본 연구에서는 금-은 이금속 나노입자를 코어@쉘 구조(Au@AgNPs)로 제조하기 위해 순차적 합성법을 사용했습니다. 카테킨과 스틸벤 함량이 높은 Rumex hymenosepalus 뿌리 추출물(Rh)을 나노입자 합성의 환원제로 사용했습니다. 투과전자현미경(TEM) 크기 분포 분석 결과 Au@AgNPs 평균 직경 36 ± 11 nm, 금 나노입자(AuNPs) 24 ± 4 nm, 은 나노입자(AgNPs) 13 ± 3 nm였습니다. 나노입자 기하학적 형상은 주로 준구형이었습니다. AuNPs 위 은 쉘 두께는 약 6 nm이며 표면은 활성 생체분자로 덮여 있습니다. 나노입자 특성 분석에는 고각 환형 암시야 이미지(HAADF, STEM 기록), 에너지 분산형 X선 분광법(EDS), X선 회절(XRD), UV-Vis 분광법, 제타 전위, 동적 빛 산란(DLS)이 포함되었습니다. 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)과 X선 광전자 분광법(XPS)은 나노입자가 추출물 분자로 안정화됨을 보여줍니다. 고름페르츠 모델을 사용해 나노물질에 노출된 미생물의 성장 동역학 연구를 수행했습니다. 결과에 따르면 AgNPs와 Au@AgNPs가 Escherichia coli와 Candida albicans의 지연기와 성장률에 농도 의존적으로 영향을 미치며, Au@AgNPs가 더 나은 반응을 보였습니다.
지난 25년간 나노물질 합성을 위한 다양한 화학적 방법이 연구되었으나, 대부분 환경에 유해한 물질을 사용하거나 고온, 고가 장비가 필요했습니다. 본 연구에서는 그린 합성법으로 금-은 나노구조체를 합성했습니다. 이 방법은 처음부터 오염을 최소화합니다. "청정" 공정을 사용해 대부분의 폐기물과 유해 오염물질 사용을 피하고, 건강이나 환경에 위협이 되지 않는 "청정" 나노물질을 개발합니다.
금속 나노입자의 그린 합성은 생물학적 시스템과의 상호작용에 긍정적 영향을 추구합니다. 즉, 나노입자와 폴리페놀 분자 자가 기능화로 세포, 고분자 등 시스템과 호환되는 생물학적 상호작용 생성. 일반적으로 이러한 생물학적 상호작용은 암, 당뇨, 신경퇴행성 질환 등 질병의 나노의학으로 사용됩니다. 은(쉘)과 AuNPs를 코어로 하는 코어-쉘 시스템 합성은 단일 금속 NPs 대비 광학 진단 센서, 분자 센서[1, 2], 광열 치료, 항균제, 촉매 공정 개선[3-6] 등 응용이 있습니다.
특히 이금속 합성에는 순차적 또는 동시적 방법(서로 다른 반응기), 화학적 및 물리적 방법[7]이 사용됩니다: 초음파 분무 열분해[8], 초음파 화학적 방법[5], 미세유체 칩[9], 순차적 나노유체 나노침전[10, 11], 마이크로에멀전[12], 리포좀[13], 환원제는 화학적 또는 그린 화학적 유형 사용.
건식 재료는 나노입자 합성에 금속 산화물[14], 탄소 나노튜브[15, 16] 등으로 사용되며, 기타 인쇄 소프트 전자 소자[17]에도 사용. 습식 나노입자는 생물학적 시스템[18-20], 약물 전달체[21, 22], 항균[23, 24], 센싱 응용[25]에 사용되며, 계산 나노기술은 현대적 분류[26]로 사용됩니다.
Khatami 등은 식물을 이용한 코어@쉘 타입 나노입자 그린 합성을 리뷰했으며, 특히 Antigonon leptopus, Diospyros kaki, Azadirachta indica, Potamogeton pectinatus, Anacardium occidentale를 Au@Ag 나노입자 합성(크기 5-500 nm)에 사용했고, 다양한 응용(비항균)으로 테스트했으며, Asparagus racemosus 뿌리 추출물로 Au-Ag 합금 나노입자 합성해 E. coli, B. subtilis, K. pneumoniae, P. aeruginosa, S. aureus에서 MIC 480 µg/mL 발견[27]. 화학적 합성 Au@Ag NPs는 항균 응용이 있으며, 은 함량(쉘) 기준 MIC 약 2.5 µg/mL 보고[28]. Lu 등은 NaBH₄와 반코마이신 첨가로 Au/AgNPs@Van 화학적 합성, 이금속 나노입자 MIC 60 nmol/mL(그람양성/음성 세균)[29].
이금속 나노물질 항균 특성[30-33]은 Ag 농도 함수로 향상. 반면 Au 농도 증가는 항균 특성 감소하지만 세포독성 효과 감소, 즉 이금속 물질이 더 생체 적합해짐[35]. Au, Ag 단일 금속 물질과 이금속 물질 효과 비교[36-40]에서 이금속 물질 간 시너지 효과[41]로 이기능 효과[28, 42] 발생함 입증.
나노물질 기능화는 화학적 환경[43-45](pH, 황 존재, 생체 적합 분자 등)가 시스템을 둘러싸 세포나 미생물과의 상호작용에 영향을 주므로 특별한 관심사. 따라서 그린 화학 이용 생체물질 생성 강조[46-55].
