金钱草多糖介导的银纳米粒子绿色合成及表征

吕 斌，李亚玲，方世航，孙正光，何熙芳，方志辉，梁 淼

（1.河南省口岸食品检验检测所，河南郑州 450003；2.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南郑州 450001）

贵金属纳米粒子因其具有独特的物化结构特征，在诸如环境保护、传感检测、生物医药等方面具有重要的应用价值，引起了人们的广泛关注[1-2]。银纳米粒子是一种重要的贵金属纳米材料，广泛应用于催化、抗菌、医药等领域，但纳米粒子通常表面能较高，溶液中易于团聚，如何可控合成具有特定形貌尺寸及结构的银纳米粒子是发挥其性能的前提[3]。

文献报道了多种合成银纳米的方法，其中自下而上的前驱体还原法是制备银纳米的常用方法，化学还原、超声波还原、电化学还原、生物还原等途径均可制备出不同形貌结构的银纳米材料[4]。硼氢化钠、水合肼、抗坏血酸等化学试剂均可将Ag+还原为Ag0原子，并最终聚集形成纳米银，例如，Qin Y等人[5]以抗坏血酸为还原剂经前体离子还原合成了粒径在31～73 nm的银纳米粒子，化学小分子还原剂合成的纳米材料通常需要表面包覆保护剂增强其溶液稳定性，且化学还原剂增加了纳米材料的潜在环境毒性，不利于在某些领域的应用；而外加物理场或电化学还原法制备方法稍加繁琐。因此，利用生物大分子功能基团丰富的特点及其自身还原能力，可避免外加还原剂的引入，同时生物大分子可包覆于纳米材料表面，起到保护稳定的作用，是一种合成贵金属纳米材料的绿色简便方法。

在众多能够合成银纳米的生物大分子中，多糖以其结构功能多样、生物相容性好的特点备受关注。Raveendran P等人[6]最早报道利用淀粉为模板、葡糖糖为还原剂，在水溶液中合成了银纳米粒子，并认为是一种合成金属纳米材料的绿色方法。曹洁明等人[7]采用葡聚糖为还原剂和稳定剂绿色合成了银纳米粒子，并分析了纳米粒子的形成机制。此外，利用来源广泛的植物提取多糖也是合成银纳米粒子的绿色简便途径，Yallappa S等人[8]以金合欢种子提取液为还原剂和稳定剂，在微波辐射作用下150 s内快速合成了17 nm左右的银纳米粒子，多糖成分在银离子还原及生长过程中起到重要作用。

试验以金钱草多糖为还原剂和稳定剂，制备银纳米粒子，该多糖是从金钱草中提取的杂多糖，由木糖、甘露糖、鼠李糖及半乳糖醛酸等经糖苷键连接而成的天然高分子，糖链上功能团丰富，可用以螯合吸附金属前体离子，并且多糖在溶液中的三维结构能够对银纳米粒子起到保护稳定作用。试验系统考查了物料比例、反应时间、反应温度及pH值等因素对银纳米粒子形成过程的影响，以期为银纳米粒子的可控制备提供简便绿色的新方法。

1 材料与方法

1.1 试剂

金钱草多糖，由金钱草提取纯化获得；硝酸银（AgNO3，分析纯），上海阿拉丁试剂公司提供；冰乙酸（HAC，分析纯，36%）、氢氧化钠（NaOH，分析纯，＞98%）、蒸馏水，自制。

1.2 样品合成与表征

将1 g金钱草多糖溶解于400 mL蒸馏水中，抽滤过膜除去杂质；配制浓度为12.5 mmol/L的AgNO3溶液。合成银纳米试验中，首先取40 mL多糖溶液，置于恒温磁力搅拌器上加热至设定温度（50～90℃），补加预先设定好体积的蒸馏水，将最终反应体系定容至56 mL，搅拌状态下加入不同体积的（2，4，8，16 mL） AgNO3溶液，每隔一定时间取部分反应溶液用于紫外或透射电镜表征。同时考查了溶液pH值的影响，在引入AgNO3前，分别用1 mol/L的HNO3溶液或NaOH溶液调节pH值至4或13。

利用TU-1810型紫外可见光谱仪对银纳米分散液进行光学表征，银纳米粒子形貌尺寸采用透射电子显微镜（TEM，JEM-2010） 观察，操作电压为200 kV。

2 结果与分析

2.1 银纳米紫外可见光表征

金钱草多糖介导合成银纳米粒子示意图见图1。

图1 金钱草多糖介导合成银纳米粒子示意图

植物多糖是一类由糖苷键连接而成的天然高分子多聚物，分子量大，溶液中三维构象复杂，且含有丰富的羧基、羟基等官能团，可通过螯合吸附作用结合银离子，在受热环境中多糖分子具有还原能力，可将吸附的银离子还原为银纳米颗粒，同时多糖分子包覆在纳米粒子表面，起到稳定剂的作用，是一种绿色的银纳米合成方法。溶液混合后，反应体系颜色逐渐变为淡黄色，此为银纳米的表面等离子吸收产生，表明多糖可用于合成银纳米粒子，试验考查了银离子前体浓度、反应温度、反应时间及pH值对银纳米生成的影响。

