주석 산화물 나노입자의 친환경적, 비용 효율적 합성: 방법, 형성 메커니즘, 응용에 대한 종합적 고찰

초록

나노기술은 모든 과학 분야에 중요한 응용을 가진 가장 유망한 연구 분야가 되었습니다. 최근 몇 년간 주석 산화물은 나노미터 범위에서 이 물질의 합성으로 향상된 매혹적인 특성들로 인해 엄청난 주목을 받아왔습니다. 오늘날 주석 산화물 나노입자를 생산하기 위해 수많은 물리적, 화학적 방법이 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 방법들은 비용이 많이 들고, 높은 에너지를 필요로 하며, 합성 과정에서 다양한 독성 화학물질을 사용합니다. 인간 건강과 환경 영향에 대한 우려가 증가함에 따라 비용 효율적이고 환경 친화적인 생산 공정의 개발이 이루어졌습니다. 최근 식물 추출물, 박테리아, 천연 생체분자 등 다양한 생물학적 개체를 이용한 녹색 방법으로 주석 산화물 나노입자가 성공적으로 합성되었습니다. 그러나 생물학적 기질의 복잡성으로 인해 합성 중 발생하는 반응과 형성 메커니즘의 규명이 어려워 산업 규모의 녹색 합성 생산은 여전히 과제로 남아 있습니다. 따라서 본 고찰은 주석 산화물 나노입자의 녹색 합성에 사용된 다양한 생물학적 개체 공급원과 방법론, 그리고 그것들이 특성에 미치는 영향을 요약합니다. 이 작업은 또한 문헌에 보고된 형성 메커니즘 이해의 진전과 이 나노입자들을 특성화하는 데 사용되는 다양한 분석 기술을 설명합니다.

서론

지난 몇 십 년간 나노기술은 제약, 식품 산업, 화장품, 섬유 산업, 의학, 광학, 전자, 에너지 과학, 전기화학적 응용 등 다양한 분야에서의 엄청난 응용을 위해 나노물질의 합성, 특성화, 변형, 활용을 다루는 새로운 연구 분야로 부상했습니다 [1-4]. 나노물질은 1~100 nm 크기 범위에서 한 차원을 가진 물질입니다. 이 물질들의 매우 큰 표면적-부피 비율과 극도로 작은 크기는 벌크 물질에 비해 완전히 새롭거나 향상된 전기적, 광학적, 자기적, 촉매적, 항균 활성을 초래할 수 있습니다 [5-7]. 이러한 독특한 특성으로 인해 나노입자는 나노의학, 광촉매, 바이오센서, 세정제, 섬유 산업 등 현대 과학 및 공학의 다양한 분야에 응용됩니다 [1, 8]. 나노입자 중에서도 주석(IV) 산화물(SnO₂)은 옵토일렉트로닉 소자 [9], 고체 가스 센서 [10], 리튬 이온 배터리 전극 [11], 전계 방출 디스플레이 [12], 발광 다이오드 [13], 촉매 [14], 염료 감응 태양전지 [15], 의학 [16], 광센서 및 정전기 방지 코팅 [17] 등 다용도 응용으로 엄청난 주목을 받아왔습니다.

