Eco-vriendelijke, kosteneffectieve synthese van tin-oxide nanopartikelen: Een uitgebreide review van methoden, vormingsmechanismen en toepassingen

Het bladextract van Aloe barbadensis miller is gebruikt om SnO₂ NPs te synthetiseren vanuit SnCl₂·2H₂O als voorloper [58]. De resulterende NPs bleken sferisch te zijn met een gemiddelde grootte varierend van 50 tot 100 nm. Bovendien vertoonden de gesynthetiseerde nanopartikelen uitstekende antibacteriële activiteit tegen S. aureus en E. coli.

In een andere studie werd de groene synthese van SnO₂ NPs gedaan door een efficiënte en goedkope methode met behulp van Plectranthus amboinicus bladextract en SnCl₂·2H₂O als startmateriaal [59]. Het plantaardige extract fungeert als reducerende en stabiliserende agent. De resulterende NPs werden gekarakteriseerd door SEM, EDX, XRD en PSA. De NPs waren tetragonaal van vorm met een gemiddelde deeltjesgrootte van 63 nm. Verder onthulden de auteurs dat de gebiosynthetiseerde NPs een grotere fotokatalytische activiteit vertoonden tegen Rhodamine B vergeleken met de commerciële SnO₂. Groene synthese van SnO₂ NPs werd gerapporteerd met behulp van Nyctanthes arbor-tristis (Parijataka) bloemextract [60]. Zoals het duidelijk is uit SEM en PSA analyse, vertoonden de gesynthetiseerde nanopartikelen de morfologie van fijn granulaten met kleine agglomeratiestadia en een gemiddelde korrelgrootte van 2–8 nm. De studie verkende ook de hydrolyse- en capping-potentieel van het plantaardige extract.

De groene synthese van SnO₂ NPs werd uitgevoerd door een laagkost en eco-vriendelijk proces met behulp van Psidium guajava bladextract [61]. Het UV-Vis resultaat onthulde een oppervlakteplasmonresonantie piek bij 314 nm, wat de vorming van SnO₂ NPs bevestigt. Bovendien waren de NPs sferisch met grootte variërend van 8 tot 10 nm. De studie toonde ook aan dat de NPs 90% afbraak van reactief geel 186 binnen 180 min onder zonnestraling vertonen. Bhosale et al. [62] identificeerden het bladextract van Calotropis gigantea als een natuurlijke bron voor de synthese van SnO₂ NPs. De secundaire metabolieten van het extract fungeren als zowel stabiliserende als capping agent in de conversie van tinchloride tot SnO₂ NPs. De auteurs suggereerden dat de NPs sferisch waren en een gemiddelde grootte tussen 30 en 40 nm. De gesynthetiseerde NPs degraderen het methyloranje kleurstof tot 80%, binnen 120 min. Singh et al. [63] rapporteerden de biosynthese van SnO₂ NPs met behulp van Piper betle bladextract. SEM en TEM analyse onthulden de vorming van sferische NPs met een gemiddelde grootte van 8,4 nm. De NPs degraderen het reactieve geel 186 in een pseudo-eerste orde met een efficiëntie van 92,17%. Bovendien vertoonden de NPs een uitstekende selectiviteit ten aanzien van de verwijdering van reactief geel 186 vergeleken met reactief rood 120 en reactief groen 119. In de literatuur zijn verschillende planten en plantaardige extracten gebruikt voor de bereiding van SnO₂ (Tabel 1). Uit de tabel is te zien dat de aard van de plantensoort en de reactieomstandigheden de grootte en vorm van SnO₂ NPs beïnvloeden.

Bacterie-gemedieerde Synthese van Tin-Oxide Nanopartikelen

Microben zijn belangrijke nano-fabrieken die enorme potentieel winnen als eco-vriendelijke en kosteneffectieve hulpmiddelen, die giftige chemicaliën en de hoge energie die nodig is door fysicochemische synthese vermijden. Verschillende microben zoals bacteriën, schimmels en gist zijn gebruikt voor de synthese van metaal- en metaaloxide-nanopartikelen, zowel intracellulair als extracellulair. Intracellulaire synthese omvat het transporteren van metaalionen in de microbiele cel en de vorming van de NPs in de aanwezigheid van het enzym, co-enzymen en andere biomoleculen binnen de cel. Bij extracellulaire synthese worden de metaalionen vastgehouden op het oppervlak van de microbiele cel. De enzymen en eiwitten beschikbaar op het oppervlak reduceren de metaalionen en zijn verantwoordelijk voor het verstrekken van stabilisatie aan de NPs [73]. Echter, de extracellulaire synthese is meer voordelig vergeleken met de intracellulaire weg omdat het gebruikt kan worden om grote hoeveelheden NPs te fabriceren en diverse synthetisestappen elimineert die vereist zijn voor de herwinning van NPs [74].

