基于檸檬提取液的 銀納米顆粒綠色制備工藝優化

羅 應,李彥青,李永川,程 昊,孔紅星,李利軍,*

(1.廣西科技大學鹿山學院,廣西柳州 545616;2.廣西科技大學生物與化學工程學院;廣西糖資源綠色加工重點實驗室;廣西高校糖資源加工重點實驗室,廣西柳州 545006)

綠色化學作為環境友好、清潔無害的化學技術,其技術開發與應用不斷得到重視與發展,廣泛應用于生物、醫藥、化工、材料等領域。近年來,隨著環境保護、可持續發展要求,綠色化學在納米材料制備領域已越來越受到重視。綠色制備金屬納米顆粒技術要求主要體現在采用可再生溶劑、環境友好型還原劑及無毒無害保護劑。基于此,與傳統化學品相比,以天然生物質為原料的制備金屬納米材料技術將具有顯著優勢[1]。

銀納米顆粒以其特有的物理、化學特性,在電子、光學、生物、醫藥、催化、機械等領域應用廣泛[2-4],其制備技術也不斷得到拓展和改進。在物理法和化學法應用中,化學法易實現對銀納米顆粒粒徑的控制,且分布均勻,所以化學法在納米銀合成中應用較為普遍,但隨著綠色化學工藝技術的提出,其對現有化學法制備銀納米顆粒提出了更高要求。為實現銀納米材料的綠色化合成,與現有以葡萄糖、糊精、葡聚糖、麥芽糖、β-環糊精等[5-6]為還原劑的銀納米顆粒綠色合成工藝相比,以植物提取液為原料的納米銀制備技術的研究更為深入、廣泛。董春法等[7]以銀杏葉提取液為保護劑和還原劑,合成了分布均勻、粒徑較小的銀納米顆粒;劉沖沖等[8]利用姜提取液經化學還原法合成球形、粒徑5～30 nm的納米銀,具有較好的分散性和熱穩定性,抗菌效果良好;S. Ponarulselvam等[9]采用長春花葉提取液合成35～55 nm銀納米顆粒,具有較好的抗惡性瘧原蟲作用;L. Christensen等[10]通過調料九里香葉子萃取液生物法制備納米銀,其粒徑為10～25 nm,形貌為球形;另外,紅雀珊瑚葉[11]、蓽拔葉[12]、人心果籽[13]等也被用于制備銀納米顆粒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

硝酸銀 99.8%,上海精細化工材料研究所;氨水 25%～28%,仁和化工有限公司;氫氧化鈉、乙醇 均為分析純,西隴科學股份有限公司;碳酸氫鈉 分析純,廣東光華科技股份公司;檸檬 市售;二次蒸餾水 為實驗室自制。

Sigma04-55型場發射掃描電子顯微鏡(SEM) 德國卡爾蔡司公司;UV-2102PC型紫外可見光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司;PHS-3C型pH測試儀 上海皓莊儀器有限公司;集熱式磁力攪拌器 鞏義市予華儀器總廠;臺式離心機 常州國華電器有限公司;超聲波清洗儀 昆山市超聲儀器有限公司;電子天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司;自動雙重純水蒸餾器 上海亞榮生化儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 檸檬汁提取液的制備

1.2.1.1 檸檬汁的制備 將用二次蒸餾水洗凈后的檸檬果去皮,把果肉用榨汁機榨汁,并通過臺式電動離心機對新鮮檸檬汁進行分離、純化,其中轉速為4000 r·min-1,離心時間為10 min,待離心后,取上清液,無色,其pH測定為3.36,呈明顯酸性,放冰箱-20 ℃冷藏待用。

1.2.1.2 檸檬皮醇提液的制備 先用二次蒸餾水清洗新鮮檸檬,后用干凈小刀剝下外皮,并用剪刀剪碎成大小均勻的方片狀(5 mm×5 mm);取檸檬皮50 g于玻璃瓶,加入100 mL無水乙醇,為浸提更加充分,參照文獻[14-15]于室溫下浸提16 h,后再用超聲波清洗儀超聲30 min,得深黃色醇提液,測試其pH為5.98,呈弱酸性,放冰箱-20 ℃冷藏待用。

1.2.1.3 檸檬皮水提液的制備 按照檸檬皮醇提液制備方法,將二次蒸餾水代替無水乙醇,得淺黃色檸檬皮水提液,其pH為5.34,偏酸性,放冰箱-20 ℃冷藏待用。

