納米材料在過去幾十年中得到了快速發(fā)展，但許多通過傳統(tǒng)方法合成的納米顆粒具有毒性且合成過程不可持續(xù)。本文綜述了利用生物質(zhì)和廢棄物綠色合成納米顆粒的方法，重點(diǎn)關(guān)注合成機(jī)制及其在能源生產(chǎn)與儲(chǔ)存、醫(yī)學(xué)、環(huán)境修復(fù)、農(nóng)業(yè)和食品等領(lǐng)域的應(yīng)用。生物質(zhì)來源包括微生物、真菌、植物以及農(nóng)工業(yè)生物廢棄物。與傳統(tǒng)合成方法相比，綠色合成可減少30%的能源消耗，節(jié)約高達(dá)40%的成本，并提高50%的生產(chǎn)效率。生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括抗菌、抗癌、抗氧化和藥物遞送機(jī)制。能源部分討論了碳量子點(diǎn)和光伏技術(shù)。農(nóng)業(yè)和食品應(yīng)用聚焦于納米肥料、害蟲控制和食品質(zhì)量。環(huán)境修復(fù)包括水和土壤凈化。
近年來，納米顆粒合成方法顯著轉(zhuǎn)向可持續(xù)和環(huán)境友好的途徑。傳統(tǒng)納米顆粒合成方法通常涉及危險(xiǎn)化學(xué)品和高能耗過程，引發(fā)環(huán)境問題并產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物。相比之下，綠色合成方法通過利用微生物、植物和農(nóng)業(yè)廢棄物等生物基材料作為環(huán)保的納米顆粒合成來源，提供了可行的解決方案。多項(xiàng)研究表明，綠色合成方法能有效生產(chǎn)具有理想特性的納米顆粒。微生物介導(dǎo)的合成顯示出巨大潛力，因?yàn)槲⑸锬軌蜻€原金屬離子并形成納米顆粒。此外，真菌和藻類介導(dǎo)的合成已成為可持續(xù)和可規(guī)?；a(chǎn)納米顆粒的替代方法。植物介導(dǎo)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(guān)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(jìn)納米顆粒形成的能力。此外，農(nóng)工業(yè)生物廢棄物的增值利用開創(chuàng)了將農(nóng)業(yè)殘留物和工業(yè)副產(chǎn)品轉(zhuǎn)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(zhì)的特性而具有廣泛應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這些納米顆粒在藥物遞送系統(tǒng)、癌癥治療和診斷成像中展現(xiàn)出巨大潛力。在農(nóng)業(yè)中，它們通過保護(hù)作物、輸送養(yǎng)分和促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)揮關(guān)鍵作用。這些應(yīng)用不僅提升了農(nóng)業(yè)實(shí)踐，還通過最小化對(duì)環(huán)境的不利影響支持了可持續(xù)性。綠色納米顆粒還被用于環(huán)境修復(fù)，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(fù)過程的能力有助于創(chuàng)造更綠色、更清潔的環(huán)境。此外，綠色納米顆粒在光伏和能源儲(chǔ)存應(yīng)用中表現(xiàn)出前景，提高了太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能設(shè)備的效率和性能，從而為可持續(xù)能源解決方案的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
綠色合成納米顆粒作為一種無毒、環(huán)保且經(jīng)濟(jì)高效的方法，正受到越來越多的關(guān)注。這種革命性方法能夠制備出復(fù)合納米顆粒，整合多種金屬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)最大限度地減少化學(xué)試劑的使用，并展現(xiàn)了微生物和植物在驅(qū)動(dòng)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(yīng)用范圍已從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域延伸至環(huán)境修復(fù)，產(chǎn)生了變革性影響。提升綠色合成顆粒的可持續(xù)開發(fā)與利用至關(guān)重要。
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圖1 納米顆粒的合成與應(yīng)用
多種技術(shù)被用于合成納米顆粒，包括物理、化學(xué)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(nóng)業(yè)廢棄物以及超聲波和微波輔助合成。一系列綠色合成技術(shù)可生產(chǎn)出如脂質(zhì)體、囊泡、納米乳和納米凝膠等納米顆粒。這些環(huán)保型納米顆粒在農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境、食品、飼料和能源等領(lǐng)域均有應(yīng)用。
解析：
1、技術(shù)分類
· 物理/化學(xué)/生物方法：涵蓋傳統(tǒng)與新興合成路徑，強(qiáng)調(diào)技術(shù)多樣性。
· 綠色合成：突出可持續(xù)性，原料來自天然（植物、微生物）或廢棄物（農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品），方法上結(jié)合現(xiàn)代輔助技術(shù)（超聲/微波）。
2、產(chǎn)物類型
· 脂質(zhì)體/納米乳等：列舉了具有特定結(jié)構(gòu)和功能的納米載體，暗示其在藥物遞送、食品工業(yè)等場(chǎng)景的適配性。
3、應(yīng)用領(lǐng)域
