Síntesis ecológica y rentable de nanopartículas de óxido de estaño:una revisión de las metodologías de síntesis, el mecanismo de formación y sus posibles aplicaciones

Resumen

La nanotecnología se ha convertido en el área de investigación más prometedora con su aplicación trascendental en todos los campos de la ciencia. En los últimos años, el óxido de estaño ha recibido una gran atención debido a sus fascinantes propiedades, que se han mejorado con la síntesis de este material en el rango nanométrico. En la actualidad, se están utilizando numerosos métodos físicos y químicos para producir nanopartículas de óxido de estaño. Sin embargo, estos métodos son costosos, requieren mucha energía y también utilizan varios productos químicos tóxicos durante la síntesis. Las crecientes preocupaciones relacionadas con la salud humana y el impacto ambiental han llevado al desarrollo de un proceso rentable y ambientalmente benigno para su producción. Recientemente, se han sintetizado con éxito nanopartículas de óxido de estaño mediante métodos ecológicos utilizando diferentes entidades biológicas como extracto de plantas, bacterias y biomoléculas naturales. Sin embargo, la producción a escala industrial utilizando enfoques de síntesis verde sigue siendo un desafío debido a la complejidad de los sustratos biológicos que plantea una dificultad para elucidar las reacciones y el mecanismo de las formaciones que ocurren durante la síntesis. Por lo tanto, la presente revisión resume las diferentes fuentes de entidades biológicas y metodologías utilizadas para la síntesis verde de nanopartículas de óxido de estaño y el impacto en sus propiedades. Este trabajo también describe los avances en la comprensión del mecanismo de formación reportados en la literatura y las diferentes técnicas analíticas utilizadas para caracterizar estas nanopartículas.

Introducción

En las últimas décadas, la nanotecnología ha surgido como una nueva área de investigación que se ocupa de la síntesis, caracterización, modificación y utilización de nanomateriales para su tremenda aplicación en áreas como farmacéutica, industria alimentaria, cosmética, industria textil, medicina, óptica, electrónica, etc. ciencias de la energía y aplicaciones electroquímicas [1, 2, 3, 4]. Los nanomateriales son materiales que tienen una dimensión en un rango de tamaño de 1 a 100 nm. La gran relación superficie-volumen y el tamaño extremadamente pequeño de estos materiales pueden dar lugar a actividades eléctricas, ópticas, magnéticas, catalíticas y antimicrobianas completamente nuevas o mejoradas en comparación con sus materiales a granel [5,6,7]. Debido a estas propiedades únicas, las nanopartículas encuentran aplicación en varios campos de la ciencia y la ingeniería modernas, como la nanomedicina, la fotocatálisis, los biosensores, los agentes de limpieza y la industria textil [1, 8]. Entre las nanopartículas, el óxido de estaño (IV) (SnO ₂ ) en particular, ha ganado una inmensa atención debido a sus aplicaciones versátiles, como dispositivos optoelectrónicos [9], sensores de gas de estado sólido [10], electrodos para baterías de iones de litio [11], pantallas de emisión de campo [12], diodos emisores de luz [13], catálisis [14], células solares a base de colorantes [15], medicamentos [16], fotosensores y recubrimientos antiestáticos [17].

En ciencia de materiales, SnO ₂ se considera un semiconductor de tipo n deficiente en oxígeno, que cristaliza como la estructura tetragonal de rutilo con constantes de celosía a = b =4.7374 Å y c =3,1864 Å. La celda unitaria consta de dos átomos de estaño seis veces coordinados y cuatro átomos de oxígeno triple coordinados [18, 19]. Una amplia brecha de energía (3.6 a 3.8 eV), fuerte estabilidad térmica (hasta 500 ° C), un alto grado de transparencia en el espectro visible, fuertes interacciones químicas y físicas con las especies adsorbidas hacen que SnO ₂ un candidato prometedor para una aplicación potencial en las baterías de iones de litio, sensores, catálisis, almacenamiento de energía, revestimientos de vidrio, medicina y remediación ambiental [20, 21, 22, 23]. SnO ₂ se utiliza como sensor para mejorar el tiempo de respuesta y la sensibilidad debido a su alta área específica, alta estabilidad química, baja resistencia eléctrica y baja densidad [24]. Desde los últimos años, SnO ₂ fue explorado a fondo para sus aplicaciones en las células solares [25] y sensores de gas para detectar gases combustibles como CO, NO, NO ₂ , H ₂ S y C ₂ H ₅ OH [26,27,28,29]. Debido a las propiedades fisicoquímicas únicas y las aplicaciones potenciales de las nanopartículas (NP), la comunidad científica ha estado desarrollando varios métodos para producir nanopartículas. Sin embargo, los métodos químicos y físicos utilizados para la síntesis de metales y nanopartículas de óxidos metálicos son bastante costosos y utilizan sustancias tóxicas que son peligrosas para el medio ambiente y la salud humana [30]. En los últimos años, la mayoría de los investigadores han cambiado su interés de investigación hacia la síntesis verde de NP porque tiene muchas ventajas, como un procedimiento de fabricación simple y rentable, reproducibilidad en la producción y, a menudo, da como resultado nanopartículas más estables [31]. Durante la última década, varios estudios sobre la síntesis verde de SnO ₂ Se informaron NP. Sin embargo, no hay un solo artículo de revisión disponible en la literatura que demuestre la metodología de síntesis y el mecanismo de formación. Por lo tanto, este artículo describe la síntesis verde, el mecanismo de formación, las técnicas de caracterización y las posibles aplicaciones de SnO ₂ NP.