1.2.2 硝酸銀溶液及pH調節劑的制備

去年11月二十國集團峰會期間，法國總統薩科齊在和奧巴馬的一次私下交談中談到了以色列總理內塔尼亞胡。薩科齊說：“我不想再見他了，他是個騙子。”奧巴馬回應道：“你也許對他感到反胃，但與你相比，我不得不更經常與他打交道。”

1.2.2.1 硝酸銀溶液的制備 準確稱取硝酸銀0.0425、0.0849、0.1274、0.1699 g,分別用二次蒸餾水充分溶解,并定容于500 mL棕色容量瓶,即得0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/L硝酸銀溶液,避光、4 ℃冷藏保存,待用。

1.2.2.2 pH調節劑的制備 分別稱取42 g NaHCO3和20 g NaOH,待二次蒸餾水充分溶解后,分別定容于500 mL容量瓶中,即得1 mol·L-1NaHCO3、1 mol·L-1NaOH的pH調節劑溶液,4 ℃儲存備用。

1.2.3 銀納米顆粒的制備 準確量取所需硝酸銀溶液于反應瓶中,攪拌加熱至沸騰,定量滴加檸檬提取液(檸檬汁、檸檬皮醇提液或檸檬皮水提液),并在規定反應時間內于沸騰溫度下攪拌反應,待按設定時間反應后,加入pH調節劑(濃氨水、1 mol·L-1NaHCO3或1 mol·L-1NaOH),調節反應溶液pH在7～8范圍內,再繼續加熱反應9 min,得銀納米溶膠。

1.2.3.1 不同沸騰反應時間對銀納米顆粒的影響 取3個50 mL混合均勻的0.001 mol·L-1硝酸銀溶液分別置于3個150 mL的反應瓶中,加熱至沸騰,用移液槍分別加入檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液各7 mL,沸騰反應5、7、10、12、15 min后,用濃氨水調節反應液pH7～8,并繼續加熱反應9 min,分別得青黑色(檸檬汁)、黃綠色(檸檬皮醇提液)及黑紅色(檸檬皮水提液)納米銀溶膠,測定不同沸騰反應時間制備的銀納米顆粒的紫外吸光度的影響。

1.2.3 不同硝酸銀濃度對銀納米顆粒的影響 取三組50 mL摩爾濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/L的硝酸銀溶液于150 mL反應瓶中,待沸騰后用移液槍取檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液各7 mL,分別加入上述三組不同硝酸銀摩爾濃度的反應瓶中,并取檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液為原料的沸騰反應時間為7、12、10 min,后以濃氨水調節反應液pH7～8,并繼續加熱反應9 min。

1.2.4 不同pH劑對銀納米顆粒的影響 取50 mL摩爾濃度1.0 mmol/L的硝酸銀溶液于150 mL反應瓶分別,加熱至沸騰,加入檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液各7 mL,設定檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液對應的沸騰反應時間分別為7、12、10 min,隨后加入不同pH調節劑(25%～28%濃氨水、1 mol·L-1NaHCO3、1 mol·L-1NaOH),并調節反應液pH7～8,后持續反應9 min,測定不同pH劑制備的銀納米顆粒的紫外吸光度的影響。

1.2.5 不同檸檬提取液類型、用量對銀納米顆粒的影響 取50 mL摩爾濃度1.0 mmol/L的硝酸銀溶液于150 mL反應瓶中,加熱至沸騰,分別取檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液各3、5、7、9 mL,并設定檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液對應工藝的沸騰反應時間分別為7、12、10 min,待反應完全后,加1 mol·L-1NaOH調節檸檬汁、檸檬皮醇提液反應液pH7～8,并以25%～28%濃氨水調節檸檬皮水提液反應液pH7～8,待反應9 min后終止反應,測定不同檸檬提取液類型、用量對銀納米顆粒的紫外吸光度的影響。

1.2.6 測試與表征

1.2.6.1 紫外光譜分析 取5 mL銀納米溶膠與20 mL二次蒸餾水混合均勻,于4000 r·min-1轉速下離心10 min,吸出上清液,留下沉淀繼續重復上述操作,直至上清液變為無色。量取處理好的銀納米溶膠0.5 mL,用二次蒸餾水稀釋至5 mL,在二次蒸餾水基線基礎上,于250～550 nm范圍內對樣品進行紫外光譜分析,并采用Origin Pro 8.5對數據進行處理、分析。