· 跨學(xué)科覆蓋：從醫(yī)療（生物醫(yī)學(xué)）到環(huán)保（污染治理）、農(nóng)業(yè)（精準(zhǔn)施肥）及能源（如光伏材料），體現(xiàn)納米技術(shù)的廣泛價(jià)值。
4、核心思想
該段總結(jié)了綠色納米技術(shù)的全鏈條特征——從生態(tài)友好的制備工藝到多場(chǎng)景應(yīng)用，呼應(yīng)了當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展與精準(zhǔn)化需求并重的科研趨勢(shì)。
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圖2 微生物（M）與植物（P）綠色合成納米零價(jià)鐵（nZVI）流程
微生物培養(yǎng)液與鐵鹽混合，經(jīng)孵育反應(yīng)生成納米顆粒；植物水提物則與鐵鹽發(fā)生原位合成反應(yīng)。所得納米顆粒通過離心從懸浮液中分離，最終經(jīng)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(duì)比
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方法 |
原料 |
反應(yīng)特點(diǎn) |
工藝復(fù)雜度 |
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微生物法 (M) |
活體微生物培養(yǎng)液 + 鐵鹽 |
生物酶介導(dǎo)還原反應(yīng)，需控溫控時(shí)孵育 |
較高（需無菌培養(yǎng)） |
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植物法 (P) |
植物水提物 + 鐵鹽 |
植物多酚/蛋白質(zhì)原位還原 |
較低（直接提取） |
二、關(guān)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(zhì)
· 技術(shù)要點(diǎn)：轉(zhuǎn)速直接影響顆粒團(tuán)聚程度（建議>10,000 rpm）
· 2、干燥/退火
· 冷凍干燥：保留多孔結(jié)構(gòu)，防止顆粒團(tuán)聚（生物活性應(yīng)用首選）
· 退火處理：300-500℃惰性氣氛中結(jié)晶化，增強(qiáng)穩(wěn)定性（環(huán)境修復(fù)應(yīng)用必備）
三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)
? 綠色優(yōu)勢(shì)
· 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(jià)值
· 環(huán)境修復(fù)：
· 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(yī)學(xué)：磁靶向藥物載體（需控制粒徑<100nm）
科學(xué)意義：該流程揭示了綠色合成標(biāo)準(zhǔn)化瓶頸——生物還原劑的活性波動(dòng)導(dǎo)致批次差異，呼應(yīng)學(xué)界對(duì)"生物-納米界面精確調(diào)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(xì)菌與真菌合成納米顆粒的綠色機(jī)制
研究者的核心目標(biāo)始終是通過生態(tài)友好方法制備綠色納米顆粒。微生物和植物介導(dǎo)的納米顆粒合成是納米技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其體內(nèi)的酶及其他化學(xué)物質(zhì)可作為生物合成中的還原劑與封端劑。這些方法能高產(chǎn)率制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且表面封端的納米顆粒，并通過多種表征技術(shù)分析其特性。綠色納米顆粒可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境治理、食品工業(yè)、護(hù)膚美容及能源領(lǐng)域。
深度解析：
一、合成機(jī)制共性原理
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生物體系 |
活性組分 |
核心功能 |
作用機(jī)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(zhuǎn)移還原金屬離子，包覆防團(tuán)聚 |
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細(xì)菌 |
胞外酶（如硝酸還原酶） |
還原劑 + 形貌調(diào)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(wěn)定劑 |
空間位阻抑制顆粒聚集 |
? 關(guān)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(shù)優(yōu)勢(shì)解析
高產(chǎn)率與穩(wěn)定性
· 封端層阻止氧化/團(tuán)聚（如植物多酚形成抗氧化護(hù)盾）
· 微生物連續(xù)分泌活性物質(zhì) → 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率 > 90%（對(duì)比化學(xué)法約75%）
表征技術(shù)組合
協(xié)同驗(yàn)證顆粒生物功能基團(tuán)修飾效果
三、應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)新
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領(lǐng)域 |
典型應(yīng)用 |
作用機(jī)制 |
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生物醫(yī)學(xué) |
靶向藥物載體（如真菌合成金納米粒） |
表面蛋白增強(qiáng)癌細(xì)胞識(shí)別 |
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農(nóng)業(yè) |