재료 과학에서 SnO₂는 산소 결핍형 n-형 반도체로 간주되며, 격자 상수 a = b = 4.7374 Å, c = 3.1864 Å의 사방정계 루타일 구조로 결정화됩니다. 단위 격자는 두 개의 6배위 주석 원자와 네 개의 3배위 산소 원자로 구성됩니다 [18, 19]. 넓은 에너지 밴드갭(3.6~3.8 eV), 강한 열적 안정성(최대 500 °C), 가시광선 영역에서의 높은 투명도, 흡착 종과의 강한 화학적 및 물리적 상호작용은 SnO₂를 리튬 이온 배터리, 센서, 촉매, 에너지 저장, 유리 코팅, 의학, 환경 정화 분야의 잠재적 응용에 유망한 후보로 만듭니다 [20-23]. SnO₂는 높은 비표면적, 높은 화학적 안정성, 낮은 전기 저항, 낮은 밀도로 인해 반응 시간과 감도를 개선하는 센서로 사용됩니다 [24]. 최근 몇 년간 SnO₂는 태양전지 [25] 및 CO, NO, NO₂, H₂S, C₂H₅OH 같은 가연성 가스를 검출하는 가스 센서 [26-29] 응용 분야에서 철저히 탐구되었습니다. 나노입자(NPs)의 독특한 물리화학적 특성과 잠재적 응용으로 인해 과학계는 나노입자 생산을 위한 여러 방법을 개발해 왔습니다. 그러나 금속 및 금속 산화물 나노입자 합성에 사용되는 화학적, 물리적 방법은 상당히 비싸고 환경과 인간 건강에 해로운 독성 물질을 사용합니다 [30]. 최근 몇 년간 대부분의 연구자들은 비용 효율적, 단순한 제조 공정, 생산 재현성, 종종 더 안정적인 나노입자 생성 등의 많은 장점 때문에 나노입자의 녹색 합성으로 연구 관심을 돌렸습니다 [31]. 지난 10년간 SnO₂ NPs의 녹색 합성에 대한 여러 연구가 보고되었습니다. 그러나 합성 방법론과 형성 메커니즘을 보여주는 단일 고찰 논문은 문헌에 없습니다. 따라서 본 논문은 SnO₂ NPs의 녹색 합성, 형성 메커니즘, 특성화 기술, 잠재적 응용을 설명합니다.

주석 산화물 나노입자의 녹색 합성

SnO₂ NPs는 다양한 물리적, 화학적, 녹색 방법으로 합성됩니다. 화학적 방법에는 졸-겔, 수열, 침전, 기계화학적, 마이크로에멀전 등이 포함됩니다 [31-37]. 화학적 방법 중 가장 널리 사용되는 기술은 졸-겔 합성으로, 주석 전구체 염과 주석 함유 겔의 형성을 조절하는 화학 시약을 이용합니다. 이후 겔은 최대 800 °C의 열처리를 거쳐 SnO₂ NPs를 얻습니다 [32, 38]. 옥살산이나 에틸렌 글라이콜 같은 화학적 안정제와 캡핑제는 SnO₂ NPs 합성 중에 첨가되어 나노입자의 크기를 제어하고 응집을 방지할 수 있습니다 [32, 39]. 용액 pH, 화학물질 농도, 반응 시간, 소성 온도도 나노입자의 크기와 형태에 영향을 미칠 수 있습니다 [31, 34-37]. 앞서 언급한 SnO₂ NPs 합성 방법은 다양한 유해 화학 시약, 용매, 계면활성제를 사용하여 환경과 인간 건강에 심각한 위협을 가합니다 [4, 30].

SnO₂ NPs는 스프레이 열분해, 열산화, 화학 기상 증착, 레이저 에블레이션, 초음파 처리 같은 물리적 기술로도 합성될 수 있습니다 [40-44]. 이 중 레이저 에블레이션은 액체에서 금속 및 금속 산화물 나노입자를 합성하는 비용 효율적이고 단순한 방법으로 간주됩니다 [44, 45]. 다른 기존 방법과 달리 이 방법은 캡핑/환원제, 고온, 고압을 필요로 하지 않으며 고순도 나노입자 생산이 가능합니다 [44, 45]. 레이저 빔에서 조사된 펄스의 매개변수 변화와 에블레이션 시간은 나노입자의 크기, 형태, 표면 화학을 정의하는 중요한 매개변수입니다 [44]. 그러나 대부분의 물리적 방법은 복잡한 장비, 높은 에너지, 숙련된 인력을 필요로 합니다 [46]. 따라서 친환경적이고 저렴하며 효율적이고 상온 조건에서 작동하는 합성 방법 개발이 매우 중요합니다. 그러한 해결책 중 하나가 녹색 합성으로, 많은 연구자들이 주석 산화물 나노입자 합성을 위한 녹색 화학 접근법을 개발했습니다. 녹색 합성 전략에서는 식물 추출물, 미생물, 기타 녹색 공급원이 기존 물리적, 화학적 방법의 대안으로 사용될 수 있습니다 [47]. 요즘 생물학적으로 영감을 받은 합성 방법은 녹색 화학의 12원칙과 일치하기 때문에 녹색 합성으로도 알려져 있습니다 [48]. 생물학적 합성이 물리적, 화학적 방법보다 가진 뚜렷한 장점들은 (a) 무독성 화학물질 사용으로 깨끗하고 환경 친화적, (b) 재생 가능한 자원 사용, (c) 효소 자체와 파이토케미컬 같은 활성 생물학적 성분이 환원제와 캡핑제 역할을 하여 전체 합성 공정 비용 최소화, (d) 고압, 고온 같은 외부 실험 조건 불필요로 상당한 에너지 절약 [49, 50] 등입니다.