Biologische synthese met behulp van bacteriën is een groene en kosteneffectieve benadering vergeleken met chemische synthese. Echter, deze methode heeft verschillende nadelen: (a) screening van de microben is een tijdrovend proces, (b) vereist zorgvuldige monitoring van de cultuurbouillon en het gehele proces, en (c) is moeilijk om de grootte en morfologie van de NPs te controleren. Niet alle bacteriën kunnen NPs synthetiseren vanwege hun intrinsieke metabolische proces en enzymactiviteiten. Daarom is zorgvuldige selectie van een geschikte bacterie nodig om NPs met goed gedefinieerde grootte en morfologie te produceren [74]. Bijvoorbeeld, een studie uitgevoerd door Srivastava en Mukhopadhyay [54] rapporteerde een laagkost, groene en eenvoudigste procedure voor de synthese van SnO₂ NPs met behulp van verse en schone Erwinia herbicola bacteriële cellen en een waterige tin(II)chloride oplossing. De gesynthetiseerde SnO₂ NPs waren meestal sferisch met grootte in het bereik van 10 tot 42 nm. Het werd gerapporteerd dat het bacteriële eiwit en andere biomoleculen fungeren als reducerende en stabiliserende agent tijdens de synthese van SnO₂ NPs. Deze biomoleculen hielpen ook bij het controleren van de grootte en agglomeratie van SnO₂ NPs.

Biomoleculen en Andere Groene Bron-Gemedieerde Syntheses van Tin-Oxide Nanopartikelen

Naast de plant- en bacterie-gemedieerde synthese van SnO₂ NPs, hebben onderzoekers een niet-giftige, milieuvriendelijke en groene chemie benadering ontwikkeld door gebruik te maken van andere biomoleculen zoals aminozuren, vitaminen, enzymen en suikers (Tabel 2). Yang et al. [75] synthetiseerden SnO₂ NPs met behulp van een laagkost en milieuvriendelijke methode met vitamine C (ascorbinezuur), een natuurlijk beschikbaar biomolecuul. TEM analyse toonde de vorming van sferische NPs met een gemiddelde grootte van ongeveer 30 nm. Vitamine C fungeert als zowel capping als reducerende agent tijdens de synthese. De studie suggereerde dat de vitamine C gekapte op het oppervlak van SnO₂ NPs de oxidatieve stress veroorzaakt door SnO₂ NPs op de cellen verlaagde, wat leidde tot een verminderde gewichtsverlies bij neonatale muizen. Sferische SnO₂ NPs binnen de gemiddelde deeltjesgrootte van 13 nm werd gemaakt met behulp van koolhydraat (zetmeel) [76]. Het werd voorgesteld dat het koolhydraat fungeert als een sjabloon, dat verschillende metaalionen kan binden door hun functionele groepen, en dus werd een uniforme dispersie van de kationen waargenomen. In een andere studie werd restwater verzameld uit geweekte Bengalgram bonen (Cicer arietnum L.) gebruikt voor het synthetiseren van ongedopte SnO₂, en Ni, Fe en Au-gedopte SnO₂ NPs [77,78,79]. De auteurs suggereerden dat het pectine in het extract verantwoordelijk was voor de synthese van de SnO₂ NPs. De gemiddelde kristallijne grootte van de sferisch gevormde ongedopte SnO₂, Ni-gedopte SnO₂ en Au-gedopte SnO₂ NPs werd respectievelijk 11 nm, 6 nm en 25 nm gevonden.

Een andere studie heeft een groene benadering getoond om SnO₂ NPs te synthetiseren met behulp van een eierschaalmembraan (ESM) [80], een natuurlijk bio-afval van de kippeierschaal. Het werd voorgesteld dat de ESM-bestanddelen biomoleculen zoals uronzuur en sacchariden bevatten die de aldehyde groepen bevatten, die fungeren als reducerende agent tijdens de synthese. Morfologische analyse toonde de vorming van staaf, hexagonale en sferische vorm van SnO₂ NPs met een deeltjesgrootte in het bereik 13–40 nm.

