,20]에 초점을 맞추었으며, 소수의 연구만이 조작된 독성을 고려했습니다. 식물에 대한 NP. 또한, NMNP와 식물 및 조류와 같은 식물 세포와 유사성을 공유하는 다른 유기체와의 상호 작용은 지금까지 제대로 연구되지 않았으며, 이는 식물 세포에 대한 NMNP 노출의 일반적인 결과가 여전히 불분명하다는 것을 의미합니다[11]. 이러한 데이터의 부족은 NMNP가 다양한 먹이 사슬 수준에서 어떻게 전달되고 축적되는지에 대한 잘못된 이해로 이어집니다.
이 작업에서 우리는 금 나노입자가 식물 성장, 특히 A의 1차 및 측근 발달에 미치는 영향에 대해 보고합니다. 탈리아나 크기가 다른 입자가 있는 경우. AuNP는 안정제를 사용하지 않는 생물학적 친화적 프로토콜에 따라 습식 방법으로 합성되어 크기와 크기 분포를 정밀하게 제어하는 구형 나노입자를 생성했습니다. 식물 처리 전에 AuNP는 광범위한 분석 방법(AAS, ICP-MS, DLS 및 TEM)으로 철저히 특성화되었습니다.
금 나노입자는 Batús et al.에 의해 출판된 약간 개조된 절차에 의해 합성되었습니다. [20]. 간단히 말해서, 149mL의 물을 250mL 2구 둥근바닥 플라스크에서 환류가 시작될 때까지 가열했습니다. 그런 다음, 1mL의 0.33M 시트르산나트륨과 0.945mL의 10mg/mL의 사염화금산칼륨(III)을 물에 첨가했습니다. 30분 후, 가열을 중단하고 반응 혼합물을 냉각되도록 두었다. 모든 준비 실험에서 Milli-Q 물(25°C에서 18.2MΩ)이 사용되었습니다.
A의 뿌리 분석용. 탈리아나 , 3가지 크기(10, 14, 18nm)의 합성된 AuNP를 5000g에서 원심분리했습니다. 1시간 동안 입자 농도를 최대 2000mg/L까지 증가시킵니다.
A. 탈리아나 Columbia(Col-0) 종자(미국 Lehle 종자에서 입수)를 30%(v /v ) 표백제 용액을 10분 동안 담그고 멸균수로 5회 헹굽니다. ½ Murashige-Skoog(MS) 배지와 1% 식물 한천(pH 5.8)을 포함하는 한천 플레이트에 멸균 종자를 뿌렸습니다. 종자 발아를 동기화하기 위해 한천 플레이트를 4°C에서 2일 동안 보관했습니다. A. 탈리아나 식물을 22°C, 100μmol m − 2 의 성장 챔버에서 수직으로 배향된 플레이트에서 5일 동안 재배했습니다. s − 1 긴 낮 조건(16시간/8시간 명암 주기)에서의 조도.
5일 된 유사한 크기의 묘목을 1/16 MS 배지, 다양한 농도의 AuNP(0, 1, 10 및 100mg/L) 및 1% 식물 한천( pH 5.8). AuNP는 고압멸균 후 배지에 추가되었습니다. 대조군으로 구연산나트륨 완충액의 효과도 조사하였다. 뿌리의 길이를 표시하고 다음 5일 동안 묘목을 성장시켰습니다. JMicroVision 1.2.7 소프트웨어를 사용하여 1차 치근 및 측근 길이의 증가를 모두 측정했습니다.
AuNPs의 준비된 솔루션은 원자 흡수 분광법(AAS), 질량 분광법이 장착된 유도 결합 플라즈마(ICP-MS), 동적 광산란(DLS) 및 투과 전자 현미경(TEM)으로 특성화되었습니다.
준비된 NP의 농도는 242.8nm 파장에서 화염 분무기를 사용하여 VarianAA880 장치(Varian Inc., USA)에 의해 AAS에 의해 결정되었습니다. 이 방법으로 측정한 농도의 일반적인 불확실성은 3% 미만입니다.
