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주석 산화물 나노 입자의 친환경적이고 비용 효율적인 합성:합성 방법론, 형성 메커니즘 및 잠재적 응용에 대한 검토

초록

나노기술은 과학의 모든 분야에서 중요한 응용으로 가장 유망한 연구 분야가 되었습니다. 최근 몇 년 동안, 산화주석은 나노미터 범위에서 이 물질의 합성으로 개선된 매혹적인 특성으로 인해 엄청난 주목을 받았습니다. 오늘날 주석 산화물 나노 입자를 생산하기 위해 수많은 물리적 및 화학적 방법이 사용됩니다. 그러나 이러한 방법은 고가이고 높은 에너지를 필요로 하며 합성 과정에서 다양한 유독성 화학물질을 사용한다. 인간의 건강 및 환경적 영향과 관련된 증가된 우려는 생산을 위한 비용 효율적이고 환경 친화적인 공정의 개발로 이어졌습니다. 최근에는 식물 추출물, 박테리아 및 천연 생체 분자와 같은 다양한 생물학적 개체를 사용하여 녹색 방법으로 산화 주석 나노 입자를 성공적으로 합성했습니다. 그러나 녹색 합성 방식을 사용한 산업적 규모의 생산은 합성 중에 발생하는 반응 및 형성 메커니즘의 설명에 어려움을 주는 생물학적 기질의 복잡성으로 인해 여전히 과제로 남아 있습니다. 따라서 현재 검토에서는 산화주석 나노입자의 녹색 합성에 사용되는 생물학적 개체 및 방법론의 다양한 출처와 그 속성에 대한 영향을 요약합니다. 이 연구는 또한 문헌에 보고된 형성 메커니즘과 이러한 나노입자를 특성화하는 데 사용되는 다양한 분석 기술에 대한 이해의 발전을 설명합니다.

소개

지난 수십 년 동안 나노기술은 제약, 식품 산업, 화장품, 섬유 산업, 의약, 광학, 전자, 에너지 과학 및 전기화학 응용 [1,2,3,4]. 나노물질은 1~100nm의 크기 범위에서 1차원을 갖는 물질입니다. 이러한 물질의 매우 큰 표면적 대 부피 비율과 극도로 작은 크기는 벌크 물질과 비교하여 완전히 새로운 또는 향상된 전기적, 광학적, 자기적, 촉매적 및 항균 활성을 초래할 수 있습니다[5,6,7]. 이러한 고유한 특성 때문에 나노입자는 나노의학, 광촉매, 바이오센서, 세정제, 섬유 산업과 같은 현대 과학 및 공학의 다양한 분야에서 응용되고 있습니다[1, 8]. 나노입자 중 주석(IV) 산화물(SnO2 ) 특히 광전자 장치[9], 고체 가스 센서[10], 리튬 이온 배터리용 전극[11], 전계 방출 디스플레이[12], 발광 다이오드와 같은 다양한 응용 분야로 인해 엄청난 주목을 받았습니다. [13], 촉매 작용 [14], 염료 기반 태양 전지 [15], 의약 [16], 광 센서 및 정전기 방지 코팅 [17].

재료 과학에서 SnO2 격자 상수 a를 갖는 정방정계 루틸 구조로 결정화되는 산소 결핍 n형 반도체로 간주됩니다. = =4.7374 Å 및 c =3.1864 Å. 단위 셀은 2개의 6배 배위된 주석과 4개의 3배 배위 산소 원자로 구성됩니다[18, 19]. 넓은 에너지 갭(3.6 ~ 3.8eV), 강력한 열 안정성(최대 500°C), 가시 스펙트럼의 높은 투명도, 흡착된 종과의 강한 화학적 및 물리적 상호작용으로 인해 SnO2 리튬 이온 배터리, 센서, 촉매 작용, 에너지 저장, 유리 코팅, 의학 및 환경 개선 분야의 잠재적 응용을 위한 유망한 후보[20,21,22,23]. SnO2 높은 비면적, 높은 화학적 안정성, 낮은 전기 저항, 낮은 밀도로 인해 응답 시간과 감도를 향상시키는 센서로 사용됩니다[24]. 지난 몇 년 동안 SnO2 CO, NO, NO2와 같은 가연성 가스를 감지하기 위한 태양 전지[25] 및 가스 센서에서의 적용에 대해 철저히 조사되었습니다. , H2 S 및 C2 H5 오 [26,27,28,29]. 나노입자(NP)의 독특한 물리화학적 특성과 잠재적인 응용으로 인해 과학계는 나노입자를 생산하는 여러 방법을 개발해 왔습니다. 그러나 금속 및 금속산화물 나노입자 합성에 사용되는 화학적, 물리적 방법은 비용이 많이 들고 환경과 인체에 유해한 독성물질을 사용한다[30]. 최근 몇 년 동안 대부분의 연구자들은 나노입자의 녹색 합성이 비용 효율적이고 간단한 제조 절차, 생산 재현성, 보다 안정적인 나노 입자 생성과 같은 많은 이점을 가지고 있기 때문에 연구 관심을 변경했습니다[31]. 지난 10년 동안 SnO2의 녹색 합성에 대한 여러 연구 NP가 보고되었습니다. 그러나 합성 방법론과 형성 메커니즘을 설명하는 단일 검토 기사는 문헌에서 사용할 수 없습니다. 따라서 이 문서에서는 SnO2의 녹색 합성, 형성 메커니즘, 특성화 기술 및 잠재적 응용에 대해 설명합니다. NP.

