来源：Mapping the green biosynthesis of silver nanoparticles: a bibliometric and patentometric analysis of scientific production and technological evolution（World Patent Information）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
银纳米颗粒（AgNPs）的绿色合成正从实验室走向工业。本研究对截至2025年的12529篇科学论文和373个专利族进行了大规模文献计量与专利计量分析。S曲线模型显示：科学产出仍处于活跃增长期（K=18000，r=0.30），2025年接近1600篇；专利申报则已进入技术巩固期（K=440，r=0.32）。文章路线以植物提取物为主（73%），专利则偏向微生物（22%）等标准化来源。中国占专利公开管辖区的60%，印度主导科学产出。合成参数趋于收敛：pH 6.0-10、Ag⁺浓度1-3 mM、粒径10-100 nm。
研究背景
纳米技术已成为当代科学最具前景的领域之一，金属纳米颗粒的合成与应用尤受关注。全球纳米技术市场2017年估值约490亿美元，预计2026年达1704.4亿美元；纳米材料市场2025年估值167亿美元，预计以15.1%的年增长率在2035年达到682亿美元。银纳米颗粒凭借广谱抗菌活性、化学稳定性和生物相容性，在医学健康、农业、食品保鲜和电子领域均有应用。
传统AgNP合成依赖物理化学方法，通常需要严苛条件——高温（>80°C）、受控压力，或使用肼、硼氢化钠、有机溶剂等潜在有毒还原剂，且伴随 prolonged heating、辐照或强化搅拌步骤的高能耗，环境与经济可持续性受限。绿色合成方法，尤其是生物介导路线，因此成为可行、经济的替代方案。
本研究基于Conceição等人的方法学，通过Espacenet专利数据库和Web of Science、Scopus文献数据库，对绿色AgNP合成进行大规模技术科学前瞻分析，旨在揭示该领域从学术实验到工业巩固的转型轨迹。
研究方法
专利检索策略
方法学改编自Conceição等人[28]。专利文献检索在Espacenet数据库中进行，考虑所有文本字段或名称，使用相似关键词穷尽检索。未按IPC/CPC代码施加过滤，以避免丢失分类在相关领域的潜在相关文献。除限定至2025年外，无先验时间限制。为避免同一发明多次国际申请导致的重复和统计高估，检索采用Espacenet可用的“Family”检索模式。因此，每个专利族在按国家、组织和技术参与的定量分析中被视为单一分析单元。国家层面分析基于从公开号中提取的公开管辖区生成，代表专利公开的地域分布。机构分析基于申请人名称和组织概况（如大学、公司、研究所、独立发明人和合作）进行。初步结果经人工筛查，通过逐篇阅读标题和技术摘要完成。仅保留描述从生物来源、通过环境友好路线合成AgNPs的文献。涉及非银纳米颗粒、传统化学或物理路线、或本研究范围之外应用的文献被排除。373条记录进入技术与语义分析，详见表1。
【数据】数据库：Espacenet；检索模式：Family；时间限定：至2025年；专利族数：373；IPC/CPC过滤：无；筛查方式：人工阅读标题和技术摘要
科学文章检索策略
科学文章检索在Web of Science（WoS）和Scopus数据库中进行，选择这两个数据库是因为它们是最大、最全面的多学科科学索引数据库，具有广泛的国际覆盖、严格的策展标准和元数据标准化。使用与专利文献检索相同的关键词集，限定至2025年，在标题或摘要中检索，并过滤仅保留原创研究文章，排除综述、会议论文、书籍章节、早期访问出版物和其他非原创研究成果。合并结果（WoS 13520篇，Scopus 8942篇）并去除重复后，获得16565篇文章。工作流程分为两个主要阶段：（1）自动分类和（2）迭代验证。