지난 10년간 공정이 더 신뢰성 있고, 친환경적, 비용 효율적, 저투자-고수율, 환경에 악영향 없는 단순한 절차이기 때문에 생물학적 방법을 통한 SnO₂ NPs 합성에 대한 관심이 크게 증가했습니다. 식물 추출물, 박테리아, 천연 생체분자 등 다양한 생물학적 기질이 SnO₂ NPs의 녹색 합성에 성공적으로 활용되었습니다. 다양한 식물의 파이토케미컬과 박테리아의 효소가 녹색 합성의 주요 원인입니다. 녹색 공급원에 존재하는 활성 화합물들도 합성 중 환원제, 캡핑제, 안정제 역할을 합니다. 원하는 NPs는 종종 지정된 온도에서 소성 또는 어닐링 후 얻습니다 [51-54].

식물 매개 주석 산화물 나노입자 합성

식물 매개 합성은 독성 화학물질이 없고 천연 캡핑제와 환원제를 제공하기 때문에 기존 물리화학적 방법보다 최고의 합성 플랫폼이 되었습니다. 게다가 쉽고 친환경적이며 불순물이 없는 양질의 제품을 제공합니다. 이 방법에서는 고온, 고압, 고가 장비를 사용할 필요가 없습니다. 또한 식물 매개 합성은 다양한 모양과 크기의 더 안정적인 나노입자의 대량 생산을 이끕니다 [55, 56]. 수많은 식물 종의 다양한 부위 추출물이 SnO₂ NPs의 녹색 합성에 활용되었습니다. 일반적으로 식물 매개 SnO₂ NPs 합성은 미리 준비된 추출물에 주석 염을 첨가하는 매우 단순한 과정입니다. 반응 후 용액은 원심분리 과정을 거칩니다. 마지막으로 펠릿을 열처리한 후 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR), X-선 회절(XRD), 에너지 분산형 X-선 분석(EDS), 주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM), 입도 분석기(PSA), 동적 빛 산란(DLS) 등 다양한 분석 기술로 특성화합니다. 자외선-가시광선 분광법(UV-Vis)은 나노입자 형성 모니터링에 사용됩니다. 식물 추출물 매개 SnO₂ NPs 합성의 상세 프로토콜은 그림 1에 개략적으로 도시되어 있습니다. Diallo 등은 Aspalathus linearis와 주석 염화물 오수화물(SnCl₄·5H₂O)을 전구체로 사용하여 SnO₂ NPs의 녹색 합성을 보고했습니다 [51]. 염을 식물 추출물에 녹이고 10분 후 흰색 침전 형성을 관찰했습니다. 흰색 침전은 원심분리 후 수집되어 약 80°C에서 건조되었습니다. 분말은 약 4시간 동안 다양한 온도에서 어닐링된 후 고분해능 투과 전자 현미경(HR-TEM), EDS, XRD, X-선 광전자 분광법(XPS) 등 다양한 분석 기술로 분석되었습니다. NPs는 준구형 모양으로 평균 크기 범위는 2.5~11.40 nm였습니다. 어닐링 온도 증가에 따라 입자 크기와 NPs의 결정성이 증가하는 것이 관찰되었습니다. 또한 식물 추출물에 존재하는 아스팔라틴, 노트호파긴, 아스팔라닌 같은 생리활성 성분이 킬레이트제와 환원제 역할을 합니다. Camellia sinensis 잎 추출물도 SnO₂ NPs 합성에 사용되었습니다 [53]. 잎 추출물의 폴리페놀은 안정제와 캡핑제 역할을 모두 합니다. 고분해능 주사 전자 현미경(HR-SEM)과 XRD 분석은 5~30 nm 크기 범위의 구형 SnO₂ NPs를 보여주었습니다. 게다가 NPs의 밴드갭은 어닐링 온도 증가에 따라 감소하는 것으로 나타났습니다. Catunaregam spinosa 매개 녹색 합성 SnO₂ NPs는 콩고 레드 염료에 대해 우수한 광촉매 활성을 보였습니다 [57]. 생물 합성된 NPs는 구형 모양이며 평균 크기는 47 nm입니다.