不同反应条件下银纳米分散液紫外可见光光谱图见图2。

图2（a） 为在不同反应温度下（50～90℃） 还原50 min后的光谱图，在较低的反应温度下未见明显的银纳米粒子特征SPR吸收峰[9]，当反应温度升高到70℃时，在波长417 nm处具有较宽的银纳米吸收峰，表明粒径尺寸分布较宽，继续升高温度，银纳米特征吸收峰逐渐增强，说明较高的温度能够增强多糖的还原能力，有利于银离子的还原和银纳米的生长，同时可以看出，随着反应温度升高，吸收峰的半峰宽降低，吸收峰蓝移，表明粒径分布变小且更为均匀，这可能是由于较快的还原速度使得反应初期体系内晶核数目较多，从而使后期生长的银纳米粒径比较均一。

图2 不同反应条件下银纳米分散液紫外可见光光谱图

金属离子前体浓度是影响纳米粒子生成的重要因素，考查了不同银离子浓度下的纳米分散液紫外光谱，如图2（b） 所示，随着添加量增多，银纳米吸收峰逐渐增强，尤其是当添加量为16 mL时，银纳米的吸收峰显著增强，同时吸收峰位置逐渐红移，表明较高的银离子浓度易导致生成粒径较大的银纳米。同时考查了银纳米粒子的生长动力学行为，跟踪了银纳米紫外光谱随时间的变化曲线，如图2（c）所示，当反应时间10～50 min时，吸收峰不断增强，表明反应体系内的银纳米逐渐增多。

反应体系进一步考查了pH值对合成银纳米粒子的影响，不同pH值条件下反应50 min后紫外光谱图如图2（d）所示，可见pH值对反应过程影响显著。酸性环境下未见银纳米特征吸收峰，表明酸性环境抑制了多糖对银离子的还原能力，这可能是由于多糖分子在较低pH值下，溶液中的三维结构发生了收缩，导致多糖功能基团与银离子间作用力减弱引起的。然而，当反应体系为碱性时，相同的反应条件下银纳米的紫外吸收峰强度显著增加，且半峰宽减小，表明碱性环境增强了金钱草多糖的还原能力，Gao Z等人[10]同样发现魔芋葡苷聚糖在碱性环境下具有较强的金属离子还原能力，金钱草多糖可能在碱性环境中分子链较为舒展，暴露了较多的螯合吸附金属离子的官能团，同时官能团的还原性得以进一步激发，从而使得银纳米粒子充分还原。

不同pH值条件下银纳米分散液特征吸收峰强度随时间变化见图3。

图3 不同pH值条件下银纳米分散液特征吸收峰强度随时间变化

图3 对比了不同pH值条件下，银纳米特征吸收峰强度随时间变化曲线，从中也可以看出碱性环境下，银纳米还原速度非常快，在5 min内即达到反应平衡，而中性环境下的吸收峰缓慢增加，表明银纳米在逐渐缓慢生成。

2.2 银纳米透射电镜分析

中性（a） 和碱性（b） 环境下生成的银纳米TEM图见图4。

图4 中性（a） 和碱性（b） 环境下生成的银纳米TEM图

采用透射电镜对碱性和中性环境下合成的银纳米粒子进行形貌观察及粒径分析，如图4所示。透射电镜图片可见银纳米粒子呈近似球形，分散性良好，无明显的团聚现象，这得益于多糖大分子对银纳米的包覆稳定作用，多糖中的羧基、羟基等活性基团与银纳米表面具有较强的相互作用力，有效抑制了银纳米粒子间的聚集倾向，增强了银纳米粒子在溶液中的储存稳定性；金钱草多糖包覆稳定的银纳米在4℃条件下储存3个月未见聚集沉淀现象，也证明了多糖保护的银纳米具有良好的储存稳定性。另外，粒径统计分析可知中性环境下合成的银纳米平均粒径为21 nm，碱性环境下合成的银纳米具有较小的粒径，平均尺寸为12 nm左右，这可能与多糖在不同环境下的还原能力有关，碱性环境下较强的还原能力有利于生成较多数目的银纳米晶核，导致最终形成平均粒径较小的银纳米粒子。

3 结论

利用金钱草多糖为还原剂和稳定剂，在不引入外加还原剂的条件下，经前驱体还原法绿色合成了银纳米粒子，结果发现反应温度是影响金钱草多糖还原剂的关键条件，反应时间和前驱体浓度是控制银纳米粒径及分布的重要因素，同时考查了pH值对银纳米粒子生成的影响，碱性环境下可显著增强银纳米粒子的形成速度，并且有利于小尺寸银纳米的生成，金钱草多糖包覆的银纳米具有良好的储存稳定性。这种绿色简便的方法为银纳米的合成及尺寸控制提供了有效途径。