이금속 입자 화학 조성[56-58]이 광학 특성[41, 59] 결정 요인이며, 단일 금속 나노구조체 시너지 효과[60] 때문.
본 연구에서는 Rumex hymenosepalus 추출물을 환원제로 사용해 금과 은 나노입자 합성. 이 식물은 스틸벤과 카테킨 분자 함유로 금속 이온 환원에 강력한 항산화제 역할. 금 나노입자를 핵으로 사용해 순차적 합성법으로 이금속 나노입자 코어@쉘 타입 Au@Ag 획득. 나노물질 특성 분석에는 HAADF-STEM, EDS 동반 TEM, HRTEM 기술 활용.
합성된 다양한 나노입자 유형으로 세균 E. coli, S. aureus와 효모 Candida albicans 성장 역학 비교 연구 수행.
Rumex hymenosepalus 뿌리를 지역 상업 시설에서 구입. 나노입자 합성 전구체 HAuCl₄와 AgNO₃는 Sigma-Aldrich에서 99% 순도로 구입. 미생물 분석용 Brain Heart Infusion(BHI) 배지와 Potato Dextrose Broth(PDB)는 Sigma-Aldrich에서 조달. 나노입자 세척용 에탄올(99%)은 Fermont, 초순수(milli-Q) 물은 실험에 사용.
추출물 제조 위해 뿌리 150 g을 슬라이스해 사전 건조 후 70/30 V/V 에탄올/물 혼합물 1000 mL에 침출했습니다. 실온에서 밀폐 유리 용기에 빛 차단하며 침출. 용액 흡광도 21일간 모니터링해 변화 없으면 침출 완료로 간주. 왓만 여과지(8 µm, 2 µm 기공)로 순차 여과 후 0.22 µm 아크로디스크 필터로 최종 여과. 에탄올은 회전증발로 제거, 수용액 추출액을 -80°C 동결 후 동결건조(Labconco, FreeZone 1L). 얻어진 분말을 멸균 용기에 빛 차단해 실온 보관 후 사용.
먼저 동결건조 추출물로 Rumex hymenosepalus 수용액 10 mg/mL 제조. 이후 16 mL Rumex 용액에 32 mL 초순수 혼합, 1000 rpm 교반하며 HAuCl₄(0.01 M) 16 mL를 천천히 첨가. 반응은 실온, 실험실 조명 조건에서 1시간 유지. 표면 플라즈몬 공명 강도(λSPR = 540 nm)를 UV-Vis 분광법으로 시간 경과에 따라 평가; 변화 없으면 합성 완료 간주. 생성물 12,000 rpm 원심분리, 상등액 초순수로 교체, 1시간 초음파 처리해 나노입자 재분산. 이 절차 3회 반복. 처음 두 번은 물, 마지막은 에탄올 용매 사용. 최종 에탄올 분산액 원심분리, 침전물 40°C 대류 오븐 건조해 2300 µg/mL AuNPs 수용액 분산액 제조.
Au@AgNPs 합성 위해 AuNPs 수용액 분산액(2300 µg/mL) 2 mL, AgNO₃(0.1 M) 0.8 mL, Rumex hymenosepalus 용액(10 mg/mL) 0.8 mL를 멸균 유리 배양관에 넣었습니다. 혼합물을 초음파 세척기(Branson, Model 2510)로 3시간 초음파 처리. 이후 12,000 rpm 1시간 원심분리, 고형물 초순수 초음파 처리해 1000 µg/mL 농도로 재분산.
AgNPs 제조 위해 추출액(10 mg/mL) 16 mL에 초순수 64 mL 혼합, AgNO₃ 0.1 M 8 mL 첨가. 반응은 실온 25°C, 실험실 조명 조건에서 1시간 수행. 표면 플라즈몬 공명(λSPRᴬᵍ = 440 nm) UV-Vis 분광법으로 시간 경과 모니터링해 형성 평가. 생성물 12,000 rpm 원심분리, 상등액 초순수 교체, 1시간 초음파 처리. 3회 반복(처음 두 번 물, 마지막 에탄올). 에탄올 분산액 원심분리, 침전물 40°C 대류 오븐 건조. 최종 AgNPs 분말 초순수 초음파 처리해 2000 µg/mL 콜로이드 분산액 제조.
UV-Vis 흡수 스펙트럼은 이중빔 PerkinElmer Lambda 45 분광계로 획득. 0.5 nm 슬릿, 480 nm/min 속도, 200-900 nm 범위 기록. 나노입자 50 µL, 추출물 5 µL 사용, 최종 부피 석영 셀에서 초순수로 3 mL 맞춤.
AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs 제타 전위(ζ)는 Zetasizer-Nano ZS(Malvern Instruments, UK)로 측정. 각 시료 실온(25°C)에서 3회 측정, 1, 10, 50, 100 µg/mL 농도 함수로 측정.
AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs DLS는 633 nm He-Ne 레이저 장착 Zetasizer-Nano ZS(Malvern Instruments, UK)로 측정. 각 시료 실온(25°C)에서 3회 측정, 1, 10, 50, 100 µg/mL 농도 함수로 측정. 다분산 지수(PDI)는 Malvern 소프트웨어로 DLS 실험에서 정의 PDI = (σ/D̄)²로 결정(D: 평균 직경, σ: D 표준편차). PDI ≤ 0.10은 고단분산으로 간주[62].
