间接电还原法合成银纳米颗粒.doc

间接电还原法合成银纳米颗粒及纳米银粉的抗菌性能摘要：本文利用具有氧化性还原性催化性抗阻性等多种性质和功能的 keggin 结构的12-磷钨酸作为软模板，间接电还原硝酸银制备银纳米颗粒的方法制备银纳米颗粒，且利用银纳米颗粒的稳定的抗菌性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行抗菌实验，实验结果表明纳米银具有十分稳定的抗菌性能。关键词：磷钨酸；间接电还原；银纳米颗粒；抗菌性1 引言1.1 纳米银的应用及研究现状纳米银是一种新兴的功能材料，具有很高的比表面积和表面活性，导电率比普通银块至少高20倍，因此，广泛用作催化剂材料1、防静电材料、低温超导材料、电子浆料和生物医学材料2等。另外，纳米银还具有抗菌、除臭及吸收部分紫外线的功能，因而可应用于医药行业和化妆品行业。微量的银在溶液中就有杀灭细菌的能力。银离子可通过阻断细菌的呼吸酶系统,干扰细菌代谢从而致细菌死亡,但银离子在溶液中的不稳定性限制其推广应用。而纳米银拥有银离子相同的抗菌性，却比银离子稳定，所以纳米银现已广泛应用于抗菌材料的制备,市场上已经出现抗菌陶瓷材料3、抗菌涂料以及抗菌织物等。因此，纳米银抗菌性相关研究也很多，如：王洪水4的纳米银及载银纳米抗菌材料的研究，孙延5的添加纳米载银无机抗菌剂对义齿基托树脂和烤瓷用釉相关性能影响的研究，马楠6等纳米抗菌塑料的抗菌性能测定，杨娜7等银系抗菌剂及其在纺织材料中的应用，张文钲8等纳米银抗菌材料研发现状等等研究。都说明了纳米银的研究具有很高的理论上和实际应用上的重要意义。1.2 纳米银颗粒制备近年来,纳米银的应用越来越广泛，成为金属纳米材料研究的热点。应用纳米技术能将块状材料做成粉体，大幅度减少了原材料的用量，降低了产品本，还可进一步赋予材料很多新的性能。且国内外有关纳米银粉制备的文献和专利报道很多, 制备方法主要分为化学方法和物理方法。化学方法主要有液相化学还原法9、电化学法、热分解法、微波还原法10、气体冷凝法、反胶束中的化学和光致还原法11以及辐射化学还原法、模板或非模板合成法12、水热合成法、晶种法、液相脉冲激光烧蚀等等, 物理方法主要有还原球磨法、蒸发冷凝法及雾化法等。其中有一些研究小组已用不同方法制备了纳米银，如Troupis【13】和Mandal【14】以硅钨或磷钨杂多酸为光催化还原剂在紫外光照下制得纳米金或和科纳米金溶胶，殷杰15的液相化学还原法制备纳米银，樊新16的反相微乳液法制备纳米银，廖学红17等电化学合成法纳米银颗粒，杜勇18等激光烧蚀法制备纳米银胶体等等。银纳米颗粒由于其特殊的性质和应用领域而被受关注，探索简单易行、形貌可控的银纳米颗粒的制备方法仍是人们追求的目标。由于电化学合成方法具有简单、快速、无污染等优点，成为目前合成纳米材料的一种有效手段，采用间接电还原的方法用Keggin结构的磷钨酸为还原剂来制备银纳米颗粒还未见报道。本文采用间接电还原法，控制磷钨酸的还原电位使磷钨酸还原成杂多蓝19，然后加入硝酸银制备出了单分散性较好、颗粒较小且粒径范围较窄的银纳米颗粒20。因此该方法使一种简便快捷、可控性好，可大规模合成纳米粒子的新方法。1.3 12-磷钨酸的Keggin 结构杂多酸的性质多金属氧酸盐21（Polyxometalates，POMs，简称杂多酸），是一类金属-氧簇合物，是由d0组态的过渡金属离子（如MoVI、WVI、VV、NbV、TaV等）与氧高度聚合形成的具有空间网络结构的无机化合物。多金属氧酸盐可以接受多个电子而其结构不被破坏，能进行可逆氧化还原反应，有质子导电功能特性，从而具有较高的催化活性、光致变色性、非线性光学、导电性、磁性及抗病毒活性，已经成为构造新型功能材料的重要无机构筑块。1933 年Na3PW125H2O的结构由Keggin首次测定，类似结构就以Keggin 而命名，Keggin 型多金属氧酸盐的通式为XM12O40(8-n) - ( X为P, Si, Ge等, M 为Mo，W等，n为X的化合价)。12-磷钨酸（H3PW12 O40xH2O，简写为PTA）是具有典型的 Keggin 结构的物质之一。它合成简单，价格便宜，可以作为光催化剂，氧化还原剂以及聚电解质。是杂多酸中酸性最强的一种,它的酸性接近超强酸。由于杂多酸作为光催化还原剂性质温和，在各种溶剂中的溶解性能强，且其结构和氧化还原性质不受影响，尤其是纳米颗粒表面负载一层杂多酸，使其兼有纳米粒子和杂多酸的性质。为其后续在催化，电化学，生物器件等方面的应用提供了更多的功能和特性。因为磷钨酸是最经典的杂多酸，所以它具有杂多酸的特性，在反应中具有催化活性高，选择性好。环境污染和腐蚀设备小等有点，成为替代其它催化剂的研究特点。1.4本论文的思路与主要工作 关于纳米银的制备方法有很多种，但目前很少有以具有典型Keggin结构的12-磷钨酸为模板在电还原的条件下制备12-磷钨酸的纳米银溶胶的报道。所以本课题的工作是以12-磷钨酸为模板制备12-磷钨酸的纳米银溶胶，后利用银的杀菌性探究纳米银具有稳定高效的抗菌性能。以大肠杆菌22和金黄色葡萄球菌为研究对象,对纳米银的抗菌效果进行了研究。