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은 나노 입자

은 나노 입자 는 크기가 1 nm와 100 nm 사이 인 나노 입자입니다. [1] 종종 '은색'으로 묘사되는 반면, 일부는 표면 대 벌크은 원자의 비율이 크기 때문에 많은 양 의은 산화물 로 구성됩니다. 다양한 형태의 나노 입자가 현재의 응용 분야에 따라 구성 될 수 있습니다. 일반적으로 구형 은나노 입자가 사용되지만 다이아몬드, 팔각형 및 얇은 시트도 인기가 있습니다. [1]

이들의 매우 넓은 표면적은 많은 수의 리간드를 조율 할 수있게합니다. 인간 치료법에 적용 할 수있는은 나노 입자의 성질은 잠재적 효능, 독성 및 비용을 평가하는 실험실 및 동물 연구에서 조사 중이다.

합성 방법

습식 화학 [ 편집 ]

나노 입자 합성을위한 가장 일반적인 방법은 습식 화학 (wet chemistry) 또는 용액 내의 입자의 핵 형성 (nucleation)의 범주에 속합니다. 이 핵 생성은은 이온 착물, 일반적으로 AgNO 3 또는 AgClO 4환원제 의 존재 하에서 콜로이드은으로 환원 될 때 발생한다 . 농도가 충분히 증가하면 용해 된 금속성은 이온이 서로 결합하여 안정한 표면을 형성합니다. 용해 된 입자의 농도를 줄임으로써 얻은 에너지가 새로운 표면을 생성함으로써 손실 된 에너지만큼 높지 않기 때문에 클러스터가 작 으면 표면은 에너지 적으로 바람직하지 않습니다. [2] 클러스터가 임계 반경으로 알려진 특정 크기에 도달하면 에너지가 우세 해지고 계속해서 성장할만큼 안정적입니다. 이 원자핵은 계에 남아서 더 많은은 원자가 용액을 통해 확산되어 표면에 부착한다. [3] 용해 된 원자 은의 농도가 충분히 감소하면 더 이상 안정한 형태로는 결합 할 수 없다. 핵. 이 핵 생성 역치에서, 새로운 나노 입자가 형성되는 것을 멈추고, 남아있는 용해 된은은 용액 중의 성장하는 나노 입자확산 에 의해 흡수된다.

입자가 성장함에 따라 용액 내의 다른 분자가 확산되어 표면에 부착됩니다. 이 과정은 입자의 표면 에너지를 안정화시키고 새로운은 이온이 표면에 도달하는 것을 차단합니다. 이러한 캡핑 제나 안정제의 부착은 입자 성장을 늦추고 결국 정지시킵니다. 가장 일반적인 캡핑 리간드는 구연산 소다 ( trisodium citrate)폴리 비닐 피 롤리 ( polyvinylpyrrolidone , PVP)이지만 많은 다른 것들도 특정 크기, 모양 및 표면 성질을 갖는 입자를 합성하기 위해 다양한 조건에서 사용된다. [5]

환원 당의 사용, 구연산 환원, 나트륨 보로 하이드 라이드를 통한 환원,은 거울 반응, [7] 폴리올 과정, [8] 종자 매개 성장, [9] 빛 - 매개 성장. [10] 각각의 방법들 또는 방법들의 조합은 나노 입자의 기하학적 배치의 분포뿐만 아니라 크기 분포에 대한 상이한 정도의 조절을 제공 할 것이다. [11]

Elsupikhe 등은 매우 유망한 새로운 습식 화학 기술을 발견했다. (2015). [12] 그들은 초록색 초음파 보조 합성법을 개발했다. 초음파 처리 에서은 나노 입자 (AgNP)는 천연 안정제로 κ-carrageenan으로 합성됩니다. 반응은 주변 온도에서 수행되며 불순물이없는 fcc 결정 구조를 갖는은 나노 입자를 생성한다. κ-carrageenan의 농도는 AgNP의 입자 크기 분포에 영향을주기 위해 사용됩니다. [13]

단당 감소 [ 편집 ]

은 나노 입자를 합성 할 수있는 많은 방법이 있습니다. 하나의 방법은 단당류 를 통한 방법이다. 여기에는 포도당 , 과당 , 토스 , 말토 덱스트린 등이 포함되지만 수 크로스 는 포함되지 않습니다. 그것은 또한 일반적으로 한 단계 과정을 포함하여은 이온을은 나노 입자로 환원시키는 간단한 방법이다. [14] 이러한 환원 당이은 나노 입자의 형성에 필수적이라는 지적이있다. 많은 연구에 따르면 특히 Cacumen platycladi 추출물을 사용하여 녹색 합성 방법을 사용하면은을 줄일 수있었습니다. 또한, 나노 입자의 크기는 추출물의 농도에 따라 조절 될 수있다. 연구 결과에 따르면 농도가 높을수록 나노 입자 수가 증가하는 것으로 나타났습니다. [14] monosaccharides의 농도 때문에 높은 pH 수준에서 더 작은 나노 입자가 형성되었다.

은 나노 입자 합성의 다른 방법은 알칼리 전분 및 질산은으로 환원당을 사용하는 것을 포함한다. 환원당에는 유리 알데히드케톤 기가 있어 글루코 네이트 로 산화 될 수 있습니다. [15] 모노 사카 라이드는 환원제 로 작용하기 위해 우선 호변 이성화 ( tautomerization)를 받기 때문에 유리 케톤기를 가져야 한다. 또한, 알데히드가 결합되는 경우, 이는 환형으로 달라 붙어 환원제로서 작용할 수 없다. 예를 들어, 포도당은은 양이온을은 원자로 환원시킬 수있는 알데히드 관능기를 가지고 있으며 그 다음 글루 콘산으로 산화 된다. [16] 산화되는 당의 반응은 수용액에서 일어난다. 또한, 캐핑 제는 가열 될 때 존재하지 않는다.