자동 샘플러에 연결된 Agilent 8800 삼중 사중극자 분광계(Agilent Technologies, Japan)를 사용하여 질량 분광기 검출기(ICP-MS)가 있는 유도 결합 플라즈마를 사용하여 반응하지 않은 Au 소스 화학물질에서 발생하는 Au 이온의 농도를 결정했습니다. AuNPs 콜로이드 용액을 1.5mL 소수성 마이크로튜브로 피펫팅하고 30000g에서 원심분리했습니다. Eppendorf 5430 원심분리기에서 1시간 동안 원심분리 후 0.3mL의 상층액을 피펫을 사용하여 조심스럽게 제거하고 ICP-MS를 분석했습니다. 연동 펌프가 장착된 MicroMist 장치를 사용하여 샘플 분무를 수행했습니다. 순수한 완충 용액(2.2mM 시트르산 나트륨)을 블랭크 샘플로 사용했습니다. 측정의 불확실성은 3% 미만이었습니다.
TEM 이미지는 400kV에서 작동되는 JEOL JEM-1010(JEOL Ltd., Japan)을 사용하여 측정되었습니다. 콜로이드 용액 한 방울을 여과지의 얇은 비정질 탄소막으로 코팅된 구리 그리드에 놓았다. 과량의 용매를 제거하였다. 샘플을 공기 건조시키고 데시케이터에서 진공 상태로 유지한 후 샘플 홀더에 놓았다. 입자 크기는 TEM 현미경 사진에서 측정되었으며 최소 500개의 입자를 고려하여 계산되었습니다.
입자 크기 분포는 신호 검출을 위한 애벌랜치 포토다이오드가 장착된 입자 크기 분포를 위한 DLS 체제에서 Zetasizer ZS90(Malvern Instruments Ltd., England)에 의해 결정되었습니다. 다이오드 펌핑 고체 레이저(50mW, 532nm)를 광원으로 사용했습니다. 측정은 실온에서 폴리스티렌 큐벳에서 수행되었습니다.
AuNP의 크기 및 크기 분포는 TEM 및 DLS 분석에 의해 결정되었습니다. 결과는 NP 합성 직후 AAS에 의해 결정된 AuNP 농도 및 ICP-MS에 의해 결정된 잔류 Au 이온 농도와 함께 표 1에 요약되어 있습니다. 이러한 데이터로부터, 우리의 합성 프로토콜이 매우 좁은 크기 분포를 갖는 잘 제어된 Au 나노입자를 제공한다는 것이 분명합니다. 여기에서 우리는 Batús et al.에 의해 출판된 수정된 방법을 사용했습니다. 크기 및 모양이 조절되는 시트르산 안정화 AuNP의 합성을 위해 [20]. 개발된 프로토콜은 Au 3+ 의 표면 촉매 환원을 통해 사전 합성된 AuNP의 확대를 기반으로 한 표적 크기 확장을 허용합니다. 2차 핵 생성의 효과적인 동시 억제와 함께.
Wang et al. [21]은 3일 동안 A를 수경법으로 노출시키는 것을 발견했습니다. 탈리아나 Ag + 동일한 농도에서 AgNPs(5nm), Ag 농도는 Ag + 에서 더 빠르게 감소했습니다. -AgNP보다 처리된 용액은 Ag의 더 빠른 흡수를 나타냄 + 이온. 따라서 결과 왜곡에서 Au 이온의 가능한 영향을 최소화하기 위해 특별한 주의를 기울였습니다. 합성된 AuNP를 최대 농도 2000mg/L까지 원심분리하고 MS 배지로 필요한 농도(1, 10, 100mg/L)로 희석했습니다. 이 절차 후, 100mg/L의 AuNP를 포함하는 용액에서 잔류 Au 이온의 농도는 ICP-MS에 의해 결정되었습니다(표 1 참조). 분명히 원심분리는 합성된 용액(표 1, AAS)과 비교하여 농도가 100배 감소한 잔류 Au 이온의 존재와 시트르산 완충액 자체의 함량 모두에 긍정적인 영향을 미쳤습니다.
