综述：植物与微生物生物技术中的生物源等离子体纳米粒子：绿色合成、人工智能与PCR诊断技术的融合

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Biogenic Plasmonic Nanoparticles in Plant and Microbial Biotechnology: Convergence of Green Synthesis, AI, and PCR Diagnostics

　　摘要：由植物制成的生物源等离子体纳米粒子为农业和生命科学领域提供了绿色且可持续的纳米材料制备方法。无需使用有害化学物质，植物的叶片、茎、花、种子等部分就能生成金、银、铂、钯以及混合金属纳米粒子。植物中的天然化合物，如酚类、黄酮类、蛋白质和糖类，不仅有助于形成和塑造纳米粒子的结构，还能为其提供稳定性。这使得科学家能够设计出具有不同形状（棒状、壳状、星形）且具备特殊光学特性的纳米粒子，尤其是局域表面等离子体共振特性。这些特性使得它们在表面增强拉曼散射以及光热应用中具有实用价值。本文阐述了pH值、温度、前体比例以及植物提取物浓度等因素如何影响纳米粒子的质量、重复性以及大规模生产。先进的光谱技术被用于研究植物化合物在分子层面与纳米粒子的相互作用。基于植物的等离子体纳米粒子的应用包括：(i)利用局域表面等离子体共振、表面增强拉曼散射以及颜色变化实现快速检测的生物传感；(ii)通过种子处理、叶面喷施和土壤处理促进植物生长；(iii)利用光热或光效应控制植物病害和害虫；(iv)提高植物的光利用效率并引发光触发化学反应。本综述的一个新重点是将纳米技术与生物技术和人工智能相结合。等离子体光热聚合酶链反应系统能够加速DNA扩增，而人工智能则可助力引物设计、范围分析以及现场快速决策。最后，我们强调了生物安全与可持续性的重要性，包括安全剂量范围、环境影响以及抗性风险。通过将绿色合成与智能诊断和作物改良相结合，本综述为可持续农业纳米技术的发展提供了路线图。

引言：在纳米科学中，“绿色合成”指的是通过环境友好且可持续的策略来制备纳米粒子，以替代可能产生有毒废物的传统化学方法[1]。对于等离子体纳米粒子而言，这通常涉及生物源策略，即利用植物、微生物或天然生物分子作为环保的还原剂、封端剂和稳定剂[2]。相关术语还包括植物还原法（利用植物代谢物进行还原）、生物源合成法（通过生物系统制造纳米粒子）以及生物安全纳米制造法（低毒性的合成路径）[3]。这类方法的可持续性往往通过原子经济性、溶剂安全性、能源需求、反应产率、生物降解性以及生命周期评估等指标来衡量。此外，反应时间、产率、可扩展性以及纳米粒子的稳定性等参数也会共同决定该过程的生态足迹和实际应用价值[4]。

生物源等离子体纳米粒子在农业和光生物学领域的应用，实现了绿色化学、纳米技术和生命科学的独特结合[5]。这类纳米粒子由植物代谢物、真菌或细菌合成，无需依赖有毒前体，其天然表面修饰也有利于与生物体发生相互作用[6]。纳米粒子独特的局域表面等离子体共振效应能够高效吸收和散射光线，这一特性可被用于增强光合作用、调控光驱动过程以及实现对生物系统中的光热控制。在农业系统中，这些纳米粒子有助于促进植物生长、提升抗逆性，并实现对植物健康状况的实时生物传感[7]。

聚合酶链反应与现代生物技术工具及人工智能驱动的分析技术相结合，为分子生物学和诊断领域带来了变革。聚合酶链反应依然是基因检测的金标准，但借助纳米粒子辅助扩增和便携式芯片实验室等生物技术创新，其效率和可扩展性得到了进一步提升[8]。从生物工程试剂到微流控设计的生物技术进步解决了传统方法的一些局限性，而这些算法则能够实现扩增信号的快速分析、检测性能的预测建模以及自动质量控制[9]。

生物源合成法的核心在于采用植物、真菌、藻类和微生物的天然机制来制造纳米粒子，这是一种环保且可持续的方法[10]。传统的物理化学纳米粒子合成方法往往需要使用有毒溶剂、昂贵前体以及大量能量，从而带来环境危害[11]。相比之下，生物源合成法则利用黄酮类、蛋白质和糖类等天然代谢物作为还原剂、封端剂和稳定剂[12]。

本综述总结了生物源等离子体纳米粒子合成方面的最新进展，以及它们在农业、诊断和生命科学领域的新兴应用。我们还探讨了这类纳米粒子在基于等离子体共振的传感、表面增强拉曼散射以及光热聚合酶链反应平台中的应用潜力，并将其与植物生长促进和人工智能辅助生物传感联系起来[13]。

章节节选：
等离子体纳米粒子的生物源合成途径：生物源合成途径利用生物系统，尤其是植物代谢物、细菌分泌物和酶类化合物，将金属离子还原为等离子体纳米粒子[14]。黄酮类、酚类、氨基酸和糖类等关键代谢物不仅有助于将金属前体转化为稳定的纳米粒子，还能决定其形态[15]。这些反应通常在室温或略高温度的水相环境中进行，避免了使用有害化学物质。