주석 산화물 나노입자의 친환경 합성

SnO2 NP는 다양한 물리적, 화학적 및 녹색 방법에 의해 합성됩니다. 화학적 방법에는 졸-겔, 열수, 침전, 기계화학적 방법, 마이크로에멀젼 등이 포함된다[31,32,33,34,35,36,37]. 화학적 방법 중에서 가장 널리 사용되는 기술은 주석 전구체 염과 주석 함유 겔의 형성을 조절하는 화학 시약을 사용하는 졸-겔 합성입니다. 그 후, 젤은 SnO2를 얻기 위해 최대 800°C의 온도에서 열처리에 노출됩니다. NP [32, 38]. SnO2 합성 중에 옥살산 또는 에틸렌 글리콜과 같은 화학적 안정제 및 캡핑제를 첨가할 수 있습니다. 나노입자의 크기를 조절하고 응집을 방지하는 나노입자[32, 39]. 용액 pH, 화학 물질의 농도, 반응 시간 및 소성 온도도 나노 입자의 크기와 형태에 영향을 줄 수 있습니다[31, 34,35,36,37]. 상기 SnO2 합성 방법 NP는 환경과 인간의 건강에 심각한 위협을 일으키는 다양한 위험한 화학 시약, 용매 및 계면활성제를 사용합니다[4, 30].

SnO2 NP는 또한 분무 열분해, 열 산화, 화학 기상 증착, 레이저 절제 및 초음파 처리와 같은 물리적 기술에 의해 합성될 수 있습니다[40,41,42,43,44]. 이러한 방법 중 레이저 삭마는 액체에서 금속 및 금속 산화물 나노 입자를 합성하는 비용 효율적이고 간단한 방법으로 간주됩니다[44, 45]. 다른 기존 방법과 달리 이 방법은 캡핑/환원제, 고온 또는 고압이 필요하지 않으며 고순도의 나노 입자를 생산할 수 있습니다[44, 45]. 레이저 빔에서 인가되는 펄스 매개변수의 변화와 제거 시간은 나노입자의 입자 크기, 형태 및 표면 화학을 정의하는 중요한 매개변수입니다[44]. 그러나 대부분의 물리적 방법은 복잡한 장비, 높은 에너지 및 숙련된 인력이 필요합니다[46]. 따라서 환경 친화적이며 저렴하고 효율적이며 주변 조건에서 작동하는 합성 방법을 개발하는 것이 매우 중요합니다. 그러한 해결책 중 하나는 녹색 합성이며 많은 연구자들이 산화주석 나노입자 합성을 위한 녹색 화학 접근법을 개발했습니다. 녹색 합성 전략에서 식물 추출물, 미생물 또는 기타 녹색 공급원과 같은 생물학적 개체는 기존의 물리적 및 화학적 방법에 대한 대안으로 사용될 수 있습니다[47]. 오늘날 생물학적으로 영감을 받은 합성 방법은 녹색 화학의 12가지 원칙에 부합하기 때문에 녹색 합성이라고도 합니다[48]. 생물학적 합성이 물리적 및 화학적 방법에 비해 갖는 뚜렷한 이점 중 일부는 (a) 무독성 화학 물질을 사용하므로 깨끗하고 환경 친화적인 방법, (b) 재생 가능한 공급원의 사용, (c) 효소 자체와 같은 활성 생물학적 성분입니다. 뿐만 아니라 파이토케미컬은 환원제 및 캡핑제로 작용하여 합성 공정의 전체 비용을 최소화합니다. (d) 고압 및 온도와 같은 외부 실험 조건이 필요하지 않아 상당한 에너지 절약을 유발합니다[49, 50].

지난 10년 동안 SnO2 합성에 대한 관심 생물학적 방법을 통한 NP는 환경에 부정적인 영향을 주지 않으면서 공정이 보다 신뢰할 수 있고, 친환경적이며, 비용 효율적이고, 낮은 투입량-높은 수율 및 간단한 절차이기 때문에 상당히 증가했습니다. 식물 추출물, 박테리아 및 천연 생체 분자와 같은 다양한 생물학적 기질이 SnO2의 녹색 합성에 성공적으로 사용되었습니다. NP. 다양한 식물의 파이토케미컬과 박테리아의 효소는 주로 녹색 합성을 담당합니다. 녹색 공급원에 존재하는 활성 화합물은 합성 중에 환원제, 캡핑제 및 안정화제로도 작용합니다. 원하는 NP는 종종 지정된 온도에서 소성 또는 어닐링 후에 얻어집니다[51,52,53,54].