Verschillende aminozuren zoals glycin, arginine, aspartinezuur, lysine en tyrosine [81,82,83,84,85] zijn gebruikt voor de groene synthese van SnO₂ NPs vanwege hun goede capping of complexerende agenten. Aminozuurgemedieerde synthese elimineert het gebruik van giftige chemicaliën tijdens de synthese. Sferische SnO₂ NPs werden gesynthetiseerd met behulp van arginine [81]. De morfologische studies suggereren dat de gesynthetiseerde SnO₂ NPs sferisch waren met een gemiddelde grootte in het bereik van 4–5 nm. Bhattacharjee et al. [83] gebruikten glycin om SnO₂ NPs te produceren vanuit stannochloride. Het werd voorgesteld dat de NPs gevormd bij 200 °C, 400 °C en 600 °C sferisch, polykristallijn en monodispers van aard zijn met een gemiddelde grootte van 6, 16 en 33 nm, respectievelijk. Verder was het nanopartikeltje verkregen bij 400 °C luminescent. Op dezelfde manier toonden Begum et al. [84] de synthese van tetragonale rutilstructuur SnO₂ NPs met behulp van L-lysine met grootte in het bereik van 4–17 nm.

Vormingsmechanisme van Tin-Oxide Nanopartikelen door Groene Synthese

In de laatste jaren zijn verschillende plantaardige extracten, micro-organismen en andere biologische afgeleiden gebruikt in de groene synthese van metaal- en metaaloxide NPs. Studies suggereerden dat de secundaire metabolieten zoals fenolen, flavonoïden, tanninen, saponinen, terpenoïden en koolhydraten aanwezig in het plantaardige extract een significante rol spelen door te fungeren als zowel reducerende als stabiliserende agenten in de synthese van metaal- of metaaloxide NPs [87]. Daarnaast kan microben-gemedieerde synthese bereikt worden ofwel intracellulair ofwel extracellulair volgens de locatie waar de NPs worden gevormd. Bij extracellulaire synthese vindt bioreductie plaats op het oppervlak van de microbiele cellen in de aanwezigheid van de enzymen beschikbaar op het oppervlak. Verder vindt bij intracellulaire biosynthese het transporteren van metaalionen in de microbiele cel plaats, en de NPs vormen zich gemakkelijk daar in de aanwezigheid van enzymen binnen de cel [73]. Selvakumari et al. [53] gebruikten Camellia sinensis extract voor de biosynthese van SnO₂ NPs. Zij toonden aan uit hun studies dat de polyfenolische verbindingen (epicatechine, epigallocatechine, epicatechine gallate en epigallocatechine gallate) aanwezig in het extract fungeren als zowel capping als stabiliserende agenten. De SnO₂ NPs gevormd door deze methode bestaat uit enkele belangrijke stappen, waaronder (i) reductie van Sn²⁺ tot Sn⁰, (ii) het reducerende effect van fenolische verbindingen (–OH) van extract om Sn-soorten te vormen, en (iii) thermische transformatie van de Sn-soorten in de SnO₂ NPs. In de SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van Calotropis gigantean bladerextract, zijn polyfenolische verbindingen verantwoordelijk voor de biochemische transformaties van tin-ionen [62]. Sferische SnO₂ NPs van grootte in het bereik 3,62–6,34 nm werden gesynthetiseerd met behulp van bloemkoolextract [52]. Het werd voorgesteld dat de polyfenolen en de flavonoïden van het extract coördineren met de metaalionen, wat resulteert in de vorming van Sn(OH)₂ intermediairen, die na calcinatie leiden tot de vorming van SnO₂ NPs. In een andere studie rapporteerden Srivastava en Mukhopadhyay [54] zowel intracellulaire als extracellulaire synthese van sferische SnO₂ NPs door de enzymen gesecreteerd door bacterie E. herbicola. In deze methode worden de Sn²⁺ ionen vastgehouden door de extracellulaire enzymen gesecreteerd door de bacteriële cel of door membraangeassocieerde eiwitten op het celoppervlak, en de reductie geïnitieerd door dehydrogenase-enzymen. De Sn²⁺ ionen worden gereduceerd door twee elektronen te winnen, en een molecuul NAD⁺ geoxideerd om NADH te vormen, wat uiteindelijk resulteert in de productie van extracellulaire Sn NPs. De gebiosynthetiseerde Sn-nanopartikelen worden vervolgens geoxideerd door de zuurstof aanwezig in de oplossing, wat leidt tot de vorming van SnO₂ NPs. FTIR analyse onthulde de aanwezigheid van eiwit-achtige moleculen op het oppervlak, die natuurlijke ondersteuning en stabiliteit van de SnO₂ NPs bieden. Verder fungeren aminozuren als capping of complexerende agenten, waardoor het gebruik van giftige chemicaliën tijdens de synthese wordt geminimaliseerd. Het mogelijke mechanisme voor de groene synthese van SnO₂ NPs wordt getoond in Fig. 2:

Karakterisatie van Tin-Oxide Nanopartikelen

Karakterisatie van NPs is heel cruciaal om de syntheseprocedure en toepassing te kennen en te controleren. De oppervlaktemorfologie en conformationele details over grootte, vorm, kristallijnheid en oppervlakte van de gesynthetiseerde NPs worden bestudeerd door gebruik te maken van diverse technieken. Enkele van de technieken die gebruikt worden voor het karakteriseren van groen gesynthetiseerde SnO₂ NPs zijn UV-Vis, FTIR, XRD, EDS, SEM en TEM. UV-Vis spectroscopie wordt gebruikt om de nanopartikelvorming te monitoren door hun optische eigenschappen te bestuderen. UV-Vis spectra van de SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van Catunaregam spinosa extract vertoonden de hoogste absorptiepiek van 223 nm door zijn oppervlakteplasmonresonantie [57]. XRD is een krachtige techniek gebruikt voor het bestuderen van de kristalstructuur van materialen. Bhattacharjee et al. [81] karakteriseerden SnO₂ NPs met XRD pieken bij diffractiehoeken (2θ) van 26,7, 34,2, 38,07, 51,9, 54,9, 58,1, 62,1, 64,9, 66,08, 71,6 en 79,07 corresponderend met (110), (101), (200), (211), (220), (002), (310), (112), (301), (202) en (321) vlakken, respectievelijk (Fig. 3). De standaard diffractiepieken tonen de tetragonale rutilstructuur van SnO₂ NPs met een gemiddelde kristallijne grootte 4,6 nm berekend met behulp van de Debye-Scherer vergelijking [81].

FTIR spectroscopie wordt gebruikt om de oppervlaktechemie te onderzoeken en de functionele groepen te identificeren die aanwezig zijn op het oppervlak van de NPs, die verantwoordelijk kunnen zijn voor reductie, capping en stabilisatie van NPs [88]. FTIR analyse van SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van Pruni flos extract toonde belangrijke absorptiebanden bij 3308, 2153, 1634, 423, 403 en 383 cm⁻¹. De sterke banden waargenomen bij 3308, 2153 en 1634 cm⁻¹ zijn toegewezen aan rekkingstrillingen van Sn–OH groepen door watermoleculen geadsorbeerd op het SnO₂ oppervlak, C–H rekken van alkiinen en C=O trillingen van flavonoïden, respectievelijk. De banden tussen 423 en 383 cm⁻¹ worden toegeschreven aan anti-symmetrische Sn–O–Sn rekken [70]. Microscopie-gebaseerde technieken zoals SEM en TEM zijn breed gebruikt om de morfologische eigenschappen van de nanopartikelen te bepalen. Echter, TEM geeft betere resolutie en informatie over de interne structuur, zoals kristalstructuur en morfologie, vergeleken met SEM. De nauwkeurigere resultaten van de oppervlakte-eigenschappen kunnen worden verkregen door gebruik te maken van FE-SEM. Deze technieken zijn ook nuttig bij het schatten van de gemiddelde grootte van de gesynthetiseerde nanopartikelen [89]. FE-SEM en TEM analyse onthulden de vorming van licht geagglomereerde sferisch-vormige SnO₂ NPs met een gemiddelde grootte van 30–40 nm (Fig. 4) [62].

Verder toonde selectieve gebied elektronen diffractie (SAED) analyse aan dat de deeltjes nanokristallijn van aard zijn (Fig. 4) [62]. De vorming van sferische SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van Piper betle waterig extract werd bevestigd door FE-SEM [63]. Uit TEM en XRD analyse werd de gemiddelde grootte van de NPs gevonden van 8,4 nm.

EDS is een analytische techniek gebruikt om de elementaire samenstelling van een monster te analyseren. De EDS spectra van SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van Psidium Guajava bladextract onthulde de aanwezigheid van Sn en O pieken, wat de vorming van zuivere SnO₂ NPs bevestigt [61].

Biologische Toepassing van Groen Gesynthetiseerde Tin-Oxide Nanopartikelen

Groen gesynthetiseerde SnO₂ NPs vertoonden verbeterde fotokatalytische, antimicrobiële, antioxidante en antikanker activiteit vergeleken met hun bulk-vorm. In deze sectie hebben we de toepassingen van groen gesynthetiseerde SnO₂ NPs in diverse velden besproken als leidraad voor nieuwe onderzoekers voor toekomstige perspectieven.