AgNPs, AuNPs, Ag@AuNPs 광학 밴드갭 Eg는 Tauc 방정식으로 계산:
α = c/(hν) (hν - Eg)^(1/n) (1)
여기서 α는 물질 흡수 계수(α = 2.303 A/d, A: 흡광도, d: 셀 폭), Eg는 광학 에너지 밴드갭, hν는 광자 에너지. (αhν)^n과 hν 간 직선으로 Eg 결정. 지수 n=2는 허용 직접 밴드-밴드 전이[63]로 선형 피팅 플롯으로 쉽게 평가[64]. 전이 유형에 따라 1/2, 2, 3/2, 3 값 대응(허용 직접, 허용 간접, 금지 직접, 금지 간접)[65].
AgNPs, AuNPs, Ag@AuNPs, Rh를 FTIR(PerkinElmer, Inc., Waltham, Spectrum Two)로 적외선 흡수 분석. 획득 파라미터: 4 cm⁻¹ 분해능, 16 스캔, 4000-900 cm⁻¹ 파장 범위.
X선 광전자 분광 분석은 이중 Mg/Al 소스, 300 W, 15 kV 포함 PerkinElmer 모델 PHI 5100으로 수행. Mg Kα 방출선(1253.6 eV) 사용, 2×10⁻⁹ Torr 진공 조건[66]. 데이터는 Multipak 소프트웨어 분석. XPS 특성 분석 위해 나노입자 분산액과 Rumex hymenosepalus 추출액을 깨끗한 커버슬립에 증착: 30 µL 시료 첨가 후 완전히 건조, 최소 5회 반복해 박막 형성 후 XPS 특성 분석.
고각 환형 암시야-주사 투과전자현미경(HAADF-STEM)은 전자현미경에서 강력한 작동 모드로 나노물질 구조 규명에 풍부한 보완 정보 제공. 수차 보정 HAADF-STEM은 원자 분해능으로 다른 화학적 원소 원자 위치 결정 가능. 화학적 감도와 높은 공간 분해능으로 알려짐[67]. 이 모드에서 비간섭 이미지가 지배적, 회절 대비 기여 무시 가능[68]. 따라서 수차 보정 HAADF-STEM 원자 번호 대비(Z 대비)로 나노구조체 구조적 세부사항 고정밀 결정 가능.
STEM 분석 위해 JEOL-JEMARM200 전자현미경(200 kV, CEOS 응축 렌즈 교정기) 사용. Z-대비 STEM 이미지 BF와 HAADF 모드 동시 기록. 40 µm 응축 렌즈 조리개(32-36 mrad 수렴각), 9 pA 스팟 크기 사용.
전자현미경 분석 위해 Au@AgNPs 현탁액 10 µL 방울을 300-메쉬 두꺼운 탄소 그리드에 증착, 실온 건조, 진공 챔버 24시간 방치.
나노입자 TEM 분석은 Jeol 2010F 장치(1.9 Å 분해능, 200 kV)로 수행. EDS 분석은 QUANTAX 200-TEM X선 분광계(Bruker, XFlash 4010 검출기) 사용. HRTEM 분석 위해 100,000배 이상 배율에서 TEM 미세사진 기록. 결정면 층간 간격 디지털 미세사진 분석(3.0 Gatan Version)으로 결정. 시료 제조는 STEM 분석과 유사.
데이터 수집은 다층 거울 단색화기와 Cu Kα 마이크로포커스 실드 튜브(λ = 1.54178 Å) 장착 Bruker D8 QUEST 회절계 시스템으로 수행. 프레임 T=300 K에서 ω/φ-스캔 수집 후 강도 vs 2Theta 회절도그램 처리. High Score Plus 소프트웨어로 원시 데이터 처리, 소프트웨어 연동 ICSD 분말 회절 데이터베이스로 상 식별 매치 분석 수행.
시험 미생물: 세균 Escherichia coli(ATCC 25922), Staphylococcus aureus(ATCC 5538P), 효모 Candida albicans(성인 남성 요로감염 환자 요로에서 분리, 헬싱키 선언 원칙 준수). 세균과 효모 접종액 제조용 BHI, PDB 사용. 37°C 하룻밤 배양. 현탁액 CFU/mL 농도 UV-Vis 540 nm(세균), 600 nm(효모) 흡광도 측정으로 결정. E. coli, S. aureus, C. albicans 각각 4×10⁸, 7.8×10⁸, 2.5×10⁶ CFU/mL 현탁액 사용. 96웰 플레이트에서 액체 배양배지 + 나노입자 + 미생물 37°C로 항균 활성 테스트. 모든 테스트 3회 반복. Synergy HTX Biotek 멀티모드 플레이트 리더(Gen 5 소프트웨어)로 흡광도 측정. 모든 미생물 성장 곡선 Origin Lab 8.0 소프트웨어로 수행. 첫 단계: 70 µL 신선 배양배지(BHI 또는 PDB)에 나노입자 필요 농도 혼합해 웰 첨가. 이후 30 µL 미생물 현탁액 첨가해 배지와 혼합. 웰당 최종 부피 100 µL. 접종액 분주 후 위 분광광도계로 플레이트 읽기. 37°C 유지, 읽기 전 15분 주기 원형 진탕 모드. 미생물 성장률은 언급 파장에서 광학 밀도(OD) 측정으로 결정.
문헌에서 고름페르츠 성장 모델이 미생물 집단 성장을 잘 설명함 알려짐. 이 모델은 미생물 집단 성장 기술에 중요한 두 매개변수, 적응기(지연기)와 집단 성장률 이해 가능. 특히 미생물 억제 처리에서 지연기 행동 연구는 미생물의 처리 적응 반응 정보 제공, 평가된 처리에 대한 미생물 내성 개발 징후도 줄 수 있음[69].