Aloe barbadensis miller 잎 추출물은 SnCl₂·2H₂O를 전구체로 사용하여 SnO₂ NPs를 합성하는 데 사용되었습니다 [58]. 결과 NPs는 50~100 nm 범위의 평균 크기를 가진 구형으로 나타났습니다. 게다가 합성된 나노입자는 S. aureus와 E. coli에 대해 우수한 항균 활성을 보였습니다.

또 다른 연구에서는 Plectranthus amboinicus 잎 추출물과 SnCl₂·2H₂O를 시작 물질로 사용하여 효율적이고 저렴한 방법으로 SnO₂ NPs의 녹색 합성을 수행했습니다 [59]. 식물 추출물은 환원제와 안정제 역할을 합니다. 결과 NPs는 SEM, EDX, XRD, PSA로 특성화되었습니다. NPs는 사방정계 모양이며 평균 입자 크기는 63 nm였습니다. 게다가 저자들은 생물 합성된 NPs가 상업용 SnO₂에 비해 로다민 B에 대해 더 큰 광촉매 활성을 보임을 밝혔습니다. Nyctanthes arbor-tristis (파리자타카) 꽃 추출물을 사용한 SnO₂ NPs의 녹색 합성이 보고되었습니다 [60]. SEM과 PSA 분석에서 알 수 있듯이 합성된 나노입자는 미세한 과립 형태와 미세한 응집 단계를 보이며 평균 입자 크기는 2~8 nm였습니다. 이 연구는 식물 추출물의 가수분해와 캡핑 잠재력도 탐구했습니다.

Psidium guajava 잎 추출물을 사용한 저비용, 친환경 공정으로 SnO₂ NPs의 녹색 합성을 수행했습니다 [61]. UV-Vis 결과는 314 nm에서 표면 플라즈몬 공명 피크를 보여 SnO₂ NPs 형성을 확인했습니다. 게다가 NPs는 8~10 nm 크기 범위의 구형이었습니다. 이 연구는 NPs가 태양광 조사 하에서 180분 내 반응성 황색 186을 90% 분해함을 보였습니다. Bhosale 등은 [62] Calotropis gigantea 잎 추출물을 SnO₂ NPs 합성의 천연 공급원으로 확인했습니다. 추출물의 2차 대사산물은 주석 염화물을 SnO₂ NPs로 전환하는 데 안정제와 캡핑제 역할을 모두 합니다. 저자들은 NPs가 구형이며 평균 크기가 30~40 nm 사이라고 제안했습니다. 합성된 NPs는 120분 내 메틸 오렌지 염료를 80%까지 분해합니다. Singh 등은 [63] Piper betle 잎 추출물을 사용한 SnO₂ NPs의 생물 합성을 보고했습니다. SEM과 TEM 분석은 평균 크기 8.4 nm의 구형 NPs 형성을 보여주었습니다. NPs는 유사 1차 반응으로 반응성 황색 186을 92.17% 효율로 분해합니다. 또한 NPs는 반응성 적색 120과 반응성 녹색 119에 비해 반응성 황색 186 제거에 우수한 선택성을 보였습니다. 문헌에서 다양한 식물과 식물 추출물이 SnO₂ 제조에 사용되었습니다 (표 1). 표에서 볼 수 있듯이 식물 종의 특성과 반응 조건이 SnO₂ NPs의 크기와 모양에 영향을 미칩니다.

