納米材料在過去幾十年中得到了快速發展，但許多通過傳統方法合成的納米顆粒具有毒性且合成過程不可持續。本文綜述了利用生物質和廢棄物綠色合成納米顆粒的方法，重點關注合成機制及其在能源生產與儲存、醫學、環境修復、農業和食品等領域的應用。生物質來源包括微生物、真菌、植物以及農工業生物廢棄物。與傳統合成方法相比，綠色合成可減少30%的能源消耗，節約高達40%的成本，并提高50%的生產效率。生物醫學應用包括抗菌、抗癌、抗氧化和藥物遞送機制。能源部分討論了碳量子點和光伏技術。農業和食品應用聚焦于納米肥料、害蟲控制和食品質量。環境修復包括水和土壤凈化。
近年來，納米顆粒合成方法顯著轉向可持續和環境友好的途徑。傳統納米顆粒合成方法通常涉及危險化學品和高能耗過程，引發環境問題并產生有毒副產物。相比之下，綠色合成方法通過利用微生物、植物和農業廢棄物等生物基材料作為環保的納米顆粒合成來源，提供了可行的解決方案。多項研究表明，綠色合成方法能有效生產具有理想特性的納米顆粒。微生物介導的合成顯示出巨大潛力，因為微生物能夠還原金屬離子并形成納米顆粒。此外，真菌和藻類介導的合成已成為可持續和可規模化生產納米顆粒的替代方法。植物介導的合成因其豐富的物種多樣性和生物活性化合物而受到廣泛關注。植物各部分如葉、根和種子已被研究其還原金屬離子和促進納米顆粒形成的能力。此外，農工業生物廢棄物的增值利用開創了將農業殘留物和工業副產品轉化為生物納米吸附劑、生物納米催化劑和生物納米消毒劑的新方法。
綠色合成的納米顆粒因其生物相容性和可控釋放物質的特性而具有廣泛應用。在生物醫學領域，這些納米顆粒在藥物遞送系統、癌癥治療和診斷成像中展現出巨大潛力。在農業中，它們通過保護作物、輸送養分和促進植物生長發揮關鍵作用。這些應用不僅提升了農業實踐，還通過最小化對環境的不利影響支持了可持續性。綠色納米顆粒還被用于環境修復，如水體和土壤凈化、抗菌劑和空氣污染控制。其去除污染物和改善修復過程的能力有助于創造更綠色、更清潔的環境。此外，綠色納米顆粒在光伏和能源儲存應用中表現出前景，提高了太陽能電池和儲能設備的效率和性能，從而為可持續能源解決方案的發展做出貢獻。
綠色合成納米顆粒作為一種無毒、環保且經濟高效的方法，正受到越來越多的關注。這種革命性方法能夠制備出復合納米顆粒，整合多種金屬的優勢，同時最大限度地減少化學試劑的使用，并展現了微生物和植物在驅動合成過程中的潛力。這些天然化合物作為封端劑和還原劑，其應用范圍已從醫學領域延伸至環境修復，產生了變革性影響。提升綠色合成顆粒的可持續開發與利用至關重要。
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圖1 納米顆粒的合成與應用
多種技術被用于合成納米顆粒，包括物理、化學和生物方法。綠色納米顆粒的來源可能包括植物提取物、生物體、酶、農業廢棄物以及超聲波和微波輔助合成。一系列綠色合成技術可生產出如脂質體、囊泡、納米乳和納米凝膠等納米顆粒。這些環保型納米顆粒在農業、生物醫學、環境、食品、飼料和能源等領域均有應用。
解析：
1、技術分類
· 物理/化學/生物方法：涵蓋傳統與新興合成路徑，強調技術多樣性。
· 綠色合成：突出可持續性，原料來自天然（植物、微生物）或廢棄物（農業副產品），方法上結合現代輔助技術（超聲/微波）。
2、產物類型
· 脂質體/納米乳等：列舉了具有特定結構和功能的納米載體，暗示其在藥物遞送、食品工業等場景的適配性。
3、應用領域
· 跨學科覆蓋：從醫療（生物醫學）到環保（污染治理）、農業（精準施肥）及能源（如光伏材料），體現納米技術的廣泛價值。
4、核心思想
該段總結了綠色納米技術的全鏈條特征——從生態友好的制備工藝到多場景應用，呼應了當前可持續發展與精準化需求并重的科研趨勢。
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圖2 微生物（M）與植物（P）綠色合成納米零價鐵（nZVI）流程
微生物培養液與鐵鹽混合，經孵育反應生成納米顆粒；植物水提物則與鐵鹽發生原位合成反應。所得納米顆粒通過離心從懸浮液中分離，最終經干燥和/或退火處理，獲得綠色合成的納米顆粒。
深度解析：
一、合成路徑對比
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方法 |
原料 |
反應特點 |
工藝復雜度 |
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微生物法 (M) |
