基于柠檬提取液的 银纳米颗粒绿色制备工艺优化

罗 应,李彦青,李永川,程 昊,孔红星,李利军,*

(1.广西科技大学鹿山学院,广西柳州 545616;2.广西科技大学生物与化学工程学院;广西糖资源绿色加工重点实验室;广西高校糖资源加工重点实验室,广西柳州 545006)

绿色化学作为环境友好、清洁无害的化学技术,其技术开发与应用不断得到重视与发展,广泛应用于生物、医药、化工、材料等领域。近年来,随着环境保护、可持续发展要求,绿色化学在纳米材料制备领域已越来越受到重视。绿色制备金属纳米颗粒技术要求主要体现在采用可再生溶剂、环境友好型还原剂及无毒无害保护剂。基于此,与传统化学品相比,以天然生物质为原料的制备金属纳米材料技术将具有显著优势[1]。

银纳米颗粒以其特有的物理、化学特性,在电子、光学、生物、医药、催化、机械等领域应用广泛[2-4],其制备技术也不断得到拓展和改进。在物理法和化学法应用中,化学法易实现对银纳米颗粒粒径的控制,且分布均匀,所以化学法在纳米银合成中应用较为普遍,但随着绿色化学工艺技术的提出,其对现有化学法制备银纳米颗粒提出了更高要求。为实现银纳米材料的绿色化合成,与现有以葡萄糖、糊精、葡聚糖、麦芽糖、β-环糊精等[5-6]为还原剂的银纳米颗粒绿色合成工艺相比,以植物提取液为原料的纳米银制备技术的研究更为深入、广泛。董春法等[7]以银杏叶提取液为保护剂和还原剂,合成了分布均匀、粒径较小的银纳米颗粒;刘冲冲等[8]利用姜提取液经化学还原法合成球形、粒径5～30 nm的纳米银,具有较好的分散性和热稳定性,抗菌效果良好;S. Ponarulselvam等[9]采用长春花叶提取液合成35～55 nm银纳米颗粒,具有较好的抗恶性疟原虫作用;L. Christensen等[10]通过调料九里香叶子萃取液生物法制备纳米银,其粒径为10～25 nm,形貌为球形;另外,红雀珊瑚叶[11]、荜拔叶[12]、人心果籽[13]等也被用于制备银纳米颗粒。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

硝酸银 99.8%,上海精细化工材料研究所;氨水 25%～28%,仁和化工有限公司;氢氧化钠、乙醇 均为分析纯,西陇科学股份有限公司;碳酸氢钠 分析纯,广东光华科技股份公司;柠檬 市售;二次蒸馏水 为实验室自制。

Sigma04-55型场发射扫描电子显微镜(SEM) 德国卡尔蔡司公司;UV-2102PC型紫外可见光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司;PHS-3C型pH测试仪 上海皓庄仪器有限公司;集热式磁力搅拌器 巩义市予华仪器总厂;台式离心机 常州国华电器有限公司;超声波清洗仪 昆山市超声仪器有限公司;电子天平 奥豪斯仪器(上海)有限公司;自动双重纯水蒸馏器 上海亚荣生化仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 柠檬汁提取液的制备

1.2.1.1 柠檬汁的制备 将用二次蒸馏水洗净后的柠檬果去皮,把果肉用榨汁机榨汁,并通过台式电动离心机对新鲜柠檬汁进行分离、纯化,其中转速为4000 r·min-1,离心时间为10 min,待离心后,取上清液,无色,其pH测定为3.36,呈明显酸性,放冰箱-20 ℃冷藏待用。

1.2.1.2 柠檬皮醇提液的制备 先用二次蒸馏水清洗新鲜柠檬,后用干净小刀剥下外皮,并用剪刀剪碎成大小均匀的方片状(5 mm×5 mm);取柠檬皮50 g于玻璃瓶,加入100 mL无水乙醇,为浸提更加充分,参照文献[14-15]于室温下浸提16 h,后再用超声波清洗仪超声30 min,得深黄色醇提液,测试其pH为5.98,呈弱酸性,放冰箱-20 ℃冷藏待用。

1.2.1.3 柠檬皮水提液的制备 按照柠檬皮醇提液制备方法,将二次蒸馏水代替无水乙醇,得浅黄色柠檬皮水提液,其pH为5.34,偏酸性,放冰箱-20 ℃冷藏待用。