NP 다분산성을 정량화하기 위해 DLS 측정을 수행했는데, 이는 최종적으로 형성되는 입자 집합체의 존재에 매우 민감합니다(그림 1). 이 측정에서 소량의 응집된 NP라도 특히 강도 가중치 크기 분포에서 상당히 더 큰 직경에서 해당 피크의 우세를 유발합니다(그림 1의 삽입 참조). 다행히도 입자 덩어리가 감지되지 않았으므로 크기 평가의 신뢰성은 구면 근사에 의해서만 영향을 받을 수 있습니다[22]. 이러한 단점에도 불구하고 DLS 측정은 전체 샘플 부피를 한 번에 평가하기 때문에 TEM에 비해 입자 크기 분포에 대한 통계적으로 더 중요한 전체 그림을 제공합니다. 준비된 NP의 주로 둥근 모양의 특성으로 인해(그림 2 참조), DLS에서 파생된 크기는 TEM에서 얻은 크기와 잘 일치했습니다(표 1). TEM 이미지(그림 2, 10nm)에서 볼 수 있는 겉보기 입자 덩어리는 콜로이드 용액 자체에서 개별 입자의 상호 연결보다는 TEM 측정에서 용매 제거의 필요성에 의해 발생했을 가능성이 더 큽니다.
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다양한 크기의 AuNP 수용액의 동적 광산란 분석(수 가중 크기 분포). 삽입은 "원시" 강도 가중 데이터를 보여줍니다. 숫자는 nm 단위의 평균 입자 직경을 나타냅니다.
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준비된 AuNP 세트의 TEM 이미지. 사진 배율은 특정 NP 크기에 따라 다릅니다.
일반적으로 시험관 내 식물 성장에 사용되는 식물 성장 배지(MS 배지)에서 AuNP의 강력한 응집 경향으로 인해[23], 식물 성장에 허용되는 조건을 유지하면서 NP 응집을 피하기 위해 이 두 성분의 상호 비율을 최적화해야 했습니다. 다양한 MS 희석액을 테스트했습니다. AuNP의 응집은 색상의 변화(빨간색에서 보라색으로의 전환)로 쉽게 볼 수 있었습니다. 합성된 AuNPs의 초기 농도가 낮기 때문에(약 30mg/L, 표 1 참조) 생물학적 실험에 충분하지 않았기 때문에 원심분리를 통해 NP 농도를 높일 필요가 있었습니다. 이 절차를 통해 입자 농도를 한계값인 2000mg/L까지 증가시켰습니다. 그런 다음 이러한 NP 용액을 최종 농도로 희석하여 실험에서 구연산염 완충액의 농도를 감소시켰습니다. A의 성장하는 실험을 위해. 탈리아나 , 우리는 1/16 MS 배지에서 AuNP를 희석했습니다. 이 배지에서 최소의 NP 응집이 감지되었으며 NP는 식물 성장이 거의 변경되지 않은 1/2 MS, 1/4 MS 및 1/8 MS와 비교하여 훨씬 더 안정적이었습니다. 최종 용액에서 AuNP의 농도는 AAS에 의해 결정되었습니다. 식물 성장 실험은 시험관 내(무균 조건)에서 수행되었기 때문에 NP에 대한 살균 절차의 영향도 연구되었습니다. 일반적으로 사용되는 준비된 성장 배지의 고압증기멸균(121°C, 20분)으로 조사된 NP가 완전히 응집되었습니다. 따라서 이 절차는 우리의 실험에 적합하지 않았습니다. 약 60°C의 고압멸균된 한천 배지에 NP를 추가하는 것은 최종적으로 NP 응집이 검출되지 않고 멸균 과정이 여전히 효과적인 대안 절차로 사용되었습니다.