Citrate reduction [ 편집 ]

실버 나노 입자를 합성하기위한 초기의 매우 일반적인 방법은 구연산 환원법입니다. 이 방법은 1889 년에 구연산염 안정화 된은 콜로이드를 성공적으로 생산 한 MC Lea에 의해 처음 기록되었다. [17] 구연산염 환원은은 소스 입자, 보통 AgNO 3 또는 AgClO 4구연산 3 나트륨 , Na 3 C 6 H 5 O 7 . [18] 합성은 대개 입자의 단 분산도 (크기와 모양의 균일 성)를 극대화하기 위해 승온 (~ 100 ° C)에서 수행됩니다. 이 방법에서 시트르산 이온은 전통적으로 환원제와 캡핑 리간드의 역할을하며 [18] AgNP는 상대적으로 용이하고 짧은 반응 시간으로 인해 AgNP 생산에 유용한 공정이된다. 그러나, 형성된은 입자는 넓은 크기 분포를 나타낼 수 있고 동시에 여러 가지 상이한 입자 형상을 형성 할 수있다. 반응에 더 강한 환원제를 첨가하면보다 균일 한 크기 및 형태의 입자를 합성하는 데 종종 사용된다. [18]

나트륨 보로 하이드 라이드를 통한 환원 [ 편집 ]

수소화 붕소 나트륨 (NaBH 4 ) 환원에 의한은 나노 입자의 합성은 다음 반응에 의해 일어난다 :

Ag + + BH4 - + 3H2O → Ag0 + B (OH) 3 + 3.5H2

환원 된 금속 원자는 나노 입자 핵을 형성 할 것이다. 전반적으로이 과정은 구연산염을 사용하는 위의 환원법과 유사합니다. 수소화 붕소 나트륨을 사용하면 최종 입자 수의 단 분산이 증가한다는 이점이 있습니다. NaBH 4 를 사용할 때 증가 된 단 분산의 이유는 그것이 구연산염보다 더 강한 환원제라는 것입니다. 에이전트 강도 감소의 영향은 나노 입자의 핵 생성과 성장을 설명하는 LaMer 다이어그램을 검사하여 확인할 수 있습니다. [20]

질산은 (AgNO 3 )이 구연산염과 같은 약한 환원제에 의해 환원 될 때, 환원율이 낮아져서 새로운 핵이 형성되고 오래된 핵이 동시에 성장한다는 것을 의미합니다. 이것이 구연산염 반응이 낮은 단 분산성을 갖는 이유입니다. NaBH 4 가 훨씬 더 강한 환원제이기 때문에 질산은의 농도가 급격히 감소하여 새로운 핵이 형성되어 동시에 성장하여은 나노 입자의 단 분산 집단을 생성하는 시간을 단축시킵니다.

환원에 의해 형성된 입자는 바람직하지 않은 입자 응집 (여러 입자가 결합 될 때), 성장 또는 조 대화를 방지하기 위해 표면이 안정화되어야합니다. 이러한 현상의 추진력은 표면 에너지의 최소화입니다 (나노 입자는 표면 대 체적 비율이 큽니다). 시스템의 표면 에너지를 감소시키는 이러한 경향은 나노 입자의 표면에 흡착 될 수있는 종을 첨가함으로써 입자 표면의 활성을 낮추어 DLVO 이론에 따라 입자 응집을 방지하고 금속을위한 부착 부위를 차지함으로써 성장을 방지함으로써 방해받을 수있다 원자. 나노 입자의 표면에 흡착되는 화학 종을 리간드라고합니다. 이러한 표면 안정화 물질의 일부는 다음과 같다 : NaBH 4 가 다량 함유되어 있고, 폴리 비닐 피 롤리 돈 (PVP), 나트륨 도데 실 설페이트 (SDS), 도데 칸 티올이있다. [22]

일단 입자가 용액에서 형성되면 분리되고 수집되어야합니다. 용액에서 나노 입자를 제거하는 일반적인 방법은 용매 상을 증발시키는 것 또는 용액에 나노 입자의 용해도를 낮추는 화학 물질을 용액에 첨가하는 것을 포함한다. [23] 두 가지 방법 모두 나노 입자의 침전을 강요한다.

폴리올 공정 [ 편집 ]

폴리올 공정은 생성 된 나노 입자의 크기 및 기하학적 구조 모두에 대해 고도의 제어를 산출하기 때문에 특히 유용한 방법이다. 일반적으로, 폴리올 합성은 에틸렌 글리콜, 1,5- 펜탄 디올 또는 1,2- 프로필렌 글리콜과 같은 폴리올 화합물의 가열로 시작한다. Ag + 종 및 캡 핑제가 첨가되지만 (폴리올 자체는 종종 캡핑 제이기도 함). Ag + 종은 폴리올에 의해 콜로이드 성 나노 입자로 감소된다. 폴리올 공정은 온도, 화학적 환경 및 기질 농도와 같은 반응 조건에 매우 민감합니다. 따라서 이러한 변수를 변경함으로써 준 구형, 피라미드 형, 구형 및 와이어 형과 같은 다양한 크기와 형상을 선택할 수 있습니다. [11] 더 자세한 연구는 다양한 반응 조건 하에서이 과정의 메커니즘뿐만 아니라 생성 된 기하학을 더 상세하게 조사했다. [8] [27]

종자 매개 성장 [ 편집 ]

종자 매개 성장은 작고 안정한 핵이 원하는 화학적 환경에서 원하는 크기와 모양으로 성장하는 합성 방법입니다. 종자 매개 방법은 핵 생성 과 성장 이라는 두 가지 단계로 구성됩니다. 합성에서의 특정 요소 (예 : 리간드, 핵 형성 시간, 환원제 등)의 변화는 나노 입자의 형태와 형태를 조절하여 종자 매개 성장을 나노 입자의 형태 제어에 널리 이용 될 수있다.

종자 - 매개 성장의 핵 형성 단계는 금속 원자에 대한 전구체 내의 금속 이온의 환원으로 이루어진다. 씨앗의 크기 분포를 조절하기 위해서는 핵 생성 기간이 단 분산으로 짧아야한다. LaMer 모델은이 개념을 설명합니다. [29] 종자는 전형적으로 리간드 에 의해 안정화 된 작은 나노 입자로 이루어져있다. 리간드는 작고 보통 입자의 표면에 결합하는 유기 분자로 씨앗이 더 자랄 수 없습니다. 리간드는 응집의 에너지 장벽을 증가시키고 응집을 방지하기 때문에 필요합니다. 콜로이드 용액 내에서의 매력적인 힘과 반발력의 균형은 DLVO 이론 에 의해 모델링 될 수 있습니다. 리간드 결합 친화력 및 선택성은 형태 및 성장을 제어하는데 사용될 수있다. 종자 합성을 위해, 중간에서 낮은 결합 친 화성을 갖는 리간드는 성장 단계 동안 교환을 허용하도록 선택되어야한다.