1.2.2 硝酸银溶液及pH调节剂的制备

去年11月二十国集团峰会期间，法国总统萨科齐在和奥巴马的一次私下交谈中谈到了以色列总理内塔尼亚胡。萨科齐说：“我不想再见他了，他是个骗子。”奥巴马回应道：“你也许对他感到反胃，但与你相比，我不得不更经常与他打交道。”

1.2.2.1 硝酸银溶液的制备 准确称取硝酸银0.0425、0.0849、0.1274、0.1699 g,分别用二次蒸馏水充分溶解,并定容于500 mL棕色容量瓶,即得0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/L硝酸银溶液,避光、4 ℃冷藏保存,待用。

1.2.2.2 pH调节剂的制备 分别称取42 g NaHCO3和20 g NaOH,待二次蒸馏水充分溶解后,分别定容于500 mL容量瓶中,即得1 mol·L-1NaHCO3、1 mol·L-1NaOH的pH调节剂溶液,4 ℃储存备用。

1.2.3 银纳米颗粒的制备 准确量取所需硝酸银溶液于反应瓶中,搅拌加热至沸腾,定量滴加柠檬提取液(柠檬汁、柠檬皮醇提液或柠檬皮水提液),并在规定反应时间内于沸腾温度下搅拌反应,待按设定时间反应后,加入pH调节剂(浓氨水、1 mol·L-1NaHCO3或1 mol·L-1NaOH),调节反应溶液pH在7～8范围内,再继续加热反应9 min,得银纳米溶胶。

1.2.3.1 不同沸腾反应时间对银纳米颗粒的影响 取3个50 mL混合均匀的0.001 mol·L-1硝酸银溶液分别置于3个150 mL的反应瓶中,加热至沸腾,用移液枪分别加入柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液各7 mL,沸腾反应5、7、10、12、15 min后,用浓氨水调节反应液pH7～8,并继续加热反应9 min,分别得青黑色(柠檬汁)、黄绿色(柠檬皮醇提液)及黑红色(柠檬皮水提液)纳米银溶胶,测定不同沸腾反应时间制备的银纳米颗粒的紫外吸光度的影响。

1.2.3 不同硝酸银浓度对银纳米颗粒的影响 取三组50 mL摩尔浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/L的硝酸银溶液于150 mL反应瓶中,待沸腾后用移液枪取柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液各7 mL,分别加入上述三组不同硝酸银摩尔浓度的反应瓶中,并取柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液为原料的沸腾反应时间为7、12、10 min,后以浓氨水调节反应液pH7～8,并继续加热反应9 min。

1.2.4 不同pH剂对银纳米颗粒的影响 取50 mL摩尔浓度1.0 mmol/L的硝酸银溶液于150 mL反应瓶分别,加热至沸腾,加入柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液各7 mL,设定柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液对应的沸腾反应时间分别为7、12、10 min,随后加入不同pH调节剂(25%～28%浓氨水、1 mol·L-1NaHCO3、1 mol·L-1NaOH),并调节反应液pH7～8,后持续反应9 min,测定不同pH剂制备的银纳米颗粒的紫外吸光度的影响。

1.2.5 不同柠檬提取液类型、用量对银纳米颗粒的影响 取50 mL摩尔浓度1.0 mmol/L的硝酸银溶液于150 mL反应瓶中,加热至沸腾,分别取柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液各3、5、7、9 mL,并设定柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液对应工艺的沸腾反应时间分别为7、12、10 min,待反应完全后,加1 mol·L-1NaOH调节柠檬汁、柠檬皮醇提液反应液pH7～8,并以25%～28%浓氨水调节柠檬皮水提液反应液pH7～8,待反应9 min后终止反应,测定不同柠檬提取液类型、用量对银纳米颗粒的紫外吸光度的影响。

1.2.6 测试与表征

1.2.6.1 紫外光谱分析 取5 mL银纳米溶胶与20 mL二次蒸馏水混合均匀,于4000 r·min-1转速下离心10 min,吸出上清液,留下沉淀继续重复上述操作,直至上清液变为无色。量取处理好的银纳米溶胶0.5 mL,用二次蒸馏水稀释至5 mL,在二次蒸馏水基线基础上,于250～550 nm范围内对样品进行紫外光谱分析,并采用Origin Pro 8.5对数据进行处理、分析。

