不同制備條件對納米銀綠色合成的影響

邢亞閣,廖興梅,2,李文秀,唐靜,2,許青蓮,李宣林,黃銳函,2,于晉澤,4*

1(西華大學 食品與生物工程學院,四川 成都,611743) 2(宜賓西華大學研究院 食品非熱技術重點實驗室,四川 宜賓,644000) 3(內江職業技術學院 農業技術系,四川 內江,641000)4(國家農產品保鮮工程技術研究中心,農業農村部農產品貯藏保鮮重點實驗室,天津市農產品采后生理與貯藏保鮮重點實驗室,天津,300384)

納米銀顆粒(silver nanoparticles,AgNPs),因其具備特殊的理化性能,主要作為保鮮和抗菌材料被廣泛應用于食品貯藏保鮮、紡織制造、化妝品、信息材料和醫療抗菌等領域[1-4]。其中,納米銀作為涂膜或復合涂膜保鮮劑應用于果蔬保鮮,可延緩果蔬的衰老和改進果蔬的食用品質,使其貨架期得到延長。近年來,納米銀涂膜技術由于具有廣譜殺菌、快捷方便、保鮮效果明顯和成本低等優點,在果蔬保鮮領域有巨大的應用潛力,引起了眾多科研工作者的興趣,使納米銀粒子的綠色制備成為當前納米技術研究熱點之一[5-6]。然而,納米銀的功能特性與其尺寸、形態和粒徑分布密切相關[7]。因此,研究納米銀顆粒的制備以及其粒徑的大小和形貌的控制對納米銀應用于果蔬貯藏保鮮方面具有重要意義。

現階段,制備納米銀顆粒的方法主要有物理法、化學法和生物還原法。物理方法原理簡單,制備的納米銀顆粒純度高,但合成的納米銀顆粒粒徑不均勻,易發生團聚,而且對儀器設備的要求很高、能源消耗大[8]。化學法對設備要求較為簡單,但化學法通常會使用一些化學試劑,產生許多有害的副產品,對環境造成危害[9]。近年來,隨著環保意識的增強,綠色合成法在納米銀的合成中逐漸受到研究人員的青睞。綠色合成法即生物還原法,其包括植物合成法和微生物合成法[10]。綠色合成法是指利用無毒、無污染、無害的原料來制備納米銀,該法較物理法具有能耗小、成本低且合成簡單等優點,較化學法具有綠色環保、可再生性和反應條件溫和等優點,該法合成納米銀對營造良好的生態環境有積極影響[11]。

目前,我國每年產生大量的芒果皮廢棄物,但對芒果皮廢棄物的高值化利用研究卻較少,利用芒果皮浸提液制備納米銀的報道更少。芒果皮中含有豐富的黃酮化合物、維生素C、多酚化合物和芒果甙類等物質,其中的羥基和醛基起還原的作用,是天然的還原劑[10,12]。將芒果皮用作還原劑綠色合成納米銀顆粒,既提高了芒果的附加值和利用率,又避免資源浪費和環境污染[12-13]。同時,納米銀是否成功制備可從其顏色變化來直觀判斷,且其反應時間、反應溫度、芒果皮浸提液濃度、硝酸銀濃度和十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)添加量是影響形貌特征、尺寸大小和分布狀況的重要因素[14]。因此,本研究以硝酸銀為銀源,芒果皮浸提液為還原劑,采用生物還原法,探索制備條件對AgNPs顏色、形貌和粒徑的影響,為納米銀粒子的可控合成提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

硝酸銀(分析純)、粉狀SDS,成都市科龍化工試劑廠;芒果,四川攀枝花凱特農貿市場。

1.2 實驗設備

MDSH i3x型酶標儀,美谷分子儀器有限公司;UV3 600型紫外-可見分光光度計,日本島津公司;Nano ZS型馬爾文激光粒度儀,上海思百吉儀器系統有限公司;Tecnai g20型透射電子顯微鏡,美國FEI公司;Thermo fisher Nicolet 6700型傅立葉變換紅外(Fourier transform infrared,FTIR)光譜儀,美國Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 芒果皮浸提液的制備