1. 基于规则的自动分类： 文档语料库（16565篇文章）的初步筛查借助KNIME Analytics Platform软件（版本5.8.0）完成，该模块化和交互式平台允许应用命令序列来组织、过滤和分类大量文本数据。平台的使用基于文本挖掘原则，作为创建自动化工作流程和优化大量科学文献处理的方法学[29]。最初使用Excel Reader节点（负责读取和导入包含标题和摘要的电子表格）。然后，通过String Manipulation节点（用于连接文本字段并将文本标准化为小写），数据准备进入筛查阶段。记录分类在Rule Engine节点（用于应用逻辑包含和排除规则的工具）中执行，其中基于与银纳米颗粒生物合成相关的关键术语以及排除术语（如其他金属纳米颗粒、传统化学合成和综述文章）实现了结构化布尔规则集。
2. 迭代验证与模型精炼： 为验证自动筛查的有效性，使用了Rule-based Row Splitter节点（用于根据定义规则将记录分为“保留”和“排除”）。接着应用Row Sampler节点（用于从两组中选择代表性随机样本），生成400篇文章的集合，其中200篇标记为“保留”，200篇标记为“排除”，进行人工评估。当人工评估表明某篇文章被错误分类时——例如，相关记录被标记为排除（假阴性）或不相关记录被保留在样本中（假阳性）——先前在Rule Engine中建立的逻辑规则被审查和精炼，调整关键词、布尔运算符或决策标准。审查后，工作流程重新运行，生成新的随机样本以确认调整是否减少了分类错误。此验证周期重复进行，直到验证样本中的分类错误率达到稳定水平，低于2%，确保对最终数据集更大的信心。最后，使用Excel Writer节点（负责将处理后的数据记录到电子表格中）导出结果。KNIME软件中用于文章自动筛查的工作流程见图1。
此迭代过程确保了自动分类的更高精度，并显著减少了相关文章的丢失。除初步筛查外，Rule Engine还用于合格记录的辅助主题提取和子分类。最初对代表性样本进行探索性阅读，以识别文献中报告的重复技术模式、应用领域、生物来源、生物分子和操作合成参数。基于这些重复模式，主题类别和主题聚类被迭代构建，并转换为在KNIME中实现的布尔表达式和基于关键词的规则。这些规则随后应用于从标题和摘要中辅助文本挖掘提取主题频率和操作数据。所得分类并非互斥，允许单个文档在适用时被分配到多个主题类别。同样，图表中呈现的百分比代表主题出现频率而非排他性文档计数。对于操作合成参数，表4中呈现的较宽区间通过聚合自动检测到的较窄范围获得。自动提取后，进行针对性人工验证以验证类别一致性、解决模糊案例，并支持技术见解的最终解释和关联。最终12529条记录进入技术分析，详见表2。
【数据】数据库：Web of Science（13520篇）、Scopus（8942篇）；去重后：16565篇；最终合格：12529篇；软件：KNIME Analytics Platform 5.8.0；验证样本：400篇（200保留/200排除）；分类错误率阈值：<2%；时间限定：至2025年
分析程序
可视化和战略推断借助Microsoft Excel和Flourish平台（用于创建交互式图形可视化的在线工具）生成。这些资源使得能够构建图表，以证明技术共同演化模式，以及生物来源、应用领域、申请人类型和国家之间的相关性。
【数据】工具：Microsoft Excel、Flourish平台；分析类型：技术共同演化模式、相关性分析
国家指标
为分析绿色AgNP生物合成的国别技术动态，应用了三个专利计量指标：CAGR、IRC和HHI，基于分析期间识别的年度专利公开记录数计算。CAGR基于活动第一年和最后一年的年度公开值获得，考虑公式（1）。
Eq. 1 V(f)/V(i)^(1/n) − 1
其中V(f)和V(i)分别代表最终和初始公开记录值，n为年份间隔。相对集中指数（IRC）考虑公式（2）获得。
Eq. 2 Si/Š