Síntesis verde de nanopartículas de óxido de estaño

SnO ₂ Los NP se sintetizan mediante varios métodos físicos, químicos y ecológicos. Los métodos químicos incluyen sol-gel, hidrotermal, precipitación, método mecanoquímico, microemulsión, etc. [31,32,33,34,35,36,37]. Entre los métodos químicos, la técnica más utilizada es la síntesis sol-gel, que utiliza sal precursora de estaño y reactivos químicos que regulan la formación del gel que contiene estaño. Después de eso, el gel se expone a un tratamiento térmico a temperaturas de hasta 800 ° C para obtener SnO ₂ NP [32, 38]. Durante la síntesis de SnO ₂ se pueden agregar estabilizadores químicos y agentes de protección, como ácido oxálico o etilenglicoles. NP para controlar el tamaño y prohibir la aglomeración de las nanopartículas [32, 39]. El pH de una solución, la concentración de productos químicos, el tiempo de reacción y la temperatura de calcinación también pueden influir en el tamaño y la morfología de las nanopartículas [31, 34,35,36,37]. Los métodos antes mencionados para sintetizar SnO ₂ Los NP utilizan diversos reactivos químicos peligrosos, disolventes y tensioactivos, que crean una grave amenaza para el medio ambiente y la salud humana [4, 30].

SnO ₂ Los NP también se pueden sintetizar mediante técnicas físicas como la pirólisis por pulverización, la oxidación térmica, la deposición química de vapor, la ablación con láser y la ultrasonicación [40,41,42,43,44]. Entre estos métodos, la ablación con láser se considera un método rentable y simple para sintetizar nanopartículas de metal y óxido de metal en líquido [44, 45]. A diferencia de los otros métodos convencionales, este método no requiere agentes reductores / tapones, alta temperatura o alta presión, y nos permite producir nanopartículas de alta pureza [44, 45]. La variación en los parámetros de los pulsos aplicados desde el rayo láser y el tiempo de ablación son parámetros importantes que definen el tamaño de partícula, la morfología y la química de la superficie de las nanopartículas [44]. Sin embargo, la mayoría de los métodos físicos requieren equipos complejos, alta energía y mano de obra calificada [46]. Por lo tanto, es muy importante desarrollar métodos de síntesis que sean ecológicos, económicos, eficientes y que funcionen en condiciones ambientales. Una de esas soluciones es una síntesis verde, y muchos investigadores han desarrollado un enfoque de química verde para sintetizar nanopartículas de óxido de estaño. En la estrategia sintética verde, entidades biológicas como extractos de plantas, microorganismos u otras fuentes verdes podrían utilizarse como una alternativa a los métodos físicos y químicos convencionales [47]. En estos días, los métodos de síntesis de inspiración biológica también se conocen como síntesis verde porque van de acuerdo con los doce principios de la química verde [48]. Algunas de las ventajas distintivas que tiene la síntesis biológica sobre los métodos físicos y químicos son (a) un método limpio y respetuoso con el medio ambiente, ya que se utilizan productos químicos no tóxicos, (b) el uso de fuentes renovables, (c) los componentes biológicos activos como la propia enzima como además de que los fitoquímicos actúan como agentes reductores y protectores, minimizando así el costo total del proceso de síntesis, (d) no se requieren condiciones experimentales externas como alta presión y temperatura, lo que genera ahorros de energía significativos [49, 50].

En la última década, el interés por sintetizar SnO ₂ Los NP a través del método biológico se han incrementado considerablemente, debido a que el proceso es más confiable, ecológico, rentable, con bajos insumos y alto rendimiento y procedimientos simples sin causar ningún efecto adverso en el medio ambiente. Se han empleado con éxito una variedad de sustratos biológicos como extractos de plantas, bacterias y biomoléculas naturales para la síntesis verde de SnO ₂ NP. Los fitoquímicos de varias plantas y las enzimas de las bacterias son los principales responsables de la síntesis verde. Los compuestos activos presentes en las fuentes verdes también actúan como agentes reductores, protectores y estabilizadores durante la síntesis. Los NP deseados a menudo se obtienen después de la calcinación o el recocido a temperaturas específicas [51, 52, 53, 54].

Síntesis de nanopartículas de óxido de estaño mediada por plantas

La síntesis mediada por plantas se ha convertido en la mejor plataforma de síntesis con respecto a los métodos fisicoquímicos convencionales, ya que está libre de sustancias químicas tóxicas y proporciona un recubrimiento natural y agentes reductores. Además, es fácil y ecológico y proporciona un producto enriquecido en cantidad y libre de impurezas. En este método, no hay necesidad de utilizar equipos costosos y de alta temperatura y alta presión. Además, la síntesis mediada por plantas conduce a la producción a gran escala de nanopartículas más estables con diferentes formas y tamaños [55, 56]. Se han utilizado extractos de una gran cantidad de partes de diferentes especies de plantas para la síntesis verde de SnO ₂ NP. En general, la síntesis de SnO ₂ mediada por plantas NPs es un proceso muy simple en el que se agrega una sal fina al extracto previamente preparado. Después de la reacción, la solución se somete a centrifugación. Finalmente, los gránulos se someten a un tratamiento térmico seguido de una caracterización utilizando diversas técnicas analíticas como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), el difractómetro de rayos X (XRD), el análisis de rayos X de dispersión de energía (EDS), la microscopía electrónica de barrido ( SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM), analizador de tamaño de partículas (PSA) y dispersión dinámica de luz (DLS). La espectroscopia UV-visible (UV-Vis) se usa para monitorear la formación de nanopartículas. El protocolo detallado para la síntesis de SnO ₂ mediada por plantas Las NP se ilustran esquemáticamente en la Fig. 1. Diallo et al. informó la síntesis verde de SnO ₂ NP mediante el uso de Aspalathus linearis y cloruro de estaño pentahidratado (SnCl ₄ · 5H ₂ O) como precursor [51]. La sal se disolvió en el extracto vegetal y se observó la formación de un depósito blanco después de 10 min. El depósito blanco se recogió después del proceso de centrifugación y se secó a aproximadamente 80 ° C. El polvo se recoció a varias temperaturas durante aproximadamente 4 horas y se sometió a diversas técnicas analíticas como microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM), EDS, XRD y espectroscopía de fotoemisión de rayos X (XPS). Las NP tenían forma cuasi esférica con un tamaño promedio en el rango de 2.5-11.40 nm. Se observó que el tamaño de partícula y la naturaleza cristalina de las NP aumentan con el aumento de la temperatura de recocido. Además, los componentes bioactivos como la aspalatina, la notofagina y la aspalalinina presentes en el extracto de la planta actúan como agentes quelantes y reductores. Camellia sinensis El extracto de hoja también se utilizó para sintetizar SnO ₂ NP [53]. Los polifenoles presentes en el extracto de hoja actúan como estabilizadores y como agentes de cobertura. La microscopía electrónica de barrido de alta resolución (HR-SEM) y el análisis XRD revelaron una forma esférica SnO ₂ NP con tamaño en el rango de 5 a 30 nm. Además, se encontró que la banda prohibida de los NP disminuía con el aumento de la temperatura de recocido. La Catunaregam spinosa SnO ₂ sintetizado verde mediado Los NP mostraron una excelente actividad fotocatalítica contra el tinte rojo Congo [57]. Las NP biosintetizadas tienen forma esférica y un tamaño medio de 47 nm.

