Synthèse écologique et rentable de nanoparticules d'oxyde d'étain : revue complète des méthodes, mécanismes de formation et applications

Résumé

La nanotechnologie est devenue le domaine de recherche le plus prometteur avec ses applications majeures dans tous les domaines scientifiques. Ces dernières années, l'oxyde d'étain a reçu une attention considérable en raison de ses propriétés fascinantes, améliorées par sa synthèse à l'échelle nanométrique. De nombreuses méthodes physiques et chimiques sont utilisées pour produire des nanoparticules d'oxyde d'étain (SnO₂). Cependant, ces méthodes sont coûteuses, énergivores et utilisent divers produits chimiques toxiques. Les préoccupations croissantes liées à la santé humaine et à l'impact environnemental ont conduit au développement de procédés rentables et respectueux de l'environnement. Récemment, des nanoparticules de SnO₂ ont été synthétisées avec succès par des méthodes vertes utilisant différentes entités biologiques : extraits de plantes, bactéries et biomolécules naturelles. Toutefois, la production à l'échelle industrielle via la synthèse verte reste un défi en raison de la complexité des substrats biologiques qui rend difficile l'élucidation des réactions et mécanismes de formation. Cette revue résume les différentes sources d'entités biologiques et méthodologies pour la synthèse verte de nanoparticules de SnO₂ et leur impact sur les propriétés. Elle décrit également les avancées dans la compréhension des mécanismes de formation rapportés dans la littérature et les techniques analytiques utilisées pour caractériser ces nanoparticules.

Introduction

Au cours des dernières décennies, la nanotechnologie est devenue un nouveau domaine de recherche traitant de la synthèse, caractérisation, modification et utilisation de nanomatériaux pour leurs applications majeures dans des domaines comme la pharmacie, l'industrie alimentaire, les cosmétiques, le textile, la médecine, l'optique, l'électronique, la science de l'énergie et les applications électrochimiques [1-4]. Les nanomatériaux ont une dimension dans la gamme 1–100 nm. Leur rapport surface/volume très élevé et leur taille extrêmement petite peuvent conférer des activités électriques, optiques, magnétiques, catalytiques et antimicrobiennes entièrement nouvelles ou améliorées par rapport aux matériaux massifs [5-7]. Grâce à ces propriétés uniques, les nanoparticules trouvent des applications dans divers domaines des sciences et ingénierie modernes : nanomédecine, photocatalyse, biosenseurs, agents de nettoyage, industrie textile [1, 8]. Parmi les nanoparticules, l'oxyde d'étain(IV) (SnO₂) a particulièrement gagné en importance en raison de ses applications polyvalentes : dispositifs optoélectroniques [9], capteurs de gaz à l'état solide [10], électrodes pour batteries lithium-ion [11], écrans à émission de champ [12], diodes électroluminescentes [13], catalyse [14], cellules solaires à colorant [15], médecine [16], photodétecteurs et revêtements antistatiques [17].

En science des matériaux, le SnO₂ est considéré comme un semi-conducteur de type n à lacunes d'oxygène, cristallisant en structure rutile tétragonale avec constantes de maille a = b = 4,7374 Å et c = 3,1864 Å. La maille comprend deux atomes d'étain à coordination six et quatre atomes d'oxygène à coordination trois [18, 19]. Un large gap énergétique (3,6–3,8 eV), une forte stabilité thermique (jusqu'à 500 °C), une grande transparence dans le visible, de fortes interactions chimiques et physiques avec les espèces adsorbées font du SnO₂ un candidat prometteur pour batteries lithium-ion, capteurs, catalyse, stockage d'énergie, revêtements de verre, médecine et dépollution environnementale [20-23]. Le SnO₂ est utilisé comme capteur pour améliorer le temps de réponse et la sensibilité grâce à sa surface spécifique élevée, sa stabilité chimique, sa faible résistance électrique et sa faible densité [24]. Ces dernières années, le SnO₂ a été largement exploré pour les cellules solaires [25] et les capteurs de gaz pour détecter les gaz combustibles comme CO, NO, NO₂, H₂S, C₂H₅OH [26-29]. Face aux propriétés physicochimiques uniques et aux applications potentielles des nanoparticules (NP), la communauté scientifique a développé plusieurs méthodes de production. Cependant, les méthodes chimiques et physiques pour la synthèse de nanoparticules métalliques et d'oxydes métalliques sont coûteuses et utilisent des substances toxiques dangereuses pour l'environnement et la santé [30]. Ces dernières années, la plupart des chercheurs se sont tournés vers la synthèse verte des NP car elle offre de nombreux avantages : rentable, procédure simple, reproductibilité, et souvent des nanoparticules plus stables [31]. Au cours de la dernière décennie, plusieurs études sur la synthèse verte de NP de SnO₂ ont été rapportées. Cependant, aucune revue unique ne démontre la méthodologie de synthèse et le mécanisme de formation. Cet article décrit donc la synthèse verte, le mécanisme de formation, les techniques de caractérisation et les applications potentielles des NP de SnO₂.

