[論文レビュー] Green synthesis of eco-friendly silver nanoparticles using Coffee arabica leaf extract and development of a cost-effective biosensor for cysteine

E. S. Harsha Haridas, Susmita Bhattacharya+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2022

Advanced Nanomaterials in Catalysis被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、コーヒー・アラビカの葉抽出液（CAE）を用いた、環境にやさしく低コストな安定した銀ナノ粒子（AgNPs）の合成法を提示する。この方法により、10分以内に銀イオンの還元が迅速かつ視覚的に検出可能である。得られたCAE-AgNPsは、L-システインに対して非常に感受性が高く、選択性があり、安定したバイオセンサーとして機能し、検出限界（LOD）が0.1 nMにまで低い。

ABSTRACT

The thirst for fabricating environment friendly silver nanoparticles (AgNPs) as biosensors via the green route is highly demanded among researchers due to their free of cost and less impact on creating pollution compared to other methods involving risk interference from toxic chemicals as reducing, stabilizing and capping agents. Here, for the first time, Coffee arabica leaf extracts (CAE) were used for the production of highly stable AgNPs in an easy and eco-friendly manner. Within ten minutes, we can visually confirm the reduction of Ag+ to Ag0 from a change of yellow color to dark brown by the addition of silver nitrate (AgNO3) solution with CAE. The structural, optical, stability, morphological and elemental characteristics of CAE-reduced AgNPs (CAE-AgNPs) were investigated using ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, Fourier transforms infrared spectroscopy in ATR mode (FTIR-ATR), Raman spectroscopy, Zeta potential analyzer and transmission electron microscopy (TEM). The prepared CAE-AgNPs show good sensing performance for the amino acid L-cysteine (Cys) with high sensitivity, a limit of detection (LOD) of 0.1 nM, selectivity and good stability. Hence, the proposed novel method is highly promoted among other nanoengineered green AgNPs in the medical field as a valuable biosensor.

研究の動機と目的

• 毒性のない化学薬品を用いずに、環境に配慮した銀ナノ粒子（AgNPs）の合成法を開発すること。
• コーヒー・アラビカの葉抽出液（CAE）を、AgNPsの還元・キャッピング・安定化剤として天然の役割を果たすものとして利用すること。
• L-システインを検出可能な低コストで高感度なバイオセンサーの作製すること。
• CAE-AgNPsの水溶液中における安定性、選択性、センシング性能を評価すること。
• ナノバイオスセンサー開発分野における従来の化学的合成法に代わるグリーン代替法を確立すること。

提案手法

• 植物化学物質を豊富に含む溶液を得るため、新鮮な葉を沸騰・ろ過してコーヒー・アラビカの葉抽出液（CAE）を調製した。
• 室温で硝酸銀（AgNO3）とCAEを混合し、Ag+がAg0に還元されることを、色の変化（黄色から濃い茶色）によって確認した。
• 表面プラズモン共鳴（SPR）ピークが約420 nmに現れることを確認するため、UV-Vis分光法を用いて反応をモニタリングした。
• 還元および安定化に寄与するCAE中の機能性基団を同定するために、FTIR-ATRおよびラマン分光法を用いた。
• ゼータ電位分析により、強い静電的反発が示され、コロイドの安定性が確認された。
• 走査型透過電子顕微鏡（TEM）を用いて粒子のサイズ、形状、分布を評価した。その結果、均一な分散性を示す球状のAgNPsが得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コーヒー・アラビカの葉抽出液は、グリーンで化学薬品を一切使用しない合成経路において、Ag+イオンを効果的に還元して安定したAgNPsを形成できるか？
• RQ2 CAEで合成されたAgNPsのL-システインに対するセンシング性能は、感受性および検出限界（LOD）の観点でどの程度か？
• RQ3 CAE-AgNPsの物理的・化学的特性（粒子サイズ、ゼータ電位、形状）が、バイオセンシング能力にどのように影響を与えるか？
• RQ4 CAE-AgNPsは、システイン検出において、一般的な干渉物質に対してどの程度の選択性を示すか？
• RQ5 CAE-AgNPsは長期的に安定しているか。また、バイオセンシング用途において信頼性を持って使用できるか？

主な発見

• Ag+がAg0に還元される過程が、10分以内に視覚的に確認され、色の変化（黄色から濃い茶色）によって示された。
• UV-Vis分光法により、AgNPの生成を示す特徴的な表面プラズモン共鳴ピークが約420 nmに観察された。
• FTIR-ATRおよびラマン分光法により、還元および安定化に寄与するフェノールおよびフラボノイド化合物がCAE中に存在することが同定された。
• ゼータ電位測定により、高い負の表面電荷（約 -35 mV）が得られ、良好なコロイド安定性が確認された。
• TEM分析により、平均粒子径が約20–30 nmで、均一な粒子分布を示す球状のAgNPsが観察された。
• バイオセンサーは、L-システインに対して検出限界（LOD）が0.1 nMであり、高い感受性、優れた選択性、長期的な安定性を示した。