Un diagrama esquemático de la síntesis de SnO ₂ mediada por extractos de plantas NP

El extracto de hoja de Aloe barbadensis miller se ha utilizado para sintetizar SnO ₂ NP de SnCl ₂ · 2H ₂ O como precursor [58]. Se encontró que las NP resultantes eran esféricas con un tamaño medio que variaba de 50 a 100 nm. Además, las nanopartículas sintetizadas exhibieron una excelente actividad antibacteriana contra S. aureus y E. coli.

En otro estudio, la síntesis verde de SnO ₂ Las NP se realizaron mediante un método eficiente y económico utilizando Plectranthus amboinicus extracto de hoja y SnCl ₂ · 2H ₂ O como material de partida [59]. El extracto vegetal actúa como agente reductor y estabilizador. Los NP resultantes se caracterizaron por SEM, EDX, XRD y PSA. Las NP tenían forma tetragonal con un tamaño medio de partícula de 63 nm. Además, los autores revelaron que los NP biosintetizados exhibieron una mayor actividad fotocatalítica contra la rodamina B en comparación con el SnO ₂ comercial . Síntesis verde de SnO ₂ Se informó NP usando Nyctanthes arbor-tristis (Parijataka) extracto de flor [60]. Como es evidente a partir del análisis SEM y PSA, las nanopartículas sintetizadas exhibieron la morfología de gránulos finos con una etapa de aglomeración diminuta y un tamaño de grano promedio de 2-8 nm. El estudio también exploró el potencial de hidrólisis y cobertura del extracto de la planta.

La síntesis verde de SnO ₂ El NP se llevó a cabo mediante un proceso ecológico y de bajo costo utilizando Psidium guajava extracto de hoja [61]. El resultado de UV-Vis reveló un pico de resonancia de plasmón superficial a 314 nm, lo que confirma la formación de SnO ₂ NP. Además, las NP eran esféricas con un tamaño que variaba de 8 a 10 nm. El estudio también mostró que las NP exhiben un 90% de degradación del amarillo reactivo 186 en 180 minutos bajo la irradiación de la luz solar. Bhosale y col. [62] identificó el extracto de hoja de Calotropis gigantea como fuente natural para la síntesis de SnO ₂ NP. Los metabolitos secundarios del extracto actúan como agentes estabilizadores y de protección en la conversión de cloruro de estaño en SnO ₂ NP. Los autores sugirieron que los NP eran esféricos y un tamaño promedio entre 30 y 40 nm. Los NP sintetizados degradan el tinte naranja de metilo hasta en un 80%, en 120 min. Singh y col. [63] informó la biosíntesis de SnO ₂ NP que utilizan Piper betle extracto de hoja. El análisis SEM y TEM reveló la formación de NP esféricas con un tamaño medio de 8,4 nm. Los NP degradan el amarillo reactivo 186 en un pseudoprimer orden con una eficiencia del 92,17%. Además, los NP mostraron una excelente selectividad hacia la eliminación del amarillo reactivo 186 en comparación con el rojo reactivo 120 y el verde reactivo 119. En la literatura, se han utilizado diferentes plantas y extractos de plantas para la preparación de SnO ₂ (Tabla 1). En la tabla, se puede ver que la naturaleza de las especies de plantas y las condiciones de reacción afectan el tamaño y la forma de SnO ₂ NP.

Síntesis de nanopartículas de óxido de estaño mediada por bacterias

Los microbios son importantes nano-fábricas que obtienen un inmenso potencial como herramientas ecológicas y rentables, evitando los productos químicos tóxicos y la alta energía que necesita la síntesis fisicoquímica. Se han utilizado varios microbios, como bacterias, hongos y levaduras, para la síntesis de nanopartículas de metales y óxidos metálicos, ya sea de forma intracelular o extracelular. La síntesis intracelular implica el transporte de iones metálicos al interior de la célula microbiana y la formación de NP en presencia de la enzima, coenzimas y otras biomoléculas dentro de la célula. En la síntesis extracelular, los iones metálicos quedan atrapados en la superficie de la célula microbiana. Las enzimas y proteínas disponibles en la superficie reducen los iones metálicos y son responsables de proporcionar estabilización a las NP [73]. Sin embargo, la síntesis extracelular es más ventajosa en comparación con la vía intracelular porque puede usarse para fabricar grandes cantidades de NP y elimina varios pasos de síntesis necesarios para la recuperación de NP [74].