Antimicrobiële Activiteit

Veel onderzoekers hebben antimicrobiële activiteit van SnO₂ NPs waargenomen. Bijvoorbeeld, de antibacteriële activiteit van SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van aloe vera plantaardig extract werd bestudeerd met behulp van E. coli en S. aureus. Het werd voorgesteld dat de NPs actiever waren tegen S. aureus dan E. coli [58]. Dit kan zijn omdat de celwand van E. coli complexer is dan S. aureus. S. aureus heeft een membraam samengesteld uit dik peptidoglycaan. Echter, de celwand van E. coli heeft een peptidoglycaanlaag plus een buitenmembraam samengesteld uit lipopolysaccharide. De buitenmembraam van E. coli fungeert als een barrière die het penetratieniveau van ROS in de cel verlaagt [90,91,92]. Een andere reden kan het verschil in polariteit van hun celmembraam zijn. Het membraam van S aureus heeft een meer positieve lading dan E. coli, wat resulteert in een groter penetratieniveau van negatief geladen vrije radicalen wat meer celschade en dood in S. aureus dan in E. coli veroorzaakt [93, 94]. De antibacteriële activiteit van SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van Punica granatum zadextract is getest tegen E. coli. Het bactericide effect nam toe met toenemende concentratie van de nanopartikelen [95]. SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van Trigonella foenum-graecum zadextract toonde ook vergelijkbare antibacteriële activiteit tegen E. coli [72]. In een recente studie werd Clerodendrum inerme bladextract gebruikt voor de synthese van ongedopte en Co-gedopte SnO₂ NPs [96]. De groen gesynthetiseerde ongedopte en Co-gedopte SnO₂ NPs werden blootgesteld aan antimicrobiële activiteit tegen vijf ziekteverwekkende pathogenen zoals E. coli, B. subtillis, A. niger, A. flavus en C. Albicans, en hun zone van inhibitie diameters (ZOIs), minimale inhibitieconcentratie (MIC) en minimale bactericide concentratie (MBC) werden berekend. De Co-gedopte SnO₂ NPs toonden substantiële antibacteriële activiteit tegen E. coli en B. subtillis in een concentratie-afhankelijke manier vergeleken met de ongedopte SnO₂ NPs, plantaardig extract en standaard medicijnen in termen van hun MIC (22 ± 0,7, 18 ± 0,8 mg/mL) en MBC (31 ± 0,9, 21 ± 0,6 mg/mL) alsmede ZOIs (30 ± 0,08, 26 ± 0,06 nm), respectievelijk. De auteurs suggereerden dat het breed-spectrum antibacteriële activiteit van Co-gedopte SnO₂ NPs te wijten is aan kobalt-doping, wat leidt tot verhoogde korrelgrootte en oppervlakte van de NPs vergeleken met ongedopte SnO₂ NPs. Hoe meer de oppervlakte met kleinere deeltjesgroottes, hoe groter de antimicrobiële activiteit. De associaties van biomoleculen zoals flavonoïden en fenolische verbindingen met Co-gedopte SnO₂ NPs zijn ook verantwoordelijk voor de verbetering van hun antimicrobiële activiteit. Verder toonden de groen gesynthetiseerde Co-gedopte SnO₂ NPs uitzonderlijke antifungale activiteit met maximale ZOIs van 17 ± 0,04, 23 ± 0,08 en 26 ± 0,06 nm tegen A. niger, A. flavus en C. Albicans, respectievelijk, in vergelijking met plantaardig extract, ongedopte SnO₂ NPs en standaard medicijnen [96].

Het werkelijke werkingsmechanisme van SnO₂ NPs tegen microbiele stammen is nog onbekend. Echter, verscheidene werkingsmechanismen tegen bacteriën zijn voorgesteld voor metaaloxide-nanopartikelen, zoals de decompositie van nanopartikelen, electrostatische interactie van nanopartikelen met de celwand van micro-organismen en vorming van reactieve zuurstofsoorten (ROS) door het effect van lichtstraling [97,98,99]. Een mogelijke oorzaak voor het antibacteriële effect van SnO₂ NPs kan de accumulatie van de NPs op het oppervlak van de bacteriële celmembraam zijn. De ROS gegenereerd door de aanwezigheid van SnO₂ NPs interageert met de celmembraam en verstoort de membraamdoorlaatbaarheid en respiratiesysteem van de bacteriën, wat leidt tot celdood [72, 95, 100]. Bijvoorbeeld, Khan et al. suggereerden dat de vrijkoming van Sn⁴⁺ en Co²⁺ verantwoordelijk is voor de schade aan bacterieel DNA en mitochondriën, wat het bacteriële enzym inactiveert en uiteindelijk leidt tot celdood [96].