用蒸餾水清洗新鮮芒果皮后,切成碎片,稱量25 g芒果皮加入100 mL超純水并榨成汁。將得到的混合液在85 ℃水浴中加熱30 min,自然冷卻抽濾后,在2 000 r/min下離心10 min,將上清液抽濾,用0.45 μm的微孔濾膜過濾后得到芒果皮浸提液。將芒果皮浸提液于4 ℃下儲存備用。

1.3.2 硝酸銀溶液的制備

準確稱量0.425 g硝酸銀,將其溶于超純水并定容至50 mL,配制成50 mmol/L的硝酸銀溶液,取其制備濃度為1.5 mmol/L的硝酸銀溶液,并低溫避光儲存。

1.3.3 納米銀末粉的制備

稱取0.06 g SDS于燒杯中,倒入25 mL硝酸銀溶液和2 mL芒果皮浸提液,加熱攪拌至溶液顏色變為棕黃色,表明已制備出納米銀溶膠。反應完成后,反應液在10 000 r/min條件下離心10 min,除去上清液,將沉淀用超純水超聲分散5 min后再次離心10 min,重復3次,將所得沉淀真空冷凍干燥,得到納米Ag粉,儲存于無水乙醇中備用[15-16]。

1.3.4 結構與性能表征

通過納米銀顏色、粒徑、紫外可見吸收光譜(ultraviolet and visible spectrophotometry,UV-vis)分析反應時間、反應溫度、浸提液添加量、硝酸銀濃度、SDS添加量對制備納米Ag的影響。

(1)納米Ag的粒徑測定

采用馬爾文激光粒度儀(25 ℃下)對制備的納米Ag溶膠的粒徑進行表征。

(2)UV-vis的測定

使用酶標儀測定AgNPs的SPR峰,在300～500 nm內,帶寬2 nm的條件下測定納米Ag溶膠的吸光值,初步檢測是否有納米Ag合成并比較納米Ag的粒徑。

(3)納米Ag透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)表征

參考劉沖沖等[17]的方法對AgNPs的形貌及分散情況用透射電子顯微鏡進行表征。將均勻分散的5 μL納米銀溶液滴加在覆炭銅網上,室溫干燥后并固定在儀器采樣臺。在點分辨率0.24 nm、線分辨率0.14 nm和加速電壓200 kV的條件下測試。

(4)FTIR分析

采用FTIR對制備的納米Ag顆粒表面吸附情況進行表征。將納米Ag溶液充分干燥后,采用KBr壓片法測定紅外光譜。掃描次數32次,分辨率4 cm-1,檢測波數范圍為400～4 000 cm-1。

1.3.5 數據統計分析

2 結果與討論

2.1 反應時間的影響

以不同反應時間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 h)制備銀納米溶膠(其他反應條件不變),結果見圖1。溶液顏色從淡黃色變為棕黃色(圖1-a),不同反應時間的吸收峰均約在420 nm左右處(圖1-b),表明有納米Ag生成,可能是芒果皮浸提液與銀離子的反應幾率較大[18]。并且合成的納米Ag溶膠濃度先增大后減小,表明在反應開始時,銀離子未完全被還原,隨著時間增加,納米銀顆粒團聚而沉淀。反應初期,AgNPs粒徑緩慢增加,反應1 h后迅速增長(圖1-c),這是因為AgNPs濃度增加到一定程度,晶粒產生奧斯特瓦爾熟化現象,粒子間的碰撞聚集幾率增大[19]。因此,反應時間為1 h時,合成的納米Ag產量高、粒徑小。

a-顏色圖;b-紫外吸收光譜;c-反應時間對粒徑的影響圖1 反應時間對納米Ag溶膠顏色、紫外-可見吸收光和粒徑的影響Fig.1 Effect of reaction time on color,UV-Vis absorption and particle size of AgNPs sol

