金錢草多糖介導(dǎo)的銀納米粒子綠色合成及表征

呂 斌，李亞玲，方世航，孫正光，何熙芳，方志輝，梁 淼

（1.河南省口岸食品檢驗(yàn)檢測(cè)所，河南鄭州 450003；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

貴金屬納米粒子因其具有獨(dú)特的物化結(jié)構(gòu)特征，在諸如環(huán)境保護(hù)、傳感檢測(cè)、生物醫(yī)藥等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，引起了人們的廣泛關(guān)注[1-2]。銀納米粒子是一種重要的貴金屬納米材料，廣泛應(yīng)用于催化、抗菌、醫(yī)藥等領(lǐng)域，但納米粒子通常表面能較高，溶液中易于團(tuán)聚，如何可控合成具有特定形貌尺寸及結(jié)構(gòu)的銀納米粒子是發(fā)揮其性能的前提[3]。

文獻(xiàn)報(bào)道了多種合成銀納米的方法，其中自下而上的前驅(qū)體還原法是制備銀納米的常用方法，化學(xué)還原、超聲波還原、電化學(xué)還原、生物還原等途徑均可制備出不同形貌結(jié)構(gòu)的銀納米材料[4]。硼氫化鈉、水合肼、抗壞血酸等化學(xué)試劑均可將Ag+還原為Ag0原子，并最終聚集形成納米銀，例如，Qin Y等人[5]以抗壞血酸為還原劑經(jīng)前體離子還原合成了粒徑在31～73 nm的銀納米粒子，化學(xué)小分子還原劑合成的納米材料通常需要表面包覆保護(hù)劑增強(qiáng)其溶液穩(wěn)定性，且化學(xué)還原劑增加了納米材料的潛在環(huán)境毒性，不利于在某些領(lǐng)域的應(yīng)用；而外加物理場(chǎng)或電化學(xué)還原法制備方法稍加繁瑣。因此，利用生物大分子功能基團(tuán)豐富的特點(diǎn)及其自身還原能力，可避免外加還原劑的引入，同時(shí)生物大分子可包覆于納米材料表面，起到保護(hù)穩(wěn)定的作用，是一種合成貴金屬納米材料的綠色簡(jiǎn)便方法。

在眾多能夠合成銀納米的生物大分子中，多糖以其結(jié)構(gòu)功能多樣、生物相容性好的特點(diǎn)備受關(guān)注。Raveendran P等人[6]最早報(bào)道利用淀粉為模板、葡糖糖為還原劑，在水溶液中合成了銀納米粒子，并認(rèn)為是一種合成金屬納米材料的綠色方法。曹潔明等人[7]采用葡聚糖為還原劑和穩(wěn)定劑綠色合成了銀納米粒子，并分析了納米粒子的形成機(jī)制。此外，利用來(lái)源廣泛的植物提取多糖也是合成銀納米粒子的綠色簡(jiǎn)便途徑，Yallappa S等人[8]以金合歡種子提取液為還原劑和穩(wěn)定劑，在微波輻射作用下150 s內(nèi)快速合成了17 nm左右的銀納米粒子，多糖成分在銀離子還原及生長(zhǎng)過程中起到重要作用。

試驗(yàn)以金錢草多糖為還原劑和穩(wěn)定劑，制備銀納米粒子，該多糖是從金錢草中提取的雜多糖，由木糖、甘露糖、鼠李糖及半乳糖醛酸等經(jīng)糖苷鍵連接而成的天然高分子，糖鏈上功能團(tuán)豐富，可用以螯合吸附金屬前體離子，并且多糖在溶液中的三維結(jié)構(gòu)能夠?qū)︺y納米粒子起到保護(hù)穩(wěn)定作用。試驗(yàn)系統(tǒng)考查了物料比例、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度及pH值等因素對(duì)銀納米粒子形成過程的影響，以期為銀納米粒子的可控制備提供簡(jiǎn)便綠色的新方法。

1 材料與方法

1.1 試劑

金錢草多糖，由金錢草提取純化獲得；硝酸銀（AgNO3，分析純），上海阿拉丁試劑公司提供；冰乙酸（HAC，分析純，36%）、氫氧化鈉（NaOH，分析純，＞98%）、蒸餾水，自制。