나노 세제의 성장은 씨앗을 성장 용액에 넣는 것을 포함합니다. 성장 용액은 낮은 농도의 금속 전구체, 기존의 시드 리간드와 쉽게 교환 할 수있는 리간드, 및 약하거나 매우 낮은 농도의 환원제를 필요로한다. 환원제는 종자가 없을 때 성장 용액에서 금속 전구체를 감소시키기에 충분히 강하지 않아야한다. 그렇지 않으면, 성장 솔루션은 기존 핵종 (종자)에서 자라는 대신 새로운 핵 형성 지점을 형성하게됩니다. [31] 성장은 표면 에너지 (성장과 함께 바람직하지 않게 증가하는)와 벌크 에너지 (성장에 유리하게 감소) 사이의 경쟁의 결과이다. 성장의 에너지와 용해의 균형은 기존 종자 (그리고 새로운 핵 생성 없음)에서만 균일 한 성장의 이유입니다. 성장은 성장 용액으로부터 금속 원자를 종자에 첨가하고, 성장 리간드 (더 높은 결합 친 화성을 가짐)와 종자 리간드 사이의 리간드 교환에 의해 발생한다. [33]

성장 범위 및 방향은 나노 선, 금속 전구체, 리간드 및 반응 조건 (열, 압력 등)의 농도에 의해 제어 될 수 있습니다. 성장 용액의 화학량 론적 조건을 제어하는 것은 입자의 최종 크기를 조절한다. 예를 들어, 성장 용액 내의 금속 전구체에 대한 금속 종자의 농도가 낮 으면 더 큰 입자가 생성 될 것이다. 캡핑 제는 성장 방향을 제어하여 모양을 제어하는 것으로 나타났습니다. 리간드는 입자를 가로 지르는 다양한 결합력을 가질 수 있습니다. 입자 내에서의 차동 바인딩은 입자간에 유사하지 않은 성장을 초래할 수 있습니다. 이것은 프리즘, 입방체 및 봉을 포함하여 비 구형의 이방성 입자를 생성합니다. [ 36]

가벼운 중재 [ 편집 ]

Light-mediated synthesis는 또한 빛이 다양한은 나노 입자 형태의 형성을 촉진 할 수있는 곳에서 탐구되었다. [10] [37]

은 거울 반응 [ 편집 ]

은 거울상 반응은은 질산염의 Ag (NH3) OH 로의 전환을 포함한다. Ag (NH3) OH는이어서 설탕과 같은 분자를 함유하는 알데히드를 사용하여 콜로이드은으로 환원된다. 실버 미러 반응은 다음과 같습니다 :

2 (Ag (NH3) 2 ) + + RCHO + 2OH → RCOOH + 2Ag + 4NH 3 . [38]

생산 된 나노 입자의 크기와 모양은 조절하기가 어렵고 넓은 분포를 갖는 경우가 많습니다. 그러나,이 방법은 표면에은 입자의 얇은 코팅을 적용하고보다 균일 한 크기의 나노 입자를 생산하기위한 연구가 수행되는 경우가 많습니다. [39]

이온 주입 [ 편집 ]

이온 주입은 유리 , 폴리 우레탄 , 실리콘 , 폴리에틸렌폴리 (메틸 메타 크릴 레이트)에 박혀있는은 나노 입자를 만드는데 사용되었습니다. 파티클은 높은 가속 전압에서의 폭격에 의해 기판에 매립된다. 일정 값까지 이온빔의 고정 전류 밀도에서 임베디드은 나노 입자의 크기는 모집단 내에서 단 분산되어있는 것으로 밝혀졌고 [40] , 이온 농도의 증가 만이 관찰되었다. 이온빔 도즈의 추가 증가는 타겟 기판에서의 나노 입자 크기 및 밀도를 감소시키는 반면, 점차적으로 증가하는 전류 밀도를 갖는 높은 가속 전압에서 작동하는 이온빔은 점차적으로 증가하는 것으로 밝혀졌다 나노 입자 크기. 나노 입자 크기가 감소 할 수있는 몇 가지 경쟁 메커니즘이있다. 충돌시 NPs 파괴, 시료 표면의 스퍼터링, 가열 및 해리시 입자 융합. [40]

임베디드 나노 입자의 형성은 복잡하고 제어 매개 변수 및 요인 모두는 아직 조사되지 않았다. 컴퓨터 시뮬레이션은 확산 및 클러스터링의 과정을 포함하기 때문에 여전히 어렵지만, 이식, 확산 및 성장과 같은 몇 가지 하위 프로세스로 나눌 수 있습니다. 주입시,은 이온은 평균 깊이가 X 인 중심에서 가우스 분포에 접근 하는 기판 내에서 다른 깊이에 도달합니다. 주입 초기 단계의 고온 조건은 기판의 불순물 확산을 증가시키고 결과적으로 나노 입자 핵 형성에 필요한 충돌 이온 포화를 제한합니다. 이온 농도와 이온빔 전류 밀도는 단 분산 나노 입자의 크기와 깊이 분포를 얻기 위해 제어하는데 결정적이다. 낮은 전류 밀도는 이온 빔으로부터의 열 교반 및 표면 전하 축적을 상쇄 시키는데 사용될 수있다. 표면에 주입 한 후에는 표면 전도도가 증가함에 따라 빔 전류가 상승 할 수 있습니다. [41] 이동성 이온 트랩으로 작용하는 나노 입자 형성 후 불순물이 빠르게 확산되는 속도가 떨어집니다. 이것은 주입 공정의 시작이 최종 나노 입자의 간격과 깊이를 제어하고 기판 온도와 이온빔 밀도를 제어하는 데 중요하다는 것을 암시합니다. 이러한 입자의 존재와 특성은 수많은 분광학 및 현미경을 사용하여 분석 할 수 있습니다. [41] 기판에서 합성 된 나노 입자는 특성 흡수 밴드에 의해 입증 된 표면 플라즈몬 공명 을 나타낸다; 이러한 특징들은 나노 입자의 크기와 표면 거칠기에 따라 스펙트럼 변화를 겪는다 . 그러나 광학적 특성은 또한 합성물의 기판 물질에 강하게 의존한다.