La síntesis biológica que utiliza bacterias es un enfoque ecológico y rentable en comparación con la síntesis química. Sin embargo, este método tiene varios inconvenientes:(a) el cribado de los microbios es un proceso que requiere mucho tiempo, (b) requiere un control cuidadoso del caldo de cultivo y de todo el proceso, y (c) es difícil controlar el tamaño y la morfología de los NP. No todas las bacterias pueden sintetizar NP debido a su proceso metabólico intrínseco y actividades enzimáticas. Por lo tanto, es necesaria una selección cuidadosa de una bacteria apropiada para producir NP con un tamaño y morfología bien definidos [74]. Por ejemplo, un estudio realizado por Srivastava y Mukhopadhyay [54] informó un procedimiento de bajo costo, ecológico y más simple para la síntesis de SnO ₂ NP que utilizan Erwinia herbicola fresca y limpia células bacterianas y una solución acuosa de cloruro de estaño (II). El SnO ₂ sintetizado Los NP eran en su mayoría esféricos con un tamaño en el rango de 10 a 42 nm. Se informó que la proteína bacteriana y otras biomoléculas sirven como agente reductor y estabilizador durante la síntesis de SnO ₂ NP. Estas biomoléculas también ayudaron a controlar el tamaño y la agregación de SnO ₂ NP.

Biomoléculas y otras síntesis de nanopartículas de óxido de estaño mediadas por fuentes verdes

Además de la síntesis de SnO ₂ mediada por plantas y bacterias NP, los investigadores han desarrollado un enfoque químico ecológico, no tóxico y ambientalmente benigno mediante la utilización de otras biomoléculas como aminoácidos, vitaminas, enzimas y azúcares (Tabla 2). Yang y col. [75] SnO sintetizado ₂ NP utilizando un método de bajo costo y respetuoso con el medio ambiente que utiliza vitamina C (ácido ascórbico), una biomolécula disponible de forma natural. El análisis TEM mostró la formación de NP esféricas con un tamaño promedio alrededor de 30 nm. La vitamina C actúa como un agente reductor y taponador durante la síntesis. El estudio sugirió que la vitamina C tapada en la superficie de SnO ₂ Los NP disminuyeron el estrés oxidativo causado por SnO ₂ NP en las células, lo que conduce a una reducción de la pérdida de peso en ratones recién nacidos. SnO esférico ₂ Se prepararon NP con un tamaño medio de partícula de 13 nm utilizando carbohidratos (almidón) [76]. Se sugirió que el carbohidrato actúa como una plantilla, que podría unir varios cationes metálicos a través de sus grupos funcionales y, por lo tanto, se observó una dispersión uniforme de los cationes. En otro estudio, el agua remanente recolectada de frijoles de Bengala remojados ( Cicer arietnum L.) se empleó para sintetizar SnO ₂ sin dopar y SnO ₂ dopado con Ni, Fe y Au NP [77,78,79]. Los autores sugirieron que la pectina en el extracto era responsable de la síntesis del SnO ₂ NP. El tamaño medio de cristalito del SnO ₂ sin dopar de forma esférica , SnO ₂ dopado con Ni y SnO ₂ dopado con Au Se encontró que las NP eran de 11 nm, 6 nm y 25 nm, respectivamente.

Otro estudio ha demostrado un enfoque ecológico para sintetizar SnO ₂ NP que utilizan una membrana de cáscara de huevo (ESM) [80], un biorresiduo natural de la cáscara de huevo de gallina. Se sugirió que los constituyentes de ESM son biomoléculas como el ácido urónico y los sacáridos que contienen los restos de aldehído, que actúan como un agente reductor durante la síntesis. El análisis morfológico mostró la formación de varilla, forma hexagonal y esférica de SnO ₂ NP con un tamaño de partícula en el rango de 13 a 40 nm.

Se han utilizado diferentes aminoácidos como glicina, arginina, ácido aspártico, lisina y tirosina [81,82,83,84,85] para la síntesis verde de SnO ₂ NPs debido a sus buenos agentes capsulantes o complejantes. La síntesis mediada por aminoácidos elimina el uso de sustancias químicas tóxicas durante la síntesis. SnO esférico ₂ Las NP se sintetizaron utilizando arginina [81]. Los estudios morfológicos sugieren que el SnO ₂ sintetizado Los NP eran esféricos con un tamaño medio en el rango de 4-5 nm. Bhattacharjee y col. [83] utilizó glicina para producir SnO ₂ NP de cloruro estannoso. Se sugirió que las NP formadas a 200 ° C, 400 ° C y 600 ° C son de naturaleza esférica, policristalina y monodispersa con un tamaño promedio de 6, 16 y 33 nm, respectivamente. Además, la nanopartícula obtenida a 400 ° C era luminiscente. Del mismo modo, Begum et al. [84] demostró la síntesis de la estructura tetragonal de rutilo SnO ₂ NP que utilizan L-lisina con un tamaño en el rango de 4 a 17 nm.

