不同制備條件對(duì)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(xué) 食品與生物工程學(xué)院,四川 成都,611743) 2(宜賓西華大學(xué)研究院 食品非熱技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 宜賓,644000) 3(內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 農(nóng)業(yè)技術(shù)系,四川 內(nèi)江,641000)4(國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津市農(nóng)產(chǎn)品采后生理與貯藏保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)用于食品貯藏保鮮、紡織制造、化妝品、信息材料和醫(yī)療抗菌等領(lǐng)域[1-4]。其中,納米銀作為涂膜或復(fù)合涂膜保鮮劑應(yīng)用于果蔬保鮮,可延緩果蔬的衰老和改進(jìn)果蔬的食用品質(zhì),使其貨架期得到延長(zhǎng)。近年來(lái),納米銀涂膜技術(shù)由于具有廣譜殺菌、快捷方便、保鮮效果明顯和成本低等優(yōu)點(diǎn),在果蔬保鮮領(lǐng)域有巨大的應(yīng)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(dāng)前納米技術(shù)研究熱點(diǎn)之一[5-6]。然而,納米銀的功能特性與其尺寸、形態(tài)和粒徑分布密切相關(guān)[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(duì)納米銀應(yīng)用于果蔬貯藏保鮮方面具有重要意義。

現(xiàn)階段,制備納米銀顆粒的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物還原法。物理方法原理簡(jiǎn)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(fā)生團(tuán)聚,而且對(duì)儀器設(shè)備的要求很高、能源消耗大[8]?；瘜W(xué)法對(duì)設(shè)備要求較為簡(jiǎn)單,但化學(xué)法通常會(huì)使用一些化學(xué)試劑,產(chǎn)生許多有害的副產(chǎn)品,對(duì)環(huán)境造成危害[9]。近年來(lái),隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),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(wú)毒、無(wú)污染、無(wú)害的原料來(lái)制備納米銀,該法較物理法具有能耗小、成本低且合成簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),較化學(xué)法具有綠色環(huán)保、可再生性和反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn),該法合成納米銀對(duì)營(yíng)造良好的生態(tài)環(huán)境有積極影響[11]。

目前,我國(guó)每年產(chǎn)生大量的芒果皮廢棄物,但對(duì)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(bào)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(zhì),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(fèi)和環(huán)境污染[12-13]。同時(shí),納米銀是否成功制備可從其顏色變化來(lái)直觀判斷,且其反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)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(duì)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(shí)踐依據(jù)。

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(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

MDSH i3x型酶標(biāo)儀,美谷分子儀器有限公司;UV3 600型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì),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(tǒng)有限公司;Tecnai g20型透射電子顯微鏡,美國(guó)FEI公司;Thermo fisher Nicolet 6700型傅立葉變換紅外(Fourier transform infrared,FTIR)光譜儀,美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(guò)濾后得到芒果皮浸提液。將芒果皮浸提液于4 ℃下儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 硝酸銀溶液的制備

準(zhǔn)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(chǔ)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?yōu)樽攸S色,表明已制備出納米銀溶膠。反應(yīng)完成后,反應(yīng)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(fù)3次,將所得沉淀真空冷凍干燥,得到納米Ag粉,儲(chǔ)存于無(wú)水乙醇中備用[15-16]。

1.3.4 結(jié)構(gòu)與性能表征

通過(guò)納米銀顏色、粒徑、紫外可見(jiàn)吸收光譜(ultraviolet and visible spectrophotometry,UV-vis)分析反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、浸提液添加量、硝酸銀濃度、SDS添加量對(duì)制備納米Ag的影響。

(1)納米Ag的粒徑測(cè)定

采用馬爾文激光粒度儀(25 ℃下)對(duì)制備的納米Ag溶膠的粒徑進(jìn)行表征。

(2)UV-vis的測(cè)定

使用酶標(biāo)儀測(cè)定AgNPs的SPR峰,在300～500 nm內(nèi),帶寬2 nm的條件下測(cè)定納米Ag溶膠的吸光值,初步檢測(cè)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(duì)AgNPs的形貌及分散情況用透射電子顯微鏡進(jìn)行表征。將均勻分散的5 μL納米銀溶液滴加在覆炭銅網(wǎng)上,室溫干燥后并固定在儀器采樣臺(tái)。在點(diǎn)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(cè)試。

(4)FTIR分析

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

1.3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間的影響

以不同反應(yīng)時(shí)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(yīng)條件不變),結(jié)果見(jiàn)圖1。溶液顏色從淡黃色變?yōu)樽攸S色(圖1-a),不同反應(yīng)時(shí)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(yīng)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(yīng)開始時(shí),銀離子未完全被還原,隨著時(shí)間增加,納米銀顆粒團(tuán)聚而沉淀。反應(yīng)初期,AgNPs粒徑緩慢增加,反應(yīng)1 h后迅速增長(zhǎng)(圖1-c),這是因?yàn)锳gNPs濃度增加到一定程度,晶粒產(chǎn)生奧斯特瓦爾熟化現(xiàn)象,粒子間的碰撞聚集幾率增大[19]。因此,反應(yīng)時(shí)間為1 h時(shí),合成的納米Ag產(chǎn)量高、粒徑小。

a-顏色圖;b-紫外吸收光譜;c-反應(yīng)時(shí)間對(duì)粒徑的影響圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)納米Ag溶膠顏色、紫外-可見(jiàn)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(yīng)溫度的影響