생물 학적 합성 [ 편집 ]

나노 입자의 생물학적 합성은 수소화 붕소 나트륨 과 같은 유해한 환원제의 사용을 요구하는 전통적인 방법에 비해 향상된 기술을 제공합니다. 이 방법들 중 상당수는 상대적으로 강한 환원제를 대체하여 환경 영향을 개선 할 수 있습니다. 은 나노 입자의 화학적 생성에 대한 문제는 일반적으로 고비용이며 입자의 수명은 응집으로 인해 짧다. 표준 화학 방법의 가혹함은 콜로이드 성 나노 입자로 용액의은 이온을 감소시키기 위해 생물체를 사용하는 것을 촉발 시켰습니다. [ 43]

또한, NPs 치료 특성은 이러한 요인에 밀접하게 의존하기 때문에 모양과 크기에 대한 정밀한 제어가 나노 입자 합성 동안 매우 중요합니다. [44] 그러므로 생물학적 합성에서의 연구의 주요 초점은 정확한 특성을 가진 NPs를 지속적으로 재생하는 방법을 개발하는 것이다. [ 46]

곰팡이와 박테리아 [ 편집 ]

식물 추출물을 사용하여 생물학적으로 합성 된은 나노 입자의 합성 및 응용에 대한 일반적인 표현.

박테리아와 곰팡이는 다루기 쉽고 유 전적으로 쉽게 변형 될 수 있기 때문에 나노 입자의 박테리아 및 곰팡이 합성은 실용적입니다. 이것은 nanoparticle 합성의 현재 도전의 최전선에있는 고 수율로 다양한 모양과 크기의 AgNP를 합성 할 수있는 생체 분자를 개발하는 수단을 제공합니다. Verticillium 과 같은 진균 균주 및 K. pneumoniae 와 같은 박테리아 균주는은 나노 입자의 합성에 사용될 수있다. [47] 곰팡이 / 박테리아가 용액에 첨가되면 단백질 바이오 매스 가 용액으로 방출됩니다. 트립토판 (tryptophan)과 티로신 (tyrosine)과 같은 전자 기증 잔사 (electron donating residue )는 질산은 (silver nitrate)에 기인 한 용액에서은 이온을 감소시킨다. 이들 방법은 유해한 환원제를 사용하지 않고 안정한 단 분산 나노 입자를 효과적으로 생성시키는 것으로 밝혀졌다.

균류 Fusarium oxysporum 의 도입에 의해은 이온을 감소시키는 방법이 발견되었다. 이 방법으로 형성된 나노 입자는 5 ~ 15 nm의 크기 범위를 가지며은 hydrosol 로 구성됩니다. 은 나노 입자의 감소는 효소 과정에서 비롯된 것으로 생각되며, 생성 된은 나노 입자는 곰팡이에 의해 배설되는 단백질 과의 상호 작용으로 인해 극도로 안정적입니다.

은 광산에서 발견 된 박테리아Pseudomonas stutzeri AG259는 삼각형과 육각형 모양의은 입자를 만들 수있었습니다. 이들 나노 입자의 크기는 넓은 범위를 가지며 그 중 일부는 200 nm 크기의 일반적인 나노 크기보다 더 큰 크기에 도달했습니다. 은 나노 입자는 박테리아의 유기 매트릭스에서 발견되었습니다. [48]

락트산 생산 박테리아는은 나노 입자를 생산하는 데 사용되었습니다. Lactobacillus spp., Pediococcus pentosaceus, Enteroccus faeciumILactococcus garvieae 균 은은 이온을은 나노 입자로 환원 할 수있는 것으로 밝혀졌습니다. 나노 입자의 생산은은 이온과 세포의 유기 화합물 사이의 상호 작용으로 세포에서 일어난다. Lactobacillus fermentum 박테리아 가 11.2 nm의 평균 크기를 갖는 가장 작은은 나노 입자를 생성한다는 것이 밝혀 졌습니다. 또한이 박테리아는 가장 작은 크기 분포를 갖는 나노 입자를 생성하고 나노 입자는 주로 세포 외부에서 발견되었다. 또한 pH 가 증가하여 나노 입자가 생성되는 속도와 생성 된 입자의 양이 증가한다는 것이 발견되었다. [49]

식물 [ 편집 ]

실버 이온을은 나노 입자로 환원시키는 것은 제라늄 잎을 사용하여 달성되었습니다. 질산은 용액에 제라늄 잎 추출물을 첨가하면은 이온이 빨리 환원되고 생성 된 나노 입자는 특히 안정해진다는 것이 밝혀졌습니다. 용액에서 생성 된은 나노 입자는 16 내지 40 nm 범위의 크기를 가졌다. [48]

다른 연구에서 다른 식물 잎 추출물은은 이온을 줄이기 위해 사용되었습니다. 카멜리아 신 옌스 (녹차), 소나무 , , 은행 나무 , 목련플라 타 누스 에서 목련 잎 추출물이은 나노 입자를 만드는 데 가장 우수하다는 것이 밝혀졌습니다. 이 방법은 15 내지 500 nm의 분산 크기 범위를 갖는 입자를 생성 하였지만, 반응 온도를 변화시킴으로써 입자 크기를 조절할 수 있음을 발견 하였다. 목련 잎 추출물에 의해 이온이 감소되는 속도는 화학 물질을 사용하여 감소시키는 속도와 유사합니다. [42 ]

은 나노 입자의 생산에 식물, 미생물 및 곰팡이를 사용하면은 나노 입자의보다 환경 친화적 인 생산으로 나아갈 수 있습니다. [43]

Amaranthus gangeticus Linn 잎 추출물을 사용 하여은 나노 입자를 합성 하는 녹색 방법 이 가능합니다. [51]

제품 및 기능화 [ 편집 ]

은 나노 입자 생산을위한 합성 프로토콜은 비 구형 구조를 갖는은 나노 입자를 생산하고 또한 실리카와 같은 다른 물질로 나노 입자를 기능화하도록 변형 될 수있다. 다양한 모양과 표면 코팅의은 나노 입자를 생성하면 크기 특 성을보다 잘 제어 할 수 있습니다.

