金錢草多糖介導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檢測所，河南鄭州 450003；2.鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，河南鄭州 450001）

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

文獻報道了多種合成銀納米的方法，其中自下而上的前驅體還原法是制備銀納米的常用方法，化學還原、超聲波還原、電化學還原、生物還原等途徑均可制備出不同形貌結構的銀納米材料[4]。硼氫化鈉、水合肼、抗壞血酸等化學試劑均可將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，化學小分子還原劑合成的納米材料通常需要表面包覆保護劑增強其溶液穩(wěn)定性，且化學還原劑增加了納米材料的潛在環(huán)境毒性，不利于在某些領域的應用；而外加物理場或電化學還原法制備方法稍加繁瑣。因此，利用生物大分子功能基團豐富的特點及其自身還原能力，可避免外加還原劑的引入，同時生物大分子可包覆于納米材料表面，起到保護穩(wěn)定的作用，是一種合成貴金屬納米材料的綠色簡便方法。

在眾多能夠合成銀納米的生物大分子中，多糖以其結構功能多樣、生物相容性好的特點備受關注。Raveendran P等人[6]最早報道利用淀粉為模板、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制。此外，利用來源廣泛的植物提取多糖也是合成銀納米粒子的綠色簡便途徑，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過程中起到重要作用。

試驗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構能夠對銀納米粒子起到保護穩(wěn)定作用。試驗系統(tǒng)考查了物料比例、反應時間、反應溫度及pH值等因素對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；配制濃度為12.5 mmol/L的AgNO3溶液。合成銀納米試驗中，首先取40 mL多糖溶液，置于恒溫磁力攪拌器上加熱至設定溫度（50～90℃），補加預先設定好體積的蒸餾水，將最終反應體系定容至56 mL，攪拌狀態(tài)下加入不同體積的（2，4，8，16 mL） AgNO3溶液，每隔一定時間取部分反應溶液用于紫外或透射電鏡表征。同時考查了溶液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銀納米分散液進行光學表征，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 結果與分析

2.1 銀納米紫外可見光表征

金錢草多糖介導合成銀納米粒子示意圖見圖1。

圖1 金錢草多糖介導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，溶液中三維構象復雜，且含有豐富的羧基、羥基等官能團，可通過螯合吸附作用結合銀離子，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，試驗考查了銀離子前體濃度、反應溫度、反應時間及pH值對銀納米生成的影響。

不同反應條件下銀納米分散液紫外可見光光譜圖見圖2。

圖2（a） 為在不同反應溫度下（50～90℃） 還原50 min后的光譜圖，在較低的反應溫度下未見明顯的銀納米粒子特征SPR吸收峰[9]，當反應溫度升高到70℃時，在波長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，說明較高的溫度能夠增強多糖的還原能力，有利于銀離子的還原和銀納米的生長，同時可以看出，隨著反應溫度升高，吸收峰的半峰寬降低，吸收峰藍移，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初期體系內(nèi)晶核數(shù)目較多，從而使后期生長的銀納米粒徑比較均一。

圖2 不同反應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，尤其是當添加量為16 mL時，銀納米的吸收峰顯著增強，同時吸收峰位置逐漸紅移，表明較高的銀離子濃度易導致生成粒徑較大的銀納米。同時考查了銀納米粒子的生長動力學行為，跟蹤了銀納米紫外光譜隨時間的變化曲線，如圖2（c）所示，當反應時間10～50 min時，吸收峰不斷增強，表明反應體系內(nèi)的銀納米逐漸增多。

反應體系進一步考查了pH值對合成銀納米粒子的影響，不同pH值條件下反應50 min后紫外光譜圖如圖2（d）所示，可見pH值對反應過程影響顯著。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，溶液中的三維結構發(fā)生了收縮，導致多糖功能基團與銀離子間作用力減弱引起的。然而，當反應體系為堿性時，相同的反應條件下銀納米的紫外吸收峰強度顯著增加，且半峰寬減小，表明堿性環(huán)境增強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，同時官能團的還原性得以進一步激發(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度隨時間變化見圖3。

圖3 不同pH值條件下銀納米分散液特征吸收峰強度隨時間變化

圖3 對比了不同pH值條件下，銀納米特征吸收峰強度隨時間變化曲線，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)即達到反應平衡，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

采用透射電鏡對堿性和中性環(huán)境下合成的銀納米粒子進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，無明顯的團聚現(xiàn)象，這得益于多糖大分子對銀納米的包覆穩(wěn)定作用，多糖中的羧基、羥基等活性基團與銀納米表面具有較強的相互作用力，有效抑制了銀納米粒子間的聚集傾向，增強了銀納米粒子在溶液中的儲存穩(wěn)定性；金錢草多糖包覆穩(wěn)定的銀納米在4℃條件下儲存3個月未見聚集沉淀現(xiàn)象，也證明了多糖保護的銀納米具有良好的儲存穩(wěn)定性。另外，粒徑統(tǒng)計分析可知中性環(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，堿性環(huán)境下較強的還原能力有利于生成較多數(shù)目的銀納米晶核，導致最終形成平均粒徑較小的銀納米粒子。

3 結論

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)前驅體還原法綠色合成了銀納米粒子，結果發(fā)現(xiàn)反應溫度是影響金錢草多糖還原劑的關鍵條件，反應時間和前驅體濃度是控制銀納米粒徑及分布的重要因素，同時考查了pH值對銀納米粒子生成的影響，堿性環(huán)境下可顯著增強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存穩(wěn)定性。這種綠色簡便的方法為銀納米的合成及尺寸控制提供了有效途徑。