Mecanismo de formación de nanopartículas de óxido de estaño mediante síntesis verde

En los últimos años, se han utilizado diferentes extractos de plantas, microorganismos y otros derivados biológicos en la síntesis verde de NP de metales y óxidos metálicos. Los estudios sugirieron que los metabolitos secundarios como fenoles, flavonoides, taninos, saponinas, terpenoides y carbohidratos presentes en el extracto de la planta juegan un papel importante al actuar como agentes reductores y estabilizadores en la síntesis de NP de metales o de óxidos metálicos [87]. Además, la síntesis mediada por microbios se puede lograr de forma intracelular o extracelular según la ubicación donde se forman las NP. En la síntesis extracelular, la biorreducción se produce en la superficie de las células microbianas en presencia de las enzimas disponibles en la superficie. Además, en la biosíntesis intracelular, los iones metálicos se transportan al interior de la célula microbiana y los NP se forman fácilmente allí en presencia de enzimas dentro de la célula [73]. Selvakumari y col. [53] utilizó Camellia sinensis extracto para la biosíntesis de SnO ₂ NP. Demostraron a partir de sus estudios que los compuestos polifenólicos (epicatequina, epigalocatequina, galato de epicatequina y galato de epigalocatequina) presentes en el extracto actúan como agentes de protección y estabilizantes. El SnO ₂ Los NP formados por este método constan de algunos pasos importantes, que incluyen (i) la reducción de Sn ²⁺ a Sn ⁰ , (ii) el efecto reductor de los compuestos fenólicos (–OH) del extracto para formar la especie Sn, y (iii) la transformación térmica de la especie Sn en el SnO ₂ NP. En el SnO ₂ NP sintetizadas con Calotropis gigantean extracto de hojas, los compuestos polifenólicos son responsables de las transformaciones bioquímicas de los iones de estaño [62]. SnO esférico ₂ Se sintetizaron NP de tamaño en el rango de 3,62 a 6,34 nm utilizando extracto de coliflor [52]. Se sugirió que los polifenoles y los flavonoides del extracto se coordinan con los iones metálicos, lo que da como resultado la formación de Sn (OH) ₂ intermedios, que tras la calcinación conduce a la formación de SnO ₂ NP. En otro estudio, Srivastava y Mukhopadhyay [54] informaron síntesis intracelular y extracelular de SnO ₂ esférico NP por las enzimas secretadas por la bacteria E. herbicola . En este método, el Sn ²⁺ Los iones son atrapados por las enzimas extracelulares secretadas por la célula bacteriana o por las proteínas asociadas a la membrana en la superficie celular, y la reducción fue iniciada por las enzimas deshidrogenasas. El Sn ²⁺ los iones se reducen al ganar dos electrones y una molécula de NAD ⁺ se oxida para formar NADH, que finalmente da como resultado la producción de NP Sn extracelulares. Las nanopartículas de Sn biosintetizadas luego son oxidadas por el oxígeno presente en la solución, lo que conduce a la formación de SnO ₂ NP. El análisis FTIR reveló la presencia de moléculas similares a proteínas en la superficie, que brindan soporte natural y estabilidad al SnO ₂ NP. Además, los aminoácidos actúan como agentes protectores o complejantes, minimizando así el uso de sustancias químicas tóxicas durante la síntesis. El posible mecanismo para la síntesis verde de SnO ₂ Los NP se muestran en la Fig.2:

Diagrama que muestra el posible mecanismo para la síntesis biológicamente mediada de óxido metálico (SnO ₂ ) NP

Caracterización de nanopartículas de óxido de estaño

La caracterización de los NP es fundamental para conocer y controlar el procedimiento de síntesis y su aplicación. La morfología de la superficie y los detalles conformacionales sobre el tamaño, la forma, la cristalinidad y el área de la superficie de los NP sintetizados se estudian utilizando diversas técnicas. Algunas de las técnicas utilizadas para caracterizar SnO ₂ sintetizado verde Los NP son UV-Vis, FTIR, XRD, EDS, SEM y TEM. La espectroscopia UV-Vis se utiliza para controlar la formación de nanopartículas mediante el estudio de sus propiedades ópticas. Espectros UV-Vis del SnO ₂ NP sintetizadas con Catunaregam spinosa extracto exhibió el pico de absorción más alto de 223 nm debido a su superficie de resonancia Plasmon [57]. XRD es una técnica poderosa que se utiliza para estudiar la estructura cristalina de los materiales. Bhattacharjee y col. [81] caracterizado SnO ₂ NP con picos de XRD en ángulos de difracción (2 θ ) de 26.7, 34.2, 38.07, 51.9, 54.9, 58.1, 62.1, 64.9, 66.08, 71.6 y 79.07 correspondientes a (110), (101), (200), (211), (220), (002), Planos (310), (112), (301), (202) y (321), respectivamente (Fig.3). Los picos de difracción estándar muestran la estructura de rutilo tetragonal de SnO ₂ NP con un tamaño medio de cristalito de 4,6 nm calculado mediante la ecuación de Debye-Scherer [81].

Patrones XRD de SnO ₂ NP sintetizadas utilizando arginina bajo irradiación de microondas [81]

La espectroscopia FTIR se utiliza para investigar la química de la superficie e identificar los grupos funcionales presentes en la superficie de las NP, que podrían ser responsables de la reducción, limitación y estabilización de las NP [88]. Análisis FTIR de SnO ₂ NP sintetizadas con Pruni flos El extracto mostró bandas de absorción importantes a 3308, 2153, 1634, 423, 403 y 383 cm ⁻¹ . Las bandas fuertes observadas en 3308, 2153 y 1634 cm ⁻¹ se han asignado a las vibraciones de estiramiento de los grupos Sn-OH debido a las moléculas de agua adsorbidas en el SnO ₂ superficie, el estiramiento C – H de los alquinos y las vibraciones C =O de los flavonoides, respectivamente. Las bandas entre 423 y 383 cm ⁻¹ se atribuyen al estiramiento antisimétrico Sn-O-Sn [70]. Las técnicas basadas en microscopía como SEM y TEM se han empleado ampliamente para determinar las propiedades morfológicas de las nanopartículas. Sin embargo, TEM ofrece una mejor resolución e información sobre la estructura interna, como la estructura cristalina y la morfología, en comparación con SEM. Los resultados más precisos de las propiedades de la superficie se pueden obtener mediante el uso de FE-SEM. Estas técnicas también son útiles para estimar el tamaño medio de las nanopartículas sintetizadas [89]. El análisis FE-SEM y TEM reveló la formación de SnO ₂ de forma esférica ligeramente aglomerado NP con un tamaño medio de 30 a 40 nm (Fig. 4) [62].

