生物源纳米颗粒的研究进展：合成路径与新兴应用

《Frontiers in Chemical Engineering》：Advances in biogenic nanoparticles: synthesis pathways and emerging applications

　　

摘要专业翻译 本综述详细阐述了纳米颗粒（Nanoparticles, NPs）的化学合成法与生物源合成法，并对其进行了深入的比较分析。化学法合成纳米颗粒通常使用有害化学品，涉及高能耗，并产生有毒副产物，从而可能对自然资源和生物体造成负面影响。作为替代方案，生物源合成法利用广泛的微生物和植物资源，具有成本效益高、环境友好且无毒等优点，已成为物理法和化学法的绿色替代方案。尽管与化学合成法相比，生物源合成的纳米颗粒在结晶度（crystallinity）、可规模化性（scalability）、尺寸（size）、形貌（shape）和纯度（purity）方面存在不足，但环境影响是当今世界关注的主要问题，生物源合成是解决该问题的最佳替代方法。本综述进一步强调了反应动力学（reaction kinetics）、工艺优化（process optimisation）和多相体系（multiphase systems）在控制纳米颗粒生长、形貌、功能性和稳定性方面的重要性。这些生物源纳米颗粒在工业废水处理、环境修复、生物活性、药物递送和农业等领域具有广泛应用。此外，研究人员还讨论了化学合成和生物源合成纳米颗粒的应用。本研究总结了与生物源纳米颗粒相关的毒性评估（toxicity assessment）、机理理解（mechanistic understanding）、工艺可扩展性（process scalability）和商业化障碍（commercialisation barriers）。总体而言，本综述强调了生物源纳米颗粒在推进可持续化学工程和下一代多功能纳米技术中的关键作用，并着重指出整合化学工程、纳米技术和可持续设计框架，以加速生物源纳米颗粒从实验室向工业应用转化的必要性。

论文主体内容总结

2 纳米颗粒的合成策略

纳米颗粒的合成过程涉及pH值、浓度、温度和反应时间等多种因素，这些因素影响成核（nucleation）和纳米颗粒的生成。纳米颗粒的合成主要分为自上而下法（top-down）和自下而上法（bottom-up）两种。自上而下法通过激光烧蚀（laser ablation）、球磨（ball milling）、溅射（sputtering）、光刻（lithography）和电弧放电（arc discharge）等手段将块体材料破碎为纳米尺度颗粒。自下而上法则通过溶胶-凝胶法（sol-gel）、化学还原法（chemical reduction）、共沉淀法（co-precipitation）、水热法（hydrothermal）、溶剂热法（solvothermal）、微乳液法（microemulsion）、微波辅助法（microwave-assisted）、热分解法（thermal decomposition）和生物源合成法（biogenic synthesis）等方法，从原子或分子层面构建纳米颗粒。根据LaMer-Dinegar模型，纳米颗粒的形成遵循三个阶段：单体生成与过饱和、快速成核以及颗粒生长，这一机理决定了纳米颗粒的尺寸均一性。尽管物理和化学方法应用广泛，但由于其毒性和环境影响，生物源合成法正日益受到重视。

2.1 物理合成方法

物理合成法通过自上而下途径，利用物理力将块体材料破碎至纳米尺度，不依赖化学反应，因此污染风险低，可生成高纯度且成分明确的材料。主要技术包括高能球磨法（high-energy ball milling）、激光烧蚀法（laser ablation）、溅射法（sputtering）和电弧放电法（arc-discharge）。高能球磨法通过球与粉末间的摩擦和冲击实现尺寸减小，可规模化制备超细球形ZnO纳米颗粒，但存在粒径分布宽、研磨环境污染和高能耗等局限。激光烧蚀法利用高能激光束使靶材表面熔化蒸发，蒸气物种成核生长为纳米颗粒，但难以精确控制粒径和防止团聚。溅射法通过惰性气体离子轰击靶材溅射原子并凝聚成膜或颗粒，但存在颗粒团聚、离子轰击导致缺陷以及真空环境运行成本高等问题。电弧放电法利用电极间电弧产生高温等离子体，使阳极材料蒸发并冷却成核，主要用于合成高结晶度纳米材料，但高能耗和粒径控制困难仍是其主要缺点。

2.2 化学合成方法

化学合成法通过自下而上途径，利用有机和无机化学品作为还原剂和稳定剂，实现纳米颗粒形状、尺寸和形貌的调控。常用稳定剂包括聚乙二醇（PEG）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚乙烯醇（PVA）等。尽管化学方法具有优异的可扩展性和重现性，但常依赖硼氢化钠、二甲基甲酰胺、水合肼等有害化学品，产生有毒副产物，带来毒理学和环境隐患。溶胶-凝胶法通过前驱体的水解和聚合形成溶胶，再经老化、干燥和煅烧得到陶瓷材料，适合合成氧化物纳米颗粒和多孔材料，但存在前驱体昂贵、老化时间长和高温煅烧等局限。化学还原法通过还原剂将金属盐还原为金属纳米颗粒，如用氯金酸和硝酸银制备金、银纳米颗粒，可精确控制形貌，但有害还原剂的使用引发生物相容性和可持续性担忧。水热法和溶剂热法在封闭体系中利用高温高压条件提高物质溶解度，可合成多种金属、氧化物和硫化物纳米颗粒，但反应时间长、能耗高且副产物影响纯度。微乳液法利用表面活性剂稳定的水-油体系作为纳米反应器，通过单微乳液或双微乳液途径合成纳米颗粒，但副产物、粒径控制困难和表面活性剂成本高限制了其工业应用。共沉淀法通过向金属盐溶液中加入碱使沉淀生成，适合合成金属氧化物纳米颗粒，条件温和且成本低，但存在颗粒团聚和粒径控制不精确的问题。化学气相沉积法（CVD）将气化前驱体引入反应室，在高温基底上发生热分解或化学反应形成晶体，可制备高纯度且形貌可控的纳米材料，但高温、有毒前驱体和高运行成本是其主要限制。微波辅助合成利用微波辐射加速化学反应、缩短反应时间，可实现形貌调控，但大规模均匀加热困难和设备成本高制约其应用。热分解法通过在高温溶剂中加热金属前驱体使其化学分解，可制备单分散纳米颗粒，但高温限制前驱体选择，且有毒化学品和副产物影响纯度。

2.3 生物源合成方法

生物源合成是一种环境友好且绿色的纳米颗粒合成方法，利用植物、微生物和生物分子作为还原剂、封端剂和稳定剂，避免使用有毒化学品。该方法成本低、无毒且可持续，适用于生物医学应用。生物源合成主要分为三类：利用微生物、利用生物分子和利用植物。微生物包括细菌、藻类、真菌、酵母和病毒，它们通过胞内或胞外途径合成纳米颗粒。微生物表面的负电荷基团或分泌的胞外聚合物吸引金属离子，随后氧化还原酶（如硝酸还原酶）将NADH和NADPH的电子转移给金属离子，使其还原为金属原子并成核生长。胞外合成法因省去离心、纯化和回收步骤而更受关注。微生物释放的蛋白质、脂质和多糖等生物分子通过氨基、羟基、巯基和羧基与纳米颗粒表面结合，起封端和稳定作用，防止团聚并决定颗粒的形貌和稳定性。大量研究表明，多种真菌和细菌可用于合成银、金、氧化锌、氧化铜和硒等纳米颗粒，并展现出抗菌、抗真菌、抗氧化和细胞毒性等活性，适用于生物医学和农业等领域。