其中Si代表国家“i”在分析领域总专利公开记录（或科学出版物）中的百分比份额，Š代表考虑所有分析国家的平均百分比份额。
【数据】指标：CAGR、IRC、HHI；CAGR公式：V(f)/V(i)^(1/n)−1；IRC公式：Si/Š
研究结果
时间动态与技术共同演化
图2展示了由专利申报和科学出版物代表的AgNP合成技术演化，以及各自的累积和估计S曲线。逻辑曲线参数经过调整以代表该领域技术演化的结构趋势。在图2（B）中，涉及专利申报，2007年至2013年间观察到温和增长，随后从2014年起出现指数增长。这种行为表明旨在保护适用解决方案的技术努力加强，反映了绿色AgNP合成路线的逐步成熟以及对更大可重复性、胶体稳定性和放大过程兼容性的追求。调整后的S曲线，图2（B），参数K=440、r=0.32、t0=17，表明技术领域处于增长的高级阶段，逐渐接近巩固阶段，即使没有完全饱和的明确证据[33]。这一轨迹由日益面向实际应用和功能性产品配方的专利申报所证明，例如专利CN119613588A描述了基于AgNPs和纤维素纤维的乳胶防腐组合物，专利CN118236538A涉及使用称为Streptomyces microti的丝状细菌合成AgNPs用于医疗敷料的抗菌应用。在这两个案例中，观察到将生物源原理与效率、安全性和多功能性相关的工业需求相结合的努力。此外，使用农工业残留物作为原料，如专利CN119501087A所述，该专利采用白菜茎残留物作为合成基质，证明了技术创新与环境可持续性的交汇。相比之下，第二张图，图2（A），表明与绿色AgNP合成相关的科学产出仍处于全面扩张期，尤其是从2013年起。观察到年度生产力逐步增长，从十年初的每年不到200篇文章跃升至2018年约800篇年度出版物，从2020年起超过每年1000篇，2025年达到1570篇。年度产出的持续增长导致累积总量超过12500篇科学文献。调整后的累积S曲线，参数K=18000、r=0.30、t0=22，表明科学领域仍处于活跃增长阶段，远未饱和，其特征是持续探索新的生物来源、方法学变异和新兴功能[34]。基于此，可以认为这是一个通常以实验为标志的阶段，知识尚未完全巩固或转移到大规模应用。这一运动得到证明AgNP生物合成多功能性的研究的支持。例如，在使用Murcott柑橘皮提取物的研究中，Ag⁺的快速还原（数分钟内，室温）归因于多酚和黄酮类化合物的高存在，它们同时作为还原剂和稳定剂，产生稳定且功能活跃的颗粒。这些AgNPs在去除Pb²⁺方面表现出高效率，尤其是在微酸性pH下，表明表面电荷和表面化学对吸附性能的影响[16]。补充地，从Salvia officinalis获得的AgNPs表现出主要球形形态和显著的抗氧化和抗菌响应，与颗粒尺寸控制和表面酚类化合物的存在相关[35]。这些工作说明了科学如何致力于理解还原机制以及所得颗粒形态和功能特性的详细表征。从2017年起观察到的专利申报峰值也可与刺激技术创新的特定全球背景相关联。特别是，从这一时期开始的逐步增长与中国《知识产权保护与运用“十三五”规划》的实施相吻合，该规划优先考虑纳米技术、生物技术和功能材料等战略领域[36]。这一制度方向有助于加强应用研究和扩大技术保护努力，有利于与可持续纳米材料相关的专利注册，包括纳米颗粒合成的绿色路线。从2019年起观察到的增长可与生物勘探的加强相关联，这种勘探由寻找更安全、经济可行且符合可持续性原则的合成路线驱动，以及克服传统物理化学路线局限性（如有毒试剂的使用和低环境兼容性）的需要[37]。在此背景下，黄酮类和萜类化合物等天然化合物因其还原和稳定能力而开始被系统探索，允许更好地控制纳米颗粒的物理化学性质[38]。此外，2020年和2022年观察到的峰值反映了COVID-19大流行期间对抗菌纳米材料需求的扩张，重点在生物医学应用、功能表面和可持续配方[39][40][41]。总体而言，图2强化了生物源纳米技术反复出现的生命周期轨迹，其中初始科学加速由生物原料获取的便利性、可能合成路线的多样性以及实验室规模功能的快速证明驱动，如关于纳米纤维素、纳米生物材料和可持续纳米复合材料的研究所观察到的[42][43,44]。