주석 산화물 나노입자의 식물 매개 합성

식물 매개 합성은 독성 화학 물질이 없고 천연 캡핑 및 환원제를 제공하기 때문에 기존의 물리화학적 방법에 비해 최고의 합성 플랫폼이 되었습니다. 또한 간편하고 친환경적이며 불순물이 없는 고농축 제품입니다. 이 방법에서는 고온, 고압 및 고가의 장비를 사용할 필요가 없습니다. 또한, 식물 매개 합성은 다양한 모양과 크기를 가진 보다 안정적인 나노입자의 대규모 생산으로 이어집니다[55, 56]. SnO2의 녹색 합성을 위해 다양한 식물 종의 많은 부분의 추출물이 활용되었습니다. NP. 일반적으로 SnO2의 식물 매개 합성 나노입자는 미리 준비된 추출물에 얇은 소금을 첨가하는 매우 간단한 과정입니다. 반응 후, 용액을 원심분리한다. 마지막으로, 펠릿을 열처리한 다음 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR), X선 회절계(XRD), 에너지 분산형 X선 분석(EDS), 주사 전자 현미경과 같은 다양한 분석 기술을 사용하여 특성화합니다. SEM), 투과 전자 현미경(TEM), 입자 크기 분석기(PSA) 및 동적 광산란(DLS). UV-가시광선 분광법(UV-Vis)은 나노 입자의 형성을 모니터링하는 데 사용됩니다. SnO2의 식물 매개 합성에 대한 자세한 프로토콜 NP는 그림 1에 개략적으로 설명되어 있습니다. Diallo et al. SnO2의 녹색 합성 보고 Aspalathus linearis를 사용한 NP 및 염화주석 5수화물(SnCl4 ·5H2 O) 전구체로서 [51]. 염은 식물 추출물에 용해되었고, 10분 후에 백색 침전물의 형성이 관찰되었다. 원심분리 과정 후 백색 침전물을 수집하고 약 80°C에서 건조시켰다. 분말을 다양한 온도에서 약 4시간 동안 어닐링하고 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM), EDS, XRD, X선 광전자 방출 분광법(XPS)과 같은 다양한 분석 기술을 적용했습니다. NP는 평균 크기가 2.5~11.40nm 범위인 준구형이었습니다. 어닐링 온도가 증가함에 따라 NP의 입자 크기와 결정질 특성이 증가하는 것으로 관찰되었다. 또한, 식물 추출물에 존재하는 aspalathin, nothofagin 및 aspalalinin과 같은 생리 활성 성분은 킬레이트제 및 환원제 역할을 합니다. 동백나무 잎 추출물은 SnO2 합성에도 사용되었습니다. NP[53]. 잎 추출물에 존재하는 폴리페놀은 안정제와 캡핑제로 작용합니다. 고해상도 주사 전자 현미경(HR-SEM) 및 XRD 분석 결과 구형 SnO2 크기가 5~30nm 범위인 NP. 또한, NP의 밴드갭은 어닐링 온도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 밝혀졌다. 카투나레감 스피노사 -매개 녹색 합성 SnO2 NP는 Congo red 염료에 대해 우수한 광촉매 활성을 보였다[57]. 생합성된 NP는 모양이 구형이고 평균 크기가 47nm입니다.

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SnO2의 식물 추출물 매개 합성의 개략도 NP

알로에 바바덴시스 밀러의 잎 추출물 SnO2 합성에 사용되었습니다. SnCl2의 NP ·2H2 O 전구체로서 [58]. 생성된 NP는 평균 크기가 50~100nm인 구형인 것으로 나타났습니다. 또한 합성된 나노입자는 S에 대해 우수한 항균 활성을 나타내었다. 구균E. 대장균.

다른 연구에서 SnO2의 녹색 합성 NP는 Plectranthus amboinicus를 사용하여 효율적이고 저렴한 방법으로 수행되었습니다. 잎 추출물 및 SnCl2 ·2H2 O를 출발 물질로 사용[59]. 식물 추출물은 환원제 및 안정화제로 작용합니다. 생성된 NP는 SEM, EDX, XRD 및 PSA로 특성화되었습니다. NP는 평균 입자 크기가 63nm인 정사각형 모양이었습니다. 또한, 저자는 생합성된 NP가 상용 SnO2에 비해 Rhodamine B에 ​​대해 더 큰 광촉매 활성을 나타냄을 밝혔습니다. . SnO2의 녹색 합성 NP는 Nyctanthes arbor-tristis를 사용하여 보고되었습니다. (Parijataka) 꽃 추출물 [60]. SEM 및 PSA 분석에서 알 수 있듯이 합성된 나노 입자는 작은 덩어리 단계와 2-8 nm의 평균 입자 크기를 갖는 미세 과립의 형태를 나타냅니다. 이 연구는 또한 식물 추출물의 가수분해 및 캡핑 가능성을 조사했습니다.

SnO2의 녹색 합성 NPs는 Psidium guajava를 사용하여 저렴하고 친환경적인 공정으로 수행되었습니다. 잎 추출물 [61]. UV-Vis 결과는 314nm에서 표면 플라즈몬 공명 피크를 나타내어 SnO2의 형성을 확인했습니다. NP. 또한 NP는 크기가 8~10nm인 구형이었습니다. 이 연구는 또한 NP가 햇빛 조사 하에서 180분 이내에 반응성 황색 186의 90% 분해를 나타내는 것으로 나타났습니다. Bhosaleet al. [62] Calotropis gigantea의 잎 추출물 확인 SnO2 합성을 위한 천연 공급원 NP. 추출물의 2차 대사산물은 염화주석을 SnO2로 전환할 때 안정화제와 캡핑제로 작용합니다. NP. 저자는 NP가 구형이고 평균 크기가 30~40nm라고 제안했습니다. 합성된 NP는 120분 이내에 메틸 오렌지 염료를 최대 80%까지 분해합니다. Singh et al. [63] SnO2의 생합성 보고 파이퍼 딱정벌레를 사용하는 NP 잎 추출물. SEM 및 TEM 분석은 평균 크기가 8.4nm인 구형 NP의 형성을 보여주었습니다. NP는 92.17%의 효율로 유사 1차로 반응성 황색 186을 분해합니다. 또한 NP는 반응성 적색 120 및 반응성 녹색 119와 비교하여 반응성 황색 186 제거에 대한 탁월한 선택성을 보여주었습니다. 문헌에서 SnO2의 제조를 위해 다른 식물 및 식물 추출물이 사용되었습니다. (1 번 테이블). 표에서 식물 종의 특성과 반응 조건이 SnO2의 크기와 모양에 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. NP.

박테리아 매개 산화주석 나노입자 합성

미생물은 독성 화학 물질과 물리 화학적 합성에 필요한 높은 에너지를 피하면서 친환경적이고 비용 효율적인 도구로서 엄청난 잠재력을 얻는 중요한 나노 공장입니다. 박테리아, 곰팡이 및 효모와 같은 다양한 미생물은 세포 내 또는 세포 외에서 금속 및 금속 산화물 나노 입자의 합성에 사용되었습니다. 세포 내 합성은 금속 이온을 미생물 세포로 수송하고 세포 내부의 효소, 조효소 및 기타 생체 분자의 존재하에 NP를 형성하는 것을 포함합니다. 세포외 합성에서 금속 이온은 미생물 세포의 표면에 포획됩니다. 표면에서 이용 가능한 효소와 단백질은 금속 이온을 감소시키고 나노입자를 안정화시키는 역할을 합니다[73]. 그러나 세포외 합성은 많은 양의 나노입자를 제조하는데 사용될 수 있고 나노입자의 회수에 필요한 다양한 합성 단계를 생략할 수 있기 때문에 세포내 경로에 비해 더 유리하다[74].

