水熱法制備納米銀及還原劑濃度的優(yōu)選*

黃瑩瑩，陳志喬，吳愛平，張 依，鄭楚萍

(廣州醫(yī)科大學，廣東 廣州 511436)

納米銀因其特殊的微觀結(jié)構(gòu)，具備小尺寸效應及表面效應，使得納米銀，而呈現(xiàn)許多特有的物理、化學和生物性質(zhì)。納米銀材料具有獨特的磁學、熱學、光學、電學、力學性能和催化特性[1]，還具有良好的抗菌性和生物相容性，在傳感器、導電材料、建筑材料、光吸收材料、催化劑及生物醫(yī)用材料等方面得到廣泛的應用。銀元素作為一種貴金屬，因其抗菌性強、耐藥率低而被作為抗菌材料已有悠久的歷史，研究發(fā)現(xiàn)，納米銀具有強效抗菌、廣譜抗菌、滲透性強、無耐藥性、修復再生、安全性高等特點[2]。并且在抗菌方面，對革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、真菌、部分病毒等都有抗菌作用[3]。但是目前納米銀的抗菌機理尚不明確，有學者認為納米銀能通過破壞細胞膜完整性、阻斷病原物DNA復制和產(chǎn)生活性氧誘導細胞凋亡等機制抑菌[4]。然而隨著大量耐藥菌的出現(xiàn)與增長，進一步推動了納米銀抗菌的研究和應用。

納米銀種類繁多，其制備方法也多種多樣。目前廣泛應用的主要有物理方法、化學方法和生物方法[5]，物理方法能制備粒徑為幾納米至幾百納米的單質(zhì)銀粒子，工作原理和生產(chǎn)工藝簡單易懂，但是所需大型設備成本較高，能耗大。而化學方法主要有化學還原法、微乳液法及溶膠-凝膠法等，其制備條件簡單、成本低、產(chǎn)量大，但是所采用的有機試劑大多對環(huán)境和健康不友好。另外，應用于制備納米銀粒子的生物方法有微生物還原法和植物還原法，此種方法條件簡單，對環(huán)境無污染，成為近幾年的研究熱點。

其中化學還原法中的水熱法是以水為溶劑，在高溫下進行化學反應制備納米銀顆粒的方法。水熱法的制備條件簡單易行、適用面廣并且具有可控性，這些優(yōu)點均使其備受青睞。本實驗通過在還原劑和穩(wěn)定劑(或稱保護劑)的存在下，將銀離子還原為金屬銀最終生長成納米銀顆粒。需要指出的是，運用水熱法進行普通液相合成得到的納米銀顆粒的穩(wěn)定性一直是個需要解決的問題。

試驗探索通過水熱法合成納米銀，以AgNO3為原料、Na3C6H5O7·2H2O(檸檬酸鈉)為還原劑、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為表面活性劑和穩(wěn)定劑制備納米銀，對所制備的納米銀產(chǎn)物分別進行TEM、UV-Vis、Size及Zeta電位分析，并對“檸檬酸鈉濃度”影響因素進行優(yōu)選。該制備方法簡單、反應快捷、容易控制，并且實驗所用試劑PVP毒性低，對環(huán)境友好。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

檸檬酸鈉(C6H5Na3O7·2H2O，分析純)，天津市百世化工有限公司；聚乙烯吡咯烷酮(K30，分析純)，天津市光復精細化工研究所；硝酸鹽(分析純)，西隴科學股份有限公司。

UV-2600島津紫外分光光度計，天美公司；95-2恒溫磁力攪拌器，常州澳華儀器有限公司。

1.2 水熱法制備納米銀

1.2.1 反應溶液的制備

通過計算后，用分析天平準確稱取適當質(zhì)量的固體或粉末，裝于50 mL的燒杯中，倒入適量蒸餾水，玻璃杯攪拌至完全溶解，引流入100 mL容量瓶中，洗滌燒杯兩次，洗滌液全部轉(zhuǎn)入容量瓶中，用蒸餾水定容，蓋好瓶塞反復上下顛倒，搖勻。將配得的溶液轉(zhuǎn)移至試劑瓶中，貼好標簽備用。用以上方法分別配制0.1 mol/L AgNO3溶液、10 mg/mL PVP溶液、x mol/L檸檬酸鈉溶液(x=0.01，0.05，0.1，0.15，0.2)。

1.2.2 水熱法反應制備納米銀溶液

用移液腔分別精確吸取1 mL 0.1 mol/L AgNO3溶液、1 mL 10 mg/mL PVP溶液和1 mL x mol/L檸檬酸鈉溶液(x=0.01，0.05，0.1，0.15，0.2)于100 mL圓底燒瓶中，再加入用量筒量取的10 mL蒸餾水，放入攪拌子，然后將圓底燒瓶固定于鐵架臺，上接直行冷凝管，用夾子固定，冷凝水下進上出。將圓底燒瓶置于100 ℃水浴鍋中在磁力攪拌器上水浴加熱，反應2 h。反應完畢后，將圓底燒瓶取出，冷卻后將不同檸檬酸鈉溶液濃度反應條件下得到的納米銀溶液轉(zhuǎn)移至樣品瓶中，貼好標簽備用。