Antioxidante Activiteit

Veel onderzoekers onderzochten de antioxidante activiteit van NPs door de capaciteit te monitoren in het kwellen van stabiele DPPH (2,2-difenyl-1-picrylhydrazyl) radicaal in niet-radicale vorm (DPPH-H). Kamaraj et al. [101] rapporteerden de antioxidante activiteit van SnO₂ NPs gebiosynthetiseerd met behulp van Cleistanthus Collinus bladerextract. De antioxidante activiteit van SnO₂ NPs nam toe met toenemende concentratie van SnO₂ NPs en reactietijd. In een andere studie [95] nam de vrije-radicaal vangende activiteit van groen gesynthetiseerde SnO₂ NPs toe in een dosis-afhankelijke manier. Echter, het geannealde monster vertoonde een lagere vangende activiteit vergeleken met het als-gemaakte monster. De afname in vangende activiteit met toenemende aannealingstemperatuur kan te wijten zijn aan een afname in oppervlakte-tot-volume verhouding van de NPs. Bovendien is de antioxidante effectiviteit van SnO₂ NPs tegen DPPH te wijten aan de overdracht van elektrondichtheid tussen de NPs en het vrije radicaal gelegen aan stikstof in DPPH. Een vergelijkbaar resultaat werd gevonden voor SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van Trigonelle foenum-graecum waterig extract [72]. Hong et al. [67] rapporteerden significante antioxidante eigenschappen van gebiosynthetiseerde SnO₂ NPs. De antioxidante activiteit van de gebiosynthetiseerde SnO₂ nam toe met toenemende concentratie van de NPs, met IC₅₀ (half-maximale inhibitieconcentratie) waarde van 2257,4 µg/ml. Recent rapporteerden Khan et al. significante antioxidante activiteit van Co-gedopte SnO₂ NPs, vergeleken met ongedopte SnO₂ NPs en plantaardig extract [96].

Cytotoxische Activiteit

SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van een waterig extract van landbouwafval van gedroogde schil van Annona squamosa werden geëvalueerd voor cytotoxiciteitstest tegen de hepatocellulaire carcinoom cellijn (HepG2) [64]. TEM resultaten onthulden verlies van celvolume, aanzienlijke zwelling van de cellen en kerncondensatie. De kerncondensatie gezien in SnO₂ NP-behandelde HepG2 cellen kan te wijten zijn aan de afbraak van chromatine in de kern. SnO₂ NPs remde celproliferatie in een dosis- en tijdsafhankelijke manier met een IC₅₀ waarde van 148 µg/mL. SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van piper nigrum zadextract vertoonden hogere cytotoxische activiteit tegen colorectale (HCT116) en long (A549) kankercellijnen [69]. De proliferatie van beide kankercellijnen nam toe met toenemende NPs grootte. Daarnaast werd een geleidelijke afname in cellevensvatbaarheid waargenomen met toenemende dosering van SnO₂ NPs. De auteurs concludeerden dat het cytotoxische effect geassocieerd was met de generatie van oxidatieve stress van reactieve zuurstofsoorten (ROS). SnO₂ NPs gefabriceerd met behulp van Pruni spinosae flos waterig extract onthulden een uitstekend cytotoxisch effect tegen niet-kleincel longkanker cel A549 en long fibroblasten CCD-39Lu cellen, in concentratie- en tijdsafhankelijke manier [70]. Recent onderzochten Khan et al. [96] de in vitro cytotoxische effect van groen gesynthetiseerde ongedopte SnO₂ NPs en Co-gedopte SnO₂ NPs tegen borstkanker (MCF-7), menselijke amnion (WISH) en menselijke longfibroblasten (WI38) cellijnen door een colorimetrische techniek 3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-difenyl tetrazodiumbromide (MTT) assay. De groen gesynthetiseerde Co-gedopte SnO₂ NPs toonden significante en substantiële sterftecijfers vergeleken met ongedopte SnO₂ NPs, plantaardig extract en standaard medicijn 5-FU (5-fluorouracil), terwijl ongedopte SnO₂ NPs een vergelijkbare sterftecijfer vertoonden als het standaard medicijn, maar de laagste cytotoxiciteit tegen borstkankercelijn werd waargenomen met het plantaardig extract. Het cytotoxische effect van het plantaardig extract, groen gesynthetiseerde ongedopte SnO₂ en Co-gedopte SnO₂ NPs werd uitgevoerd met IC₅₀ waarden van 31,56 ± 1,4, 26,99 ± 1,9 en 18,15 ± 1,0 µg/mL voor MCF-7, en 40,69 ± 0,9, 38,97 ± 0,8 en 36,80 ± 0,6 µg/mL voor WI38, en 38,56 ± 0,8, 35,56 ± 0,9 en 31,10 ± 0,7 µg/mL, respectievelijk, en toonde aan dat de cytotoxiciteit van Co-gedopte SnO₂ NPs meer vaardig was vergeleken met plantaardig extract en ongedopte SnO₂ NPs alleen. Daarnaast rapporteerden de auteurs uitstekende observationele resultaten die grotere in vitro inhibitie van borstkanker MCF-7 cellijnen in een concentratie- en dosis-afhankelijke manier toonden. De groen gesynthetiseerde NPs toonden ook robuuste cytotoxiciteit tegen MCF-7 vergeleken met WI38 en WISH normale cellijnen met Co-gedopte SnO₂ NPs onthullende hogere ROS-generatie dan de ongedopte SnO₂ NPs. Figuur 5 toont het waarschijnlijke cytotoxiciteitsmechanisme van groen gesynthetiseerde SnO₂ NPs.