박테리아를 이용한 생물학적 합성은 화학적 합성에 비해 친환경적이고 비용 효율적인 접근 방식입니다. 그러나 이 방법에는 몇 가지 단점이 있습니다. (a) 미생물의 스크리닝은 시간이 많이 걸리는 과정이고, (b) 배양액과 전체 과정을 주의 깊게 모니터링해야 하고, (c) 미생물의 크기와 형태를 제어하기 어렵습니다. NPs. 모든 박테리아가 고유한 대사 과정과 효소 활동으로 인해 나노입자를 합성할 수 있는 것은 아닙니다. 따라서 크기와 형태가 잘 정의된 나노입자를 생산하려면 적절한 박테리아를 신중하게 선택해야 합니다[74]. 예를 들어, Srivastava와 Mukhopadhyay[54]가 수행한 연구에서는 SnO2 합성을 위한 저렴하고 친환경적이며 가장 간단한 절차를 보고했습니다. 신선하고 깨끗한 Erwinia Herbicola를 사용한 NP 박테리아 세포 및 염화주석(II) 수용액. 합성된 SnO2 NP는 크기가 10~42nm 범위인 대부분 구형이었습니다. SnO2 합성 과정에서 박테리아 단백질 및 기타 생체 분자가 환원제 및 안정화제 역할을 하는 것으로 보고되었습니다. NP. 이 생체 분자는 SnO2의 크기와 응집을 제어하는 ​​데도 도움이 되었습니다. NP.

생체분자 및 산화주석 나노입자의 기타 녹색 공급원 매개 합성

SnO2의 식물 및 박테리아 매개 합성과는 별도로 NPs, 연구원들은 아미노산, 비타민, 효소 및 설탕과 같은 다른 생체 분자를 활용하여 무독성, 환경 친화적인, 녹색 화학 접근 방식을 개발했습니다(표 2). Yang et al. [75] 합성된 SnO2 자연적으로 이용 가능한 생체 분자인 비타민 C(아스코르빈산)를 사용하여 저렴하고 환경 친화적인 방법을 사용하는 나노입자. TEM 분석은 평균 크기가 약 30nm인 구형 NP의 형성을 보여주었습니다. 비타민 C는 합성 과정에서 캡핑 및 환원제로 작용합니다. 연구는 SnO2 표면에 캡핑된 비타민 C를 제안했습니다. NP는 SnO2로 인한 산화 스트레스를 감소시켰습니다. 세포의 NP는 신생아 마우스의 체중 감소를 감소시킵니다. 구형 SnO2 탄수화물(전분)을 사용하여 평균 입자 크기 13nm 이내의 나노입자를 제조했습니다[76]. 탄수화물은 작용기를 통해 여러 금속 양이온을 결합할 수 있는 주형으로 작용하여 양이온의 균일한 분산이 관찰된다고 제안되었습니다. 다른 연구에서는 불린 벵골 그램 콩(Cicer arietnum L.) 도핑되지 않은 SnO2 합성에 사용되었습니다. 및 Ni, Fe 및 Au 도핑된 SnO2 NP [77,78,79]. 저자는 추출물의 펙틴이 SnO2 합성을 담당한다고 제안했습니다. NP. 구형의 도핑되지 않은 SnO2의 평균 결정자 크기 , Ni 도핑 SnO2 및 Au 도핑된 SnO2 NP는 각각 11nm, 6nm, 25nm인 것으로 나타났습니다.

또 다른 연구에서는 SnO2 합성을 위한 친환경 접근 방식을 보여주었습니다. 달걀 껍질 막(ESM)을 사용하는 나노입자[80], 닭 달걀 껍질에서 나오는 천연 바이오 폐기물. ESM의 구성성분은 uronic acid와 aldehyde moiety를 포함하는 당류와 같은 생체분자로서 합성과정에서 환원제 역할을 하는 것으로 제안되었다. 형태학적 분석은 SnO2의 막대형, 육각형, 구형의 형성을 보여주었다. 13~40nm 범위의 입자 크기를 갖는 NP.

글리신, 아르기닌, 아스파르트산, 라이신 및 티로신[81,82,83,84,85]과 같은 다양한 아미노산이 SnO2의 녹색 합성에 사용되었습니다. 우수한 캡핑 또는 착화제로 인한 NP. 아미노산 매개 합성은 합성 중 독성 화학 물질의 사용을 제거합니다. 구형 SnO2 NP는 아르기닌을 사용하여 합성되었습니다[81]. 형태학적 연구는 합성된 SnO2가 NP는 4~5nm 범위의 평균 크기를 가진 구형이었습니다. Bhattacharjee et al. [83] 글리신을 사용하여 SnO2 생성 염화 제1주석의 NP. 200°C, 400°C 및 600°C에서 형성된 NP는 각각 평균 ​​크기가 각각 6, 16 및 33nm인 구형, 다결정질 및 단분산형인 것으로 제안되었습니다. 또한, 400°C에서 얻은 나노 입자는 발광했습니다. 유사하게, Begum et al. [84] 정방정계 루틸 구조 SnO2의 합성을 시연 4~17nm 범위의 크기를 가진 L-리신을 사용하는 NP.