表征与等离子体调谐：对等离子体纳米粒子进行表征对于了解其结构、光学和功能特性至关重要。紫外可见光谱可以直观显示等离子体共振带，而动态光散射则可用于测定纳米粒子的水动力尺寸和稳定性[61]。傅里叶变换红外光谱可用于识别表面官能团，而X射线衍射则能确保结构的纯度[62]。电子显微镜可观察纳米粒子的形态和尺寸，而能量色散分析则可用于确定其元素组成。

生物传感与纳米传感器平台：基于等离子体纳米粒子及其他纳米材料的生物传感器和纳米传感器平台具有高灵敏度、高特异性以及快速的响应速度[82]。这类传感器由金、银或混合材料制成，并带有核酸、抗体、酶或适配体等生物分子识别元件，能够实现对多种分析物的精准检测[83]。通过增强纳米粒子周围的电磁场，基于局域表面等离子体共振等光学方法可以实现高效检测。

等离子体纳米粒子在分子诊断中的应用：等离子体纳米粒子凭借出色的光学特性，正在成为分子诊断领域的重要工具，它们能够提升检测的灵敏度和下限[104]。局域表面等离子体共振是它们发挥作用的基础，该效应能够在纳米粒子表面增强电磁场强度，从而放大目标分子的微弱信号[78]。这类纳米粒子已被应用于多种诊断平台，从基于比色法和光谱法的检测到等离子体光热技术等。

植物生长与农业应用：生物源等离子体纳米粒子越来越被视为可持续农业领域的多功能制剂。用这类纳米粒子处理种子可加速发芽过程，同时通过改善水分吸收和激活早期生长所需的关键酶，提升幼苗的生长能力[117]。通过叶面喷施或土壤施用，这类纳米粒子能够提高植物对养分的利用效率，增强其对干旱、盐碱和极端温度等非生物胁迫的耐受性。在植物病理学领域，这类纳米粒子也展现出重要作用。

光生物学与光生物技术：光生物学研究的是生物系统如何识别和响应光，旨在阐明不同光谱区域的光线所引发的细胞和分子层面的反应机制[126]。它研究光子如何影响生物系统，从色素对特定波长的吸收到光受体对生物节律、光合作用和形态建成的调控作用[127]。分子光生物学则聚焦于DNA的光损伤与修复机制。

PCR技术与生物技术及人工智能的融合：PCR技术、现代生物技术工具以及人工智能的结合正在重新定义分子生物学、诊断学和治疗研究的边界。热反应是一种高度敏感且特异的核酸扩增方法，是病原体检测和基因筛查的基础[132]。将这类技术与CRISPR介导的基因编辑、重组蛋白工程以及下一代技术相结合，更是进一步提升了检测能力。

生物源合成的挑战与局限：尽管生物源纳米粒子合成具有绿色和生物相容性的优势，但这一方法仍面临诸多限制，影响了其实际应用前景[150]。最突出的问题是可扩展性——由于植物或微生物等生物前体本身存在固有的变异，要批量生产出尺寸、形态和表面特性均一致的纳米粒子十分困难[151]。此外，生物源合成法通常需要更长的反应时间，而且在其他方面也存在诸多挑战。

未来展望：绿色生物源纳米粒子及光催化剂有望在水处理技术中发挥越来越重要的作用，或许能够彻底改变污水处理厂和工业设施的处理方式[159]。它们具有高催化活性、环保的合成方式以及在去除污染物方面的多样性等优点，因此成为废水处理领域的理想替代方案[15]。将生物源纳米材料作为辅助工具，可进一步提升污染物去除的效果。

结论：等离子体纳米粒子是一种创新的纳米材料，它融合了绿色化学的理念以及生物技术和光生物学的最新成果。与传统物理化学方法相比，生物源合成法充分利用了植物来源的代谢物、微生物分泌物和酶系统的天然还原和稳定功能，为纳米粒子的制备提供了一种环保且可持续的途径。将这些纳米粒子引入分子诊断领域，已经取得了初步成效。

作者贡献说明：
Maha SI Wizrah：撰写原始稿件、数据可视化、项目管理、资金筹集、数据整理。
Awais Khalid：撰写原始稿件、资源获取、项目管理、方法设计、数据整理、概念构建。
Sidra Ishtiaq：参与论文审阅与编辑、撰写原始稿件、结果验证。
Pervaiz Ahmad：参与论文审阅与编辑、撰写原始稿件、结果验证、实验研究、概念构建。
Fawad Ali Shah：参与论文审阅与编辑、结果验证。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：作者感谢Prince Sattam bin Abdulaziz大学通过项目编号（PSAU/2024/03/31760）为这项研究提供资金支持。

Awais Khalid|Maha S.I. Wizrah|Pervaiz Ahmad|Sidra Ishtiaq|Fawad Ali Shah
沙特阿拉伯阿尔哈吉，Prince Sattam bin Abdulaziz大学科学与人文学院物理系，邮编11942