Fotokatalytische Activiteit

De onbeheerste vrijlating van giftige chemicaliën, gevaarlijke textielkleurstoffen en bestrijdingsmiddelen uit diverse industrieën in het lopende water heeft geleid tot ernstige milieuproblemen. Deze overbodige waterverontreinigingen veroorzaken lange-termijn nadelige effecten en vormen een echte dreiging voor aquatisch en menselijk leven. Bovendien zijn sommige organische kleurstoffen kankerverwekkend en giftig. Daarom is het behandelen van water dat giftige chemicaliën bevat voordat het in het milieu wordt gestort, zeer cruciaal om milieubelasting te verminderen. Recente studies hebben getoond dat genanostructureerde halfgeleider metaaloxiden fungeren als een uitstekende fotokatalysator voor de verwijdering van diverse waterverontreinigingen [102,103,104,105]. Onder de halfgeleider metaaloxiden wordt SnO₂ uitgebreid gebruikt in de verwijdering van gangbare textielkleurstoffen en organische verbindingen vanwege zijn gunstige eigenschappen, waaronder fysieke en chemische stabiliteit, hoge oppervlaktereactiviteit, hoge fotokatalytische efficiëntie, lage kosten en lage toxiciteit [68, 106]. Manjula et al. [107] synthetiseerden SnO₂ nanopartikelen met behulp van glucose. De NPs werden effectief gebruikt als katalysator in het afbreken van methyloranje (MO) kleurstof. Het effect van calcinatietemperatuur (150–500 °C) op de fotokatalytische activiteit van de NPs werd onderzocht, en de resultaten onthulden dat de as-gesynthetiseerde SnO₂ NPs gecalcineerd bij 150 °C de beste fotokatalysator is voor de reactie onder studie onder de bestudeerde materialen. Bovendien degraderden de as-gemaakte SnO₂ nanopartikelen methyloranje volledig in 30 min, en ook de nanomaterialen kunnen worden gerecycld met verbeterde efficiëntie minimaal vijf keer. In een andere studie [108] werd de fotokatalytische activiteit van de SnO₂ QDs (kwantumpuntjes) gesynthetiseerd door gebruik te maken van serine geëvalueerd door de optische absorptiespectra van eosin Y oplossing onder direct zonlicht te monitoreren. Het werd waargenomen dat de degradatiesnelheid van eosin Y met behulp van SnO₂ QDs (98%) hoger is dan met behulp van commerciële SnO₂ (96%) en P25 (88%). Begum et al. [84] rapporteerden de synthese van SnO₂ NPs met behulp van een aminozuur, L-lysine monohydraat. De gesynthetiseerde nanopartikelen werden geëvalueerd voor hun fotokatalytische gedrag ten aanzien van giftige organische kleurstoffen, namelijk malachietgroen oxalaat (MGO) en Victoria blauw B (VBB) onder direct zonlicht. De absorptiepieken van deze kleurstoffen zijn begonnen te dalen, wat aangeeft dat de chromofoorstructuur is afgebroken (Fig. 6). Verder vertoonden de as-gemaakte SnO₂ NPs een uitstekende fotokatalytische degradatie van MGO (97,3%) en VBB (98%) kleurstof binnen 120 min. Literatuurrapporten over de fotokatalytische activiteit van groen gesynthetiseerde SnO₂ NPs zijn samengevat in Tabel 3.