녹색 합성을 통한 산화주석 나노입자의 형성 메커니즘

지난 몇 년 동안 다양한 식물 추출물, 미생물 및 기타 생물학적 파생물이 금속 및 금속 산화물 나노입자의 녹색 합성에 사용되었습니다. 연구에 따르면 식물 추출물에 존재하는 페놀, 플라보노이드, 탄닌, 사포닌, 테르페노이드 및 탄수화물과 같은 2차 대사산물은 금속 또는 금속 산화물 나노입자의 합성에서 환원제와 안정화제로 작용함으로써 중요한 역할을 한다고 제안했습니다[87]. 또한, 미생물 매개 합성은 NP가 형성되는 위치에 따라 세포내 또는 세포외에서 달성될 수 있다. 세포외 합성에서 표면에서 이용 가능한 효소의 존재하에 미생물 세포의 표면에서 생물학적 환원이 일어난다. 또한, 세포 내 생합성에서 금속 이온은 미생물 세포 내로 수송되며, 세포 내부의 효소 존재하에 나노입자가 쉽게 형성된다[73]. Selvakumari et al. [53] Camellia sinensis 활용 SnO2의 생합성을 위한 추출물 NP. 그들은 연구에서 추출물에 존재하는 폴리페놀 화합물(에피카테킨, 에피갈로카테킨, 에피카테킨 갈레이트 및 에피갈로카테킨 갈레이트)이 캡핑제와 안정화제로 작용한다는 것을 입증했습니다. SnO2 이 방법으로 형성된 NP는 (i) Sn 2+ 환원을 포함한 몇 가지 주요 단계로 구성됩니다. Sn 0 으로 , (ii) Sn 종을 형성하기 위한 추출물의 페놀 화합물(-OH)의 감소 효과, 및 (iii) Sn 종의 SnO2로의 열 변형 NP. SnO2에서 Calotropis gigantean을 사용하여 합성된 NP 잎 추출물에서 폴리페놀 화합물은 주석 이온의 생화학적 변형을 담당합니다[62]. 구형 SnO2 3.62–6.34 nm 범위의 NP는 콜리플라워 추출물을 사용하여 합성되었습니다[52]. 추출물의 폴리페놀과 플라보노이드가 금속 이온과 배위하여 Sn(OH)2를 형성한다고 제안되었습니다. 하소 시 SnO2의 형성으로 이어지는 중간체 NP. 다른 연구에서 Srivastava와 Mukhopadhyay[54]는 구형 SnO2의 세포내 및 세포외 합성을 모두 보고했습니다. 박테리아 E가 분비하는 효소에 의한 NP. 약초 . 이 방법에서 Sn 2+ 이온은 박테리아 세포에서 분비되는 세포외 효소 또는 세포 표면의 막 관련 단백질에 의해 포획되고 환원은 탈수소효소 효소에 의해 시작됩니다. Sn 2+ 이온은 2개의 전자와 NAD + 분자를 얻어 환원됩니다. 산화되어 NADH를 형성하고 최종적으로 세포외 Sn NP가 생성된다. 생합성된 Sn 나노입자는 용액에 존재하는 산소에 의해 산화되어 SnO2가 형성됩니다. NP. FTIR 분석은 SnO2의 자연적인 지지와 안정성을 제공하는 단백질과 같은 분자가 표면에 존재함을 보여주었습니다. NP. 또한 아미노산은 캡핑(capping) 또는 착화제(complexing agent) 역할을 하여 합성 중 독성 화학물질의 사용을 최소화합니다. SnO2의 녹색 합성을 위한 가능한 메커니즘 NP는 그림 2에 나와 있습니다.

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금속 산화물(SnO2)의 생물학적 매개 합성에 대한 가능한 메커니즘을 보여주는 다이어그램 ) NP

주석 산화물 나노입자의 특성

NP의 특성화는 합성 절차 및 적용을 알고 제어하는 ​​데 매우 중요합니다. 다양한 기술을 사용하여 합성된 NP의 크기, 모양, 결정도 및 표면적에 대한 표면 형태 및 구조적 세부 사항을 연구합니다. 녹색 합성 SnO2를 특성화하는 데 사용되는 몇 가지 기술 NP는 UV-Vis, FTIR, XRD, EDS, SEM 및 TEM입니다. UV-Vis 분광법은 광학 특성을 연구하여 나노 입자 형성을 모니터링하는 데 사용됩니다. SnO2의 UV-Vis 스펙트럼 카투나레감 스피노사를 사용하여 합성된 NP 추출물은 표면 플라스몬 공명으로 인해 223nm의 가장 높은 흡수 피크를 나타냈습니다[57]. XRD는 재료의 결정 구조를 연구하는 데 사용되는 강력한 기술입니다. Bhattacharjee et al. [81] 특성화된 SnO2 회절각(2θ)에서 XRD 피크가 있는 NP ) 26.7, 34.2, 38.07, 51.9, 54.9, 58.1, 62.1, 64.9, 66.08, 71.6 및 79.07 중 (110), (101), (200), (2201), (200), (2201)에 해당 (310), (112), (301), (202) 및 (321) 평면을 각각 (그림 3). 표준 회절 피크는 SnO2의 정방정계 루틸 구조를 나타냅니다. Debye-Scherer 방정식을 사용하여 계산된 평균 결정자 크기가 4.6nm인 NP[81]

<그림>

SnO2의 XRD 패턴 마이크로파 조사에서 아르기닌을 사용하여 합성된 나노입자 [81]