1.2.6.2 SEM分析 取5 mL銀納米溶膠與20 mL蒸餾水混合均勻,于4000 r·min-1條件下離心10 min,經多次離心洗樣,待上清液為無色時停止操作;將制備好的樣品用移液槍滴涂于導電玻璃上,待晾干后轉移至剛鋪有液體銀的樣品臺上進行測量,于最大放大倍數50000倍條件下觀察銀納米顆粒的粒徑及形貌;同時,對樣品進行密封保存,待70 d后再進行穩定性測試。

1.3 數據處理

采用Originpro 8.5對實驗數據進行分析、作圖。

2 結果與分析

2.1 不同沸騰反應時間對銀納米顆粒的影響

由圖1可知,3種類型檸檬提取液所制備的銀納米顆粒最大吸收峰均在400 nm左右出現,表明了納米銀的存在。依據銀納米顆粒成核及生長機理可知[16-19](圖2),一方面Ag+首先與檸檬酸經還原反應產生銀核,隨著反應時間的延長,銀核量逐漸增加,并聚集形成小的銀簇,

圖1 不同反應時間納米銀紫外吸收光譜圖Fig.1 UV-visible absorption spectra of nanosilver under different reaction time

圖2 銀納米顆粒形成原理Fig.2 Primary and secondary growth steps in the formation of silver nanocrystallites

同時Ag+在簇團表面通過電荷傳遞進一步還原成Ag,進而使銀簇粒徑增大并成長為大的銀簇;另一方面,當反應溶液中含有穩定劑或絡合劑時,如聚乙烯醇、十二烷基硫酸鈉、聚乙烯硫酸鈉、聚丙烯酸鈉等可以調控銀簇生長,所以當溶劑中含有具有穩定劑效用的有機分子時,在銀簇生長初期可通過共價交聯或表面包覆,實現對銀納米顆粒的粒徑控制。可見檸檬提取液中含有還原劑和穩定劑,在將Ag+還原為Ag同時,使銀簇具有較好粒徑分布,使銀納米顆粒最大吸收波長出現在400 nm左右,且納米銀對入射光的吸收沒有受到干擾,表明樣品處理液濃度適宜,方案合理。同時,反應時間對3種提取液所制備納米銀的紫外吸收峰強度及半高寬均有明顯影響,其中檸檬汁工藝制備的銀納米顆粒對應吸收峰半高寬分布較寬,并在反應時間7 min時吸收峰半高寬最窄,此時最大吸收峰藍移至400 nm,且吸光度達最大值0.805;檸檬皮醇提液工藝對應的吸收峰半高寬分布相對一致,于最大吸收波長405 nm處出現最大吸光度1.714;相比之下,檸檬皮醇提液最大吸收波長和吸光度對應的最佳反應時間為10 min。依據Mie理論:納米顆粒粒徑越大吸收峰位置紅移、粒徑越小吸收峰位置藍移,及吸收峰半高寬變窄納米顆粒分布更加集中原理[7],可通過改變反應時間制備出粒徑分布更加均一的納米銀,所以當檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液加熱時間分別為7、12、10 min時,可制備出粒徑更小、密度更高的納米銀溶膠。

2.2 不同硝酸銀濃度對銀納米顆粒的影響

圖3可知,隨著硝酸銀濃度的增加,3種提取液制備的納米銀對應的吸收峰位置基本均呈現紅移現象,表明顆粒粒徑增大,

圖3 硝酸銀濃度對納米銀紫外吸收的影響Fig.3 Effect of silver nitrate concentration on the UV-visible absorption of nanosilver

說明溶液中銀納米顆粒發生了團聚;相比而言,吸光度也表現出先增加后降低趨勢,這是因為一方面陰離子濃度的增加增大了銀納米顆粒的濃度,另一方面由于顆粒相互聚集,吸光質點數下降,導致吸光度降低;同時,依據吸收峰半高寬變化,硝酸銀濃度對納米銀粒徑分布也有較大影響,所以以檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液為原料的銀納米顆粒制備工藝所需硝酸銀最佳濃度均為1.0 mmol/L。