1.3 納米銀的表征分析

1.3.1 紫外-可見光譜分析

采用紫外-可見分光光度計對納米銀溶液進行可見光吸收分析，根據(jù)吸收光譜上的特征波長處的吸光度高低判別或測定納米銀的含量。先打開儀器電源，按動設備開機開關，讓儀器預熱至少二十分鐘左右，自檢結(jié)束后開始進行測試。將蒸餾水作為參比溶液，再放入樣品溶液，關上樣品室蓋。進入波長掃描模式，設定掃描的起止波長，修改完畢確定，按[Start/Stop]鍵開始波長掃描，測試完畢后截取需要的掃描圖譜并保存相應的數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.3.2 TEM分析

利用透射電子顯微鏡對制得的納米銀進行形貌表征，觀察其大小、數(shù)量及分布等。首先用支持膜法進行制樣，取濾紙平鋪在桌面上，用筆均勻劃分數(shù)個扇形區(qū)域，用鑷子從銅網(wǎng)盒里夾起銅網(wǎng)，一個區(qū)域?qū)粋€銅網(wǎng)，并在各個區(qū)域做好標記。移液槍調(diào)至50 μL，吸取樣品溶液，槍頭懸在銅網(wǎng)上方，一滴一滴分別把樣品滴在銅網(wǎng)上，滴樣完畢后將濾紙和銅網(wǎng)一起放在紅外箱里烘干，然后進行電鏡分析。

1.3.3 粒徑和電位分析

先打開粒徑電位測定儀電源，先進行自檢，自檢完畢，啟動電腦，打開運行軟件，打開File，點擊New項下的Measurement File選項，為樣品測定結(jié)果建立一個新的文件夾，點擊Measure項下的Manual選項，進入測定界面，點擊Measurement tupe，選擇所要測定的數(shù)據(jù)類型，本實驗選擇Size(粒徑)或Zeta Potential(Zate電位)。點擊Sample name項下輸入樣品名稱，點擊OK。將樣品注入折疊毛細管樣品池后放入測定儀中，點擊Start，開始進行測定，待樣品測定結(jié)束后再將另一樣品池放入，重復以上步驟進行測定，全部樣品測定完畢后，分別保存相關數(shù)據(jù)文件，關閉運行軟件，并將粒徑電位測定儀電源關閉。

2 結(jié)果與討論

2.1 制得納米銀表觀形態(tài)

2.1.1 不同條件下合成的納米銀溶膠實圖

產(chǎn)物實圖如圖1所示，反應所得產(chǎn)物顏色各不相同。0.01 M和0.05 M檸檬酸鈉濃度下反應所得溶液為無色透明，0.1 M的為暗青色，0.15 M的為暗橙色，0.2 M的為亮黃色。并且產(chǎn)物顏色會隨時間而稍有變化。

圖1 不同檸檬酸鈉反應濃度制備所得納米銀溶膠

2.1.2 檸檬酸鈉濃度對納米銀紫外吸收特性的影響

圖2 不同檸檬酸鈉反應濃度制備所得納米銀的紫外吸收曲線圖

圖2是AgNO3濃度和PVP濃度不變時，改變檸檬酸鈉濃度時制得的納米銀的紫外-可見吸收光譜。由圖2可知，在410 nm左右可觀察到納米銀溶液的紫外-可見吸收峰，說明制得的納米銀溶液有量子尺寸效應。當檸檬酸鈉濃度依次從0.01 M增加到0.2 M時，納米銀的特征吸收峰先紅移再藍移。當檸檬酸鈉濃度為0.01 M時，特征吸收峰的波長最小、半峰寬大、吸收峰強度小，此時納米銀顆粒粒徑小、粒度分布廣并且濃度低，故該濃度不是最佳反應條件。這一方面是因為檸檬酸鈉濃度太低，所還原的納米銀數(shù)量少，因此吸收峰較小。當檸檬酸鈉濃度從0.01 M增加到0.05 M時，納米銀的特征吸收峰紅移，半峰寬減小，強度增大，此時納米銀的粒徑變大，粒徑范圍變窄。當檸檬酸鈉濃度從0.05 M增加到0.1 M時，納米銀特征吸收峰藍移，半峰寬變寬，強度減小，此時納米銀粒徑變小，但是粒徑范圍變寬并且濃度低。檸檬酸鈉濃度從0.1 M增加到0.15 M時，特征吸收波長相近，半峰寬變小，強度增大，此時納米銀的粒徑范圍變窄且濃度增大。當檸檬酸鈉濃度繼續(xù)增大到0.2 M時，納米銀的特征吸收藍移，特征吸收峰的強度大，且半峰寬小，表明此時的納米銀粒徑最小并且粒度范圍窄，濃度也大。綜上分析可知，檸檬酸鈉濃度為0.2 M時，可制得粒徑小且粒度分布范圍小的納米銀。