FTIR 분광법은 표면 화학을 조사하고 NP의 환원, 캡핑 및 안정화를 담당할 수 있는 NP의 표면에 존재하는 작용기를 식별하는 데 사용됩니다[88]. SnO2의 FTIR 분석 Pruni flos를 사용하여 합성된 NP 추출물은 3308, 2153, 1634, 423, 403 및 383cm에서 주요 흡수 밴드를 나타냈습니다. −1 . 3308, 2153, 1634cm −1 에서 강한 밴드가 관찰됨 SnO2에 흡착된 물 분자로 인한 Sn-OH 기의 신축 진동에 할당되었습니다. 표면, 알킨의 CH 신축, 플라보노이드의 C=O 진동. 423~383cm의 밴드 −1 이는 비대칭 Sn-O-Sn 스트레칭에 기인한다[70]. SEM 및 TEM과 같은 현미경 기반 기술은 나노 입자의 형태학적 특성을 결정하는 데 널리 사용되었습니다. 그러나 TEM은 SEM에 비해 결정 구조 및 형태와 같은 내부 구조에 대한 더 나은 해상도와 정보를 제공합니다. FE-SEM을 이용하면 보다 정확한 표면 특성 결과를 얻을 수 있습니다. 이러한 기술은 합성된 나노입자의 평균 크기를 추정하는 데에도 유용합니다[89]. FE-SEM 및 TEM 분석은 약간 덩어리진 구형 SnO2의 형성을 보여주었습니다. 평균 크기가 30~40nm인 NP(그림 4)[62].

<사진>

생합성 SnO2의 TEM 이미지 NP; SnO2의 HR-TEM 이미지 NP; SnO2의 FE-SEM 이미지 NP 및 d SnO2의 SAED 패턴 NP

또한 SAED(Selective Area Electron Diffraction) 분석은 입자가 본질적으로 나노결정질임을 보여주었습니다(그림 4)[62]. 구형 SnO2의 형성 딱정벌레를 사용하여 합성된 NP 수성 추출물은 FE-SEM에 의해 확인되었다[63]. TEM 및 XRD 분석에서 NP의 평균 크기는 8.4nm인 것으로 나타났습니다.

EDS는 샘플의 원소 조성을 분석하는 데 사용되는 분석 기술입니다. SnO2의 EDS 스펙트럼 Psidium Guajava를 사용하여 합성된 NP 잎 추출물은 Sn 및 O 피크의 존재를 나타내어 순수한 SnO2의 형성을 확인합니다. NP [61].

녹색 합성 주석 산화물 나노입자의 생물학적 적용

녹색 합성 SnO2 NP는 벌크 형태에 비해 향상된 광촉매, 항균, 항산화 및 항암 활성을 보였다. 이 섹션에서는 녹색 합성 SnO2의 응용 분야에 대해 논의했습니다. 다양한 분야의 NP를 미래 전망을 위한 새로운 연구원에게 안내합니다.

항균 활동

많은 연구자들이 항균 활성 SnO2를 관찰했습니다. NP. 예를 들어 SnO2의 항균 활성 알로에 베라를 사용하여 합성된 NP 식물 추출물은 E를 사용하여 연구되었습니다. 대장균S. 구균 . NP가 S에 대해 더 활성인 것으로 제안되었습니다. 구균 E보다 대장균 [58]. 이것은 E의 세포벽 때문일 수 있습니다. 대장균 S보다 복잡합니다. 구균 . S. 구균 두꺼운 펩티도글리칸으로 구성된 막을 가지고 있습니다. 그러나 E의 세포벽은 대장균 펩티도글리칸 층과 지질다당류로 구성된 외막이 있습니다. E의 외막. 대장균 acts as a barrier that lowers the penetration level of ROS into the cell [90,91,92]. Another reason could be the difference in the polarity of their cell membrane. The membrane of S aureus has a more positive charge than E. 대장균 , which result in greater penetration level of negatively charged free radicals causing more cell damage and death in S. 구균 than in E. 대장균 [93, 94]. The antibacterial activity of SnO2 NPs synthesized using Punica granatum seed extract has been tested against E. coli. The bactericidal effect increased with increasing the concentration of the nanoparticles [95]. SnO2 NPs synthesized using Trigonella foenum-graecum seed extract also showed similar antibacterial activity against E. 대장균 [72]. In a recent study, Clerodendrum inerme leave extract was used for the synthesis of un-doped and Co-doped SnO2 NPs [96]. The green synthesized un-doped and Co-doped SnO2 NPs were subjected toward antimicrobial activity against five disease-causing pathogens such as E. 대장균 , B. subtillis , A. niger , A. flavus , and C. Albicans, , and their zone of inhibition diameters (ZOIs), minimum inhibitory concentration (MIC), and minimum bactericidal concentration (MBC) were calculated. The Co-doped SnO2 NPs showed substantial antibacterial activity against E. 대장균 and B. subtillis in a concentration-dependent manner compared to the un-doped SnO2 NPs, plant extract, and standard drugs in terms of their MIC (22 ± 0.7, 18 ± 0.8 mg/mL) and MBC (31 ± 0.9, 21 ± 0.6 mg/mL) as well as ZOIs (30 ± 0.08, 26 ± 0.06 nm), respectively. The authors suggested that the broad-spectrum antibacterial activity of Co-doped SnO2 NPs is due to cobalt doping, which leads to increased grain size and surface area of the NPs as compared to un-doped SnO2 NP. As more is the surface area with smaller particle sizes, the greater will be the antimicrobial activity. The associations of biomolecules like flavonoids and phenolic compounds with Co-doped SnO2 NPs are also responsible for the enhancement of their antimicrobial activity. Furthermore, the green synthesized Co-doped SnO2 NPs showed extraordinary antifungal activity with maximum ZOIs of 17 ± 0.04, 23 ± 0.08, and 26 ± 0.06 nm against A. niger , A. flavus, and C. Albicans, respectively, in comparison with plant extract, un-doped SnO2 NPs, and standard drugs [96].