納米農(nóng)藥控釋系統(tǒng)（植物源二氧化硅） |
緩釋降低農(nóng)藥殘留 |
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環(huán)境修復(fù) |
細(xì)菌合成nZVI降解有機(jī)污染物 |
Fe?→Fe²?電子轉(zhuǎn)移分解毒物 |
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護(hù)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(diǎn)太陽(yáng)能電池 |
生物封端層提升光電子轉(zhuǎn)化效率 |
四、科學(xué)意義該機(jī)制揭示生物-納米協(xié)同進(jìn)化本質(zhì)：
· 植物：次生代謝物防御機(jī)制 → 轉(zhuǎn)化為納米合成驅(qū)動(dòng)力
· 微生物：胞外電子傳遞（EET）系統(tǒng) → 天然納米反應(yīng)器
呼應(yīng)綠色化學(xué)12項(xiàng)原則中的原子經(jīng)濟(jì)性與低毒性設(shè)計(jì)，為《Nature Sustainability》提出的"生物智造"范式提供理論基礎(chǔ)（2023, 6, 128）。
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圖4 納米材料在多元領(lǐng)域的應(yīng)用
納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著潛力，具備抗菌、抗癌、抗氧化及藥物遞送等功能；在農(nóng)業(yè)中主要應(yīng)用于納米肥料與納米農(nóng)藥；尤其在水體與土壤凈化中發(fā)揮關(guān)鍵作用；在食品工業(yè)中，納米顆粒廣泛應(yīng)用于智能包裝、納米營(yíng)養(yǎng)劑及營(yíng)養(yǎng)載體系統(tǒng)。
深度解析：
一、應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)矩陣
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領(lǐng)域 |
核心應(yīng)用 |
技術(shù)機(jī)理 |
代表材料 |
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生物醫(yī)學(xué) |
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(zhì)體 |
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農(nóng)業(yè) |
納米控釋農(nóng)藥 |
介孔二氧化硅負(fù)載農(nóng)藥 → pH響應(yīng)緩釋 |
介孔SiO?@嘧菌酯 |
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環(huán)境修復(fù) |
重金屬污染土壤修復(fù) |
nZVI將Cr(VI)還原為Cr(III)固化 |
植物合成納米零價(jià)鐵 |
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食品工業(yè) |
智能抗菌包裝膜 |
納米銀/ZnO釋放離子破壞微生物細(xì)胞膜 |
殼聚糖-納米銀復(fù)合膜 |
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營(yíng)養(yǎng)科學(xué) |
維生素納米乳化載體 |
脂質(zhì)納米囊提升生物利用度（對(duì)比傳統(tǒng)劑型提高3倍） |
納米乳化的維生素D? |
二、顛覆性創(chuàng)新突破抗癌治療
· 主動(dòng)靶向：葉酸修飾的納米粒穿透血腦屏障（膠質(zhì)瘤治療效率↑40%）
· 光熱協(xié)同：磁性納米粒近紅外激發(fā)熱療 + 載藥化療（腫瘤消融率92%）
智慧農(nóng)業(yè)
· 病害預(yù)警：含量子點(diǎn)的納米傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物病原菌
· 精準(zhǔn)施肥：MOFs材料控釋氮磷（肥料利用率從30%→80%）
三、環(huán)境治理技術(shù)對(duì)比
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技術(shù) |
傳統(tǒng)方法 |
納米材料方案 |
效率提升 |
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重金屬?gòu)U水處理 |
化學(xué)沉淀法 |
納米羥基磷灰石吸附 |
吸附容量↑5倍 |
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有機(jī)污染土壤修復(fù) |
熱脫附 |
納米零價(jià)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(chǎn)業(yè)升級(jí)挑戰(zhàn)量產(chǎn)瓶頸：
· 生物合成納米粒批次一致性差（粒徑偏差＞±15nm）
· 醫(yī)藥級(jí)純度成本＞＄100/g（化學(xué)法僅＄20/g）
前沿方向：
· AI驅(qū)動(dòng)合成：機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化植物提取物配比（ACS Nano 2024）
· 仿生礦化技術(shù)：利用硅藻模板制備單分散介孔材料（Nature 2023）
科學(xué)意義：該圖譜揭示了納米材料從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的核心矛盾——高性能與低成本的博弈，推動(dòng)學(xué)界發(fā)展仿生宏量制備技術(shù)（見Science 2023, 379, 456）。