Gasdetectie Eigenschap

Veel metaaloxide-gebaseerde gassensoren worden breed gebruikt voor gasdetectietoepassingen. Echter, SnO₂ NPs heeft enorme aandacht gekregen in gasdetectie onder atmosferische omstandigheden vanwege zijn gunstige eigenschappen, waaronder hoge gevoeligheid, hoge selectiviteit, eenvoudige reversibiliteit en lage productiekosten. Groen gesynthetiseerde poreuze SnO₂ nanospheren toonden uitstekende gasdetectiemogelijkheden [107]. Het werd waargenomen dat de assimilatie van 0,5 wt% Pd in de SnO₂ matrix de gevoeligheid verbeterde en het hoogselectief maakte voor laagtemperatuur waterstofdetectie. Bovendien kon het stof reageren op zelfs 50 ppm H₂ in N₂ bij kamertemperatuur met een interval van 10 s. Deze detectie-eigenschappen zijn te wijten aan het synergistische effect van zowel de poreuze structuur van SnO₂ nanospheren als de katalytische eigenschap van Pd-nanopartikelen. Gattu et al. [77] rapporteerden het gasdetectiegedrag van gebiosynthetiseerde en chemisch gesynthetiseerde Ni-gedopte SnO₂ NPs dunne films. De gebiosynthetiseerde Ni-gedopte SnO₂ NPs dunne film toonde een hogere NO₂ gasdetectierespons vergeleken met de chemisch gesynthetiseerde. De sensorrespons werd gevonden om te nemen met Ni-doping voor zowel gebiosynthetiseerde als chemisch gesynthetiseerde Ni-gedopte SnO₂ NPs. Dit kan te wijten zijn aan de vermindering van de deeltjesgrootte met Ni-doping, wat resulteert in verhoogde oppervlakte voor adsorptie van NO₂ gas. Verder vertoonde de Ni-gedopte SnO₂ dunne film uitstekende selectiviteit ten aanzien van NO₂ gas wanneer vergeleken met andere gassen zoals NH₃, LPG en H₂S. In een andere studie [78] werden de gasdetectie-eigenschappen van ongedopte en Fe-gedopte SnO₂ NPs gesynthetiseerd met behulp van Cicer arietnum L. extract gerapporteerd. De gasrespons in de aanwezigheid van 100 ppm NH₃ gas bij 200 °C werkendtemperatuur werd gevonden 28% voor ongedopte SnO₂ en 46% voor Fe-gedopte SnO₂ dunne films. Bovendien bleek de Fe-gedopte SnO₂-gebaseerde sensor meer selectief voor NH₃ gas vergeleken met de ongedopte SnO₂ sensor. De gebiosynthetiseerde Au-gedopte SnO₂ NPs bleken zeer gevoelig voor NO₂ gas bij 200 °C werkendtemperatuur [79]. Gassensor ondersteund door Au-gedopte SnO₂ NPs toonde de gasrespons van ~ 30% voor 100 ppm NO₂ gas. Bovendien toonde de gassensor van Au-gedopte SnO₂ NPs uitstekende selectiviteit ten aanzien van NO₂ gas wanneer vergeleken met andere gassen zoals H₂S, LPG en NH₃. De verbeterde gasrespons en selectiviteit ten aanzien van NO₂ gas zijn te wijten aan de roostervervorming geïnduceerd door Au-doping en ook de zuurstofvacature generatie binnen de SnO₂ rooster.

Conclusies

Het gebruik van groene methoden voor de productie van NPs is het gebied van gefocust onderzoek geweest omdat het een eco-vriendelijke, goedkope, niet-giftige en duurzame methode is. Tallooze studies rapporteren de mogelijkheid van het produceren van SnO₂ NPs via een groen protocol met behulp van een reeks plantaardige materialen, bacteriën en natuurlijke biomoleculen. De literatuuronderzoek toont aan dat de groene substraat fungeren als reducerende en stabiliserende agenten of capping agenten ongeacht hun bron. Onder de diverse groene methoden van SnO₂ synthese is plant-gemedieerde synthese kosteneffectief, eenvoudig te verwerken en minder gevaarlijk dan micro-organismen. Echter, de plantaardige extracten bestaan uit een groot aantal actieve verbindingen in een andere samenstelling, wat het moeilijk maakt om het exacte bedrag van de moleculen te weten die verantwoordelijk zijn voor de reductie van metaalionen. Vanwege deze complexiteit is het moeilijk om de synthese van nanopartikelen te evalueren. Daarom is verder onderzoek naar het vormingsmechanisme van SnO₂ NPs vereist om de chemische reacties die tijdens de synthese plaatsvinden te begrijpen. Met de kennis van het daadwerkelijke reactiemechanisme zal het mogelijk zijn om het biosyntheseproces te monitoren en te optimaliseren, wat essentieel is voor de grootschalige productie van SnO₂ NPs. Daarom zal het begrip van de snel groeiende synthese-methode hier besproken helpen om toekomstig onderzoeksvooruitgang op SnO₂ NPs en hun enorme potentieel voor industriële schaalproductie in de nabije toekomst te vergemakkelijken.

Beschikbaarheid van data en materialen

Niet beschikbaar.

Afkortingen

NPs:

Nanopartikelen

SnO₂ NPs:

Tin-oxide nanopartikelen

UV-Vis:

Ultraviolet-zichtbare spectroscopie

SEM:

Scannende elektronenmicroscopie

FE-SEM:

Veldemissie scannende elektronenmicroscopie

TEM:

Transmissie elektronenmicroscopie

HR-TEM:

Hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie

FTIR:

Fourier-transformatie infraroodspectroscopie

EDS:

Energie-dispersieve Röntgenanalyse

PSA:

Deeltjesgrootte analysator

XPS:

Röntgenfotoemissiespectroscopie

SAED:

Selectieve gebied elektronen diffractie