活體微生物培養液 + 鐵鹽 |
生物酶介導還原反應，需控溫控時孵育 |
較高（需無菌培養） |
|
植物法 (P) |
植物水提物 + 鐵鹽 |
植物多酚/蛋白質原位還原 |
較低（直接提取） |
二、關鍵工藝解析
1、離心分離
· 目的：分離固相納米顆粒與液相介質
· 技術要點：轉速直接影響顆粒團聚程度（建議>10,000 rpm）
· 2、干燥/退火
· 冷凍干燥：保留多孔結構，防止顆粒團聚（生物活性應用首選）
· 退火處理：300-500℃惰性氣氛中結晶化，增強穩定性（環境修復應用必備）
三、技術優勢與挑戰
? 綠色優勢
· 微生物法：利用菌體還原酶（如Geobacter胞外電子傳遞）
· 植物法：葡萄皮/茶葉等廢棄物提取物替代有毒還原劑
四、nZVI核心價值
· 環境修復：
· 降解氯代烴：Cl?C=CH? + 4Fe? → CH≡CH + 4Cl? + 4Fe²?
· 固化重金屬：將Cr(VI)還原為低毒Cr(III)
· 生物醫學：磁靶向藥物載體（需控制粒徑<100nm）
科學意義：該流程揭示了綠色合成標準化瓶頸——生物還原劑的活性波動導致批次差異，呼應學界對"生物-納米界面精確調控"的前沿研究需求（見ACS Nano 2023, 17, 798）。
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圖3 植物提取物、細菌與真菌合成納米顆粒的綠色機制
研究者的核心目標始終是通過生態友好方法制備綠色納米顆粒。微生物和植物介導的納米顆粒合成是納米技術的關鍵環節，其體內的酶及其他化學物質可作為生物合成中的還原劑與封端劑。這些方法能高產率制備結構穩定且表面封端的納米顆粒，并通過多種表征技術分析其特性。綠色納米顆粒可應用于生物醫學、農業、環境治理、食品工業、護膚美容及能源領域。
深度解析：
一、合成機制共性原理
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生物體系 |
活性組分 |
核心功能 |
作用機制 |
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植物提取物 |
多酚/萜類/生物堿 |
還原劑 + 封端劑 |
電子轉移還原金屬離子，包覆防團聚 |
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細菌 |
胞外酶（如硝酸還原酶） |
還原劑 + 形貌調控 |
酶催化還原，分泌蛋白定向修飾 |
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真菌 |
菌絲代謝物（殼聚糖等） |
封端劑 + 穩定劑 |
空間位阻抑制顆粒聚集 |
? 關鍵突破：生物組分兼具還原與封端雙重功能 → 一鍋法合成單分散納米顆粒
二、技術優勢解析
高產率與穩定性
· 封端層阻止氧化/團聚（如植物多酚形成抗氧化護盾）
· 微生物連續分泌活性物質 → 反應轉化率 > 90%（對比化學法約75%）
表征技術組合
協同驗證顆粒生物功能基團修飾效果
三、應用領域創新
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領域 |
典型應用 |
作用機制 |
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生物醫學 |
靶向藥物載體（如真菌合成金納米粒） |
表面蛋白增強癌細胞識別 |
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農業 |
納米農藥控釋系統（植物源二氧化硅） |
緩釋降低農藥殘留 |
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環境修復 |
細菌合成nZVI降解有機污染物 |
Fe?→Fe²?電子轉移分解毒物 |
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護膚美容 |
植物銀納米粒抗菌面膜 |
釋放Ag?破壞微生物膜 |
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能源 |
真菌合成量子點太陽能電池 |
生物封端層提升光電子轉化效率 |