Synthèse verte des nanoparticules d'oxyde d'étain

Les NP de SnO₂ sont synthétisées par diverses méthodes physiques, chimiques et vertes. Les méthodes chimiques incluent sol-gel, hydrothermale, précipitation, mécanochimique, microémulsion, etc. [31-37]. La plus utilisée est la synthèse sol-gel, utilisant un sel précurseur d'étain et des réactifs chimiques régulant la formation du gel d'étain. Le gel subit ensuite un traitement thermique jusqu'à 800 °C pour obtenir les NP de SnO₂ [32, 38]. Des stabilisants chimiques et agents de coiffage (acide oxalique, glycols) peuvent être ajoutés pour contrôler la taille et empêcher l'agglomération [32, 39]. Le pH, la concentration, le temps de réaction et la température de calcination influencent aussi la taille et la morphologie [31, 34-37]. Ces méthodes utilisent divers réactifs, solvants et surfactants périlleux, menaçant l'environnement et la santé [4, 30].

Les NP de SnO₂ peuvent aussi être synthétisées par des techniques physiques : pyrolyse par pulvérisation, oxydation thermique, dépôt chimique en phase vapeur, ablation laser, ultrasonication [40-44]. L'ablation laser est considérée comme rentable et simple pour synthétiser des NP métalliques et d'oxydes métalliques en milieu liquide [44, 45]. Contrairement aux méthodes conventionnelles, elle ne nécessite ni agents de coiffage/réduction, ni haute température ou pression, et permet de produire des NP de haute pureté [44, 45]. La variation des paramètres d'impulsion laser et du temps d'ablation définit la taille, morphologie et chimie de surface [44]. Cependant, la plupart des méthodes physiques nécessitent des équipements complexes, beaucoup d'énergie et de main-d'œuvre qualifiée [46]. Il est donc crucial de développer des méthodes écologiques, bon marché, efficaces, fonctionnant à conditions ambiantes. La synthèse verte est une telle solution ; de nombreux chercheurs ont développé une approche de chimie verte pour synthétiser des nanoparticules d'oxyde d'étain. Dans la stratégie de synthèse verte, des entités biologiques (extraits de plantes, micro-organismes, autres sources vertes) peuvent remplacer les méthodes physiques et chimiques conventionnelles [47]. Ces méthodes biologiquement inspirées sont aussi appelées synthèse verte car elles respectent les douze principes de la chimie verte [48]. Les avantages distincts de la synthèse biologique sur les méthodes physiques et chimiques sont : (a) méthode propre et respectueuse de l'environnement, sans produits chimiques toxiques ; (b) utilisation de sources renouvelables ; (c) les composants biologiques actifs (enzymes, phytocomposés) agissent comme agents réducteurs et de coiffage, réduisant le coût global ; (d) pas besoin de conditions expérimentales externes (haute pression, température), économie d'énergie significative [49, 50].

Au cours de la dernière décennie, l'intérêt pour la synthèse de NP de SnO₂ par voie biologique a considérablement augmenté, car le processus est plus fiable, écologique, rentable, à faible intrant et haut rendement, avec des procédures simples sans effets néfastes sur l'environnement. Divers substrats biologiques (extraits de plantes, bactéries, biomolécules naturelles) ont été utilisés avec succès. Les phytocomposés des plantes et les enzymes bactériennes sont principalement responsables de la synthèse verte. Les composés actifs des sources vertes agissent aussi comme agents réducteurs, de coiffage et stabilisants. Les NP désirées sont souvent obtenues après calcination ou recuit à températures spécifiées [51-54].

Synthèse médiée par les plantes de nanoparticules d'oxyde d'étain

La synthèse médiée par les plantes est devenue la meilleure plateforme par rapport aux méthodes physicochimiques conventionnelles, car elle est exempte de produits chimiques toxiques et fournit des agents de coiffage et réducteurs naturels. De plus, elle est facile, écologique et donne un produit enrichi en quantité, exempt d'impuretés. Pas besoin de haute température, haute pression, ni d'équipement coûteux. Elle permet aussi une production à grande échelle de nanoparticules plus stables avec formes et tailles variées [55, 56]. Des extraits de nombreuses parties d'espèces végétales différentes ont été utilisés pour la synthèse verte de NP de SnO₂. En général, le processus est très simple : un sel fin est ajouté à l'extrait préparé. Après réaction, la solution est centrifugée. Les granulats subissent un traitement thermique suivi de caractérisation par diverses techniques : spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), diffractomètre à rayons X (XRD), analyse X à dispersion d'énergie (EDS), microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique en transmission (MET), analyseur de taille de particules (PSA), diffusion dynamique de la lumière (DLS). La spectroscopie UV-visible (UV-Vis) surveille la formation des nanoparticules. Le protocole détaillé est illustré schématiquement à la Figure 1.