박테리아 매개 주석 산화물 나노입자 합성

미생물은 독성 화학물질과 물리화학적 합성에 필요한 높은 에너지를 피하는 친환경적이고 비용 효율적인 도구로서 엄청난 잠재력을 가진 중요한 나노 팩토리입니다. 박테리아, 곰팡이, 효모 등 다양한 미생물이 금속 및 금속 산화물 나노입자의 세포 내 또는 세포 외 합성에 사용되었습니다. 세포 내 합성은 금속 이온을 미생물 세포 내로 수송하고 효소, 조효소, 기타 생체분자의 존재 하에서 세포 내 NPs를 형성하는 것을 포함합니다. 세포 외 합성에서는 금속 이온이 미생물 세포 표면에 포획됩니다. 표면에서 이용 가능한 효소와 단백질이 금속 이온을 환원하고 NPs에 안정화를 제공하는 역할을 합니다 [73]. 그러나 세포 외 합성은 세포 내 경로보다 더 유리한데, 대량의 NPs 제작이 가능하고 NPs 회수에 필요한 다양한 합성 단계를 생략할 수 있기 때문입니다 [74].

박테리아를 이용한 생물학적 합성은 화학적 합성에 비해 친환경적이고 비용 효율적인 접근법입니다. 그러나 이 방법에는 몇 가지 단점이 있습니다: (a) 미생물 선별이 시간 소모적, (b) 배양액과 전체 공정의 세심한 모니터링 필요, (c) NPs의 크기와 형태 제어 어려움. 모든 박테리아가 고유한 대사 과정과 효소 활성으로 인해 NPs를 합성할 수 있는 것은 아닙니다. 따라서 잘 정의된 크기와 형태의 NPs를 생산하기 위해서는 적절한 박테리아의 신중한 선택이 필요합니다 [74]. 예를 들어, Srivastava와 Mukhopadhyay [54]의 연구는 신선하고 깨끗한 Erwinia herbicola 박테리아 세포와 수용성 주석(II) 염화물 용액을 사용한 SnO₂ NPs 합성의 저비용, 녹색, 최단 절차를 보고했습니다. 합성된 SnO₂ NPs는 대부분 구형이며 크기 범위는 10~42 nm였습니다. 박테리아 단백질과 기타 생체분자가 SnO₂ NPs 합성 중 환원제와 안정제 역할을 한다고 보고되었습니다. 이 생체분자들은 또한 SnO₂ NPs의 크기와 응집 제어에도 도움을 주었습니다.

생체분자 및 기타 녹색 공급원 매개 주석 산화물 나노입자 합성

식물 및 박테리아 매개 SnO₂ NPs 합성 외에도, 연구자들은 아미노산, 비타민, 효소, 당류 같은 다른 생체분자(표 2)를 이용하여 무독성, 환경 친화적, 녹색 화학 접근법을 개발했습니다. Yang 등은 [75] 자연적으로 이용 가능한 생체분자인 비타민 C(아스코르브산)를 사용한 저비용, 환경 친화적 방법으로 SnO₂ NPs를 합성했습니다. TEM 분석은 평균 크기 약 30 nm의 구형 NPs 형성을 보여주었습니다. 비타민 C는 합성 중 캡핑제와 환원제 역할을 모두 합니다. 이 연구는 SnO₂ NPs 표면에 캡핑된 비타민 C가 세포에 대한 SnO₂ NPs의 산화 스트레스를 감소시켜 신생아 쥐의 체중 감소를 줄임을 제안했습니다. 탄수화물(전분)을 사용한 평균 입자 크기 13 nm의 구형 SnO₂ NPs가 제조되었습니다 [76]. 탄수화물이 작용기를 통해 여러 금속 양이온과 결합할 수 있는 템플릿 역할을 하여 양이온의 균일한 분산이 관찰되었음을 제안했습니다. 또 다른 연구에서는 벵골 콩(Cicer arietnum L.)을 담근 후 남은 물을 이용하여 비도핑 SnO₂, Ni, Fe, Au 도핑 SnO₂ NPs를 합성했습니다 [77-79]. 저자들은 추출물의 펙틴이 SnO₂ NPs 합성을 담당한다고 제안했습니다. 구형 비도핑 SnO₂, Ni 도핑 SnO₂, Au 도핑 SnO₂ NPs의 평균 결정립 크기는 각각 11 nm, 6 nm, 25 nm로 나타났습니다.

또 다른 연구에서는 닭 달걀 껍질의 천연 생체 폐기물인 달걀 껍질 막(ESM)을 사용한 SnO₂ NPs 합성의 녹색 접근법을 보여주었습니다 [80]. ESM 구성 생체분자인 우론산과 알데히드 기를 포함한 당류가 합성 중 환원제 역할을 한다고 제안되었습니다. 형태 분석은 13~40 nm 입자 크기 범위의 막대, 육각형, 구형 SnO₂ NPs 형성을 보여주었습니다.