The actual mechanism of action of SnO2 NPs against microbial strains is still unknown. However, several mechanisms of action against bacteria have been suggested for metal oxide nanoparticles, such as the decomposition of nanoparticles, electrostatic interaction of nanoparticles with the cell wall of microorganisms, and formation of reactive oxygen species (ROS) by the effect of light radiation [97,98,99]. One possible cause for the antibacterial effect of SnO2 NPs may be the accumulation of the NPs on the surface of the bacterial cell membrane. The ROS generated due to the presence of SnO2 NPs interacts with the cell membrane and disturbs the membrane permeability and respiration system of the bacteria, which leads to cell death [72, 95, 100]. For instance, Khan et al. suggested that the release of Sn 4+ 및 공동 2+ is responsible for the damage of bacterial DNA and mitochondria, which inactivates the bacterial enzyme and finally leads to cell death [96].

Antioxidant Activity

Many researchers examined the antioxidant activity of NPs by monitoring the ability in quenching of stable DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) radical into non-radical form (DPPH-H). Kamaraj et al. [101] reported the antioxidant activity of SnO2 NPs biosynthesized using Cleistanthus Collinus leaves extract. The antioxidant activity of SnO2 NPs increased with increasing concentration of SnO2 NPs and reaction time. In another study [95], the free radical scavenging activity of green synthesized SnO2 NPs increased in a dose-dependent manner. However, the annealed sample exhibited a lower scavenging activity as compared to the as-prepared sample. The decrease in scavenging activity with increasing annealing temperature may be due to a decrease in surface area-to-volume ratio of the NPs. Moreover, the antioxidant efficacy of SnO2 NPs against DPPH is due to the transfer of electron density between the NPs and the free radical located at nitrogen in DPPH. A similar result was found for SnO2 NPs synthesized using Trigonelle foenum-graecum aqueous extract [72]. Hong et al. [67] reported significant antioxidant properties of biosynthesized SnO2 NP. The antioxidant activity of the biosynthesized SnO2 increased with increasing concentration of the NPs, with IC50 (half-maximal inhibitory concentration) value of 2257.4 µg/ml. Recently, Khan et al. reported significant antioxidant activity of Co-doped SnO2 NPs, as compared to un-doped SnO2 NPs and plant extract [96].

Cytotoxic Activity

SnO2 NPs synthesized using an aqueous extract of agricultural waste of dried peel of Annona squamosa were evaluated for cytotoxicity test against the hepatocellular carcinoma cell line (HepG2) [64]. TEM results revealed the loss of cell volume, considerable swelling of the cells, and nuclear condensation. The nuclear condensation seen in SnO2 NP-treated HepG2 cells might be due to the breakdown of chromatin in the nucleus. SnO2 NPs inhibited cell proliferation in a dose- and time-dependent manner with an IC50 value of 148 µg/mL. SnO2 NPs synthesized using piper nigrum seed extract exhibited higher cytotoxic activity against colorectal (HCT116) and lung (A549) cancer cell lines [69]. The proliferation of both cancer cell lines increased with increasing NPs size. Besides, a gradual decline in cell viability was observed with increasing dosage of SnO2 NP. The authors concluded that the cytotoxic effect was associated with the generation of oxidative stress from reactive oxygen species (ROS). SnO2 NPs fabricated by using Pruni spinosae flos aqueous extract revealed an excellent cytotoxic effect against non-small cell lung cancer cell A549 and lung fibroblast CCD-39Lu cells, in concentration- and time-dependent manner [70]. Recently, Khan et al. [96] investigated the in vitro cytotoxic effect of green synthesized un-doped SnO2 NPs and Co-doped SnO2 NPs against mammary gland breast cancer (MCF-7), human amnion (WISH), and human lung fibroblast (WI38) cell lines by a colourimetric technique 3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-diphenyl tetrazdium bromide (MTT) assay. The green synthesized Co-doped SnO2 NPs showed significant and substantial mortality rate compared to un-doped SnO2 NPs, plant extract, and standard drug 5-FU (5-5-5-fluorouracil), while un-doped SnO2 NPs exhibited a similar mortality rate to that of the standard drug, but the lowest cytotoxicity against breast cancer cell line was observed with the plant extract. The cytotoxic effect of the plant extract, green synthesized un-doped SnO2 , and Co-doped SnO2 NPs was performed with IC50 values of 31.56 ± 1.4, 26.99 ± 1.9, and 18.15 ± 1.0 µg/mL for MCF-7, and 40.69 ± 0.9, 38.97 ± 0.8, and 36.80 ± 0.6 µg/mL for WI38, and 38.56 ± 0.8, 35.56 ± 0.9, and 31.10 ± 0.7 µg/mL, respectively, and depicted that the cytotoxicity of Co-doped SnO2 NPs was more proficient as compared to plant extract and un-doped SnO2 NPs alone. Additionally, the authors reported excellent observational results showing greater in vitro inhibition of breast cancer MCF-7 cell lines in a concentration- and dose-dependent manner. The green synthesized NPs also showed robust cytotoxicity against MCF-7 as compared to WI38 and WISH normal cell lines with Co-doped SnO2 NPs unveiling higher ROS generation than the un-doped SnO2 NP. Figure 5 shows the probable cytotoxicity mechanism of green synthesized SnO2 NPs.