1.2 樣品合成與表征

將1 g金錢草多糖溶解于400 mL蒸餾水中，抽濾過膜除去雜質(zhì)；配制濃度為12.5 mmol/L的AgNO3溶液。合成銀納米試驗(yàn)中，首先取40 mL多糖溶液，置于恒溫磁力攪拌器上加熱至設(shè)定溫度（50～90℃），補(bǔ)加預(yù)先設(shè)定好體積的蒸餾水，將最終反應(yīng)體系定容至56 mL，攪拌狀態(tài)下加入不同體積的（2，4，8，16 mL） AgNO3溶液，每隔一定時(shí)間取部分反應(yīng)溶液用于紫外或透射電鏡表征。同時(shí)考查了溶液pH值的影響，在引入AgNO3前，分別用1 mol/L的HNO3溶液或NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至4或13。

利用TU-1810型紫外可見光譜儀對(duì)銀納米分散液進(jìn)行光學(xué)表征，銀納米粒子形貌尺寸采用透射電子顯微鏡（TEM，JEM-2010） 觀察，操作電壓為200 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 銀納米紫外可見光表征

金錢草多糖介導(dǎo)合成銀納米粒子示意圖見圖1。

圖1 金錢草多糖介導(dǎo)合成銀納米粒子示意圖

植物多糖是一類由糖苷鍵連接而成的天然高分子多聚物，分子量大，溶液中三維構(gòu)象復(fù)雜，且含有豐富的羧基、羥基等官能團(tuán)，可通過螯合吸附作用結(jié)合銀離子，在受熱環(huán)境中多糖分子具有還原能力，可將吸附的銀離子還原為銀納米顆粒，同時(shí)多糖分子包覆在納米粒子表面，起到穩(wěn)定劑的作用，是一種綠色的銀納米合成方法。溶液混合后，反應(yīng)體系顏色逐漸變?yōu)榈S色，此為銀納米的表面等離子吸收產(chǎn)生，表明多糖可用于合成銀納米粒子，試驗(yàn)考查了銀離子前體濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及pH值對(duì)銀納米生成的影響。

不同反應(yīng)條件下銀納米分散液紫外可見光光譜圖見圖2。

圖2（a） 為在不同反應(yīng)溫度下（50～90℃） 還原50 min后的光譜圖，在較低的反應(yīng)溫度下未見明顯的銀納米粒子特征SPR吸收峰[9]，當(dāng)反應(yīng)溫度升高到70℃時(shí)，在波長(zhǎng)417 nm處具有較寬的銀納米吸收峰，表明粒徑尺寸分布較寬，繼續(xù)升高溫度，銀納米特征吸收峰逐漸增強(qiáng)，說明較高的溫度能夠增強(qiáng)多糖的還原能力，有利于銀離子的還原和銀納米的生長(zhǎng)，同時(shí)可以看出，隨著反應(yīng)溫度升高，吸收峰的半峰寬降低，吸收峰藍(lán)移，表明粒徑分布變小且更為均勻，這可能是由于較快的還原速度使得反應(yīng)初期體系內(nèi)晶核數(shù)目較多，從而使后期生長(zhǎng)的銀納米粒徑比較均一。

圖2 不同反應(yīng)條件下銀納米分散液紫外可見光光譜圖

金屬離子前體濃度是影響納米粒子生成的重要因素，考查了不同銀離子濃度下的納米分散液紫外光譜，如圖2（b） 所示，隨著添加量增多，銀納米吸收峰逐漸增強(qiáng)，尤其是當(dāng)添加量為16 mL時(shí)，銀納米的吸收峰顯著增強(qiáng)，同時(shí)吸收峰位置逐漸紅移，表明較高的銀離子濃度易導(dǎo)致生成粒徑較大的銀納米。同時(shí)考查了銀納米粒子的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)行為，跟蹤了銀納米紫外光譜隨時(shí)間的變化曲線，如圖2（c）所示，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間10～50 min時(shí)，吸收峰不斷增強(qiáng)，表明反應(yīng)體系內(nèi)的銀納米逐漸增多。