글리신, 아르기닌, 아스파라긴산, 라이신, 티로신 같은 다양한 아미노산 [81-85]이 좋은 캡핑제나 착물 형성제이기 때문에 SnO₂ NPs의 녹색 합성에 사용되었습니다. 아미노산 매개 합성은 합성 중 독성 화학물질 사용을 배제합니다. 아르기닌을 사용한 구형 SnO₂ NPs가 합성되었습니다 [81]. 형태 연구는 합성된 SnO₂ NPs가 4~5 nm 범위의 평균 크기를 가진 구형임을 제안합니다. Bhattacharjee 등은 [83] 글리신을 사용하여 주석 염화물로부터 SnO₂ NPs를 생산했습니다. 200°C, 400°C, 600°C에서 형성된 NPs는 각각 평균 크기 6, 16, 33 nm의 구형, 다결정, 단분산성임을 제안했습니다. 게다가 400°C에서 얻은 나노입자는 발광성을 보였습니다. 유사하게 Begum 등은 [84] L-라이신을 사용한 사방정계 루타일 구조 SnO₂ NPs 합성을 시연했으며 크기 범위는 4~17 nm였습니다.

녹색 합성을 통한 주석 산화물 나노입자의 형성 메커니즘

지난 몇 년간 다양한 식물 추출물, 미생물, 기타 생물학적 유도체가 금속 및 금속 산화물 NPs의 녹색 합성에 사용되었습니다. 연구들에 따르면 식물 추출물에 존재하는 페놀, 플라보노이드, 탄닌, 사포닌, 테르페노이드, 탄수화물 같은 2차 대사산물이 금속 또는 금속 산화물 NPs 합성에서 환원제와 안정제 역할을 하며 중요한 역할을 합니다 [87]. 또한 미생물 매개 합성은 NPs가 형성되는 위치에 따라 세포 내 또는 세포 외 방식으로 달성될 수 있습니다. 세포 외 합성에서는 세포 표면에서 이용 가능한 효소의 존재 하에 미생물 세포 표면에서 생물 환원이 일어납니다. 게다가 세포 내 생물 합성에서는 금속 이온이 미생물 세포 내로 수송되고 세포 내 효소의 존재 하에서 NPs가 쉽게 형성됩니다 [73]. Selvakumari 등은 [53] Camellia sinensis 추출물을 SnO₂ NPs의 생물 합성에 활용했습니다. 그들은 추출물에 존재하는 폴리페놀 화합물(에피카테킨, 에피갈로카테킨, 에피카테킨 갈레이트, 에피갈로카테킨 갈레이트)이 캡핑제와 안정제 역할을 모두 함을 연구로 입증했습니다. 이 방법으로 형성된 SnO₂ NPs는 (i) Sn²⁺의 Sn⁰으로 환원, (ii) 추출물의 페놀 화합물(–OH)의 환원 효과로 Sn 종 형성, (iii) Sn 종의 열적 변환으로 SnO₂ NPs 형성 등 주요 단계를 포함합니다. Calotropis gigantean 잎 추출물을 사용해 합성된 SnO₂ NPs에서 폴리페놀 화합물이 주석 이온의 생화학적 변환을 담당합니다 [62]. 콜리플라워 추출물을 사용해 3.62~6.34 nm 크기 범위의 구형 SnO₂ NPs가 합성되었습니다 [52]. 추출물의 폴리페놀과 플라보노이드가 금속 이온과 착물을 형성하여 Sn(OH)₂ 중간체를 생성하고, 소성 시 SnO₂ NPs 형성으로 이어짐을 제안했습니다. 또 다른 연구에서 Srivastava와 Mukhopadhyay [54]는 박테리아 E. herbicola가 분비하는 효소에 의한 구형 SnO₂ NPs의 세포 내 및 세포 외 합성을 모두 보고했습니다. 이 방법에서 Sn²⁺ 이온은 박테리아 세포가 분비하는 세포 외 효소나 세포 표면의 막 관련 단백질에 의해 포획되고, 환원은 탈수소 효소에 의해 개시됩니다. Sn²⁺ 이온은 두 개의 전자를 얻어 환원되고, NAD⁺ 분자가 산화되어 NADH를 형성하며, 이는 결국 세포 외 Sn NPs 생성을 초래합니다. 생물 합성된 Sn 나노입자는 용액에 존재하는 산소에 의해 산화되어 SnO₂ NPs 형성을 이끕니다. FTIR 분석은 표면에 단백질 유사 분자 존재를 보여주며, 이는 SnO₂ NPs의 천연 지지체와 안정성을 제공합니다. 게다가 아미노산은 캡핑제나 착물 형성제 역할을 하여 합성 중 독성 화학물질 사용을 최소화합니다. SnO₂ NPs의 녹색 합성을 위한 가능한 메커니즘은 그림 2에 나와 있습니다:

주석 산화물 나노입자의 특성화

NPs의 특성화는 합성 공정을 알고 제어하며 응용하기 위해 매우 중요합니다. 합성된 NPs의 표면 형태와 크기, 모양, 결정성, 표면적에 대한 형태학적 세부 사항은 다양한 기술을 이용해 연구됩니다. 녹색 합성된 SnO₂ NPs 특성화에 사용되는 일부 기술은 UV-Vis, FTIR, XRD, EDS, SEM, TEM입니다. UV-Vis 분광법은 광학적 특성을 연구하여 나노입자 형성을 모니터링하는 데 사용됩니다. Catunaregam spinosa 추출물로 합성된 SnO₂ NPs의 UV-Vis 스펙트럼은 표면 플라즈몬 공명으로 인해 223 nm에서 최고 흡수 피크를 보였습니다 [57]. XRD는 물질의 결정 구조를 연구하는 강력한 기술입니다. Bhattacharjee 등은 [81] 26.7, 34.2, 38.07, 51.9, 54.9, 58.1, 62.1, 64.9, 66.08, 71.6, 79.07도의 회절각(2θ)에서 XRD 피크를 가진 SnO₂ NPs를 특성화했으며, 이는 각각 (110), (101), (200), (211), (220), (002), (310), (112), (301), (202), (321) 면에 해당합니다 (그림 3). 표준 회절 피크는 Debye-Scherer 방정식으로 계산된 평균 결정립 크기 4.6 nm의 사방정계 루타일 구조 SnO₂ NPs를 보여줍니다 [81].

FTIR 분광법은 표면 화학을 조사하고 NPs 표면에 존재하는 작용기를 식별하는 데 사용되며, 이는 NPs의 환원, 캡핑, 안정화를 담당할 수 있습니다 [88]. Pruni flos 추출물로 합성된 SnO₂ NPs의 FTIR 분석은 3308, 2153, 1634, 423, 403, 383 cm⁻¹에서 주요 흡수 밴드를 보였습니다. 3308, 2153, 1634 cm⁻¹에서 관찰된 강한 밴드는 SnO₂ 표면에 흡착된 물 분자로 인한 Sn-OH 기의 신축 진동, 알카인의 C-H 신축, 플라보노이드의 C=O 진동에 각각 할당되었습니다. 423~383 cm⁻¹ 사이의 밴드는 비대칭 Sn-O-Sn 신축에 기인합니다 [70]. SEM과 TEM 같은 현미경 기반 기술은 나노입자의 형태학적 특성을 결정하는 데 널리 사용되었습니다. 그러나 TEM은 SEM에 비해 내부 구조인 결정 구조와 형태에 대한 더 나은 해상도와 정보를 제공합니다. FE-SEM을 사용하면 표면 특성의 더 정확한 결과를 얻을 수 있습니다. 이 기술들은 합성된 나노입자의 평균 크기 추정에도 유용합니다 [89]. FE-SEM과 TEM 분석은 평균 크기 30~40 nm의 약간 응집된 구형 SnO₂ NPs 형성을 보여주었습니다 (그림 4) [62].

또한 선택 영역 전자 회절(SAED) 분석은 입자들이 나노결정질임을 보여주었습니다 (그림 4) [62]. Piper betle 수용액 추출물로 합성된 구형 SnO₂ NPs의 형성은 FE-SEM으로 확인되었습니다 [63]. TEM과 XRD 분석에서 NPs의 평균 크기는 8.4 nm로 나타났습니다.