2.3 不同pH劑對銀納米顆粒的影響

圖4表明,對檸檬汁、檸檬皮醇提液而言,添加NaOH制備的納米銀紫外吸收波長藍移現象最為顯著,且具有較大的吸光度,納米銀濃度更高;而當檸檬皮水提液采用NaHCO3為反應液pH調節劑時,其制備的銀納米顆粒無紫外吸收現象,相比而言濃氨水對該體系納米銀最大紫外吸收波長和吸光度的影響最大[20]。另外,由圖4可以看出,當提取液為檸檬汁、檸檬皮醇提液時,pH劑NaOH制備的納米銀對應的吸收峰半高寬更窄,納米銀粒徑分布相對集中;而檸檬皮水提液而言,最佳pH劑則為濃氨水。

圖4 pH劑類型對納米銀紫外吸收的影響Fig.4 Effects of pH regulators on the UV-visible absorption of nanosilver

2.4 不同檸檬提取液類型、用量對銀納米顆粒的影響

圖5表明,不同提取液添加量對應的吸收峰位置變化明顯,均隨著檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液用量的增加,納米銀最大紫外吸收峰逐漸減小,出現藍移現象,說明納米銀粒徑隨提取液用量的增加而降低,單分散性增加。另外,在金屬納米材料中,普遍存在納米顆粒粒徑尺寸跨度越大其吸收峰半高寬相應變寬的現象,圖5表明3種工藝下制備的納米銀所對應吸收峰的半高寬均沒有隨著提取液用量的增加而變寬,說明納米銀粒徑分布均一;結合圖5中吸光度變化趨勢可知,吸光度則隨提取液添加量增大而升高,表明納米銀濃度隨提取液用量的增加呈增大趨勢,且穩定性更好。綜合分析可知,在制備納米銀提取液中,檸檬皮醇提液最佳,其次為檸檬皮水提液,檸檬汁相對較差,且三者最佳摻量分別為9、9、5 mL。

圖5 納米銀紫外吸收光譜圖Fig.5 UV-visible absorption spectra of nanosilver

綜上所述,檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液制備納米銀最優條件分別為:硝酸銀1.0 mmol/L、檸檬汁9 mL、反應時間7 min、pH劑為1 mol·L-1的NaOH;硝酸銀1.0 mmol/L、檸檬皮醇提液9 mL、反應時間12 min、pH劑為1 mol·L-1的NaOH;硝酸銀1.0 mmol/L、檸檬皮水提液5 mL、反應10 min、pH劑為25%～28%的濃氨水。

2.5 銀納米顆粒形貌及穩定性分析

基于檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液3種最佳工藝制備的銀納米顆粒SEM圖如圖6所示。與檸檬酸還原法制備的銀納米顆粒(粒徑50～100 nm)相比[14],圖6(a-1)、(b-1)、(c-1)中銀納米顆粒具有球形形貌特征,平均粒徑為70 nm左右,尺寸分布均勻,效果良好;待將3種工藝制備的納米銀測試樣品密封保存放置70 d后,由于納米銀球存在表面活性,使銀納米顆粒間因形成化學鍵而產生交聯現象,圖6(a-2)、(b-2)、(c-2)表明納米銀球不再是分散的球狀顆粒,而呈團塊結構。其中,檸檬汁工藝制得的納米銀團聚現象最為明顯,檸檬皮水提液工藝次之,而檸檬皮醇提液工藝制備的納米銀較為穩定,仍呈顆粒狀分布。所以綜合3種納米銀制備工藝可知,以檸檬皮醇提液最優條件工藝下制備的銀納米顆粒效果最佳。

圖6 銀納米顆粒SEM圖Fig.6 SEM image for nanosilver

3 結論

研究采用硝酸銀為前驅體,以檸檬提取液為還原劑和保護劑,通過化學還原法成功制備出銀納米顆粒,經紫外可見光、SEM分析表明,所得納米銀粒徑分布均勻,分散性好;通過探究檸檬提取液用量、反應時間、硝酸銀用量、pH劑類型對制備銀納米顆粒的影響,表明選取適當的反應時間可制備出粒徑分布更加均一的納米銀;硝酸銀用量增大時,納米銀粒徑增加,紫外吸收峰出現紅移;而不同pH劑對檸檬汁、檸檬皮醇提液、檸檬皮水提液合成納米銀的形貌和粒徑的影響不同;隨著提取液用量增加,納米銀紫外吸收峰出現藍移,吸光度增強;與檸檬汁、檸檬皮水提液相比,檸檬皮醇提液工藝制備的銀納米顆粒具有更好的分散性和穩定性。