이방성 구조 [ 편집 ]

은 나노 입자는 다양한 비 구형 (이방성) 모양으로 합성 될 수 있습니다. 다른 귀금속과 마찬가지로 은이 나노 크기에서 국부적 인 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)이라고 알려진 크기와 모양에 따른 광학 효과를 나타 내기 때문에 다양한 모양의 Ag 나노 입자를 합성 할 수있는 능력이 광학 동작을 조정하는 능력을 크게 증가시킵니다. 예를 들어, 하나의 모폴로지 (예 : 구)의 나노 입자에 대해 LSPR이 발생하는 파장은 구가 다른 모양으로 변경되면 달라집니다. 이러한 형태 의존성은은 나노 입자가 그 모양을 변화시킴으로써 크기를 비교적 일정하게 유지하여 다양한 파장의 범위에서 광학적 향상을 겪게한다. 이러한 형태의 광학적 행동의 확장 된 적용은보다 민감한 바이오 센서를 개발하는 것부터 직물의 수명 연장에 이르기까지 다양합니다. [ 53]

삼각형의 나노 프리즘 [ 편집 ]

삼각형 모양의 나노 입자는 금과은에 대해 연구 된 이방성 형태학의 표준 유형입니다. [54]

은 나노 프리즘 합성을위한 여러 가지 기술이 존재하지만, 여러 가지 방법은 삼각형 나노 구조로 형상 방향 성장을위한 주형을 제공하는 작은 (직경 3 ~ 5 nm)은 나노 입자를 합성하는 것을 포함하는 시드 매개 방법을 사용합니다. [55]

은 종자는 수용액에 질산은과 구연산 나트륨을 혼합 한 다음 급속히 나트륨 보로 하이드 라이드를 첨가하여 합성한다. 추가 실버 질산염은 저온에서 시드 용액에 첨가되고, 프리즘은 아스코르브 산을 사용하여 과량의 질산은을 천천히 감소시킴으로써 성장된다. [6]

은 나노 프리즘 합성에 대한 시드 - 중재 접근법을 통해, 다른 형태에 비해 하나의 형태의 선택성은 부분적으로 캡핑 리간드에 의해 제어 될 수있다. 기본적으로 위와 동일한 절차를 사용하지만 구연산염을 폴리 (비닐 피 롤리 돈) (PVP)로 바꾸면 삼각형의 나노 프리즘 대신 입방체와 봉 모양의 나노 구조가 생깁니다. [56]

시드 중재 기술 외에도 기존의 구형은 나노 입자가 반응 혼합물을 높은 강도의 빛에 노출시킴으로써 삼각형의 나노 프리즘으로 변형되는 광 매개 방법을 사용하여은 나노 프리즘을 합성 할 수 있습니다. [57]

나노 큐브 [ 편집 ]

은 나노 큐브는 환원제로서 에틸렌 글리콜 및 캡핑 제로서의 PVP를 폴리올 합성 반응 (상기 참조)에서 사용하여 합성 될 수있다. 이러한 시약을 사용하는 일반적인 합성은 140 ° C에서 가열 된 에틸렌 글리콜의 용액에 새로운 질산은과 PVP를 첨가하는 것을 포함합니다. [58]

이 과정은 실제로 합성 과정에서 사용하기 전에 질산은 용액을 숙성시켜 다른 이방성은 나노 구조 인 나노 와이어를 만들 수 있습니다. 질산은 용액을 숙성 시키면, 합성 과정에서 형성된 초기 나노 구조는 성장 과정에 영향을 미치는 새로운 질산은과 함께 얻어지는 최종 나노 구조와 약간 달라서 최종 생성물의 형태학에 영향을 미친다. [58]

실리카 코팅 [ 편집 ]

실리카에서 콜로이드 입자 코팅을위한 일반적인 절차. 첫 번째 PVP는 콜로이드 표면에 흡수됩니다. 이 입자들을 에탄올에 암모니아 용액에 넣는다. 입자는 Si (OET4)의 첨가에 의해 성장하기 시작한다.

이 방법에서, 폴리 비닐 피 롤리 돈 (PVP) 은 초음파 처리에 의해 물에 용해되고은 콜로이드 입자와 혼합된다. [1] 활성 교반은 PVP가 나노 입자 표면에 흡착되도록합니다. [1] 원심 분리는 PVP로 코팅 된 나노 입자를 분리 한 다음 에탄올 용액으로 옮겨 원심 분리하고 암모니아 , 에탄올 및 Si (OEt 4 ) (TES) 용액에 넣습니다. [1] 12 시간 동안 교반하면 실리카 껍질이 형성되어 에테르 결합으로 기능성을 추가 할 수있는 주변 산화 규소 층으로 구성됩니다. [1] TES의 양을 변화 시키면 다양한 두께의 쉘이 형성됩니다. [1] 이 기술은 노출 된 실리카 표면에 다양한 기능을 추가 할 수 있기 때문에 널리 사용됩니다.

사용 [ 편집 ]

촉매 [ 편집 ]

촉매 작용위해은 나노 입자 를 사용하는 것이 최근에 주목을 끌고있다. 가장 일반적인 응용 분야가 의약 또는 항균 목적을위한 것이지만,은 나노 입자는 염료, 벤젠, 일산화탄소 및 기타 화합물에 촉매 산화 환원 특성을 나타내는 것으로 입증되었습니다.

참고 :이 단락은 촉매 작용에 대한 나노 입자 특성에 대한 일반적인 설명입니다. 은 나노 입자에만 국한된 것은 아닙니다. 나노 입자의 크기는 다양한 양자 효과로 인해 나타나는 특성을 크게 결정합니다. 또한, 나노 입자의 화학적 환경은 촉매 특성에 큰 역할을합니다. 이를 염두에두고, 불균일 촉매 작용 은 촉매 종에 반응 종의 흡착 에 의해 일어난다 는 것을 주목하는 것이 중요하다. 나노 입자유착 을 방지하기 위해 고분자 , 복합 리간드 또는 계면 활성제 를 사용하면 흡착능이 저하되어 촉매력이 방해받는 경우가 많다. 그러나, 이들 화합물은 또한 화학적 환경이 촉매 능력을 향상시키는 방식으로 사용될 수있다.