Schéma de la synthèse de NP de SnO₂ médiée par extrait de plante

Diallo et al. ont rapporté la synthèse verte de NP de SnO₂ en utilisant Aspalathus linearis et le chlorure d'étain pentahydraté (SnCl₄·5H₂O) comme précurseur [51]. Le sel dissous dans l'extrait a formé un dépôt blanc après 10 min. Collecté par centrifugation, séché à ~80 °C, la poudre a été recuite à diverses températures pendant ~4 h et soumise à diverses analyses : MET à haute résolution (HR-TEM), EDS, XRD, spectroscopie de photoémission X (XPS). Les NP étaient quasi-sphériques, taille moyenne 2,5–11,40 nm. La taille et la cristallinité augmentent avec la température de recuit. Les composants bioactifs (aspalathine, nothofagine, aspalalinine) agissent comme agents chélateurs et réducteurs. L'extrait de feuilles de Camellia sinensis a aussi servi à synthétiser des NP de SnO₂ [53]. Les polyphénols agissent comme agents stabilisants et de coiffage. L'analyse MEB à haute résolution (HR-MEB) et XRD a révélé des NP sphériques de 5–30 nm. Le gap de bande diminue avec l'augmentation de la température de recuit. Les NP de SnO₂ synthétisées via Catunaregam spinosa ont montré une excellente activité photocatalytique contre le colorant Congo red [57]. Les NP biosynthétisées sont sphériques, taille moyenne 47 nm.

L'extrait de feuilles d'Aloe barbadensis miller a été utilisé pour synthétiser des NP de SnO₂ à partir de SnCl₂·2H₂O [58]. Les NP résultantes sont sphériques, taille moyenne 50–100 nm. Elles présentent une excellente activité antibactérienne contre S. aureus et E. coli.

Une autre étude a rapporté la synthèse verte de NP de SnO₂ par une méthode efficace et bon marché utilisant l'extrait de feuilles de Plectranthus amboinicus et SnCl₂·2H₂O [59]. L'extrait agit comme agent réducteur et stabilisant. Les NP caractérisées par MEB, EDX, XRD, PSA sont tétragonales, taille moyenne 63 nm. Elles présentent une activité photocatalytique supérieure contre le Rhodamine B comparé au SnO₂ commercial. La synthèse verte via l'extrait de fleurs de Nyctanthes arbor-tristis (Parijataka) a donné des NP avec morphologie de granules fins, légère agglomération, taille moyenne 2–8 nm [60]. L'étude a exploré le potentiel d'hydrolyse et de coiffage de l'extrait.

La synthèse verte via l'extrait de feuilles de Psidium guajava a révélé un pic de résonance plasmonique de surface à 314 nm (UV-Vis), confirmant la formation de NP de SnO₂ [61]. Les NP sont sphériques, 8–10 nm. Elles dégradent 90 % du jaune réactif 186 en 180 min sous irradiation solaire. Bhosale et al. [62] ont identifié l'extrait de feuilles de Calotropis gigantea comme source naturelle. Les métabolites secondaires agissent comme agents stabilisants et de coiffage. Les NP sont sphériques, 30–40 nm. Elles dégradent le jaune de méthyle jusqu'à 80 % en 120 min. Singh et al. [63] ont rapporté la biosynthèse via l'extrait de feuilles de Piper betle. MEB et MET révèlent des NP sphériques, 8,4 nm. Elles dégradent le jaune réactif 186 en pseudo-premier ordre avec 92,17 % d'efficacité, avec excellente sélectivité vs rouge réactif 120 et vert réactif 119. La littérature montre que l'espèce végétale et les conditions de réaction affectent la taille et la forme des NP de SnO₂ (Tableau 1).

Synthèse médiée par les bactéries de nanoparticules d'oxyde d'étain

Les microbes sont d'importantes nano-usines au potentiel immense comme outils écologiques et rentables, évitant produits chimiques toxiques et haute énergie des synthèses physicochimiques. Divers microbes (bactéries, champignons, levures) ont été utilisés pour la synthèse de NP métalliques et d'oxydes métalliques, soit intracellulairement, soit extracellulairement. La synthèse intracellulaire implique le transport des ions métalliques dans la cellule microbienne et la formation des NP en présence d'enzymes, coenzymes et biomolécules intracellulaires. En synthèse extracellulaire, les ions métalliques sont piégés à la surface de la cellule microbienne. Les enzymes et protéines de surface réduisent les ions et stabilisent les NP [73]. La synthèse extracellulaire est plus avantageuse : elle permet de fabriquer de grandes quantités de NP et élimine les étapes de récupération nécessaires pour la synthèse intracellulaire [74].