2.2 反應溫度的影響

以不同反應溫度(65、70、75、80、85和90 ℃)制備銀納米溶膠(其他反應條件不變),結果見圖2。反應體系的顏色隨反應溫度升高而加深(圖2-a)。吸收峰強度呈現先增大后降低的趨勢(圖2-b),納米Ag濃度隨溫度升高先增大后減小。溫度為65和70 ℃時,呼吸峰弱,呼吸峰值不同,只產生極少的AgNPs。當溫度≥75 ℃時,均在410 nm附近出現明顯吸收峰,表明有大量AgNPs生成[7]。從圖2-c可知,反應體系的粒徑隨溫度升高先減小后增大,且在75 ℃時粒徑最小。因此,適當高溫有利于AgNPs快速形成。然而,在高溫下反應速率太快,穩定劑無法包裹AgNPs顆粒,出現二次團聚,使生成AgNPs的粒徑增大。綜上,選取溫度為75 ℃制備納米Ag。

a-顏色圖;b-紫外吸收光譜圖;c-反應溫度對粒徑的影響圖2 反應溫度對納米Ag溶膠顏色、紫外-可見吸收光和粒徑的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on color,UV-Vis absorption and particle size of AgNPs sol

2.3 芒果皮浸提液濃度的影響

以不同浸提液質量濃度(0.10、0.15、0.20、0.25、0.30和0.35 g/mL)制備銀納米溶膠(其他反應條件不變),結果如圖3所示。反應體系的顏色隨芒果皮浸提液濃度增大而加深(圖3-a),且其吸收峰值逐漸增大(圖3-b),吸收峰位置有紅移現象,表明納米Ag發生團聚[18]。芒果皮浸提液的質量濃度增大到0.2 g/mL時(圖3-c),合成納米Ag的粒徑開始迅速增大,納米Ag粒徑與峰位置移動的變化趨勢是一致的。SONG等[20]在研究木蘭葉提取物合成納米Ag時,也得到類似結論,可能是形成的原子核表面積累較多還原基團,增加了納米Ag合成速率。另一方面,AgNPs增長速率由自由Ag+擴散速率決定,隨著反應的進行,AgNPs晶核生成量增加,反應速率加快,使納米銀濃度上升過快而聚沉[7,19]。所以,選擇質量濃度為0.20 g/mL的芒果皮浸提液來制備納米Ag。

a-顏色圖;b-紫外吸收光譜圖;c-芒果皮浸提液濃度對粒徑的影響圖3 芒果皮浸提液濃度對納米Ag溶膠顏色、紫外-可見吸收光和粒徑的影響Fig.3 Effect of mango peel extract concentration on color,UV-Vis absorption and particle size of AgNPs sol

2.4 硝酸銀濃度的影響

以不同硝酸銀濃度(0.2、0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mmol/L)制備納米銀溶膠(其他反應條件不變),結果見圖4。隨著硝酸銀濃度增加,反應體系顏色逐漸加深(圖4-a)。當硝酸銀濃度為0.2 mmol/L時,無明顯的吸收峰(圖4-b),表明無AgNPs生成。硝酸銀濃度為1.0～2.5 mmol/L時,吸收峰位置變化微小,說明繼續增加濃度對AgNPs合成量影響小。當硝酸銀濃度<2.0 mmol/L時,納米Ag粒徑<80 nm,>2.0 mmol/L后納米Ag的粒徑迅速增大(圖4-c)。這可能是當晶核濃度處于過飽和狀態時,新合成的納米銀富集在晶核表面合成新的晶核,使AgNPs的粒徑增大[12]。另一方面,AgNPs濃度過大引起部分AgNPs聚集沉降,導致AgNPs的UV-vis特征吸收峰強度減弱[21]。綜上所述,在2.0 mmol/L硝酸銀濃度下合成的納米Ag濃度和密度均較高,且顆粒尺寸較小。

a-顏色圖;b-紫外吸收光譜圖;c-硝酸銀濃度對粒徑的影響圖4 硝酸銀濃度對納米Ag溶膠顏色、紫外-可見吸收光和粒徑的影響Fig.4 Effect of AgNO3 concentration on the color,UV-Vis absorption and particle size of AgNPs sol