un Imágenes TEM de SnO ₂ biosintetizado NP; b Imágenes HR-TEM de SnO ₂ NP; c Imágenes FE-SEM de SnO ₂ NP y d Patrones SAED de SnO ₂ NP

Además, el análisis de difracción de electrones de área selectiva (SAED) mostró que las partículas son de naturaleza nanocristalina (Fig. 4) [62]. La formación de forma esférica SnO ₂ NP sintetizados con Piper betle El extracto acuoso se determinó mediante FE-SEM [63]. A partir del análisis TEM y XRD, se encontró que el tamaño promedio de las NP era de 8,4 nm.

EDS es una técnica analítica que se utiliza para analizar la composición elemental de una muestra. Los espectros EDS de SnO ₂ NP sintetizadas con Psidium Guajava El extracto de hoja reveló la presencia de picos de Sn y O, lo que confirma la formación de SnO ₂ puro NP [61].

Aplicación biológica de nanopartículas de óxido de estaño sintetizado verde

SnO ₂ sintetizado verde Los NP mostraron una actividad fotocatalítica, antimicrobiana, antioxidante y anticancerígena mejorada en comparación con su forma a granel. En esta sección, hemos discutido las aplicaciones del SnO ₂ sintetizado verde NP en varios campos como guía para nuevos investigadores para perspectivas futuras.

Actividad antimicrobiana

Muchos investigadores han observado actividad antimicrobiana SnO ₂ NP. Por ejemplo, la actividad antibacteriana de SnO ₂ NP sintetizadas con aloe vera El extracto de planta se estudió utilizando E. coli y S. aureus . Se sugirió que los NP eran más activos contra S. aureus que E. coli [58]. Esto puede deberse a que la pared celular de E. coli es más complejo que S. aureus . S. aureus tiene una membrana compuesta de peptidoglicano espeso. Sin embargo, la pared celular de E. coli tiene una capa de peptidoglicano más una membrana externa compuesta de lipopolisacárido. La membrana externa de E. coli actúa como una barrera que reduce el nivel de penetración de ROS en la célula [90,91,92]. Another reason could be the difference in the polarity of their cell membrane. The membrane of S aureus has a more positive charge than E. coli , which result in greater penetration level of negatively charged free radicals causing more cell damage and death in S. aureus than in E. coli [93, 94]. The antibacterial activity of SnO₂ NPs synthesized using Punica granatum seed extract has been tested against E. coli. The bactericidal effect increased with increasing the concentration of the nanoparticles [95]. SnO ₂ NPs synthesized using Trigonella foenum-graecum seed extract also showed similar antibacterial activity against E. coli [72]. In a recent study, Clerodendrum inerme leave extract was used for the synthesis of un-doped and Co-doped SnO₂ NPs [96]. The green synthesized un-doped and Co-doped SnO₂ NPs were subjected toward antimicrobial activity against five disease-causing pathogens such as E. coli , B. subtillis , A. niger , A. flavus , and C. Albicans, , and their zone of inhibition diameters (ZOIs), minimum inhibitory concentration (MIC), and minimum bactericidal concentration (MBC) were calculated. The Co-doped SnO₂ NPs showed substantial antibacterial activity against E. coli y B. subtillis in a concentration-dependent manner compared to the un-doped SnO₂ NPs, plant extract, and standard drugs in terms of their MIC (22 ± 0.7, 18 ± 0.8 mg/mL) and MBC (31 ± 0.9, 21 ± 0.6 mg/mL) as well as ZOIs (30 ± 0.08, 26 ± 0.06 nm), respectively. The authors suggested that the broad-spectrum antibacterial activity of Co-doped SnO₂ NPs is due to cobalt doping, which leads to increased grain size and surface area of the NPs as compared to un-doped SnO₂ NP. As more is the surface area with smaller particle sizes, the greater will be the antimicrobial activity. The associations of biomolecules like flavonoids and phenolic compounds with Co-doped SnO₂ NPs are also responsible for the enhancement of their antimicrobial activity. Furthermore, the green synthesized Co-doped SnO₂ NPs showed extraordinary antifungal activity with maximum ZOIs of 17 ± 0.04, 23 ± 0.08, and 26 ± 0.06 nm against A. niger , A. flavus, y C. Albicans, respectively, in comparison with plant extract, un-doped SnO₂ NPs, and standard drugs [96].

The actual mechanism of action of SnO₂ NPs against microbial strains is still unknown. However, several mechanisms of action against bacteria have been suggested for metal oxide nanoparticles, such as the decomposition of nanoparticles, electrostatic interaction of nanoparticles with the cell wall of microorganisms, and formation of reactive oxygen species (ROS) by the effect of light radiation [97,98,99]. One possible cause for the antibacterial effect of SnO₂ NPs may be the accumulation of the NPs on the surface of the bacterial cell membrane. The ROS generated due to the presence of SnO₂ NPs interacts with the cell membrane and disturbs the membrane permeability and respiration system of the bacteria, which leads to cell death [72, 95, 100]. For instance, Khan et al. suggested that the release of Sn⁴⁺ y Co ²⁺ is responsible for the damage of bacterial DNA and mitochondria, which inactivates the bacterial enzyme and finally leads to cell death [96].