실리카 구체에 지원 - 염료의 감소 [ 편집 ]

은 나노 입자는 비활성 실리카 구의 지지체상에서 합성되었다. 상기 지지체 는 촉매 작용에 거의 영향을주지 않으며, 콜로이드 용액 에서은 나노 입자의 유착을 방지하는 방법으로 작용한다 . 따라서,은 나노 입자는 안정화되었고 나트륨 보로 하이드 라이드 에 의한 염료 의 환원을위한 전자 중계 역할을하는 능력을 입증하는 것이 가능 했다 . 은 나노 입자 촉매가 없으면 소듐 보로 하이드 라이드와 다양한 염료 인 메틸렌 블루 , 에오신로즈 벵갈 과 거의 반응이 일어나지 않습니다.

메조 포러스 에어로겔 - 벤젠의 선택적 산화 [ 편집 ]

에어로겔 에 담지 된은 나노 입자는 더 많은 수의 활성 점 때문에 유리 합니다 . [60] 벤젠의 페놀 로의 산화에 대한 최고 선택도는 에어로젤 매트릭스 (1 % Ag)에서 은의 낮은 중량 퍼센트에서 관찰되었다. 이 우수한 선택성 은 1 % Ag 샘플의 에어로젤 매트릭스 내에서보다 높은 단 분산 도의 결과로 여겨진다. 각각의 중량 % 용액은 상이한 크기 범위의 폭을 갖는 상이한 크기의 입자를 형성 하였다. [60]

은 합금 - 일산화탄소의 상승 작용 [ 편집 ]

Au-Ag 합금 나노 입자는 일산화탄소 (CO)의 산화 에 시너지 효과가있는 것으로 나타났습니다. [61] 각각의 순수 금속 나노 입자는 CO 산화 에 대한 촉매 활성이 매우 낮다. 함께, 촉매 특성이 크게 향상됩니다. 정확한 메커니즘 이 아직 완전히 이해 되지는 않았지만 금이 산소 원자에 강한 결합제 역할을하고 은이 강한 산화 촉매 역할을한다고 제안되었다. Au / Ag 비율이 3 : 1에서 10 : 1로 합성되었을 때, 합금 된 나노 입자는 상온에서 1 % CO가 공기 중에 공급되었을 때 완전한 전환율을 보였다. [61] 흥미롭게도, 합금 입자의 크기는 촉매 능력에 큰 역할을하지 못했다. 금 나노 입자 는 크기가 ~ 3nm 일 때 CO의 촉매 특성 만을 보여 주지만 30nm 이하의 합금 입자는 TiO 2 와 같은 활성 지지체상의 금 나노 입자보다 우수한 촉매 활성을 나타냄을 알 수있다. Fe 2 O 3 등을들 수있다 .

라이트 강화 된 [ 편집 ]

Plasmonic 효과 는 꽤 광범위하게 연구되었습니다. 최근까지, 표면 플라즈몬 공진여기 를 통한 나노 구조체의 산화 촉매 강화를 연구 한 연구는 없었다 . 산화 촉매 능력을 향상시키기위한 특징은 흡착 된 분자로 전달 될 수있는 정력적인 전자의 형태로 빛의 빔을 변환하는 능력으로 확인되었다. [62] The implication of such a feature is that photochemical reactions can be driven by low-intensity continuous light can be coupled with thermal energy .

The coupling of low-intensity continuous light and thermal energy has been performed with silver nanocubes. The important feature of silver nanostructures that are enabling for photocatalysis is their nature to create resonant surface plasmons from light in the visible range. [62]

The addition of light enhancement enabled the particles to perform to the same degree as particles that were heated up to 40 K greater. [62] This is a profound finding when noting that a reduction in temperature of 25 K can increase the catalyst lifetime by nearly tenfold, when comparing the photothermal and thermal process. [62]

Biological research [ edit ]

Researchers have explored the use of silver nanoparticles as carriers for delivering various payloads such as small drug molecules or large biomolecules to specific targets. Once the AgNP has had sufficient time to reach its target, release of the payload could potentially be triggered by an internal or external stimulus. The targeting and accumulation of nanoparticles may provide high payload concentrations at specific target sites and could minimize side effects. [63]

Chemotherapy [ edit ]

The introduction of nanotechnology into medicine is expected to advance diagnostic cancer imaging and the standards for therapeutic drug design. [64] Nanotechnology may uncover insight about the structure, function and organizational level of the biosystem at the nanoscale. [65]

Silver nanoparticles can undergo coating techniques that offer a uniform functionalized surface to which substrates can be added. When the nanoparticle is coated, for example, in silica the surface exists as silicic acid. Substrates can thus be added through stable ether and ester linkages that are not degraded immediately by natural metabolic enzymes . [66] [67] Recent chemotherapeutic applications have designed anti cancer drugs with a photo cleavable linker, [68] such as an ortho-nitrobenzyl bridge, attaching it to the substrate on the nanoparticle surface. [66] The low toxicity nanoparticle complex can remain viable under metabolic attack for the time necessary to be distributed throughout the bodies systems. [66] [69] If a cancerous tumor is being targeted for treatment, ultraviolet light can be introduced over the tumor region. [66] The electromagnetic energy of the light causes the photo responsive linker to break between the drug and the nanoparticle substrate. [66] The drug is now cleaved and released in an unaltered active form to act on the cancerous tumor cells. [66] Advantages anticipated for this method is that the drug is transported without highly toxic compounds, the drug is released without harmful radiation or relying on a specific chemical reaction to occur and the drug can be selectively released at a target tissue. [66] [67] [69]

A second approach is to attach a chemotherapeutic drug directly to the functionalized surface of the silver nanoparticle combined with a nucelophilic species to undergo a displacement reaction. For example, once the nanoparticle drug complex enters or is in the vicinity of the target tissue or cells, a glutathione monoester can be administered to the site. [70] [71] The nucleophilic ester oxygen will attach to the functionalized surface of the nanoparticle through a new ester linkage while the drug is released to its surroundings. [70] [71] The drug is now active and can exert its biological function on the cells immediate to its surroundings limiting non-desirable interactions with other tissues. [70] [71]

Multiple drug resistance [ edit ]

A major cause for the ineffectiveness of current chemotherapy treatments is multiple drug resistance which can arise from several mechanisms. [72]