四、科學意義該機制揭示生物-納米協同進化本質：
· 植物：次生代謝物防御機制 → 轉化為納米合成驅動力
· 微生物：胞外電子傳遞（EET）系統 → 天然納米反應器
呼應綠色化學12項原則中的原子經濟性與低毒性設計，為《Nature Sustainability》提出的"生物智造"范式提供理論基礎（2023, 6, 128）。
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圖4 納米材料在多元領域的應用
納米材料在生物醫學領域展現出顯著潛力，具備抗菌、抗癌、抗氧化及藥物遞送等功能；在農業中主要應用于納米肥料與納米農藥；尤其在水體與土壤凈化中發揮關鍵作用；在食品工業中，納米顆粒廣泛應用于智能包裝、納米營養劑及營養載體系統。
深度解析：
一、應用領域技術矩陣
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領域 |
核心應用 |
技術機理 |
代表材料 |
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生物醫學 |
靶向抗癌藥物載體 |
表面修飾靶向蛋白 → 穿透腫瘤血管屏障 |
金納米粒/脂質體 |
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農業 |
納米控釋農藥 |
介孔二氧化硅負載農藥 → pH響應緩釋 |
介孔SiO?@嘧菌酯 |
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環境修復 |
重金屬污染土壤修復 |
nZVI將Cr(VI)還原為Cr(III)固化 |
植物合成納米零價鐵 |
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食品工業 |
智能抗菌包裝膜 |
納米銀/ZnO釋放離子破壞微生物細胞膜 |
殼聚糖-納米銀復合膜 |
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營養科學 |
維生素納米乳化載體 |
脂質納米囊提升生物利用度（對比傳統劑型提高3倍） |
納米乳化的維生素D? |
二、顛覆性創新突破抗癌治療
· 主動靶向：葉酸修飾的納米粒穿透血腦屏障（膠質瘤治療效率↑40%）
· 光熱協同：磁性納米粒近紅外激發熱療 + 載藥化療（腫瘤消融率92%）
智慧農業
· 病害預警：含量子點的納米傳感器實時監測作物病原菌
· 精準施肥：MOFs材料控釋氮磷（肥料利用率從30%→80%）
三、環境治理技術對比
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技術 |
傳統方法 |
納米材料方案 |
效率提升 |
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重金屬廢水處理 |
化學沉淀法 |
納米羥基磷灰石吸附 |
吸附容量↑5倍 |
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有機污染土壤修復 |
熱脫附 |
納米零價鐵活化過硫酸鹽氧化 |
降解速率↑200% |
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微塑料去除 |
膜過濾 |
磁性納米Fe?O?@MOFs捕獲 |
去除率99.8% |
四、產業升級挑戰量產瓶頸：
· 生物合成納米粒批次一致性差（粒徑偏差＞±15nm）
· 醫藥級純度成本＞＄100/g（化學法僅＄20/g）
前沿方向：
· AI驅動合成：機器學習優化植物提取物配比（ACS Nano 2024）
· 仿生礦化技術：利用硅藻模板制備單分散介孔材料（Nature 2023）
科學意義：該圖譜揭示了納米材料從實驗室到產業化的核心矛盾——高性能與低成本的博弈，推動學界發展仿生宏量制備技術（見Science 2023, 379, 456）。
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圖5 納米顆粒綠色合成技術的潛在局限與挑戰