La synthèse biologique utilisant les bactéries est une approche verte et rentable par rapport à la synthèse chimique. Cependant, elle a des inconvénients : (a) le criblage des microbes prend du temps ; (b) nécessite une surveillance attentive du bouillon de culture et du processus ; (c) difficile de contrôler la taille et la morphologie des NP. Toutes les bactéries ne peuvent pas synthétiser des NP en raison de leurs processus métaboliques intrinsèques et activités enzymatiques. Une sélection soignée de bactéries appropriées est nécessaire pour produire des NP avec taille et morphologie bien définies [74]. Par exemple, Srivastava et Mukhopadhyay [54] ont rapporté une procédure verte, peu coûteuse et simple pour la synthèse de NP de SnO₂ utilisant des cellules bactériennes fraîches et propres d'Erwinia herbicola et une solution aqueuse de chlorure d'étain(II). Les NP synthétisées étaient majoritairement sphériques, 10–42 nm. Les protéines bactériennes et autres biomolécules servent d'agents réducteurs et stabilisants, contrôlant aussi la taille et l'agglomération.

Synthèse médiée par les biomolécules et autres sources vertes de nanoparticules d'oxyde d'étain

Outre la synthèse médiée par plantes et bactéries, des chercheurs ont développé une approche non-toxique, respectueuse de l'environnement et de chimie verte en utilisant d'autres biomolécules : acides aminés, vitamines, enzymes, sucres (Tableau 2). Yang et al. [75] ont synthétisé des NP de SnO₂ par une méthode peu coûteuse et écologique utilisant la vitamine C (acide ascorbique), biomolécule naturellement disponible. L'analyse MET montre des NP sphériques, taille moyenne ~30 nm. La vitamine C agit comme agent de coiffage et réducteur. L'étude suggère que la vitamine C coiffée à la surface diminue le stress oxydatif causé par les NP de SnO₂ sur les cellules, réduisant la perte de poids chez les souris néonatales. Des NP sphériques de 13 nm ont été préparées utilisant l'amidon (glucide) [76]. L'amidon agit comme matrice, liant plusieurs cations métalliques par ses groupes fonctionnels, assurant une dispersion uniforme. Dans une autre étude, l'eau résiduelle de trempage de haricots Bengal gram (Cicer arietinum L.) a servi à synthétiser des NP de SnO₂ non dopées, et dopées Ni, Fe, Au [77-79]. La pectine dans l'extrait serait responsable de la synthèse. La taille cristalline moyenne des NP sphériques non dopées, dopées Ni et Au était de 11 nm, 6 nm et 25 nm respectivement.

Synthèse verte de NP de SnO₂ via membrane de coquille d'œuf (ESM)

Une autre étude a montré une approche verte utilisant une membrane de coquille d'œuf (ESM) [80], déchet naturel de coquille d'œuf de poule. Les constituants de l'ESM (acide uronique, saccharides avec groupements aldéhyde) agiraient comme agents réducteurs. L'analyse morphologique montre des NP de SnO₂ en forme de bâtonnets, hexagonales et sphériques, taille 13–40 nm.

Différents acides aminés (glycine, arginine, acide aspartique, lysine, tyrosine) [81-85] ont été utilisés pour la synthèse verte de NP de SnO₂ grâce à leurs bonnes propriétés d'agents de coiffage ou complexants. La synthèse médiée par acides aminés élimine l'utilisation de produits chimiques toxiques. Des NP sphériques ont été synthétisées avec l'arginine [81], taille 4–5 nm. Bhattacharjee et al. [83] ont utilisé la glycine pour produire des NP de SnO₂ à partir de chlorure d'étain(II). Les NP formées à 200 °C, 400 °C et 600 °C sont sphériques, polycristallines et monodispersées, tailles moyennes 6, 16 et 33 nm. Celle à 400 °C était luminescente. Begum et al. [84] ont démontré la synthèse de NP de SnO₂ à structure rutile tétragonale utilisant la L-lysine, taille 4–17 nm.