수정된 고름페르츠 모델은 Zwietering 등[70] 기술, Li 등[69] 및 다수 저자[71-78] 적용으로 성장 곡선 조정 모델:
y = A exp{-exp[(μe/A)(λ - t) + 1]} (2)
여기서 A는 OD₅₄₀(S. aureus, E. coli) 및 OD₆₀₀(C. albicans)로 표현된 세포 수, μ는 지수기 성장률, e는 지수 e¹, λ는 지연기. 성장 동역학을 Origin 9.1 소프트웨어로 조정해 AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs 세 제제가 S. aureus, E. coli, C. albicans에 미치는 효과 분석.
Escherichia coli와 Staphylococcus aureus를 BHI 배지에, C. albicans를 PD 배지에 접종. 모든 배양 36°C 하룻밤 배양. 배양 후 세 배양 흡광도 각각 1, 0.7, 1로 조정(λ=540 nm). AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs 50 µg/mL 농도 조정. 96 마이크로웰 플레이트에서 조정 배양을 나노입자와 7:3 비율 노출, 웰당 최종 부피 200 µL. 멸균수 대조군 동일 조건. 기타 대조군: 신선 배지, 미생물 없는 각 나노입자 용액. E. coli, S. aureus, C. albicans 각각 AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs 노출. 마이크로웰 플레이트 36°C 배양, 처리군과 대조군 각 미생물 시료 1, 7, 13, 19 h 채취. 채취 시료 생리식염수 1:10 연속 희석해 Müller-Hinton 한천 표면 도말. 접종 한천 36°C 24시간 배양. 배양 후 직접 계수로 CFU/mL 계산.
S. aureus, E. coli, C. albicans 각각 Müller-Hinton 배지 접종 36°C 하룻밤 배양, 0.5 McFarland 네펠로미터로 조정. MIC 결정 위해 조정된 접종액으로 미량희석 시험 수행. 간단히: 96웰 플레이트 사용. 조정 배양 160 µL씩 5개 웰 분주. AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs 1000 µg/mL 용액 제조. 750, 500, 250 µg/mL 용액 제조용. 멸균수 0 µg/mL 나노입자, 이전 용액 40 µL씩 160 µL 조정 배양에 첨가. 각 배양이 각 테스트 나노입자 최종 농도 200, 150, 100, 50, 0 µg/mL 노출. 마이크로플레이트 36°C 24시간 배양. 이후 각 웰 시료 Müller-Hinton 표면 접종, 동일 조건 배양. 배양 후 성장 신호 관찰. 성장 신호 없던 농도 MBC 값 기록.
Fig. 1a는 합성 나노물질 UV-vis 흡수 스펙트럼. 흡광도는 각 나노입자 시스템 해당 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 최댓값으로 정규화.
나노입자 UV-Vis 스펙트럼(a), 제타 전위(b), DLS(c), PDI(d) - Au, Ag, Au@AgNPs
Fig. 1a Au@AgNPs 흡수 스펙트럼은 474 nm 중심 단일 밴드, AgNPs LSPR(445 nm)과 AuNPs LSPR(544 nm) 사이 위치. Au@AgNPs에서 금 유사 흡수 피크 부재는 순차적 합성으로 얻은 나노물질이 코어@쉘 구조임을 시사. 일부 저자는 코어@쉘 시스템에서 쉘 두께 3-4 nm 시 두 금속 연관 두 밴드 구성 가정. 금속 코어 연관 흡수 밴드는 더 두꺼운 쉘에서 사라지며, 이금속 입자 두께/코어 크기 비율에 따라 단일 흡수 밴드 최댓값 위치 결정[79, 80].
Samal 등은 코어 크기 제어와 다른 두께 쉘 첨가로 코어@쉘 나노입자(Au@Ag) 합성[81]. 특히 우리 Au@AgNPs UV-vis 결과는 32 nm 금 코어와 15 nm 이상 은 쉘 두께에서 보고된 Samal 등 결과와 일치: 단일 흡수 밴드(~450 nm) 특징, Au 표면 플라즈몬 억제 관찰.
추가적으로 Fig. 1a에서 280 nm 중심 흡수(파란색 강조 영역) 관찰, 나노입자 합성 환원제로 사용된 Rumex hymenosepalus 추출물 분자 해당. 추가 파일 1: Figure S1은 Rumex hymenosepalus 수용액 흡수 스펙트럼. 278 nm 중심 특성 밴드 관찰, 폴리페놀 화합물 방향족 고리 카르보닐기와 공액된 전자 전이 연관[82]. 나노입자 UV-Vis 스펙트럼 이 흡수 밴드는 최종 제품에 추출물 분자 잔류 의미. Rivero-Cruz 등은 R. hymenosepalus에서 4개 스틸베노이드, 2개 플라반-3-올, 3개 안트라퀴논 분리[83]. Rodríguez-León 등은 NMR 연구로 Rumex hymenosepalus가 스틸벤 글리코사이드, 에피카테킨 갈레이트, 에피갈로카테킨 갈레이트(EGCG) 등 중요 분자 함유 확인[61]. 이 분자들은 나노입자 합성 환원제로 참여. 과정은 페놀 고리 -OH 기 탈양성자화로 =CO기 형성, 폴리페놀 분자 산화, 방출 전자 Ag⁺, Ag³⁺ 이온에 전달해 Au⁰, Ag⁰ 형성.