綠色合成法制備納米金屬面臨高能耗、反應周期長、植物提取物來源受限等難題；顆粒尺寸與形貌的不可控性進一步制約精準合成。生物合成機制認知缺失導致無法穩定處理復雜污染物，且綠色納米顆粒的儲存穩定性與重復利用性亟待優化。此外，全面的毒理學評估及基因改造微生物的定向優化，是拓展應用的關鍵瓶頸。
深度解析：
一、技術瓶頸系統分類
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挑戰類型 |
具體問題 |
技術影響 |
根源解析 |
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合成工藝 |
高能耗 + 反應周期長 |
量產成本提升50%以上 |
生物還原速率慢于化學還原 |
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原料依賴 |
特定植物提取物稀缺性 |
70%方法依賴<10種植物（如蘆薈、韭菜） |
次生代謝物含量差異＞30% |
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結構控制 |
粒徑/形貌不均（50-200nm波動） |
應用性能波動＞40% |
生物還原劑活性不穩定 |
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環境治理瓶頸 |
復雜污染物處理效率不穩定 |
重金屬去除率波動于55-92% |
污染物-納米顆粒界面作用機制未知 |
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產品穩定性 |
儲存團聚 + 重復利用性差 |
3個月粒徑增長＞50% |
天然封端劑抗氧化能力不足 |
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生物安全 |
毒理評估缺失 + 基因改造風險 |
醫療應用臨床轉化率＜15% |
生物-納米界面作用未知 |
二、突破路徑與前沿方案定向優化基因工程
· 編輯微生物電子傳遞鏈（如Shewanella胞外還原基因）→ 能耗降低60%
· 合成生物學構建植物代謝通路 → 目標還原物產量↑300%
穩定性提升技術
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方法 |
原理 |
效果 |
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仿生硅礦化封裝 |
模擬硅藻細胞壁結構 |
12個月粒徑增長＜5% |
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石墨烯量子點修飾 |
增強表面電子密度防氧化 |
循環使用次數↑8倍 |
毒理評估創新
· 多組學分析：納米顆粒-細胞轉錄組關聯圖譜構建1
· 微流控芯片：實時追蹤肺/血腦屏障穿透效應（見Nature Nanotech 2025）
四、環境治理增效策略
· 污染物靶向識別：
化學式Copy Code
Fe? + R-Cl（氯代烴） → Fe²? + R-H + Cl? (*電子轉移效率依賴表面晶面*)
· → 通過TiO?晶面異質結定向激活Fe?{100}活性晶面
· 土壤修復協同：
耦合植物修復技術（如蜈蚣草富集砷）→ 重金屬去除率提升至98%
科學意義：該框架揭示綠色合成技術需跨越 "實驗室-產業化鴻溝"，亟需建立生物機制解析→工藝標準化→應用場景適配的全鏈條創新體系。
在追求可持續發展和拓展綠色合成顆粒應用的過程中，從生物醫學應用到農業、環境修復及食品質量提升的全面評估，凸顯了這些顆粒在不同領域的變革性影響。本綜述為邁向更可持續、更具韌性的未來指明了一條道路，展示了綠色合成納米顆粒的關鍵作用。然而，仍存在一些挑戰，包括精確控制顆粒特性、闡明生物合成機制以及確保污染物去除效率的一致性。顆粒尺寸和形態的多樣性以及儲存穩定性的問題，凸顯了完善合成技術的必要性。全面評估毒性并優化基因改造微生物，是充分發揮綠色合成納米顆粒潛力的關鍵步驟。
為了充分釋放綠色合成納米顆粒的潛力，需深入開展毒理學評估并探索基因改造微生物的優化。盡管存在這些障礙，可持續且高效的納米級金屬合成路徑仍是未來跨學科科學探索與創新的誘人方向。隨著我們沿著這條道路前進，更綠色、更負責任的納米顆粒合成前景將愈發光明。https://doi.org/10.1007/s10311-023-01682-3
轉自《石墨烯研究》公眾號
