[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究提出了一种绿色、低成本的合成稳定银纳米颗粒（AgNPs）的方法，利用咖啡阿拉比卡叶提取物（CAE），可在10分钟内实现银离子还原的快速、可视化检测。所得CAE-AgNPs作为生物传感器对L-半胱氨酸具有高灵敏度、高选择性及良好的稳定性，检测限（LOD）低至0.1 nM。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无需有毒化学品的环境可持续银纳米颗粒（AgNPs）合成方法。
• 利用咖啡阿拉比卡叶提取物（CAE）作为天然还原剂、封端剂和稳定剂合成AgNPs。
• 制备一种成本低廉、高灵敏度的L-半胱氨酸检测生物传感器。
• 评估CAE-AgNPs在水相环境中的稳定性、选择性及传感性能。
• 为纳米生物传感器开发建立一种绿色替代传统化学合成方法的途径。

提出的方法

• 通过煮沸并过滤新鲜叶片制备咖啡阿拉比卡叶提取物（CAE），获得富含植物化学成分的溶液。
• 在室温下将硝酸银（AgNO3）与CAE混合，诱导Ag+还原为Ag0，通过颜色由黄色变为深棕色确认反应发生。
• 采用紫外-可见光谱法监测表面等离子体共振（SPR）吸收峰，约420 nm处的特征峰表明AgNPs形成。
• 利用傅里叶变换红外光谱-衰减全反射（FTIR-ATR）和拉曼光谱法，鉴定CAE中负责还原与稳定AgNPs的功能基团。
• ζ电位分析证实胶体稳定性，测量值表明存在强电荷排斥作用。
• 采用透射电子显微镜（TEM）测定颗粒尺寸、形貌及分布，结果显示为球形AgNPs，分散性良好。

实验结果

研究问题

• RQ1 咖啡阿拉比卡叶提取物能否在绿色、无化学试剂的合成路径中有效将Ag+离子还原为稳定的AgNPs？
• RQ2 CAE合成的AgNPs对L-半胱氨酸的传感性能如何，其灵敏度与检测限（LOD）是多少？
• RQ3 CAE-AgNPs的物理化学性质（尺寸、ζ电位、形貌）如何影响其生物传感性能？
• RQ4 CAE-AgNPs在L-半胱氨酸检测中对常见干扰物的选择性如何？
• RQ5 CAE-AgNPs在长时间储存下是否稳定，能否在生物传感应用中可靠使用？

主要发现

• Ag+还原为Ag0的过程在10分钟内通过肉眼观察到，颜色由黄色变为深棕色，表明反应发生。
• 紫外-可见光谱显示在约420 nm处出现特征表面等离子体共振吸收峰，证实AgNPs形成。
• FTIR-ATR与拉曼光谱分析识别出CAE中的酚类与黄酮类化合物，负责AgNPs的还原与稳定。
• ζ电位测量显示表面电荷高度负向（约-35 mV），证实胶体体系具有良好的稳定性。
• TEM分析显示为球形AgNPs，平均粒径约为20–30 nm，粒径分布窄。
• 该生物传感器对L-半胱氨酸的检测限（LOD）为0.1 nM，表现出高灵敏度、高选择性及长期稳定性。