Fig. 1b는 AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs 농도 1, 10, 50, 100 µg/mL 제타 전위 값. 나노입자 초순수 분산, 25°C 3회 측정. 일반적으로 농도 범위 전반에서 나노입자 제타 전위 -30 mV보다 더 음성, AuNPs와 Au@AgNPs 100 µg/mL에서 -40 mV, AgNPs -38 mV 도달. 이 높은 음성 제타 전위 값은 나노입자 간 반발 상호작용으로 응집 방지, 금속 콜로이드 장기 안정성 허용[84-86]. UV-Vis 분광법 결과와 제타 전위 값 상관관계로 높은 음성 값이 추출물 폴리페놀 분자 나노입자 표면 착물화 때문일 수 있음[87].
생물학적 응용 위해 단분산 크기 나노입자 집단 획득 가치 있음[88]. Fig. 1c, d는 AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs 농도 1, 10, 50, 100 µg/mL 평균 직경과 다분산 지수(PDI) DLS 값. Au@AgNPs 평균 직경 ~250 nm 농도 함수로 일정, 단일 금속 나노입자도 유사하게 AuNPs ~122 nm, AgNPs ~135 nm 평균 직경. PDI 값 단일 금속 ~0.3, Au@AgNPs ~0.2. 이 결과들에서 크기가 농도와 무관하게 변하지 않음은 다른 나노입자 시스템이 좋은 안정성 보이며 중간 다분산 크기 분포(0.3 ≥ PDI ≥ 0.2) 나타냄.
Tauc 플롯 광학 밴드갭 계산(추가 파일 1: Figure S2). 반도체 물질 전도띠 Eg < 3 eV 값, 참고로 게르마늄 Eg < 0.7 eV, 실리콘 Eg = 1.1 eV[89]. 우리 경우 Au@AgNPs, AuNPs, AgNPs 밴드갭 각각 1.93 eV, 2.03 eV, 2.33 eV. 이는 이 물질들이 반도체로 간주됨을 의미, 양자 구속 효과로 에너지 갭 증가해 나노물질이 센서, 배터리, 광전자 소자용 사용 가능[64].
나노입자 유기 화합물 존재 확인 위해 XPS와 FTIR 특성 분석. Fig. 2a 식물 추출물과 나노입자 서베이 스펙트럼. 모든 나노입자 시스템이 식물 추출물 유래 탄소(C 1s, 284.6 eV), 산소(O 1s, 532.2 eV) 특성 신호 나타냄. 이 결과 나노입자에 추출물 유래 유기 분자 존재 확인. 추가 고해상도 XPS 스펙트럼으로 나노입자 은, 금 산화 상태 분석(추가 파일 1: Figure S3). AgNPs(추가 파일 1: Figure S3A) 373.76 eV, 367.76 eV(ΔBE = 6.0 eV) 신호 각각 3d3/2, 3d5/2 스펙트럴 라인에 해당, Ag⁰(금속 은) 연관. AuNPs(추가 파일 1: Figure S3B) 4f5/2 스핀-궤도 결합 피크 87.65 eV, 4f7/2는 83.98 eV. 강도 비율(I4f7/2 > I4f5/2), 위치, 피크 간 분리(ΔBE = 3.67 eV)로 금 이온(Au³⁺)이 금속 금 Au⁰로 완전 환원됨 확인[90]. Au@AgNPs 고해상도 XPS 스펙트럼 은(추가 파일 1: Figure S3C)과 금(Figure S3-D) 각각 나타냄. 단일 금속 대응과 동일 거동 보여 이금속 모두 코어@쉘 제시에서 0가 상태임.
XPS 서베이 스펙트럼(a), FTIR(b) - Rh, Ag, Au, Au@AgNPs
Fig. 2e FTIR에서 3296 cm⁻¹ 수산기, 2974 cm⁻¹ 방향족 고리 C-H 결합, 1689 cm⁻¹ 카르보닐기 신축(C=O), 1689-1400 cm⁻¹ 카복실산 결합(C-O) 및 탄소-탄소 결합 신축, 1212 cm⁻¹ AuNPs와 공액된 페놀 C-O 신축, 1049 cm⁻¹ 카테킨 에스테르 기 분자 C-O 신축 모드[88-90], 799 cm⁻¹ 페놀 평면 외 벤딩, 964.4, 829.39 cm⁻¹ 레스베라트롤 특징[91] Rh 추출물에서 1031, 867 cm⁻¹로 이동, AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs도 이동해 Rh 추출물 폴리페놀 분자 나노입자 착물화 지시.
Fig. 3a는 Au@AgNPs 시스템 대표 밝은시야 STEM 미세사진(저배율, 100 nm 척도 막대). 응집 없는 나노입자 세트, 주로 준구형 기하학 관찰. 동일 영역 암시야(HAADF) Fig. 3b, 코어@쉘 구조 관찰, Au-코어 원자 번호 차이로 Ag-쉘보다 더 강렬. Fig. 3c, d는 코어@쉘 시스템 나노입자 그룹 고배율 미세사진(척도 막대 20 nm) 밝은시야, 암시야. 선명하게 밝은 Au 코어, 약한 대비 Ag 쉘 관찰. 이 이미지들에서 Ag-쉘 두께 3-5 nm 사이 변동. 추가 파일 1: Figure S4는 개별 이미지 갤러리, Ag-쉘 균일성 관찰 가능.