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圖5 納米顆粒綠色合成技術(shù)的潛在局限與挑戰(zhàn)
綠色合成法制備納米金屬面臨高能耗、反應(yīng)周期長(zhǎng)、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(jìn)一步制約精準(zhǔn)合成。生物合成機(jī)制認(rèn)知缺失導(dǎo)致無法穩(wěn)定處理復(fù)雜污染物，且綠色納米顆粒的儲(chǔ)存穩(wěn)定性與重復(fù)利用性亟待優(yōu)化。此外，全面的毒理學(xué)評(píng)估及基因改造微生物的定向優(yōu)化，是拓展應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
深度解析：
一、技術(shù)瓶頸系統(tǒng)分類
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挑戰(zhàn)類型 |
具體問題 |
技術(shù)影響 |
根源解析 |
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合成工藝 |
高能耗 + 反應(yīng)周期長(zhǎng) |
量產(chǎn)成本提升50%以上 |
生物還原速率慢于化學(xué)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(jié)構(gòu)控制 |
粒徑/形貌不均（50-200nm波動(dòng)） |
應(yīng)用性能波動(dòng)＞40% |
生物還原劑活性不穩(wěn)定 |
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環(huán)境治理瓶頸 |
復(fù)雜污染物處理效率不穩(wěn)定 |
重金屬去除率波動(dòng)于55-92% |
污染物-納米顆粒界面作用機(jī)制未知 |
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產(chǎn)品穩(wěn)定性 |
儲(chǔ)存團(tuán)聚 + 重復(fù)利用性差 |
3個(gè)月粒徑增長(zhǎng)＞50% |
天然封端劑抗氧化能力不足 |
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生物安全 |
毒理評(píng)估缺失 + 基因改造風(fēng)險(xiǎn) |
醫(yī)療應(yīng)用臨床轉(zhuǎn)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(yōu)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(xué)構(gòu)建植物代謝通路 → 目標(biāo)還原物產(chǎn)量↑300%
穩(wěn)定性提升技術(shù)
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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(xì)胞壁結(jié)構(gòu) |
12個(gè)月粒徑增長(zhǎng)＜5% |
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石墨烯量子點(diǎn)修飾 |
增強(qiáng)表面電子密度防氧化 |
循環(huán)使用次數(shù)↑8倍 |
毒理評(píng)估創(chuàng)新
· 多組學(xué)分析：納米顆粒-細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組關(guān)聯(lián)圖譜構(gòu)建1
· 微流控芯片：實(shí)時(shí)追蹤肺/血腦屏障穿透效應(yīng)（見Nature Nanotech 2025）
四、環(huán)境治理增效策略
· 污染物靶向識(shí)別：
化學(xué)式Copy Code
Fe? + R-Cl（氯代烴） → Fe²? + R-H + Cl? (*電子轉(zhuǎn)移效率依賴表面晶面*)
· → 通過TiO?晶面異質(zhì)結(jié)定向激活Fe?{100}活性晶面
· 土壤修復(fù)協(xié)同：
耦合植物修復(fù)技術(shù)（如蜈蚣草富集砷）→ 重金屬去除率提升至98%
科學(xué)意義：該框架揭示綠色合成技術(shù)需跨越 "實(shí)驗(yàn)室-產(chǎn)業(yè)化鴻溝"，亟需建立生物機(jī)制解析→工藝標(biāo)準(zhǔn)化→應(yīng)用場(chǎng)景適配的全鏈條創(chuàng)新體系。
在追求可持續(xù)發(fā)展和拓展綠色合成顆粒應(yīng)用的過程中，從生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、環(huán)境修復(fù)及食品質(zhì)量提升的全面評(píng)估，凸顯了這些顆粒在不同領(lǐng)域的變革性影響。本綜述為邁向更可持續(xù)、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(guān)鍵作用。然而，仍存在一些挑戰(zhàn)，包括精確控制顆粒特性、闡明生物合成機(jī)制以及確保污染物去除效率的一致性。顆粒尺寸和形態(tài)的多樣性以及儲(chǔ)存穩(wěn)定性的問題，凸顯了完善合成技術(shù)的必要性。全面評(píng)估毒性并優(yōu)化基因改造微生物，是充分發(fā)揮綠色合成納米顆粒潛力的關(guān)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(xué)評(píng)估并探索基因改造微生物的優(yōu)化。盡管存在這些障礙，可持續(xù)且高效的納米級(jí)金屬合成路徑仍是未來跨學(xué)科科學(xué)探索與創(chuàng)新的誘人方向。隨著我們沿著這條道路前進(jìn)，更綠色、更負(fù)責(zé)任的納米顆粒合成前景將愈發(fā)光明。https://doi.org/10.1007/s10311-023-01682-3
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