2.5 SDS添加量的影響

以不同SDS添加量(0.03、0.06、0.09、0.12、0.15和0.18 g)制備銀納米溶膠(其他反應條件不變),結果見如圖5。反應體系顏色隨SDS添加量的增加先變淺后加深(圖5-a),且在添加量≤0.15 g時,吸收峰強度隨SDS添加量的增大而增大,其峰位置左移(圖5-b)。增加添加量到0.18 g時,合成量反而減少。這表明增大SDS添加量有利于納米Ag合成,但不是越大越好。由圖5-c可知,納米Ag粒徑隨SDS添加量的增大而減小。當添加SDS較低,合成AgNPs相應較少,但其粒徑較大,使納米Ag溶膠的顏色變深和吸收峰強度降低;隨著添加量進一步增加,合成納米Ag的粒徑減小,合成數量卻增加,使納米Ag溶膠的顏色加深。而過量添加SDS會吸附納米Ag粉體,阻礙納米Ag的合成,從而減少被還原的納米銀粒子。因此,選擇SDS添加量為0.15 g來合成納米Ag。

a-顏色圖;b-紫外吸收光譜圖;c-分散劑添加量對粒徑的影響圖5 分散劑添加量對納米Ag溶膠顏色、紫外-可見吸收光和粒徑的影響Fig.5 Effect of dispersant addition on color,UV-Vis absorption and particle size of AgNPs sol

2.6 TEM和FTIR對納米銀表征分析

2.6.1 不同濃度芒果皮浸提液制備的納米銀的粒徑及形貌

如圖6所示,AgNPs的粒徑隨浸提液濃度增大而增大,且不同濃度浸提液可制備出不同形狀的納米Ag顆粒。當質量濃度為0.15和0.25 g/mL時,合成的納米Ag為球形;當浸提液質量濃度為0.35 g/mL時,納米Ag從球形變為棒狀。這可能和晶核生長速度有關。當芒果皮浸提液濃度低時,納米Ag成核速率緩慢,各個晶面的生長速率差異微弱,使最終產物形成類球體。進一步增加芒果皮浸提液濃度,體系反應速率加快,使其晶核朝著某一方向生長,形成棒狀的納米銀粒子[22]。所得到的納米Ag粒徑范圍為25～70 nm,小于激光粒度儀測定的納米銀的粒徑。

a-0.15 g/mL;b-0.25 g/mL;c-0.35 g/mL圖6 不同濃度芒果皮浸提液制備納米Ag的透射電鏡圖Fig.6 Transmission electron microscope of AgNPs prepared by mango peel extract with different concentrations

2.6.2 納米銀紅外吸收光譜

利用FTIR鑒定提取液中起還原作用的官能團,其紅外光譜圖見圖7。在1 083.2,1 218.7,1 467.4,1 642.4,2 850.1,2 918.1,3 452.5 cm-1處有峰,均為含—OH的物質所產生的。芒果皮浸提液中本身含有—OH、—COH等基團,其作為封端劑使納米Ag更穩定,并且包覆在納米Ag表面,可能是電鏡觀察到的納米Ag粒徑比激光粒度儀測得粒徑要小。另外,芒果皮浸提液中的氨基、羥基、羧基起還原作用,與納米Ag形成穩定的—N—H···Pd、—C—O···Pd和—CO—O···Pd等鍵合作用,不僅增加產物穩定性,而且改變納米Ag晶核生長的方向[22]。

圖7 納米Ag粒子的紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectrum of silver nanoparticles

3 結論

通過改變不同制備條件,對納米銀粒徑和形貌有較大的影響。可得出以下結論：(1)納米銀的顏色隨時間、溫度、芒果皮和硝酸銀浸提液濃度增加均呈加深趨勢,但隨分散劑增加先變淺后加深。(2)納米銀的濃度隨各條件參數增加而增加,但過量使其聚沉而濃度降低。(3)制得的納米銀分布均勻,且粒徑均在25～70 nm。(4)各因素的最佳制備條件為反應時間1 h,反應溫度75 ℃,芒果皮浸提液質量濃度0.20 g/mL,硝酸銀濃度2.0 mmol/L,SDS添加量0.15 g。利用芒果皮浸提液合成納米銀,使芒果副產物得到高值化利用,且綠色環保。然而,芒果皮浸提液合成納米銀的反應機理尚不明確,還需進一步深入研究。本研究為納米銀應用于果蔬保鮮提供理論依據,對解析芒果皮合成AgNPs機制有重要的指導作用。