Au@AgNPs 저배율(척도 막대 100 nm) 밝은시야(a), HAADF(b). Au@AgNPs 소그룹 고배율(척도 막대 20 nm) 밝은시야(c), HAADF(d)
Fig. 4a, c, e는 대표 나노입자 시스템 AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs TEM 미세사진. 모든 경우 나노입자 구형 유사 형태, 서로 잘 분리. 이는 나노입자 표면 추출물 분자가 스페이서 역할 설명. Fig. 4b, d, f는 TEM 크기 분포 500개 나노입자(각 나노물질 15-20 미세사진 수집) 수행 히스토그램. 가우시안 분포, 평균 크기 24 ± 4 nm(AuNPs), 13 ± 3 nm(AgNPs), 36 ± 11 nm(Au@AgNPs). DLS와 TEM 측정값 차이는 나노입자 주변 미세환경 조건 차이: DLS는 금속, 수화 코팅, 용매 포함 시스템 직경, TEM은 건조 시스템 금속만 측정. 특히 DLS에서 나노입자 착물화 분자(환원제, 안정제) 분산제로 크기 측정 오차 유발, 결과 더 높은 값으로 이동[91].
TEM과 크기 분포: AuNPs(a, b), AgNPs(c, d), Au@AgNPs(e, f)
Fig. 5는 Au@AgNPs HAADF-STEM 미세사진. 단일 나노입자 Fig. 5a에 금 핵, 은 피복 완벽 경계, 원자 번호(Z) Au@Ag 인터페이스 통해 변화, 강도 변이 HAADF-STEM으로 정량화 가능[67].
Au@AgNPs HRTEM(a). (a) 확대 코어-쉘 인터페이스(b). 밀러 인덱스 FFT 플롯(c), FFT 역변환 이미지 층간 거리(d)
빨간 사각 영역 확대해 쉘 부분 HRTEM 미세사진(Fig. 5b), 결정질 쉘 구조 검증 위해 나노입자 주변부 영역(불연속 사각) Digital Micrograph 3.0 소프트웨어(Gatan) 분석. 선택 영역 고속 푸리에 변환(FFT) 이미지 획득(Fig. 5c). 역 고속 푸리에 변환으로 2.3 Å, 2.0 Å, 1.4 Å 층간 거리 추정(Fig. 5d). 이 거리 각각 면심입방(fcc) 은 (111), (200), (220) 결정면 할당 가능(ICSD, FIZ Karlsruhe-라이프니츠 정보 인프라 연구소, 독일 또는 전자 결정학 소프트웨어 JEMS V 4-5430, JEMS-SAAS, 스위스)[92]. 단일 금속 나노입자 유사 HRTEM 결정 구조 분석 추가 파일 1: Figures S5(AuNPs), S6(AgNPs) 예시. 두 경우 모두 면심입방(fcc) 결정 구조.
TEM 관찰 Au@AgNPs 그룹 EDS 화학 분석(Fig. 6a) 두 금속 존재, 원자 중량 백분율 Ag(쉘) 77%, Au(코어) 23%(Fig. 6b). 단일 이금속(Fig. 6c) Au@AgNPs는 Ag(쉘) ~80%, Au(코어) ~20%(Fig. 6d). 코어@쉘 나노입자(Au@Ag) 금 은 원자 백분율 추정 위해 준구형 기하학 근사 고려. TEM 크기 분포 AuNPs 평균 직경(D̄Au = 24 nm) 코어 부피 추정(VAu), Au@AgNPs 평균 직경(D̄Au@Ag = 36 nm) 코어@쉘 부피 추정(VAu@Ag). 쉘 부피 VAg = VAu@Ag - VAu. Au, Ag 총 원자 함량 fcc 결정 구조(단위 세포당 4 원자) 고려 계산, Au, Ag 격자 상수 각각 4.0783 Å, 4.0862 Å[93]. 이 절차 원자 함량 추정 Ag(쉘) 70%, Au(코어) 30%, EDS 측정 대비 10% 차이. Fig. 7은 은, 금 함량 이론적 추정, 쉘 두께 증가 시 변화, 코어 크기 고정(D̄Au = 24 nm). Au@AgNPs 직경 30.2 nm 초과 시 은 원자 함량 금 초과 관찰. 보충 자료에 원자 함량 백분율 얻기 상세 계산 기술. 다른 Au-코어 직경 고려, Au@AgNPs 직경 변화 유사 원자 백분율 추정 수행(추가 파일 1: Figure S7A-B).
Au@AgNPs 그룹 TEM, EDS(a, b) Au 23, Ag 77% at. 단일 Au@AgNPs(c, d) Au 20, Ag 80% at
쉘 두께 증가에 따른 원자 함량 백분율 변화, AuNPs 직경(24 nm) 고정
Fig. 8은 AuNPs, AgNPs, 이금속 Au@AgNPs XRD 패턴. 모든 합성 제품 전자현미경 특성 분석과 같이 fcc 결정 구조. Au@AgNPs 피크 2θ 회절각 38.25°, 44.4°, 64.9°, 77.85°, 81.25° 위치. 그림에서 AgNPs, AuNPs 회절 피크 동일 위치 ±0.5° 차이. Au, Ag 격자 상수 매우 유사해 fcc 결정 구조 회절 패턴 거의 동일[94-96]. Fig. 8 회절 피크 각각 금, 은 fcc 구조 (111), (200), (220), (311), (222) 면 할당(JCPDS: 4-0783, 4-0784)[97].