Nanoparticles can provide a means to overcome MDR. In general, when using a targeting agent to deliver nanocarriers to cancer cells, it is imperative that the agent binds with high selectivity to molecules that are uniquely expressed on the cell surface. Hence NPs can be designed with proteins that specifically detect drug resistant cells with overexpressed transporter proteins on their surface. [73] A pitfall of the commonly used nano-drug delivery systems is that free drugs that are released from the nanocarriers into the cytosol get exposed to the MDR transporters once again, and are exported. To solve this, 8 nm nano crystalline silver particles were modified by the addition of trans-activating transcriptional activator (TAT), derived from the HIV-1 virus, which acts as a cell penetrating peptide (CPP). [74] Generally, AgNP effectiveness is limited due to the lack of efficient cellular uptake; however, CPP-modification has become one of the most efficient methods for improving intracellular delivery of nanoparticles. Once ingested, the export of the AgNP is prevented based on a size exclusion. The concept is simple: the nanoparticles are too large to be effluxed by the MDR transporters, because the efflux function is strictly subjected to the size of its substrates, which is generally limited to a range of 300-2000 Da. Thereby the nanoparticulates remain insusceptible to the efflux, providing a means to accumulate in high concentrations. [ 표창장은 필요로했다 ]

Antimicrobial [ edit ]

Introduction of silver into bacterial cells induces a high degree of structural and morphological changes, which can lead to cell death. As the silver nano particles come in contact with the bacteria, they adhere to the cell wall and cell membrane. [75] Once bound, some of the silver passes through to the inside, and interacts with phosphate-containing compounds like DNA and RNA , while another portion adheres to the sulphur-containing proteins on the membrane. [75] The silver-sulphur interactions at the membrane cause the cell wall to undergo structural changes, like the formation of pits and pores. [76] Through these pores, cellular components are released into the extracellular fluid, simply due to the osmotic difference. Within the cell, the integration of silver creates a low molecular weight region where the DNA then condenses. [76] Having DNA in a condensed state inhibits the cell's replication proteins contact with the DNA. Thus the introduction of silver nanoparticles inhibits replication and is sufficient to cause the death of the cell. Further increasing their effect, when silver comes in contact with fluids, it tends to ionize which increases the nanoparticles bactericidal activity. [76] This has been correlated to the suppression of enzymes and inhibited expression of proteins that relate to the cell's ability to produce ATP. [77]

Although it varies for every type of cell proposed, as their cell membrane composition varies greatly, It has been seen that in general, silver nano particles with an average size of 10 nm or less show electronic effects that greatly increase their bactericidal activity. [78] This could also be partly due to the fact that as particle size decreases, reactivity increases due to the surface area to volume ratio increasing. [ 표창장은 필요로했다 ]

It has been noted that the introduction of silver nano particles has shown to have synergistic activity with common antibiotics already used today, such as; penicillin G , ampicillin , erythromycin , clindamycin , and vancomycin against E. coli and S. aureus. [79] In medical equipment, it has been shown that silver nano particles drastically lower the bacterial count on devices used. However, the problem arises when the procedure is over and a new one must be done. In the process of washing the instruments a large portion of the silver nano particles become less effective due to the loss of silver ions . They are more commonly used in skin grafts for burn victims as the silver nano particles embedded with the graft provide better antimicrobial activity and result in significantly less scarring of the victim. They also show promising application as water treatment method to form clean potable water. [80]

Silver nanoparticles can prevent bacteria from growing on or adhering to the surface. This can be especially useful in surgical settings where all surfaces in contact with the patient must be sterile. Interestingly, silver nanoparticles can be incorporated on many types of surfaces including metals, plastic, and glass. [81] In medical equipment, it has been shown that silver nano particles lower the bacterial count on devices used compared to old techniques. However, the problem arises when the procedure is over and a new one must be done. In the process of washing the instruments a large portion of the silver nano particles become less effective due to the loss of silver ions . They are more commonly used in skin grafts for burn victims as the silver nano particles embedded with the graft provide better antimicrobial activity and result in significantly less scarring of the victim.These new applications are direct decedents of older practices that used silver nitrate to treat conditions such as skin ulcers. Now, silver nanoparticles are used in bandages and patches to help heal certain burns and wounds. [82]

They also show promising application as water treatment method to form clean potable water. [80] This doesn't sound like much, but water contains numerous diseases and some parts of the world do not have the luxury of clean water, or any at all. It wasn't new to use silver for removing microbes, but this experiment used the carbonate in water to make microbes even more vulnerable to silver. [83] First the scientists of the experiment use the nanopaticles to remove certain pesticides from the water, ones that prove fatal to people if ingested. Several other tests have shown that the silver nanoparticles were capable of removing certain ions in water as well, like iron, lead, and arsenic. But that is not the only reason why the silver nanoparticles are so appealing, they do not require any external force (no electricity of hydrolics) for the reaction to occur. [84]

Consumer Goods [ edit ]

Household applications [ edit ]

There are instances in which silver nanoparticles and colloidal silver are used in consumer goods. Samsung and LG are two major tech companies planning to use antibacterial properties of silver nanoparticles in a multitude of appliances such as air conditioners, washing machines, and refrigerators. [85] For example, both companies claim that the use of silver nanoparticles in washing machines would help to sterilize clothes and water during the washing and rinsing functions, and allow clothes to be cleaned without the need for hot water. [85] [86] The nanoparticles in these appliances are synthesized using electrolysis . Through electrolysis, silver is extracted from metal plates and then turned into silver nanoparticles by a reduction agent. [87] This method avoids the drying, cleaning and re-dispersion processes, which are generally required with alternative colloidal synthesis methods. [87] Importantly, the electrolysis strategy also decreases the production cost of Ag nanoparticles, making these washing machines more affordable to manufacture. [88] Samsung has described the system:

[A] grapefruit-sized device alongside the [washer] tub uses electrical currents to nanoshave two silver plates the size of large chewing gum sticks. Resulting in positively charged silver atoms-silver ions (Ag+)-are injected into the tub during the wash cycle. [88]