1.2.6.2 SEM分析 取5 mL银纳米溶胶与20 mL蒸馏水混合均匀,于4000 r·min-1条件下离心10 min,经多次离心洗样,待上清液为无色时停止操作;将制备好的样品用移液枪滴涂于导电玻璃上,待晾干后转移至刚铺有液体银的样品台上进行测量,于最大放大倍数50000倍条件下观察银纳米颗粒的粒径及形貌;同时,对样品进行密封保存,待70 d后再进行稳定性测试。

1.3 数据处理

采用Originpro 8.5对实验数据进行分析、作图。

2 结果与分析

2.1 不同沸腾反应时间对银纳米颗粒的影响

由图1可知,3种类型柠檬提取液所制备的银纳米颗粒最大吸收峰均在400 nm左右出现,表明了纳米银的存在。依据银纳米颗粒成核及生长机理可知[16-19](图2),一方面Ag+首先与柠檬酸经还原反应产生银核,随着反应时间的延长,银核量逐渐增加,并聚集形成小的银簇,

图1 不同反应时间纳米银紫外吸收光谱图Fig.1 UV-visible absorption spectra of nanosilver under different reaction time

图2 银纳米颗粒形成原理Fig.2 Primary and secondary growth steps in the formation of silver nanocrystallites

同时Ag+在簇团表面通过电荷传递进一步还原成Ag,进而使银簇粒径增大并成长为大的银簇;另一方面,当反应溶液中含有稳定剂或络合剂时,如聚乙烯醇、十二烷基硫酸钠、聚乙烯硫酸钠、聚丙烯酸钠等可以调控银簇生长,所以当溶剂中含有具有稳定剂效用的有机分子时,在银簇生长初期可通过共价交联或表面包覆,实现对银纳米颗粒的粒径控制。可见柠檬提取液中含有还原剂和稳定剂,在将Ag+还原为Ag同时,使银簇具有较好粒径分布,使银纳米颗粒最大吸收波长出现在400 nm左右,且纳米银对入射光的吸收没有受到干扰,表明样品处理液浓度适宜,方案合理。同时,反应时间对3种提取液所制备纳米银的紫外吸收峰强度及半高宽均有明显影响,其中柠檬汁工艺制备的银纳米颗粒对应吸收峰半高宽分布较宽,并在反应时间7 min时吸收峰半高宽最窄,此时最大吸收峰蓝移至400 nm,且吸光度达最大值0.805;柠檬皮醇提液工艺对应的吸收峰半高宽分布相对一致,于最大吸收波长405 nm处出现最大吸光度1.714;相比之下,柠檬皮醇提液最大吸收波长和吸光度对应的最佳反应时间为10 min。依据Mie理论:纳米颗粒粒径越大吸收峰位置红移、粒径越小吸收峰位置蓝移,及吸收峰半高宽变窄纳米颗粒分布更加集中原理[7],可通过改变反应时间制备出粒径分布更加均一的纳米银,所以当柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液加热时间分别为7、12、10 min时,可制备出粒径更小、密度更高的纳米银溶胶。

2.2 不同硝酸银浓度对银纳米颗粒的影响

图3可知,随着硝酸银浓度的增加,3种提取液制备的纳米银对应的吸收峰位置基本均呈现红移现象,表明颗粒粒径增大,

图3 硝酸银浓度对纳米银紫外吸收的影响Fig.3 Effect of silver nitrate concentration on the UV-visible absorption of nanosilver

说明溶液中银纳米颗粒发生了团聚;相比而言,吸光度也表现出先增加后降低趋势,这是因为一方面阴离子浓度的增加增大了银纳米颗粒的浓度,另一方面由于颗粒相互聚集,吸光质点数下降,导致吸光度降低;同时,依据吸收峰半高宽变化,硝酸银浓度对纳米银粒径分布也有较大影响,所以以柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液为原料的银纳米颗粒制备工艺所需硝酸银最佳浓度均为1.0 mmol/L。