X선 회절 AuNPs(분홍), AgNPs(갈색), Au@AgNPs(빨강)
단일 금속(AgNPs, AuNPs), 이금속(Au@AgNPs) 물질을 1, 10, 50, 100 μg/mL 네 농도 테스트. 항균 활성 평가 미생물: 효모 Candida albicans, 그람양성 S. aureus, 그람음성 E. coli. 24시간 타임랩스 성장 동역학 곡선 Fig. 9.
AuNPs, AgNPs, Au@AgNPs 억제 처리로 Candida albicans(a-c), Escherichia coli(d-f), Staphylococcus aureus(g-i) 성장 곡선
AuNPs는 10시간까지 성장 동역학 영향 없음(Fig. 9a), 24시간 도달 흡광도 농도 의존적 변동. 흥미롭게 50 µg/mL 이상에서 10시간부터 급격한 음의 기울기 보여 24시간 45% 감소, 이 물질들 항진균 효과 시사. 금 나노입자 관련 단백질(H⁺-ATPase 등) 상호작용으로 양성자 펌프 활성 영향, 효모 영양소 섭취 능력 위축해 사멸 원인[61]. Fig. 9b, c에서 AgNPs, Au@AgNPs 10 µg/mL부터 효모 Candida albicans 성장 억제. 추가 파일 1: Figure S8 용량-반응 곡선으로 두 물질 MIC₅₀ 추정. MIC₅₀은 대조군(무처리 효모) 대비 흡광도 50% 감소시키는 나노입자 농도 정의. AgNPs, Au@AgNPs MIC₅₀ 각각 2.21 µg/mL, 2.37 µg/mL.
그러나 EDS 결과(Fig. 9b) Au@AgNPs 은 함량 64.85% 질량. 따라서 Au@AgNPs MIC₅₀ 은 농도 1.53 µg/mL, AgNPs 경우보다 30% 낮음. Padmos 등은 은 나노입자 중요한 항균 특성 보유하나 포유류 세포 세포독성, 이금속 나노입자 특히 금 코어 사용으로 이 효과 감소 입증[35].
Fig. 9d AuNPs E. coli 유의미한 억제(<15%)나 성장 동역학 영향 없음. AgNPs(Fig. 9e) 저농도 지연기 변화 없으나 기울기 감소로 성장률 현저 감소. 50 µg/mL 지연기 16시간 지속, 생존율 24시간 최대 20%. 100 µg/mL 미생물 성장기 명백한 분리 미관찰. Au@AgNPs(Fig. 9f) 최초 두 농도 성장기 변화 없으나 대조군 대비 2시간 위상 지연 관찰. 흥미롭게 50 µg/mL 지연기 21시간 지속, 100 µg/mL 명백한 성장 행동 없음.
S. aureus 경우 50 µg/mL에서 Au(Fig. 9g), Ag(Fig. 9h), Au@AgNPs(Fig. 9i) 지연기 재성장 12시간 후 비교 분석. 최고 농도 100 µg/mL 세균 성장 없음. 추가 1, 10 µg/mL Au, Ag, Au@AgNPs 대조군 대비 기울기 변화 관찰.
AuNPs 이 그람양성 세균 상호작용은 하전 표면으로 정전기적 상호작용, 막 구조 불안정화 때문일 수 있음. 유사 결과나 더 높은 NPs 농도서 Ananas comosus 과일 추출물 환원제 AuNPs[98], 청록조 Spirulina platensis 단백질[99] 보고. Yang 등 S. aureus(CMCC(B)26003) MIC > 500 µg/mL 보고, 우리 AuNPs 10배 낮은 농도서 억제; 이 경우 나노입자 표면 코팅 안정화 폴리페놀 분자 임계 시너지 존재. AuNPs, 폴리페놀(식물 추출물), AgNPs 순으로 ROS 생성 강도[101] 낮음에서 높음, AuNPs가 레스베라트롤, EGCG 시너지로 S. aureus 항균 반응 촉진[102] 가장 타당 메커니즘. Penders 등 250, 500 µg/mL AuNPs 유사 항균제 S. aureus 지연 시간 증가, 항균 효과[61, 98, 99].
억제 원인 AgNPs[103] 축적, 확산, NPs 표면 전하 관련 정전기적 상호작용[104] 세균 막 촉진, 더 높은 침투, 손상 유도 생각. E. coli 바이오필름, AgNPs 상호작용 유사 메커니즘 기술[105].
Au@AgNPs 결과 다른 연구그룹 보고[100, 101]와 비교 가능; 그러나 다른 저자들은 미생물 성장 억제가 쉘 두께 직접 관련 제안[100, 101]. 코어-쉘 NPs NIH-3T3 섬유아세포(정상 포유류 세포) 시험 시 낮은 세포독성[35]. Au@AgNPs 쉘 내 낮은 은 비율 AgNPs 유사 결과[100], Au 코어 항균 효과 잠재화, 세포독성 최소화.
나노물질 다른 농도 노출 미생물 성장 곡선(Fig. 10) 고름페르츠 모델(식 2)로 조정해 성장률(µ), 지연기(λ) 정량적 수정 파악.