쌍자엽 A와 같은 모델 식물. 탈리아나 스트레스 조건에서 생존력을 향상시킬 수 있는 유전자를 식별하는 것을 목표로 전 세계 작물 수확량을 줄이는 스트레스 요인을 이해하는 데 도움이 될 가능성이 있습니다[24]. 테스트된 모든 형태의 AuNP는 측근(LR)에 상당한 영향을 미쳤습니다. AuNP 처리 식물에서 LR의 길이(그림 3a)와 수(그림 3b)가 모두 감소했습니다. 조사된 모든 입자 크기 중 AuNP의 최고 농도(100mg/L)는 LR 길이를 약 50%로 감소시켰습니다. LR의 수는 18nm AuNP 및 최고 농도(100mg/L)의 경우 약 70%로 감소합니다. 더 작은 AuNP(14 및 10nm)의 최고 농도가 사용될 때 LR 수의 약간 더 작은 감소가 관찰되었습니다(그림 3b). AuNP 처리 후에도 1차 뿌리의 길이가 감소했습니다(그림 3c). 10nm AuNP의 부정적인 영향은 특히 더 높은 입자 농도에서 상당했습니다. 더 큰 입자(14, 18 nm)의 효과는 훨씬 작았고 대조군으로 사용된 시트르산나트륨 완충제의 효과와 유사했습니다. 조작된 NP에 대해 발표된 대부분의 연구는 특히 높은 NP 농도에서 어느 정도의 식물 독성을 나타냈습니다. 예를 들어, 구연산염 코팅된 AgNPs는 A를 억제했습니다. 탈리아나 2주 후 67~535μg/L의 선형 용량 반응을 보이는 묘목 뿌리 신장[25]. 뿌리 신장 및 종자 발아 분석을 사용한 여러 다른 연구에서 식물 독성이 NP의 크기에 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 많은 연구에서 NP가 작을수록 식물 독성이 더 크다고 결론지었습니다. 그러나 조작된 나노물질의 크기 의존적 독성에 대한 이러한 일반화는 식물과 나노입자 유형의 모든 조합에 항상 해당되는 것은 아닙니다[21, 25]. 이와는 대조적으로 단일벽 탄소 나노튜브는 24~48시간 내에 토마토, 양배추, 당근, 상추의 뿌리 신장에 긍정적인 영향을 미쳤습니다[26]. Kumar et al.은 종자 발아율과 영양 성장에 대한 24nm AuNP의 긍정적인 효과를 보고했습니다. [13].
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a에 대한 AuNP의 영향 길이 및 b 측근의 수 및 c A의 기본 루트의 연장. 탈리아나 묘목. 식물은 10, 14, 18nm AuNP의 다양한 농도(0.1, 10, 100mg/L)에 노출되었습니다. 데이터는 19-20개 식물의 평균 + SD입니다. *피 <0.05, **P <0.01, ***P <0.001; 그 테스트
뿌리 모발 성장에 대한 10nm AuNP의 실질적인 긍정적 효과는 뿌리 성장 실험에서 관찰되었습니다(그림 4). 이 효과는 강한 농도 의존성을 나타냈다. 증가하는 NP 농도는 뿌리털의 더 뚜렷한 성장을 유도했습니다(그림 4e). 이러한 행동은 인이 부족한 토양에서 자란 뿌리에서 종종 관찰되었습니다[27]. 14 및 18nm AuNP의 경우 유사한 효과가 관찰되지 않았습니다. 이와는 대조적으로 García-Sánchez et al. [28] A 동안 관찰됨. 탈리아나 상업적으로 이용 가능한 AgNP로 처리하면 식물 뿌리 1cm와 관련된 많은 뿌리털이 억제됩니다. 200mg/L의 균일한 농도의 처리 용액을 사용하여 특정 크기(10, 20, 40, 80nm)에 관계없이 모든 테스트 입자의 경우 모근 감소가 관찰되었습니다. 뿌리털은 토양과 접촉하는 뿌리 표면적을 크게 증가시키며 식물에 유입되는 대부분의 물과 영양분은 뿌리털을 통해 흡수됩니다. 따라서 그들의 발달은 환경 자극과 스트레스 신호에 크게 영향을 받습니다[29].
