综述：银纳米粒子合成技术的进展：策略、机理探究及功能应用

《Inorganic Chemistry Communications》：Advances in silver nanoparticle synthesis: Strategies, mechanistic insights, and functional applications

纳米技术通过控制物质在纳米尺度（1-100 nm）的应用，成为跨学科研究的重要领域。银纳米颗粒（AgNPs）因其独特的光学、催化和抗菌性能，在生物医药、环境修复和电子等领域广泛应用。本文系统综述了AgNPs的合成方法，重点探讨植物介导的绿色合成技术，该技术利用植物提取物（如多酚、黄酮类化合物）作为还原剂、稳定剂和包覆剂，在常温下实现环保、经济且可控的AgNP合成。比较分析了传统化学合成（依赖有毒试剂、高温高压）与绿色方法的优缺点，指出后者在可扩展性和安全性上的优势。同时，揭示了当前研究在规模化生产、颗粒形貌一致性及长期生物安全性评估方面的不足，提出未来需结合多学科技术优化绿色合成工艺并建立标准化评估体系。

　　

斯韦塔·巴尔德瓦杰（Sweta Bhardwaj）| 拉杰尼·加格（Rajni Garg）| 帕尔文德·辛格（Parvinder Singh）| 里沙夫·加格（Rishav Garg）| 拉维内什·米什拉（Ravinesh Mishra）| 尼纳布克·奥科恩·埃迪（Nnabuk Okon Eddy）

印度旁遮普邦莫哈利（Mohali 140201）拉亚特·巴赫拉大学（Rayat Bahra University）化学系

摘要

纳米技术已成为一个领先的跨学科领域，它能够在纳米尺度上操控物质。其中最具影响力的成果之一是纳米粒子（NPs），它们与块状材料相比展现出独特的物理化学性质。本文综述了多种纳米粒子的合成策略，特别是银纳米粒子（AgNPs），因为它们具有广泛的应用前景和生物学意义。传统的合成技术可分为自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）两种方法，包括机械、化学、物理和生物学方法。化学合成的局限性，尤其是对有毒试剂的依赖，促使人们关注环境友好的替代方案。基于植物的生物合成方法显示出作为可持续且可扩展的纳米粒子生产途径的潜力。这些方法利用植物化学物质作为还原剂、稳定剂和包覆剂，在温和条件下实现低成本、无毒的合成。本文汇总了最近利用微生物、真菌、藻类以及主要基于植物的方法合成AgNPs的研究，强调了它们在抗菌、抗氧化和催化方面的优异性能。还探讨了纳米材料在医学、环境修复、水净化和能量储存中的应用，并特别关注了AgNPs在抗氧化防御、染料降解和抗菌制剂中的作用。本文最后指出了在扩大绿色合成方法规模、纳米粒子形态一致性以及长期生物安全性评估方面的关键差距。未来的研究需要填补这些空白，以实现绿色纳米技术在整个工业和生物医学系统中的全面整合。

引言

纳米技术作为下一次工业革命，是一个涉及纳米尺度科学和工程的强大跨学科研究领域[1]。在21世纪，它是商业创新的重要驱动力，尤其因为它能够在1至100纳米的尺度上操控物质。其影响范围涵盖了材料科学、化学、生物学、环境科学和电子学等多个领域[2]、[3]、[4]、[5]。

纳米技术的历史表明，通过偶然形成的纳米结构与通过刻意控制形成的纳米结构之间存在重要区别。古罗马和古埃及等文明能够使用试错的经验方法制造纳米结构，而他们当时对原子层面或任何控制手段都一无所知。例如，4世纪的罗马文物“吕库格斯杯”（Lycurgus Cup）就是典型例子——其金铜纳米粒子通过表面等离子体共振表现出显著的变色特性，但工匠们并不了解背后的物理原理，也无法可靠地重复这一现象[6]。

虽然费曼（Feynman）和德雷克斯勒（Drexler）为我们提供了富有远见的理论框架，但纳米技术的实际革命是通过实验工具的发展实现的[7]、[8]。扫描隧道显微镜（STM）的出现使得直接观察单个原子成为可能，并促使IBM在1990年展示了用氙原子书写“IBM”字样的著名实验[9]。随后，原子力显微镜（AFM）将成像范围扩展到非导电材料，而DNA研究则将仿生方法引入了纳米科学[10]。这种仪器与先进的光谱学、计算建模和合成化学的结合，将纳米技术从理论设想迅速发展为前所未有的实验可能性，从而促成了当今这个多学科领域的发展[11]、[12]、[13]。

2001年，美国政府启动了国家纳米技术计划，这标志着全球纳米技术研发的一个重要里程碑[14]。现代研究包括粒子结构的创造与修改以及分子层面的物质控制。纳米技术在化学、生物医学科学、物理学、工程学、材料科学、生物技术、化妆品、医疗保健、农业、环境保护和光电化学系统等领域有着广泛的应用[15]、[16]、[17]、[18]。这种广泛的适用性使纳米技术成为学术和工业研究创新的基石。纳米技术产生的最常见材料类别是纳米粒子（NPs）[19]、[20]。NPs的重要性源于它们的纳米级尺寸。在纳米尺度上，NPs具有多种生物和物理化学性质，这些性质通常是由量子效应和高表面积与体积比造成的，而在较大尺度上则不会出现[21]、[22]、[23]。