2.3 不同pH剂对银纳米颗粒的影响

图4表明,对柠檬汁、柠檬皮醇提液而言,添加NaOH制备的纳米银紫外吸收波长蓝移现象最为显著,且具有较大的吸光度,纳米银浓度更高;而当柠檬皮水提液采用NaHCO3为反应液pH调节剂时,其制备的银纳米颗粒无紫外吸收现象,相比而言浓氨水对该体系纳米银最大紫外吸收波长和吸光度的影响最大[20]。另外,由图4可以看出,当提取液为柠檬汁、柠檬皮醇提液时,pH剂NaOH制备的纳米银对应的吸收峰半高宽更窄,纳米银粒径分布相对集中;而柠檬皮水提液而言,最佳pH剂则为浓氨水。

图4 pH剂类型对纳米银紫外吸收的影响Fig.4 Effects of pH regulators on the UV-visible absorption of nanosilver

2.4 不同柠檬提取液类型、用量对银纳米颗粒的影响

图5表明,不同提取液添加量对应的吸收峰位置变化明显,均随着柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液用量的增加,纳米银最大紫外吸收峰逐渐减小,出现蓝移现象,说明纳米银粒径随提取液用量的增加而降低,单分散性增加。另外,在金属纳米材料中,普遍存在纳米颗粒粒径尺寸跨度越大其吸收峰半高宽相应变宽的现象,图5表明3种工艺下制备的纳米银所对应吸收峰的半高宽均没有随着提取液用量的增加而变宽,说明纳米银粒径分布均一;结合图5中吸光度变化趋势可知,吸光度则随提取液添加量增大而升高,表明纳米银浓度随提取液用量的增加呈增大趋势,且稳定性更好。综合分析可知,在制备纳米银提取液中,柠檬皮醇提液最佳,其次为柠檬皮水提液,柠檬汁相对较差,且三者最佳掺量分别为9、9、5 mL。

图5 纳米银紫外吸收光谱图Fig.5 UV-visible absorption spectra of nanosilver

综上所述,柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液制备纳米银最优条件分别为:硝酸银1.0 mmol/L、柠檬汁9 mL、反应时间7 min、pH剂为1 mol·L-1的NaOH;硝酸银1.0 mmol/L、柠檬皮醇提液9 mL、反应时间12 min、pH剂为1 mol·L-1的NaOH;硝酸银1.0 mmol/L、柠檬皮水提液5 mL、反应10 min、pH剂为25%～28%的浓氨水。

2.5 银纳米颗粒形貌及稳定性分析

基于柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液3种最佳工艺制备的银纳米颗粒SEM图如图6所示。与柠檬酸还原法制备的银纳米颗粒(粒径50～100 nm)相比[14],图6(a-1)、(b-1)、(c-1)中银纳米颗粒具有球形形貌特征,平均粒径为70 nm左右,尺寸分布均匀,效果良好;待将3种工艺制备的纳米银测试样品密封保存放置70 d后,由于纳米银球存在表面活性,使银纳米颗粒间因形成化学键而产生交联现象,图6(a-2)、(b-2)、(c-2)表明纳米银球不再是分散的球状颗粒,而呈团块结构。其中,柠檬汁工艺制得的纳米银团聚现象最为明显,柠檬皮水提液工艺次之,而柠檬皮醇提液工艺制备的纳米银较为稳定,仍呈颗粒状分布。所以综合3种纳米银制备工艺可知,以柠檬皮醇提液最优条件工艺下制备的银纳米颗粒效果最佳。

图6 银纳米颗粒SEM图Fig.6 SEM image for nanosilver

3 结论

研究采用硝酸银为前驱体,以柠檬提取液为还原剂和保护剂,通过化学还原法成功制备出银纳米颗粒,经紫外可见光、SEM分析表明,所得纳米银粒径分布均匀,分散性好;通过探究柠檬提取液用量、反应时间、硝酸银用量、pH剂类型对制备银纳米颗粒的影响,表明选取适当的反应时间可制备出粒径分布更加均一的纳米银;硝酸银用量增大时,纳米银粒径增加,紫外吸收峰出现红移;而不同pH剂对柠檬汁、柠檬皮醇提液、柠檬皮水提液合成纳米银的形貌和粒径的影响不同;随着提取液用量增加,纳米银紫外吸收峰出现蓝移,吸光度增强;与柠檬汁、柠檬皮水提液相比,柠檬皮醇提液工艺制备的银纳米颗粒具有更好的分散性和稳定性。