以不同反應(yīng)溫度(65、70、75、80、85和90 ℃)制備銀納米溶膠(其他反應(yīng)條件不變),結(jié)果見(jiàn)圖2。反應(yīng)體系的顏色隨反應(yīng)溫度升高而加深(圖2-a)。吸收峰強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)(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(shí),呼吸峰弱,呼吸峰值不同,只產(chǎn)生極少的AgNPs。當(dāng)溫度≥75 ℃時(shí),均在410 nm附近出現(xiàn)明顯吸收峰,表明有大量AgNPs生成[7]。從圖2-c可知,反應(yīng)體系的粒徑隨溫度升高先減小后增大,且在75 ℃時(shí)粒徑最小。因此,適當(dāng)高溫有利于AgNPs快速形成。然而,在高溫下反應(yīng)速率太快,穩(wěn)定劑無(wú)法包裹AgNPs顆粒,出現(xiàn)二次團(tuán)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(yīng)溫度對(duì)粒徑的影響圖2 反應(yīng)溫度對(duì)納米Ag溶膠顏色、紫外-可見(jiàn)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(zhì)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(yīng)條件不變),結(jié)果如圖3所示。反應(yīng)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(xiàn)象,表明納米Ag發(fā)生團(tuán)聚[18]。芒果皮浸提液的質(zhì)量濃度增大到0.2 g/mL時(shí)(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(dòng)的變化趨勢(shì)是一致的。SONG等[20]在研究木蘭葉提取物合成納米Ag時(shí),也得到類似結(jié)論,可能是形成的原子核表面積累較多還原基團(tuán),增加了納米Ag合成速率。另一方面,AgNPs增長(zhǎng)速率由自由Ag+擴(kuò)散速率決定,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,AgNPs晶核生成量增加,反應(yīng)速率加快,使納米銀濃度上升過(guò)快而聚沉[7,19]。所以,選擇質(zhì)量濃度為0.20 g/mL的芒果皮浸提液來(lái)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(duì)粒徑的影響圖3 芒果皮浸提液濃度對(duì)納米Ag溶膠顏色、紫外-可見(jiàn)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(yīng)條件不變),結(jié)果見(jiàn)圖4。隨著硝酸銀濃度增加,反應(yīng)體系顏色逐漸加深(圖4-a)。當(dāng)硝酸銀濃度為0.2 mmol/L時(shí),無(wú)明顯的吸收峰(圖4-b),表明無(wú)AgNPs生成。硝酸銀濃度為1.0～2.5 mmol/L時(shí),吸收峰位置變化微小,說(shuō)明繼續(xù)增加濃度對(duì)AgNPs合成量影響小。當(dāng)硝酸銀濃度<2.0 mmol/L時(shí),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(dāng)晶核濃度處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí),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(guò)大引起部分AgNPs聚集沉降,導(dǎo)致AgNPs的UV-vis特征吸收峰強(qiáng)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(duì)粒徑的影響圖4 硝酸銀濃度對(duì)納米Ag溶膠顏色、紫外-可見(jiàn)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(yīng)條件不變),結(jié)果見(jiàn)如圖5。反應(yīng)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(shí),吸收峰強(qiáng)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(shí),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(dāng)添加SDS較低,合成AgNPs相應(yīng)較少,但其粒徑較大,使納米Ag溶膠的顏色變深和吸收峰強(qiáng)度降低;隨著添加量進(jìn)一步增加,合成納米Ag的粒徑減小,合成數(shù)量卻增加,使納米Ag溶膠的顏色加深。而過(guò)量添加SDS會(huì)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(lái)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(duì)粒徑的影響圖5 分散劑添加量對(duì)納米Ag溶膠顏色、紫外-可見(jiàn)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(duì)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(dāng)質(zhì)量濃度為0.15和0.25 g/mL時(shí),合成的納米Ag為球形;當(dāng)浸提液質(zhì)量濃度為0.35 g/mL時(shí),納米Ag從球形變?yōu)榘魻?。這可能和晶核生長(zhǎng)速度有關(guān)。當(dāng)芒果皮浸提液濃度低時(shí),納米Ag成核速率緩慢,各個(gè)晶面的生長(zhǎng)速率差異微弱,使最終產(chǎn)物形成類球體。進(jìn)一步增加芒果皮浸提液濃度,體系反應(yīng)速率加快,使其晶核朝著某一方向生長(zhǎng),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(cè)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(tuán),其紅外光譜圖見(jiàn)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(zhì)所產(chǎn)生的。芒果皮浸提液中本身含有—OH、—COH等基團(tuán),其作為封端劑使納米Ag更穩(wěn)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(cè)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(wěn)定的—N—H···Pd、—C—O···Pd和—CO—O···Pd等鍵合作用,不僅增加產(chǎn)物穩(wěn)定性,而且改變納米Ag晶核生長(zhǎng)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(jié)論

通過(guò)改變不同制備條件,對(duì)納米銀粒徑和形貌有較大的影響。可得出以下結(jié)論：(1)納米銀的顏色隨時(shí)間、溫度、芒果皮和硝酸銀浸提液濃度增加均呈加深趨勢(shì),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(shù)增加而增加,但過(guò)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(yīng)時(shí)間1 h,反應(yīng)溫度75 ℃,芒果皮浸提液質(zhì)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(chǎn)物得到高值化利用,且綠色環(huán)保。然而,芒果皮浸提液合成納米銀的反應(yīng)機(jī)理尚不明確,還需進(jìn)一步深入研究。本研究為納米銀應(yīng)用于果蔬保鮮提供理論依據(jù),對(duì)解析芒果皮合成AgNPs機(jī)制有重要的指導(dǎo)作用。