EDS는 시료의 원소 조성을 분석하는 분석 기술입니다. Psidium Guajava 잎 추출물로 합성된 SnO₂ NPs의 EDS 스펙트럼은 Sn과 O 피크의 존재를 보여 순수한 SnO₂ NPs 형성을 확인했습니다 [61].

녹색 합성된 주석 산화물 나노입자의 생물학적 응용

녹색 합성된 SnO₂ NPs는 벌크 형태에 비해 향상된 광촉매, 항균, 항산화, 항암 활성을 보였습니다. 이 섹션에서는 새로운 연구자들을 위한 미래 전망 지침으로서 녹색 합성된 SnO₂ NPs의 다양한 분야 응용을 논의했습니다.

항균 활성

많은 연구자들이 SnO₂ NPs의 항균 활성을 관찰했습니다. 예를 들어, aloe vera 식물 추출물로 합성된 SnO₂ NPs의 항균 활성을 E. coli와 S. aureus를 사용하여 연구했습니다. NPs가 E. coli보다 S. aureus에 더 활성이 높다고 제안되었습니다 [58]. 이는 E. coli의 세포벽이 S. aureus보다 더 복잡하기 때문일 수 있습니다. S. aureus는 두꺼운 펩티도글리칸으로 구성된 막을 가집니다. 그러나 E. coli의 세포벽은 펩티도글리칸 층과 지질다당류로 구성된 외막을 가집니다. E. coli의 외막은 ROS의 세포 내 침투 수준을 낮추는 장벽 역할을 합니다 [90-92]. 또 다른 이유는 세포막 극성의 차이일 수 있습니다. S. aureus 막은 E. coli보다 더 양전하를 띠며, 이는 음전하 자유 라디칼의 더 큰 침투 수준을 초래하여 E. coli보다 S. aureus에서 더 많은 세포 손상과 사멸을 유발합니다 [93, 94]. Punica granatum 씨앗 추출물로 합성된 SnO₂ NPs의 항균 활성을 E. coli에 대해 테스트했습니다. 살균 효과는 나노입자 농도 증가에 따라 증가했습니다 [95]. Trigonella foenum-graecum 씨앗 추출물로 합성된 SnO₂ NPs도 E. coli에 대해 유사한 항균 활성을 보였습니다 [72]. 최근 연구에서 Clerodendrum inerme 잎 추출물을 비도핑 및 Co 도핑 SnO₂ NPs 합성에 사용했습니다 [96]. 녹색 합성된 비도핑 및 Co 도핑 SnO₂ NPs를 E. coli, B. subtillis, A. niger, A. flavus, C. Albicans 등 5가지 병원성 병원체에 대한 항균 활성에 적용하고 억제 존 직경(ZOI), 최저 억제 농도(MIC), 최저 살균 농도(MBC)를 계산했습니다. Co 도핑 SnO₂ NPs는 비도핑 SnO₂ NPs, 식물 추출물, 표준 약물에 비해 E. coli와 B. subtillis에 대해 농도 의존적으로 상당한 항균 활성을 보였으며, MIC (22 ± 0.7, 18 ± 0.8 mg/mL), MBC (31 ± 0.9, 21 ± 0.6 mg/mL), ZOI (30 ± 0.08, 26 ± 0.06 nm)를 각각 기록했습니다. 저자들은 Co 도핑 SnO₂ NPs의 광범위 항균 활성이 코발트 도핑으로 인한 입자 크기 증가와 비도핑 SnO₂ NPs 대비 표면적 증가 때문이라고 제안했습니다. 입자 크기가 작을수록 표면적이 커져 항균 활성이 커집니다. 플라보노이드와 페놀 화합물 같은 생체분자들이 Co 도핑 SnO₂ NPs와 결합하여 항균 활성 향상에도 기여합니다. 게다가 녹색 합성된 Co 도핑 SnO₂ NPs는 식물 추출물, 비도핑 SnO₂ NPs, 표준 약물에 비해 A. niger, A. flavus, C. Albicans에 대해 최대 ZOI 17 ± 0.04, 23 ± 0.08, 26 ± 0.06 nm의 탁월한 항진균 활성을 보였습니다 [96].