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A에서 다양한 농도의 10nm AuNP가 뿌리 모발 성장에 미치는 영향. 탈리아나 묘목. 아 컨트롤, b –d 각각 1, 10, 100mg/L의 AuNP로 처리된 묘목 및 e 100mg/L의 AuNP에 노출된 식물에서 유도된 뿌리털 성장의 세부사항. 눈금 막대는 1cm에 해당합니다.
우리는 물 환경에서 부드러운 2성분(시트르산나트륨-사염화칼륨) 환원에 의해 금 나노입자를 성공적으로 준비하여 결과 크기에 대한 탁월한 제어 기능을 가진 둥근 모양의 좁은 분포 입자를 제공했습니다. 합성 후 원심분리를 통해 원하는 NP 농도에 도달할 수 있었고 식물 실험에서 결과 왜곡에 대한 이온 및 시트르산 완충액의 영향이 제거되었습니다. 다양한 크기(직경 10, 14, 18nm)와 농도(1, 10, 100mg/L)의 AuNP가 A의 뿌리 성장에 미치는 영향. 탈리아나 조사되었다. 측근의 수와 길이는 특정 크기와 상관없이 입자 농도가 높은 나노입자 용액으로 처리한 후 유의하게 감소했습니다. 10nm AuNP의 경우 1차 뿌리 성장에 대한 부정적인 영향이 관찰되었습니다. 놀랍게도 가장 작은 AuNP(10nm)가 뿌리털 성장을 분명히 유도했습니다. 전반적으로, 이 연구는 AuNPs에 대한 식물의 직접적인 노출이 식물 독성에 크게 기여하고 Au 나노 입자를 포함하는 폐기물과 슬러지의 친환경적 처리의 필요성을 강조한다는 것을 보여주었습니다.
원자 흡수 분광법
은 나노입자
금 나노 입자
동적 광산란
유도 결합 플라즈마가 장착된 질량 분석기
측면 뿌리
무라시게와 스쿠그
귀금속 나노입자
나노입자
투과전자현미경
나노물질
초록 수직으로 정렬된 Si 나노와이어(Si NW)의 주기적으로 정렬된 어레이는 제어 가능한 직경과 길이로 성공적으로 제작되었습니다. 그들의 광전도 특성은 개별 나노와이어에 대한 광전도성 원자력 현미경(PCAFM)에 의해 조사됩니다. 결과는 Si NW의 광전류가 레이저 강도에 따라 크게 증가함을 보여주며, 이는 Si NW가 우수한 광전도성과 광응답 능력을 가짐을 나타냅니다. 이 광강화 컨덕턴스는 I-V 곡선 분석에 의해 확인된 광유도 쇼트키 장벽 변화에 기인할 수 있습니다. 한편, 정전기력현미경(electrostatic force
초록 압전 나노 발전기(PNG)는 재생 가능한 에너지원으로 연구되었습니다. 산화물 복합 분말을 포함하는 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF)와 같은 유기 압전 재료로 구성된 PNG는 신축성 및 고성능 에너지 변환으로 많은 주목을 받았습니다. 이 연구에서 우리는 PVDF와 란탄 변성 티탄산 비스무트(Bi4−X 라X Ti3 O12 4배)를 생성했습니다. 소개 에너지 하베스팅은 우리가 지구에서 지속적으로 살 수 있게 해주는 유망한 에너지 절약 기술입니다. 에너지 하베스팅은 사물인터넷(IoT) 애플리케이션의 안정적인 운영을