Antioxidant Activity

Many researchers examined the antioxidant activity of NPs by monitoring the ability in quenching of stable DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) radical into non-radical form (DPPH-H). Kamaraj et al. [101] reported the antioxidant activity of SnO₂ NPs biosynthesized using Cleistanthus Collinus leaves extract. The antioxidant activity of SnO₂ NPs increased with increasing concentration of SnO₂ NPs and reaction time. In another study [95], the free radical scavenging activity of green synthesized SnO₂ NPs increased in a dose-dependent manner. However, the annealed sample exhibited a lower scavenging activity as compared to the as-prepared sample. The decrease in scavenging activity with increasing annealing temperature may be due to a decrease in surface area-to-volume ratio of the NPs. Moreover, the antioxidant efficacy of SnO₂ NPs against DPPH is due to the transfer of electron density between the NPs and the free radical located at nitrogen in DPPH. A similar result was found for SnO₂ NPs synthesized using Trigonelle foenum-graecum aqueous extract [72]. Hong y col. [67] reported significant antioxidant properties of biosynthesized SnO₂ NP. The antioxidant activity of the biosynthesized SnO₂ increased with increasing concentration of the NPs, with IC₅₀ (half-maximal inhibitory concentration) value of 2257.4 µg/ml. Recently, Khan et al. reported significant antioxidant activity of Co-doped SnO₂ NPs, as compared to un-doped SnO₂ NPs and plant extract [96].

Cytotoxic Activity

SnO ₂ NPs synthesized using an aqueous extract of agricultural waste of dried peel of Annona squamosa were evaluated for cytotoxicity test against the hepatocellular carcinoma cell line (HepG2) [64]. TEM results revealed the loss of cell volume, considerable swelling of the cells, and nuclear condensation. The nuclear condensation seen in SnO₂ NP-treated HepG2 cells might be due to the breakdown of chromatin in the nucleus. SnO ₂ NPs inhibited cell proliferation in a dose- and time-dependent manner with an IC₅₀ value of 148 µg/mL. SnO ₂ NPs synthesized using piper nigrum seed extract exhibited higher cytotoxic activity against colorectal (HCT116) and lung (A549) cancer cell lines [69]. The proliferation of both cancer cell lines increased with increasing NPs size. Besides, a gradual decline in cell viability was observed with increasing dosage of SnO₂ NP. The authors concluded that the cytotoxic effect was associated with the generation of oxidative stress from reactive oxygen species (ROS). SnO ₂ NPs fabricated by using Pruni spinosae flos aqueous extract revealed an excellent cytotoxic effect against non-small cell lung cancer cell A549 and lung fibroblast CCD-39Lu cells, in concentration- and time-dependent manner [70]. Recently, Khan et al. [96] investigated the in vitro cytotoxic effect of green synthesized un-doped SnO₂ NPs and Co-doped SnO₂ NPs against mammary gland breast cancer (MCF-7), human amnion (WISH), and human lung fibroblast (WI38) cell lines by a colourimetric technique 3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-diphenyl tetrazdium bromide (MTT) assay. The green synthesized Co-doped SnO₂ NPs showed significant and substantial mortality rate compared to un-doped SnO₂ NPs, plant extract, and standard drug 5-FU (5-5-5-fluorouracil), while un-doped SnO₂ NPs exhibited a similar mortality rate to that of the standard drug, but the lowest cytotoxicity against breast cancer cell line was observed with the plant extract. The cytotoxic effect of the plant extract, green synthesized un-doped SnO₂ , and Co-doped SnO₂ NPs was performed with IC₅₀ values of 31.56 ± 1.4, 26.99 ± 1.9, and 18.15 ± 1.0 µg/mL for MCF-7, and 40.69 ± 0.9, 38.97 ± 0.8, and 36.80 ± 0.6 µg/mL for WI38, and 38.56 ± 0.8, 35.56 ± 0.9, and 31.10 ± 0.7 µg/mL, respectively, and depicted that the cytotoxicity of Co-doped SnO₂ NPs was more proficient as compared to plant extract and un-doped SnO₂ NPs alone. Additionally, the authors reported excellent observational results showing greater in vitro inhibition of breast cancer MCF-7 cell lines in a concentration- and dose-dependent manner. The green synthesized NPs also showed robust cytotoxicity against MCF-7 as compared to WI38 and WISH normal cell lines with Co-doped SnO₂ NPs unveiling higher ROS generation than the un-doped SnO₂ NP. Figure 5 shows the probable cytotoxicity mechanism of green synthesized SnO₂ NPs.

Photocatalytic Activity

The uncontrolled release of toxic chemicals, hazardous textile dyes, and pesticides from various industries into the running water has led to severe environmental problems. These superfluous water contaminants cause long-term adverse effects and pose a real threat to aquatic and human life. Besides, some organic dyes are carcinogenic and toxic. Hence, treating water that contains poisonous chemicals before disposal to the environment is very crucial to reduce environmental pollution. Recent studies have shown that nanostructured semiconductor metal oxides act as an excellent photocatalyst for the removal of various water pollutants [102,103,104,105]. Among the semiconductor metal oxides, SnO₂ is extensively used in the removal of common textile dyes and organic compounds owing to its beneficial characteristics, which include physical and chemical stability, high surface reactivity, high photocatalytic efficiency, low cost, and low toxicity [68, 106]. Manjula et al. [107] synthesized SnO₂ nanoparticles using glucose. The NPs were effectively used as a catalyst in degrading methyl orange (MO) dye. The effect of calcination temperature (150–500 °C) on the photocatalytic activity of the NPs was investigated, and the results revealed that the as-synthesized SnO₂ NPs calcinated at 150 °C is the best photocatalyst for the reaction under study among the studied materials. Moreover, the as-prepared SnO₂ nanoparticles degraded methyl orange completely in 30 min, and also, the nanomaterials may be recycled with enhanced efficiency a minimum of five times. In another study [108], the photocatalytic activity of the SnO₂ QDs (quantum dots) synthesized by using serine was evaluated by monitoring the optical absorption spectra of eosin Y solution under direct sunlight. It was observed that the rate of degradation of eosin Y using SnO₂ QDs (98%) is higher than that using commercial SnO₂ (96%) and P25 (88%). Begum et al. [84] reported the synthesis of SnO₂ NPs using an amino acid, L-lysine monohydrate. The synthesized nanoparticles were evaluated for their photocatalytic behavior toward toxic organic dyes, namely malachite green oxalate (MGO) and Victoria blue B (VBB) under direct sunlight. The absorption peak of these dyes has begun to reduce, which shows that the chromophore structure has been demolished (Fig. 6). Furthermore, the as-prepared SnO₂ NPs exhibited an outstanding photocatalytic degradation of MGO (97.3%) and VBB (98%) dye within 120 min. Literature reports on the photocatalytic activity of green synthesized SnO₂ NPs are summarized in Table 3.