Mécanisme de formation des nanoparticules d'oxyde d'étain par synthèse verte

Ces dernières années, différents extraits de plantes, micro-organismes et dérivés biologiques ont été utilisés pour la synthèse verte de NP métalliques et d'oxydes métalliques. Les études suggèrent que les métabolites secondaires (phénols, flavonoïdes, tanins, saponines, terpènes, glucides) présents dans l'extrait de plante jouent un rôle significatif comme agents réducteurs et stabilisants [87]. La synthèse médiée par microbes peut être intracellulaire ou extracellulaire selon le lieu de formation des NP. En synthèse extracellulaire, la bioréduction se produit à la surface des cellules microbiennes en présence d'enzymes de surface. En biosynthèse intracellulaire, les ions métalliques sont transportés dans la cellule, les NP se formant en présence d'enzymes intracellulaires [73]. Selvakumari et al. [53] ont utilisé l'extrait de Camellia sinensis pour la biosynthèse de NP de SnO₂. Ils ont montré que les composés polyphénoliques (épicatéchine, épigallocatéchine, épicatéchine gallate, épigallocatéchine gallate) agissent comme agents de coiffage et stabilisants. La formation de NP de SnO₂ comprend : (i) réduction de Sn²⁺ en Sn⁰, (ii) effet réducteur des composés phénoliques (–OH) pour former des espèces Sn, (iii) transformation thermique des espèces Sn en NP de SnO₂. Dans les NP synthétisées avec l'extrait de feuilles de Calotropis gigantea, les composés polyphénoliques sont responsables des transformations biochimiques des ions étain [62]. Des NP sphériques de 3,62–6,34 nm ont été synthétisées avec l'extrait de chou-fleur [52]. Les polyphénols et flavonoïdes de l'extrait se coordonnent avec les ions métalliques, formant des intermédiaires Sn(OH)₂, qui par calcination donnent des NP de SnO₂. Srivastava et Mukhopadhyay [54] ont rapporté la synthèse intra- et extracellulaire de NP sphériques de SnO₂ par les enzymes sécrétées par E. herbicola. Les ions Sn²⁺ sont piégés par les enzymes extracellulaires ou protéines membranaires, la réduction étant initiée par des enzymes déshydrogénases. Les ions Sn²⁺ gagnent deux électrons, une molécule de NAD⁺ s'oxyde en NADH, produisant des NP de Sn extracellulaires. Ces NP sont ensuite oxydées par l'oxygène de la solution, formant des NP de SnO₂. L'analyse FTIR a révélé la présence de molécules protéiques en surface, assurant support et stabilité naturels. Les acides aminés agissent comme agents de coiffage ou complexants, minimisant l'utilisation de produits chimiques toxiques. Le mécanisme possible est montré à la Figure 2 :

Schéma du mécanisme possible pour la synthèse biologiquement médiée de NP d'oxyde métallique (SnO₂)

Caractérisation des nanoparticules d'oxyde d'étain

La caractérisation des NP est cruciale pour connaître et contrôler la synthèse et l'application. La morphologie de surface et les détails conformationnels (taille, forme, cristallinité, surface) sont étudiés par diverses techniques. Certaines techniques pour caractériser les NP de SnO₂ synthétisées vertement : UV-Vis, FTIR, XRD, EDS, MEB, MET. L'UV-Vis surveille la formation des NP en étudiant leurs propriétés optiques. Les spectres UV-Vis des NP synthétisées avec l'extrait de Catunaregam spinosa montrent un pic d'absorption maximal à 223 nm dû à la résonance plasmonique de surface [57]. Le XRD est puissant pour étudier la structure cristalline. Bhattacharjee et al. [81] ont caractérisé des NP de SnO₂ avec des pics XRD aux angles de diffraction (2θ) de 26,7 ; 34,2 ; 38,07 ; 51,9 ; 54,9 ; 58,1 ; 62,1 ; 64,9 ; 66,08 ; 71,6 ; 79,07 correspondant aux plans (110), (101), (200), (211), (220), (002), (310), (112), (301), (202), (321) (Figure 3). Les pics standards montrent la structure rutile tétragonale avec une taille cristalline moyenne de 4,6 nm calculée par l'équation de Debye-Scherer [81].

Diagrammes XRD de NP de SnO₂ synthétisées avec l'arginine sous irradiation micro-ondes [81]

La spectroscopie FTIR étudie la chimie de surface et identifie les groupes fonctionnels responsables de la réduction, du coiffage et de la stabilisation [88]. L'analyse FTIR de NP synthétisées avec l'extrait de Pruni flos montre des bandes d'absorption majeures à 3308, 2153, 1634, 423, 403, 383 cm⁻¹. Les bandes fortes à 3308, 2153, 1634 cm⁻¹ sont attribuées aux vibrations d'étirement Sn–OH (eau adsorbée), étirement C–H d'alcynes, vibrations C=O de flavonoïdes. Les bandes 423–383 cm⁻¹ correspondent à l'étirement anti-symétrique Sn–O–Sn [70]. Les techniques de microscopie (MEB, MET) déterminent les propriétés morphologiques. Le MET donne une meilleure résolution et information sur la structure interne (cristallinité, morphologie) que le MEB. Le MEB à effet de champ (FE-MEB) donne des résultats plus précis sur les propriétés de surface. Ces techniques estiment aussi la taille moyenne [89]. L'analyse FE-MEB et MET a révélé des NP sphériques légèrement agglomérées, 30–40 nm (Figure 4) [62].

a Images MET de NP de SnO₂ biosynthétisées ; b Images HR-MET ; c Images FE-MEB ; d Diagrammes SAED

L'analyse de diffraction électronique en zone sélectionnée (SAED) montre la nature nanocristalline (Figure 4) [62]. La formation de NP sphériques via l'extrait aqueux de Piper betle a été confirmée par FE-MEB [63]. D'après MET et XRD, la taille moyenne est de 8,4 nm.