고름페르츠 모델 얻어진 동역학 매개변수. 성장률 µ, 지연기 λ - S. aureus(a, b), E. coli(c, d)
Fig. 10a 모든 나노물질 나노입자 농도 증가 시 S. aureus 개체군 복제률 감소. 이 효과 AuNPs 약간 더 높은 민감도 결과. 50 µg/mL 성장률 대조군 대비 30%(추가 파일 1: Tables S1-S24); 100 µg/mL 모든 물질 S. aureus 개체군 성장 억제. S. aureus 다른 처리로 적응기 행동 Fig. 10b. 사용 물질 간 유의미 차이 없음, 50 µg/mL 지연기 S. aureus 적응기 대비 거의 5배 증가(추가 파일 1: Tables S1-S24). 일반적으로 다른 나노물질 S. aureus 평가 시 복제률 감소, 적응기 지연, 농도 의존적 억제 100 µg/mL까지.
Fig. 10c AuNPs E. coli 세균 성장률 µ 영향 없음 명확. 반면 AgNPs µ 감소, 50 µg/mL 대조군(E. coli 무처리 µ) 대비 19% 최솟값(추가 파일 1: Table S52). 대조적으로 Au@AgNPs 100 µg/mL E. coli 성장 완전 억제. E. coli 다른 물질 노출 지연기 행동 분석 Fig. 10d. Fig. 10b와 달리 각 물질 특성 반응. AuNPs E. coli 적응기 수정 없음, AgNPs, Au@AgNPs 지연기 농도 의존적 효과, 후자 물질 두드러짐. 따라서 AuNPs E. coli 세균에 인지할 효과 없음, Au@AgNPs 복제 억제, E. coli 지연기 무기한 지연 가능. 흥미롭게 이 효과 AgNPs 순은 함량 더 높음에도 달성 안됨. 이는 두 금속 코어@쉘 제시가 항균 활성 유리한 시너지 생성 시사. Feng 등 코어-쉘, 합금 구조 Au→Ag 전자 보상 현상 보고, 나노입자 세포독성 강화하나 항균 특성 유지, 즉 Au, Ag 시너지 가정, 단일 금속, 이금속 물질 관찰 차이 때문[106], 더 많은 연구 필요.
Fig. 11 나노물질 노출 미생물 집락 직접 계수 연구 결과. 일반적으로 미생물 개체군 행동 성장 동역학 연구 결과(Fig. 7a, e, i) 재현. 예 Fig. 11a 미생물 개체군(로그 표현) 19시간서만 유의미 감소, AuNPs C. albicans 92% 살상. 흥미롭게 은 함유 나노입자(Fig. 11b, c) 더 뚜렷한 개체군 감소 관찰. Au@AgNPs 시스템 50 µg/mL 7시간 S. aureus 거의 완전 억제(99.5% 세균 살상)하나 이후 시간 미생물 성장 재활성화. MBC 결정 테스트 농도서 불가능(추가 파일 1: Figure S9-11), 실험 관찰 더 높은 농도 필요. 그러나 C. albicans AgNPs MBC 50 µg/mL(추가 파일 1: Table S55).
나노입자 50 µg/mL 농도 노출 미생물 성장 효과: AuNPs 노출 C. albicans(a), AgNPs 노출 E. coli(b), Au@AgNPs 노출 S. aureus(c)
처음으로 Rumex hymenosepalus 뿌리 추출물 환원제로 금 나노입자, 코어@쉘(Au@Ag) 생산 보고. Au@AgNPs 얻기 위해 중간 다분산성, 균질 은 쉘 생성 2단계 순차적 방법 제안. 고름페르츠 모델로 얻어진 성장 곡선, 매개변수 결정은 나노물질이 평가 미생물에 다른 효과 나타냄 지시. AuNPs S. aureus 억제 효과 다른 공정 합성 AuNPs 보고 대비 5배 낮은 농도 도달. 이는 합성 공정 중요성과 나노입자 표면 환경 드러냄. 반면 AgNPs, Au@AgNPs 지연기 큰 증가(>12시간) 생성. 그러나 세균 아아적응, 아억제 농도서 성장 개시, 이 나노물질 내성 생성 위험 결과. 이는 지연 성장 배제 위해 적절한 기간 포함 성장 동역학 연구 중요성 강조. 흥미롭게 고름페르츠 분석 Au@AgNPs 단일 금속 나노입자보다 미생물 성장 동역학 더 높은 효과 나타냄, 코어@쉘 구조 두 금속 시너지 효과 기인. 살균 효과 C. albicans AgNPs 노출서만 달성. 연구 미생물 MBC 결정 위해 더 높은 농도 범위(>200 µg/mL) 이 나노물질 더 많은 실험 수행 필요.
본 연구 중 생성/분석된 모든 데이터는 본 논문과 보충 정보 파일에 포함됩니다.
나노물질
초록 금 나노입자(GNP) 크기를 화학적 합성법으로 조절하려면 복잡하고 엄격한 프로토콜이 필요합니다. 본 연구에서는 반응 매질의 용매 극성을 도구로 삼아 화학적 환원법으로 GNP 크기를 조절하는 방법을 제시합니다. 에탄올(극성 용매), 에탄올-물 혼합물(반응 매질), L-아스코르브산(환원제), 폴리비닐피롤리돈(PVP, 안정제)을 사용해 GNP를 합성하고, 에탄올과 물의 부피 비율을 바꿔 반응 매질의 극성 지수를 조절했습니다. UV-Vis, 동적 광산란(DLS), 투과전자현미경(TEM) 분석 결과, 반응 매질의 극성 지수가 감소함에
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