这些研究证实了生物来源的多样性有利于以密集探索不同还原剂、基质和过程条件为标志的初始阶段；随后，随着纳米颗粒尺寸和形态控制、兼容性和放大等挑战被克服，技术巩固发生。专利文献和科学文章曲线平台之间的时间距离揭示了新兴领域特有的错配，其中科学成熟先于技术巩固[45]。当科学扩展物种、反应条件和潜在应用的范围时，专利倾向于巩固稳健且可市场化的方案。这一情景表明知识生成与其转化为适用解决方案之间存在典型的潜伏间隔，强化了对技术转移战略和制度机制的需求，以使研究有效转移到生产部门[28]。图3呈现了根据专利和文章记录显示的AgNP生物合成技术演化，证明了方法、生物来源和应用的逐步进展。时间间隔的分段（2002–2005；2006–2010；2011–2015；2016–2020；2021–2025）考虑了所观察到的生物来源概况和模式变化、合成参数、物理化学表征水平、技术成熟度以及文章和专利中描述的应用性质。在文章和专利中，初始阶段（2002–2005）建立了合成的基础阶段，其特征是初步探索绿色路线还原以及关注基本抗菌特性和合成可行性。这一时期的技术发展集中在使用金属盐的简单水提取，证明了可行性。
图4展示了AgNP生物合成中生物来源与应用领域之间的时间共同演化。
图5呈现了AgNP绿色生物合成专利公开管辖区（A）和科学出版物（B）的地理分布。
图6展示了AgNP生物合成中主要专利申请人的机构分布。
图7展示了AgNP专利中申请人类型参与的时间演化。Pearson相关系数（r）；大学=0.86；公司=0.7；合作=0.56；研究所=0.71；独立发明人=0.43。
图8展示了AgNP生物合成中使用的生物来源与其主要应用领域之间关系的Sankey流向图。A – 文章；B – 专利。
图9展示了国家及其在AgNPs绿色合成中使用的主要生物来源的地理分布。A – 文章；B – 专利。IN：印度；CN：中国；EG：埃及；IR：伊朗；SA：沙特阿拉伯；US：美国；RU：俄罗斯；PL：波兰；KR：韩国。
图10展示了已识别的主要还原剂和稳定剂。
图11展示了绿色AgNP生物合成的概念方案：从学术研究到专利技术过程的过渡。
讨论与解读
本研究通过大规模文献计量与专利计量分析，揭示了绿色AgNP合成领域科学产出与技术保护之间的动态关系。科学文章数量持续攀升（2025年达1570篇），S曲线显示仍处于活跃增长期（K=18000），而专利申报已进入巩固阶段（K=440），两者之间存在典型的潜伏间隔。文章路线以植物提取物为主（73%），依托多酚、黄酮等天然还原剂；专利则偏向微生物（22%）和分离生物分子等更标准化、可放大的来源。合成参数趋于收敛：pH 6.0-10、Ag⁺浓度1-3 mM、粒径10-100 nm。文章倾向于较长反应时间（1-24 h，59%）和先进表征技术，专利则优先加速动力学（<1 h，57%）和集成路线。中国在专利公开管辖区中占主导（60%，CAGR=18.2%），印度集中科学产出（CAGR=30.5%），大学占申请人的59%。
编译者解读： 该研究的方法学价值在于将KNIME文本挖掘与专利族分析结合，实现了对跨数据库海量文献的半自动化分类，错误率控制在2%以下。但其局限也明显：仅基于标题和摘要提取参数，可能遗漏全文中的关键合成细节；专利分析以公开管辖区替代实际申请人国别，可能高估中国等公开大国的贡献。从合成生物学应用看，植物提取物路线虽在学术上占主导，但批次间差异大、分子机制复杂，难以满足工业放大对重现性的要求——专利向微生物和分离生物分子的倾斜恰恰反映了这一现实需求。未来方向应是解析关键还原酶和调控元件，将经验性植物配方转化为可编程的微生物细胞工厂。
参考来源
期刊：World Patent Information, 2026
DOI: 10.1016/j.wpi.2026.102475
DOI: 10.1016/j.wpi.2026.102475