It is important to note that Samsung's description of the Ag nanoparticle generating process seems to contradict its advertisement of silver nanoparticles. Instead, the statement indicates that laundry cycles. [87] [88] When clothes are run through the cycle, the intended mode of action is that bacteria contained in the water are sterilized as they interact with the silver present in the washing tub. [86] [88] As a result, these washing machines can provide antibacterial and sterilization benefits on top of conventional washing methods. Samsung has commented on the lifetime of these silver-containing washing machines. The electrolysis of silver generates over 400 billion silver ions during each wash cycle. Given the size of the silver source (two “gum-sized” plate of Ag), Samsung estimates that these plates can last up to 3000 wash cycles. [88]

These plans by Samsung and LG are not overlooked by regulatory agencies. Agencies investigating LG's nanoparticle use include but are not limited to: the US FDA , US EPA , SIAA of Japan, and Korea's Testing and Research Institute for Chemical Industry and FITI Testing & Research Institute. [86] These various agencies plan to regulate silver nanoparticles in appliances. [86] These washing machines are some of the first cases in which the EPA has sought to regulate nanoparticles in consumer goods. LG and Samsung state that the silver gets washed away in the sewer and regulatory agencies worry over what that means for wastewater treatment streams. [88] Currently, the EPA classifies silver nanoparticles as pesticides due to their use as antimicrobial agents in wastewater purification. [85] The washing machines being developed by LG and Samsung do contain a pesticide and have to be registered and tested for safety under the law, particularly the US Federal insecticide, fungicide and rodenticide act. [85] The difficulty, however behind regulating nanotechnology in this manner is that there is no distinct way to measure toxicity. Tim Harper, CEO of nanotechnology consultants Cientifica, explained, "we don't really have the science to prove anything one way or another". [85] The example of these washing machines demonstrates that while nanotechnology using silver nanoparticles in commercial appliances is showing promise, ways to measure toxicity and health hazards to humans, bacteria, or the environment will continue to be hurdle for nanoparticle technology implementation.

안전 [ 편집 ]

Although silver nanoparticles are widely used in a variety of commercial products, there has only recently been a major effort to study their effects on human health. There have been several studies that describe the in vitro toxicity of silver nanoparticles to a variety of different organs, including the lung, liver, skin, brain, and reproductive organs. [89] The mechanism of the toxicity of silver nanoparticles to human cells appears to be derived from oxidative stress and inflammation that is caused by the generation of reactive oxygen species (ROS) stimulated by either the Ag NPs, Ag ions, or both. [90] [91] [92] [93] [94] For example, Park et al. showed that exposure of a mouse peritoneal macrophage cell line (RAW267.7) to silver nanoparticles decreased the cell viability in a concentration- and time-dependent manner. [93] They further showed that the intracellular reduced glutathionine (GSH), which is a ROS scavenger, decreased to 81.4% of the control group of silver nanoparticles at 1.6 ppm. [93]

Modes of toxicity [ edit ]

Since silver nanoparticles undergo dissolution releasing silver ions, [95] which is well-documented to have toxic effects, [94] [95] [96] there have been several studies that have been conducted to determine whether the toxicity of silver nanoparticles is derived from the release of silver ions or from the nanoparticle itself. Several studies suggest that the toxicity of silver nanoparticles is attributed to their release of silver ions in cells as both silver nanoparticles and silver ions have been reported to have similar cytotoxicity. [92] [93] [97] [98] For example, In some cases it is reported that silver nanoparticles facilitate the release of toxic free silver ions in cells via a "Trojan-horse type mechanism," where the particle enters cells and is then ionized within the cell. [93] However, there have been reports that suggest that a combination of silver nanoparticles and ions is responsible for the toxic effect of silver nanoparticles. Navarro et al. using cysteine ligands as a tool to measure the concentration of free silver in solution, determined that although initially silver ions were 18 times more likely to inhibit the photosynthesis of an algae, Chlamydomanas reinhardtii, but after 2 hours of incubation it was revealed that the algae containing silver nanoparticles were more toxic than just silver ions alone. [99] Furthermore, there are studies that suggest that silver nanoparticles induce toxicity independent of free silver ions. [94] [100] [101] For example, Asharani et al. compared phenotypic defects observed in zebrafish treated with silver nanoparticles and silver ions and determined that the phenotypic defects observed with silver nanoparticle treatment was not observed with silver ion-treated embryos, suggesting that the toxicity of silver nanoparticles are independent of silver ions. [101]

Protein channels and nuclear membrane pores can often be in the size range of 9 nm to 10 nm in diameter. [94] Small silver nanoparticles constructed of this size have the ability to not only pass through the membrane to interact with internal structures but also to be become lodged within the membrane. [94] Silver nanoparticle depositions in the membrane can impact regulation of solutes, exchange of proteins and cell recognition. [94] Exposure to silver nanoparticles has been associated with "inflammatory, oxidative, genotoxic, and cytotoxic consequences"; the silver particulates primarily accumulate in the liver. [102] but have also been shown to be toxic in other organs including the brain. [103] Nano-silver applied to tissue-cultured human cells leads to the formation of free radicals, raising concerns of potential health risks. [104]

  • Allergic reaction: There have been several studies conducted that show a precedence for allerginicity of silver nanoparticles. [105] [106]

  • Argyria and staining: Ingested silver or silver compounds, including colloidal silver , can cause a condition called argyria , a discoloration of the skin and organs.In 2006, there was a case study of a 17-year-old man, who sustained burns to 30% of his body, and experienced a temporary bluish-grey hue after several days of treatment with Acticoat, a brand of wound dressing containing silver nanoparticles. [107] Argyria is the deposition of silver in deep tissues, a condition that cannot happen on a temporary basis, raising the question of whether the cause of the man's discoloration was argyria or even a result of the silver treatment. [108] Silver dressings are known to cause a “transient discoloration” that dissipates in 2–14 days, but not a permanent discoloration. [ 표창장은 필요로했다 ]

  • Silzone heart valve: St. Jude Medical released a mechanical heart valve with a silver coated sewing cuff (coated using ion beam-assisted deposition) in 1997. [109] The valve was designed to reduce the instances of endocarditis . The valve was approved for sale in Canada, Europe, the United States, and most other markets around the world. In a post-commercialization study, researchers showed that the valve prevented tissue ingrowth, created paravalvular leakage, valve loosening, and in the worst cases explantation. After 3 years on the market and 36,000 implants, St. Jude discontinued and voluntarily recalled the valve.


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