Gas-Sensing Property

Many metal oxide-based gas sensors are widely used for gas-sensing applications. However, SnO₂ NPs has gained tremendous attention in gas sensing under atmospheric conditions because of its beneficial properties, which include high sensitivity, high selectivity, easy reversibility, and cheap manufacturing costs. Green synthesized porous SnO₂ nanospheres demonstrated excellent gas sensing capabilities [107]. It was observed that the assimilation of 0.5 wt% Pd into the SnO₂ matrix improved the sensitivity and made it highly selective for low-temperature hydrogen detection. Moreover, the fabric was able to respond to even 50 ppm H₂ in N₂ at room temperature with an interval of 10 s. These sensing properties are due to the synergetic effect of both the porous structure of SnO₂ nanospheres and also the catalytic property of Pd nanoparticles. Gattu et al. [77] reported the gas-sensing behavior of biosynthesized and chemically synthesized Ni-doped SnO₂ NPs thin films. The biosynthesized Ni-doped SnO₂ NPs thin film showed higher NO₂ gas-sensing response as compared to the chemically synthesized ones. The sensor response was found to be increased with Ni doping for both biosynthesized and chemically synthesized Ni-doped SnO₂ NP. This may be due to the reduction of particle size with Ni-doping, which results in increased surface area for adsorption of NO₂ gas. Furthermore, the Ni-doped SnO₂ thin film exhibited excellent selectivity toward NO₂ gas when put next to other gases like NH₃ , LPG and H₂ S. In another study [78], the gas-sensing properties of un-doped and Fe-doped SnO₂ NPs synthesized using Cicer arietnum L. extract were reported. The gas response within the presence of 100 ppm NH₃ gas at 200 °C operating temperature was found to be 28% for un-doped SnO₂ and 46% for Fe-doped SnO₂ Peliculas delgadas. Moreover, the Fe-doped SnO₂ -based sensor was found to be more selective for NH₃ gas as compared to the un-doped SnO₂ sensor. The biosynthesized Au-doped SnO₂ NPs were found to be highly sensitive to NO₂ gas at 200 °C operating temperature [79]. Gas sensor supported Au-doped SnO₂ NPs showed the gas response of ~ 30% for 100 ppm of NO₂ gas. Additionally, the gas sensor of Au-doped SnO₂ NPs showed excellent selectivity toward NO₂ gas when put next to other gases like H₂ S, LPG, and NH₃ . The improved gas response and selectivity toward NO₂ gas are because of the lattice distortion induced by Au-doping and also the oxygen vacancies generation within the SnO₂ celosía.

Conclusiones

The use of green methods for the production of NPs has been the area of focused research because it is an eco-friendly, inexpensive, nontoxic, and sustainable method. Numerous studies report the possibility of producing SnO₂ NPs via a green protocol using a range of plant materials, bacteria, and natural biomolecules. The literature survey shows that the green substrates act as reducing and stabilizing agents or capping agents regardless of their source. Among the various green methods of SnO₂ synthesis, plant-mediated synthesis is cost-effective, easy to process, and less hazardous than microorganisms. However, the plant extracts consist of a large number of active compounds in a different composition, which makes it difficult to know the exact amount of the molecules responsible for the reduction of metal ions. Due to this complexity, it is difficult to evaluate the synthesis of nanoparticles. Therefore, further study on the mechanism of formation of SnO₂ NPs is required to understand the chemical reactions that occur during the synthesis. With the knowledge of the actual reaction mechanism, it will be possible to monitor and optimize the biosynthesis process, which is essential for the large-scale production of SnO₂ NP. Hence, understanding of the rapidly growing method of synthesis discussed herein will help facilitate future research progress on SnO₂ NPs and their enormous potential for industrial-scale production in the near future.

Disponibilidad de datos y materiales

Not available.

Abreviaturas

NP:: Nanopartículas
SnO₂ NPs:: Tin oxide nanoparticles
UV-Vis:: Espectroscopía ultravioleta visible
SEM:: Microscopía electrónica de barrido
FE-SEM:: Microscopía electrónica de barrido por emisión de campo
TEM:: Microscopía electrónica de transmisión
HR-TEM:: Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución
FTIR:: Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier
EDS:: Análisis de rayos X de energía dispersiva
PSA:: Particle size analyzer
XPS:: X-ray photoemission spectroscopy
SAED:: Selective area electron diffraction

Detector infrarrojo de longitud de onda larga P + –π – M – N + InAs / GaSb Superlattice de alto rendimiento pretratado con vulcanización anódica Formación rápida de nanofibras agrícolas a través de la reducción libre de H2 asistida por nanopartículas de Pt de polímeros que contienen Ag +

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

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