Mechanism during cytotoxicity of green synthesized SnO2 NP

Photocatalytic Activity

The uncontrolled release of toxic chemicals, hazardous textile dyes, and pesticides from various industries into the running water has led to severe environmental problems. These superfluous water contaminants cause long-term adverse effects and pose a real threat to aquatic and human life. Besides, some organic dyes are carcinogenic and toxic. Hence, treating water that contains poisonous chemicals before disposal to the environment is very crucial to reduce environmental pollution. Recent studies have shown that nanostructured semiconductor metal oxides act as an excellent photocatalyst for the removal of various water pollutants [102,103,104,105]. Among the semiconductor metal oxides, SnO2 is extensively used in the removal of common textile dyes and organic compounds owing to its beneficial characteristics, which include physical and chemical stability, high surface reactivity, high photocatalytic efficiency, low cost, and low toxicity [68, 106]. Manjula et al. [107] synthesized SnO2 nanoparticles using glucose. The NPs were effectively used as a catalyst in degrading methyl orange (MO) dye. The effect of calcination temperature (150–500 °C) on the photocatalytic activity of the NPs was investigated, and the results revealed that the as-synthesized SnO2 NPs calcinated at 150 °C is the best photocatalyst for the reaction under study among the studied materials. Moreover, the as-prepared SnO2 nanoparticles degraded methyl orange completely in 30 min, and also, the nanomaterials may be recycled with enhanced efficiency a minimum of five times. In another study [108], the photocatalytic activity of the SnO2 QDs (quantum dots) synthesized by using serine was evaluated by monitoring the optical absorption spectra of eosin Y solution under direct sunlight. It was observed that the rate of degradation of eosin Y using SnO2 QDs (98%) is higher than that using commercial SnO2 (96%) and P25 (88%). Begum et al. [84] reported the synthesis of SnO2 NPs using an amino acid, L-lysine monohydrate. The synthesized nanoparticles were evaluated for their photocatalytic behavior toward toxic organic dyes, namely malachite green oxalate (MGO) and Victoria blue B (VBB) under direct sunlight. The absorption peak of these dyes has begun to reduce, which shows that the chromophore structure has been demolished (Fig. 6). Furthermore, the as-prepared SnO2 NPs exhibited an outstanding photocatalytic degradation of MGO (97.3%) and VBB (98%) dye within 120 min. Literature reports on the photocatalytic activity of green synthesized SnO2 NPs are summarized in Table 3.

Photocatalytic degradation of malachite green oxalate dye under solar irradiation using SnO2 NP

Gas-Sensing Property

Many metal oxide-based gas sensors are widely used for gas-sensing applications. However, SnO2 NPs has gained tremendous attention in gas sensing under atmospheric conditions because of its beneficial properties, which include high sensitivity, high selectivity, easy reversibility, and cheap manufacturing costs. Green synthesized porous SnO2 nanospheres demonstrated excellent gas sensing capabilities [107]. It was observed that the assimilation of 0.5 wt% Pd into the SnO2 matrix improved the sensitivity and made it highly selective for low-temperature hydrogen detection. Moreover, the fabric was able to respond to even 50 ppm H2 in N2 at room temperature with an interval of 10 s. These sensing properties are due to the synergetic effect of both the porous structure of SnO2 nanospheres and also the catalytic property of Pd nanoparticles. Gattu et al. [77] reported the gas-sensing behavior of biosynthesized and chemically synthesized Ni-doped SnO2 NPs thin films. The biosynthesized Ni-doped SnO2 NPs thin film showed higher NO2 gas-sensing response as compared to the chemically synthesized ones. The sensor response was found to be increased with Ni doping for both biosynthesized and chemically synthesized Ni-doped SnO2 NP. This may be due to the reduction of particle size with Ni-doping, which results in increased surface area for adsorption of NO2 가스. Furthermore, the Ni-doped SnO2 thin film exhibited excellent selectivity toward NO2 gas when put next to other gases like NH3 , LPG and H2 S. In another study [78], the gas-sensing properties of un-doped and Fe-doped SnO2 NPs synthesized using Cicer arietnum L. extract were reported. The gas response within the presence of 100 ppm NH3 gas at 200 °C operating temperature was found to be 28% for un-doped SnO2 and 46% for Fe-doped SnO2 thin films. Moreover, the Fe-doped SnO2 -based sensor was found to be more selective for NH3 gas as compared to the un-doped SnO2 감지기. The biosynthesized Au-doped SnO2 NPs were found to be highly sensitive to NO2 gas at 200 °C operating temperature [79]. Gas sensor supported Au-doped SnO2 NPs showed the gas response of ~ 30% for 100 ppm of NO2 가스. Additionally, the gas sensor of Au-doped SnO2 NPs showed excellent selectivity toward NO2 gas when put next to other gases like H2 S, LPG, and NH3 . The improved gas response and selectivity toward NO2 gas are because of the lattice distortion induced by Au-doping and also the oxygen vacancies generation within the SnO2 lattice.

결론

The use of green methods for the production of NPs has been the area of focused research because it is an eco-friendly, inexpensive, nontoxic, and sustainable method. Numerous studies report the possibility of producing SnO2 NPs via a green protocol using a range of plant materials, bacteria, and natural biomolecules. The literature survey shows that the green substrates act as reducing and stabilizing agents or capping agents regardless of their source. Among the various green methods of SnO2 synthesis, plant-mediated synthesis is cost-effective, easy to process, and less hazardous than microorganisms. However, the plant extracts consist of a large number of active compounds in a different composition, which makes it difficult to know the exact amount of the molecules responsible for the reduction of metal ions. Due to this complexity, it is difficult to evaluate the synthesis of nanoparticles. Therefore, further study on the mechanism of formation of SnO2 NPs is required to understand the chemical reactions that occur during the synthesis. With the knowledge of the actual reaction mechanism, it will be possible to monitor and optimize the biosynthesis process, which is essential for the large-scale production of SnO2 NP. Hence, understanding of the rapidly growing method of synthesis discussed herein will help facilitate future research progress on SnO2 NPs and their enormous potential for industrial-scale production in the near future.

데이터 및 자료의 가용성

Not available.

약어

NPs:

나노입자

SnO2 NPs:

Tin oxide nanoparticles

UV-Vis:

자외선-가시광선 분광법

SEM:

주사전자현미경

FE-SEM:

전계 방출 주사 전자 현미경

TEM:

투과전자현미경

HR-TEM:

고해상도 투과전자현미경

FTIR:

푸리에 변환 적외선 분광기

EDS:

에너지 분산 X선 분석

PSA:

Particle size analyzer

XPS:

X-ray photoemission spectroscopy

SAED:

Selective area electron diffraction


나노물질

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