文献中报道了许多无机（金属、金属氧化物、硅酸盐和无氧化物陶瓷）和有机（碳基材料、聚合物和生物分子）NPs[1]、[2]。最近，金属和金属氧化物的纳米粒子合成引起了研究人员的兴趣，因为它们具有不同于块状材料的独特机械、磁学、光学和化学性质[3]、[4]、[5]。通常，NPs被设计成具有较大的表面积和较小的尺寸，从而提供较大的反应界面和更广泛的应用潜力。这也是纳米技术成为活跃研究领域的原因之一。在各种NPs中，银（Ag）NPs因其独特的光学、催化和抗菌性质而受到特别关注[6]、[7]。AgNPs的特点是尺寸依赖性行为、较大的表面积和半导体特性，这些特性使它们成为药物输送和环境修复的有希望的候选材料[8]、[9]。

AgNPs的抗菌和抗微生物特性使它们在光催化、重金属处理[10]、[11]和催化以及医疗设备中具有价值。它们对食物和动物传播的疾病具有治疗效果和杀菌活性，因为它们能与细菌膜相互作用并干扰其关键生物过程[12]、[13]。由于需求增加，越来越紧凑的电路和组件被用于电子领域。AgNPs也被应用于电子学和光子学。

制备AgNPs的方法包括化学、物理和生物学方法。每种方法都有其优缺点[14]、[15]。化学方法可以控制粒子的大小和形状，但可能使用有害试剂。虽然生物方法对环境友好，但其复制和规模化较为复杂。面临的挑战包括高生产成本、环境毒性、大规模设施的需求以及粒子大小和形态的控制[16]。尽管存在这些挑战，由于AgNPs的多功能性、高效性和在生物医学、环境和技术领域的广泛应用前景，它们仍处于纳米技术研究的前沿[17]。尽管有许多研究报道了AgNPs的合成和应用，但目前还缺乏将绿色合成机制与其多功能生物和生态活性联系起来的全面分析[1]、[14]、[15]、[18]。

本文重点介绍了使用植物提取物进行AgNPs绿色合成的最新进展，并强调了形成机制。旨在系统讨论它们的多功能应用，如抗菌、抗氧化、催化和光催化活性及其相应机制。同时评估了毒性问题及潜在的新可持续应用，为未来的研究和安全实施提供了连贯的视角。

小节片段

纳米材料的分类

纳米材料的分类对于理解和分类纳米尺度（通常为1–100纳米）的材料非常重要[19]。与块状材料相比，纳米材料具有独特的性质，因此在各种科学、工业和监管领域中进行分类至关重要。正确的分类有助于预测行为、评估风险以及为特定功能设计材料。纳米材料根据尺寸进行分类

NPs的合成：方法和技术

纳米材料的合成采用了两种互补且根本不同的策略，每种策略都有各自的优点和局限性，如图2所示。

自上而下的方法利用机械、热或能量手段将块状材料转化为纳米结构，包括机械研磨、激光烧蚀和物理气相沉积[14]。这些方法的优势在于它们拥有完善的工业基础设施、可扩展性和可重复的形态

基于植物的AgNPs合成

植物中的植物化学物质能够同时执行传统化学合成中常用的三种功能[19]。首先，作为还原剂，黄酮类化合物（如儿茶素、槲皮素等）和多酚类化合物（如没食子酸、单宁酸等）通过酚羟基（–OH）和儿茶酚基团将电子转移到金属离子（Ag⁺ → Ag⁰）。这种还原反应在室温下即可进行，而化学合成则需要高温或强还原剂

AgNPs的应用

AgNPs的应用潜力很大程度上取决于它们与生物和化学系统相互作用时的表面反应性和电荷转移能力[23]、[42]。这些性质使AgNPs能够参与有效的氧化还原反应、光诱导的催化过程，并抑制微生物生长[109]。AgNPs的多功能性使其可用于抗菌、抗氧化和抗真菌应用，以及催化和光催化

NPs的毒性

绿色合成的AgNPs已在不同领域得到应用。在农业领域，它们被用作杀菌剂，以防止植物病害并延长产品的保质期[122]。AgNPs还可用于食品包装，以防止微生物生长，从而延长包装食品的保质期。涂有AgNPs的织物具有持久的抗菌保护效果，也可用于医疗和军用服装

未来展望

由于传统合成技术存在诸多问题，因此需要开发更环保的纳米材料生产方法。因此，需要寻找替代的、可持续的解决方案来填补这一空白[87]。研究表明，使用植物提取物的绿色合成方法优于化学和传统生物方法[16]。基于植物的还原

结论

本文详细介绍了纳米材料的合成方法，重点介绍了AgNPs的绿色合成及其广泛应用。传统方法如化学还原、球磨和气相沉积虽然可以实现实际合成，但在环境和可扩展性方面存在局限性。相比之下，基于植物的生物合成方法是一种安全、经济且可扩展的替代方案

CRediT作者贡献声明

斯韦塔·巴尔德瓦杰（Sweta Bhardwaj）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究、数据分析。拉杰尼·加格（Rajni Garg）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论、概念构建。帕尔文德·辛格（Parvinder Singh）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理。里沙夫·加格（Rishav Garg）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、软件使用、研究。拉维内什·米什拉（Ravinesh Mishra）：撰写——

出版同意

所有作者均同意发表本文。

伦理批准和参与同意

不适用。

资助

本项工作未获得任何资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

斯韦塔·巴尔德瓦杰（Sweta Bhardwaj）是拉亚特·巴赫拉大学的助理教授。她的研究兴趣包括纳米化学、纳米材料的绿色合成和环境修复。巴尔德瓦杰博士已在许多国际和国内期刊及会议论文集中发表和合作发表了多篇研究论文。她在开发创新解决方案以应对环境挑战方面处于领先地位，目前的研究重点是绿色合成