2.1.3 檸檬酸鈉濃度對納米銀粒徑的影響

圖3是AgNO3濃度和PVP濃度不變時，改變檸檬酸鈉濃度時制得的納米銀粒徑圖。由圖3可知，隨著檸檬酸鈉溶液濃度的增加，納米銀顆粒的粒徑有變小的趨勢，數(shù)量有增加的趨勢。檸檬酸鈉溶液濃度為0.01 M，納米銀的平均粒徑為80 nm左右；當檸檬酸鈉濃度到達0.05 M時，納米銀的平均粒徑為65 nm左右；當檸檬酸鈉濃度為0.1 M時，納米銀平均粒徑為18 nm左右；繼續(xù)增加檸檬酸鈉溶液濃度到0.15 M，納米銀平均粒徑為9 nm左右，再增加濃度時，納米銀粒徑變化不大，這一結(jié)果與紫外可見光譜的分析是一致的。故檸檬酸鈉溶液濃度可選取為0.15 M或0.2 M。

圖3 不同檸檬酸鈉反應濃度制備所得納米銀的粒徑圖

2.1.4 檸檬酸鈉濃度對納米銀電位的影響

圖4是AgNO3濃度和PVP濃度不變時，改變檸檬酸鈉濃度時制得的納米銀電位圖。Zeta電位，又叫電動點位或電動電勢，是表征膠體分散系穩(wěn)定性的重要指標。同時，Zeta電位是對顆粒之間相互排斥或吸引力的強度的度量。由圖4可知，0.01 M、0.05 M、0.1 M和0.15 M檸檬酸鈉濃度反應下，制得的納米銀帶正電荷，可能因為反應中檸檬酸鈉消耗多過銀粒子被還原，吸附在納米銀表面的負電荷減少，少于正電荷，故帶正電荷。并且電位幾近相同，但是由于電位絕對值較低，顯示膠體顆粒較傾向于凝結(jié)或凝聚，可見穩(wěn)定性不好。0.2 M濃度的檸檬酸鈉反應下，制得的納米銀顆粒帶微弱的正電荷，其電位絕對值相較更低，同理，穩(wěn)定性更小。

圖4 不同檸檬酸鈉反應濃度制備所得納米銀的電位圖

2.1.5 納米銀的形貌表征

從圖5中，我們可以明顯地看到不同檸檬酸濃度下所制備的納米銀的形貌特征。從圖5可看出，0.01 M濃度的檸檬酸鈉下，制備出的納米銀粒徑在20 nm左右，具有良好的分散性和均勻性，但是數(shù)量較少；當檸檬酸鈉濃度增大到0.05 M時，納米銀顆粒變小，粒徑在15 nm左右，分散性也略微變小；用0.1 M濃度的檸檬酸鈉時，制備的納米銀顆粒團聚在一起，并且顆粒變大，粒徑在50 nm左右；將檸檬酸鈉濃度增大到0.15 M，制備的納米銀顆粒變小，但相對于0.01 M和0.05 M檸檬酸鈉濃度下的納米銀產(chǎn)物顆粒大，粒徑在30 nm左右分散性稍差，有團聚現(xiàn)象，均勻性也相對稍差；檸檬酸鈉濃度增大到0.2 M時，納米銀顆粒又出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，且分布不均勻。另外，由圖5可知隨著檸檬酸鈉溶液濃度的增加，所制得的納米銀顆粒數(shù)量有增多的趨勢，且基本呈球形。因為隨著還原劑濃度的增大，所能還原的銀離子也增多，如果濃度過低，則制得的納米銀數(shù)量較少，而分散性和均勻性較好，但是明顯不能滿足實際生產(chǎn)需求。檸檬酸鈉濃度增大，雖然制得納米銀數(shù)量逐漸增多，但分散性逐漸降低，均勻性也逐漸降低，團聚現(xiàn)象增多，當濃度增大到一定程度，納米銀的合成逐漸失控，不能合成符合生產(chǎn)需求的納米銀。因此，控制檸檬酸鈉的濃度，可以實現(xiàn)納米銀粒徑的可控制備。

綜上所述，此時，當檸檬酸鈉濃度為0.15 M時，可以合成相對尺寸良好，數(shù)量可觀的納米銀顆粒。

圖5 不同檸檬酸鈉反應濃度制備所得納米銀的透射電鏡圖

3 結(jié) 論

(1)本項目成功合成納米銀，并通過UV-VIS、TEM、Size和Zeta電位等表征手段，對所制備的納米銀的形貌和特性進行表征。

(2)本項目通過水熱法合成納米銀，以AgNO3為原料、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為表面活性劑與穩(wěn)定劑和不同濃度Na3C6H5O7·2H2O(檸檬酸鈉)為還原劑制備納米銀，最佳檸檬酸鈉濃度條件為0.15 M。此條件制得的納米銀尺寸較良好，分散較均勻，基本呈球形。

(3)通過控制檸檬酸鈉濃度對合成納米銀的條件進行優(yōu)選，能實現(xiàn)納米銀的可控制備。