L'EDS analyse la composition élémentaire. Les spectres EDS de NP synthétisées avec l'extrait de feuilles de Psidium Guajava révèlent des pics Sn et O, confirmant la formation de NP pures de SnO₂ [61].

Applications biologiques des nanoparticules d'oxyde d'étain synthétisées vertement

Les NP de SnO₂ synthétisées vertement montrent une activité photocatalytique, antimicrobienne, antioxydante et anticancéreuse améliorée par rapport à leur forme massive. Cette section discute les applications dans divers domaines comme guide pour futurs chercheurs.

Activité antimicrobienne

De nombreux chercheurs ont observé l'activité antimicrobienne des NP de SnO₂. Par exemple, l'activité antibactérienne des NP synthétisées avec l'extrait d'aloe vera a été étudiée sur E. coli et S. aureus. Les NP étaient plus actives contre S. aureus [58]. Cela peut être dû à la paroi cellulaire plus complexe de E. coli. S. aureus a une membrane de peptidoglycane épais. E. coli a une couche de peptidoglycane plus une membrane externe de lipopolysaccharide, barrière réduisant la pénétration des ROS [90-92]. Une autre raison : la différence de polarité des membranes. S. aureus a une charge plus positive que E. coli, favorisant la pénétration des radicaux libres négatifs causant plus de dommages [93, 94]. L'activité antibactérienne de NP synthétisées avec l'extrait de graines de Punica granatum testée sur E. coli montre un effet bactéricide croissant avec la concentration [95]. Les NP synthétisées avec l'extrait de graines de Trigonella foenum-graecum montrent une activité similaire [72]. Une étude récente a utilisé l'extrait de feuilles de Clerodendrum inerme pour synthétiser des NP de SnO₂ non dopées et dopées au Co [96]. Les NP vertes non dopées et Co-dopées ont été testées contre cinq pathogènes : E. coli, B. subtilis, A. niger, A. flavus, C. albicans. Les diamètres de zone d'inhibition (ZOI), concentrations inhibitrices minimales (CIM) et concentrations bactéricides minimales (CBM) ont été calculés. Les NP Co-dopées ont montré une activité antibactérienne substantielle contre E. coli et B. subtilis de manière concentration-dépendante vs NP non dopées, extrait de plante et médicaments standards : CIM (22 ± 0,7 ; 18 ± 0,8 mg/mL), CBM (31 ± 0,9 ; 21 ± 0,6 mg/mL), ZOI (30 ± 0,08 ; 26 ± 0,06 nm). Les auteurs attribuent l'activité à large spectre au dopage Co, augmentant la taille des grains et la surface spécifique vs NP non dopées. Plus la surface est grande avec des tailles petites, plus l'activité antimicrobienne est grande. L'association de biomolécules (flavonoïdes, composés phénoliques) avec les NP Co-dopées renforce aussi l'activité. De plus, les NP Co-dopées vertes ont montré une activité antifongique extraordinaire avec ZOI max de 17 ± 0,04, 23 ± 0,08, 26 ± 0,06 nm contre A. niger, A. flavus, C. albicans vs extrait, NP non dopées, médicaments standards [96].

Le mécanisme d'action réel des NP de SnO₂ contre les souches microbiennes reste inconnu. Cependant, plusieurs mécanismes ont été suggérés pour les NP d'oxydes métalliques : décomposition des NP, interaction électrostatique avec la paroi cellulaire, formation d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) par radiation lumineuse [97-99]. Une cause possible : accumulation des NP sur la membrane cellulaire bactérienne. Les ROS générées par la présence de NP de SnO₂ interagissent avec la membrane, perturbant la perméabilité et la respiration, menant à la mort cellulaire [72, 95, 100]. Khan et al. suggèrent que la libération de Sn⁴⁺ et Co²⁺ endommage l'ADN et les mitochondries bactériennes, inactivant les enzymes et causant la mort [96].

Activité antioxydante

De nombreux chercheurs ont examiné l'activité antioxydante des NP en surveillant la capacité à piéger le radical DPPH stable (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) en forme non radicale (DPPH-H). Kamaraj et al. [101] ont rapporté l'activité antioxydante de NP biosynthétisées avec l'extrait de feuilles de Cleistanthus collinus. L'activité augmente avec la concentration et le temps de réaction. Une autre étude [95] montre une activité de piégeage des radicaux libres croissante de manière dose-dépendante. Cependant, l'échantillon recuit présente une activité moindre que l'échantillon tel que préparé. La diminution avec l'augmentation de la température de recuit peut être due à la diminution du rapport surface/volume. L'efficacité antioxydante contre DPPH est due au transfert de densité électronique entre les NP et le radical libre sur l'azote du DPPH. Résultat similaire pour NP synthétisées avec l'extrait aqueux de Trigonella foenum-graecum [72]. Hong et al. [67] ont rapporté des propriétés antioxydantes significatives de NP biosynthétisées. L'activité augmente avec la concentration, IC₅₀ = 2257,4 µg/ml. Récemment, Khan et al. ont rapporté une activité antioxydante significative des NP Co-dopées vs non dopées et extrait de plante [96].