反應(yīng)體系進(jìn)一步考查了pH值對(duì)合成銀納米粒子的影響，不同pH值條件下反應(yīng)50 min后紫外光譜圖如圖2（d）所示，可見pH值對(duì)反應(yīng)過程影響顯著。酸性環(huán)境下未見銀納米特征吸收峰，表明酸性環(huán)境抑制了多糖對(duì)銀離子的還原能力，這可能是由于多糖分子在較低pH值下，溶液中的三維結(jié)構(gòu)發(fā)生了收縮，導(dǎo)致多糖功能基團(tuán)與銀離子間作用力減弱引起的。然而，當(dāng)反應(yīng)體系為堿性時(shí)，相同的反應(yīng)條件下銀納米的紫外吸收峰強(qiáng)度顯著增加，且半峰寬減小，表明堿性環(huán)境增強(qiáng)了金錢草多糖的還原能力，Gao Z等人[10]同樣發(fā)現(xiàn)魔芋葡苷聚糖在堿性環(huán)境下具有較強(qiáng)的金屬離子還原能力，金錢草多糖可能在堿性環(huán)境中分子鏈較為舒展，暴露了較多的螯合吸附金屬離子的官能團(tuán)，同時(shí)官能團(tuán)的還原性得以進(jìn)一步激發(fā)，從而使得銀納米粒子充分還原。

不同pH值條件下銀納米分散液特征吸收峰強(qiáng)度隨時(shí)間變化見圖3。

圖3 不同pH值條件下銀納米分散液特征吸收峰強(qiáng)度隨時(shí)間變化

圖3 對(duì)比了不同pH值條件下，銀納米特征吸收峰強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線，從中也可以看出堿性環(huán)境下，銀納米還原速度非常快，在5 min內(nèi)即達(dá)到反應(yīng)平衡，而中性環(huán)境下的吸收峰緩慢增加，表明銀納米在逐漸緩慢生成。

2.2 銀納米透射電鏡分析

中性（a） 和堿性（b） 環(huán)境下生成的銀納米TEM圖見圖4。

圖4 中性（a） 和堿性（b） 環(huán)境下生成的銀納米TEM圖

采用透射電鏡對(duì)堿性和中性環(huán)境下合成的銀納米粒子進(jìn)行形貌觀察及粒徑分析，如圖4所示。透射電鏡圖片可見銀納米粒子呈近似球形，分散性良好，無(wú)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，這得益于多糖大分子對(duì)銀納米的包覆穩(wěn)定作用，多糖中的羧基、羥基等活性基團(tuán)與銀納米表面具有較強(qiáng)的相互作用力，有效抑制了銀納米粒子間的聚集傾向，增強(qiáng)了銀納米粒子在溶液中的儲(chǔ)存穩(wěn)定性；金錢草多糖包覆穩(wěn)定的銀納米在4℃條件下儲(chǔ)存3個(gè)月未見聚集沉淀現(xiàn)象，也證明了多糖保護(hù)的銀納米具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。另外，粒徑統(tǒng)計(jì)分析可知中性環(huán)境下合成的銀納米平均粒徑為21 nm，堿性環(huán)境下合成的銀納米具有較小的粒徑，平均尺寸為12 nm左右，這可能與多糖在不同環(huán)境下的還原能力有關(guān)，堿性環(huán)境下較強(qiáng)的還原能力有利于生成較多數(shù)目的銀納米晶核，導(dǎo)致最終形成平均粒徑較小的銀納米粒子。

3 結(jié)論

利用金錢草多糖為還原劑和穩(wěn)定劑，在不引入外加還原劑的條件下，經(jīng)前驅(qū)體還原法綠色合成了銀納米粒子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度是影響金錢草多糖還原劑的關(guān)鍵條件，反應(yīng)時(shí)間和前驅(qū)體濃度是控制銀納米粒徑及分布的重要因素，同時(shí)考查了pH值對(duì)銀納米粒子生成的影響，堿性環(huán)境下可顯著增強(qiáng)銀納米粒子的形成速度，并且有利于小尺寸銀納米的生成，金錢草多糖包覆的銀納米具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。這種綠色簡(jiǎn)便的方法為銀納米的合成及尺寸控制提供了有效途徑。