Activité cytotoxique

Des NP de SnO₂ synthétisées avec l'extrait aqueux de déchets agricoles (écorces séchées d'Annona squamosa) ont été évaluées pour la cytotoxicité contre la lignée de carcinome hépatocellulaire (HepG2) [64]. Les résultats MET montrent perte de volume cellulaire, gonflement considérable, condensation nucléaire. La condensation nucléaire pourrait être due à la décomposition de la chromatine. Les NP inhibent la prolifération cellulaire de manière dose- et temps-dépendante, IC₅₀ = 148 µg/mL. Des NP synthétisées avec l'extrait de graines de Piper nigrum ont montré une activité cytotoxique plus élevée contre les lignées cancéreuses colorectal (HCT116) et pulmonaire (A549) [69]. La prolifération augmente avec la taille des NP. Une diminution progressive de la viabilité est observée avec l'augmentation du dosage. Les auteurs concluent à un effet cytotoxique associé à la génération de stress oxydatif par les ROS. Des NP fabriquées avec l'extrait aqueux de Pruni spinosae flos ont révélé un excellent effet cytotoxique contre les cellules A549 (cancer pulmonaire non à petites cellules) et CCD-39Lu (fibroblastes pulmonaires), de manière concentration- et temps-dépendante [70]. Récemment, Khan et al. [96] ont étudié l'effet cytotoxique in vitro de NP vertes non dopées et Co-dopées contre lignées mammaires (MCF-7), amnion humain (WISH), fibroblastes pulmonaires humains (WI38) par test MTT. Les NP Co-dopées montrent un taux de mortalité significatif vs non dopées, extrait, médicament standard 5-FU. Les NP non dopées ont un taux similaire au 5-FU, mais la cytotoxicité la plus faible est avec l'extrait. Les valeurs IC₅₀ : MCF-7 : 31,56 ± 1,4 (extrait), 26,99 ± 1,9 (non dopé), 18,15 ± 1,0 (Co-dopé) µg/mL ; WI38 : 40,69 ± 0,9 ; 38,97 ± 0,8 ; 36,80 ± 0,6 µg/mL ; WISH : 38,56 ± 0,8 ; 35,56 ± 0,9 ; 31,10 ± 0,7 µg/mL. La cytotoxicité des NP Co-dopées est plus efficace. De plus, les auteurs rapportent une excellente inhibition in vitro des cellules MCF-7 de manière concentration- et dose-dépendante. Les NP vertes montrent une cytotoxicité robuste contre MCF-7 vs WI38 et WISH (cellules normales), les NP Co-dopées générant plus de ROS. La Figure 5 montre le mécanisme probable de cytotoxicité.

Mécanisme lors de la cytotoxicité des NP de SnO₂ synthétisées vertement

Activité photocatalytique

Le rejet incontrôlé de produits chimiques toxiques, colorants textiles dangereux, pesticides dans l'eau cause de graves problèmes environnementaux. Ces contaminants causent des effets à long terme et menacent la vie aquatique et humaine. Certains colorants organiques sont cancérigènes et toxiques. Traiter l'eau contaminée avant rejet est crucial. Des études récentes montrent que les semi-conducteurs nanostructurés agissent comme excellents photocatalyseurs pour éliminer divers polluants aqueux [102-105]. Parmi eux, le SnO₂ est largement utilisé pour éliminer les colorants textiles et composés organiques grâce à ses caractéristiques bénéfiques : stabilité physicochimique, réactivité de surface élevée, efficacité photocatalytique élevée, faible coût, faible toxicité [68, 106]. Manjula et al. [107] ont synthétisé des NP de SnO₂ utilisant le glucose. Les NP catalysent efficacement la dégradation du jaune de méthyle (MO). L'effet de la température de calcination (150–500 °C) a été étudié : les NP calcinées à 150 °C sont le meilleur photocatalyseur. De plus, les NP tel que préparées dégradent complètement le MO en 30 min, et les nanomatériaux peuvent être recyclés avec efficacité accrue au moins 5 fois. Une autre étude [108] a évalué l'activité photocatalytique de points quantiques (QD) de SnO₂ synthétisés avec la sérine, en surveillant l'absorption optique de la solution d'éosine Y sous soleil direct. Le taux de dégradation avec QD SnO₂ (98 %) > SnO₂ commercial (96 %) > P25 (88 %). Begum et al. [84] ont synthétisé des NP de SnO₂ avec l'acide aminé L-lysine monohydrate. Les NP évaluées pour le comportement photocatalytique vers colorants toxiques : vert malachite oxalate (MGO) et bleu Victoria B (VBB) sous soleil direct. Le pic d'absorption diminue, montrant la démolition de la structure chromophore (Figure 6). Les NP tel que préparées dégradent MGO (97,3 %) et VBB (98 %) en 120 min. La littérature sur l'activité photocatalytique est résumée au Tableau 3.

Dégradation photocatalytique du colorant vert malachite oxalate sous irradiation solaire avec NP de SnO₂

Propriété de détection de gaz

De nombreux capteurs de gaz à base d'oxydes métalliques sont utilisés pour la détection de gaz. Cependant, les NP de SnO₂ ont gagné une attention considérable sous conditions atmosphériques grâce à leurs propriétés : haute sensibilité, haute sélectivité, réversibilité facile, faible coût de fabrication. Des nanosphères poreuses de SnO₂ synthétisées vertement ont démontré d'excellentes capacités de détection [107]. L'incorporation de 0,5 % en poids de Pd dans la matrice SnO₂ améliore la sensibilité et la rend hautement sélective pour la détection d'hydrogène à basse température. Le capteur répond à 50 ppm H₂ dans N₂ à température ambiante en 10 s. Ces propriétés sont dues à l'effet synergique de la structure poreuse des nanosphères SnO₂ et de la propriété catalytique des NP de Pd. Gattu et al. [77] ont rapporté le comportement de détection de gaz de films minces de NP de SnO₂ dopées Ni biosynthétisées et chimiquement synthétisées. Le film biosynthésé montre une réponse plus élevée au NO₂ vs chimiquement synthétisé. La réponse augmente avec le dopage Ni pour les deux. Cela peut être dû à la réduction de la taille des particules par dopage Ni, augmentant la surface d'adsorption du NO₂. Le film mince Ni-dopé SnO₂ montre une excellente sélectivité vers NO₂ vs NH₃, GPL, H₂S. Une autre étude [78] a rapporté les propriétés de détection de gaz de NP non dopées et Fe-dopées synthétisées avec l'extrait de Cicer arietinum L. La réponse à 100 ppm NH₃ à 200 °C : 28 % (non dopé), 46 % (Fe-dopé). Le capteur Fe-dopé est plus sélectif pour NH₃. Les NP Au-dopées biosynthétisées sont hautement sensibles au NO₂ à 200 °C [79]. Le capteur Au-dopé montre ~30 % de réponse pour 100 ppm NO₂. Excellente sélectivité vers NO₂ vs H₂S, GPL, NH₃. L'amélioration est due à la distorsion de réseau induite par le dopage Au et à la génération de lacunes d'oxygène dans le réseau SnO₂.

Conclusions

L'utilisation de méthodes vertes pour la production de NP est un axe de recherche majeur car c'est une méthode écologique, peu coûteuse, non toxique et durable. De nombreuses études rapportent la possibilité de produire des NP de SnO₂ via un protocole vert utilisant divers matériaux végétaux, bactéries, biomolécules naturelles. L'enquête bibliographique montre que les substrats verts agissent comme agents réducteurs, stabilisants ou de coiffage quelle que soit leur source. Parmi les méthodes vertes, la synthèse médiée par plantes est rentable, facile à traiter, moins dangereuse que les micro-organismes. Cependant, les extraits de plantes contiennent de nombreux composés actifs de composition variable, rendant difficile la connaissance de la quantité exacte de molécules responsables de la réduction des ions métalliques. Cette complexité rend difficile l'évaluation de la synthèse des NP. Des études supplémentaires sur le mécanisme de formation des NP de SnO₂ sont nécessaires pour comprendre les réactions chimiques durant la synthèse. Avec la connaissance du mécanisme réel, il sera possible de surveiller et d'optimiser le processus de biosynthèse, essentiel pour la production à grande échelle. La compréhension de cette méthode en pleine expansion aidera à faciliter la recherche future sur les NP de SnO₂ et leur potentiel énorme pour la production industrielle à court terme.

Disponibilité des données et matériaux

Non disponibles.

Abréviations

NP :

Nanoparticules

NP SnO₂ :

Nanoparticules d'oxyde d'étain

UV-Vis :

Spectroscopie ultraviolet-visible

MEB :

Microscopie électronique à balayage

FE-MEB :

Microscopie électronique à balayage à effet de champ

MET :

Microscopie électronique en transmission

HR-MET :

Microscopie électronique en transmission à haute résolution

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

EDS :

Analyse X à dispersion d'énergie

PSA :

Analyseur de taille de particules

XPS :

Spectroscopie de photoémission X

SAED :

Diffraction électronique en zone sélectionnée