本工作的优势在于反应条件温和，即在常温常压下就可以进行，操作简便，且对纳米银抗菌性进行理论和实验的证明，目的是为纳米银在领域的应用提供实验依据。2 实验部分2.1 试剂与仪器磷钨酸（H3PW12O40xH2O，国药集团化学试剂有限公司）硝酸银（AgNO3，上海试一有限公司），异丙醇（CH3）3CHOH，上海试剂一厂）、无水乙醇（CH3CH2OH，安徽安特生物化学有限公司），均为分析纯，营养琼脂（生化试剂、BR、国药集团化学试剂有限公司）以上试剂购买后直接实用。试验菌为大肠杆菌(ATCC 25922)、金黄色葡萄球菌(ATCC 29213) （各试验菌取经过分离纯化的培养物，按常规方法培养制备试验菌悬液，含菌量不低于5106cfu/ml）均由大连大学医学院病原生物学教研室提供，本校实验室保存。实验用水为21QX-PL515B型纯水机（北京群先科技发展中心研制）制得的超纯水。DHG-9030A型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）、HYL-A型系列恒温压/恒流源（延吉市永恒电化学仪器厂）、HJ-3恒温磁力搅拌器（江苏金坛医疗仪器厂）、HYL-A型电天平(上海精密科学仪器有限公司)、KQ5200DB型数据超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)、TGL-16G型冷冻离心机(上海安延科学仪器厂)、ZDX-35B型座式自控电热压力蒸汽灭菌锅（上海申安医疗器械厂）、DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）、SHP-250型生化培养箱（上海三发科技仪器有限公司）、SW-CT-1FD超净工作台（苏州工业园区三兴净化科技有限公司）。2.2 银纳米颗粒的制备 取100mL一定浓度的12-磷钨酸放到烧杯中，通入氮气搅拌10min，将两个铅电极插入烧杯，打开恒压恒流源，设置恒电压为0.22V，开始工作。当溶液由无色变成蓝色时，撤去电极，将烧杯转移到搅拌器上继续搅拌，向烧杯中分别加入50mL的相同浓度的硝酸银，观察溶液的变化，30min后溶液颜色分别从蓝色变成深色（从紫红色到深黑色因12-磷钨酸的纳米银溶胶浓度不同颜色不同）。配置实验停止，溶液待用。2.3银纳米颗粒的抗菌实验12-磷钨酸的纳米银溶胶对大肠杆菌的实验：一、取十毫升无菌水接种大肠杆菌（用接种环在菌种占取两环）配置成大肠杆菌溶液，标记100；二、取四个试管分别取九毫升无菌水，然后从100中取1 mL溶液标记10-1，然后依次稀释，分别标记10-2，10-3，10-4；三、再从10cfu/mL大肠杆菌溶液溶液取1mL依次和1mL无菌水、1mL 1mmol/L磷钨酸、1mL 1mmol12-磷钨酸的纳米银溶胶混合（也就是将各个溶液浓度稀释一半），再各取1ml混合液接种到平板培养皿中在37度恒温室培养48小时后观察各培养皿中的细菌菌落数。实验重复3次。12-磷钨酸的纳米银溶胶对金黄色葡萄球菌的实验：实验步骤同纳米银颗粒溶液对大肠杆菌的实验，但培养细菌温度需调整为32度左右。观察，实验重复3次。不同浓度12-磷钨酸的纳米银溶胶对抗菌试验的影响：以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为代表菌株,观察浓度和作用时间的影响。按上述试验程序,取各试验菌悬液,分别与不同浓度12-磷钨酸的纳米银溶胶混合作用,观察浓度影响;取各菌悬液分别与浓度为1mmol/L 12-磷钨酸的纳米银溶胶等体积混合,作用不同时间。然后取样接种培养,计算各浓度或各时间组抑菌率。实验重复3次。3 结果与讨论3.1银纳米颗粒的XRD图谱 图1为银纳米粒子的XRD图，与Ag的粉末衍射卡(JCPDS，04-0783)相对照，图中38.136、44.098、64.595、77.389、五个衍射峰分别对应于面心立方银的(111) 、(200) 、(220) 、(311) 和(222)晶面。图1 银纳米颗粒X-射线衍射图Fig.1The XRD pattern of Ag nanoparticles3.2 银纳米颗粒的XPS能谱图2 间接电还原得到的银纳米颗粒的X-光电子能谱图Fig.2 XPS core level spectrum recorded from silver nanoparticles obtained by indirect electrochemical-reduction图2是间接电还原得到的银纳米颗粒的X-光电子能谱图。其中Ag的3d5/2、3d3/2结合能分别为367.5eV和373.5eV，在Ag3d5/2区域只有一个较为明显的结合能峰出现，其位置在367.5eV，对应于零价Ag的结合能，这和文献报道有关银单质的数值是一致的29。这些结果表明在溶液中只存在一种形式的银，溶液中的银离子被完全还原。3.3 12-磷钨酸的纳米银溶胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌图1细菌的不同混合溶液（a图和d图分别是1ml 10-4大肠杆菌溶液和1ml 10-4金黄色葡萄球菌溶液与体积相等的1mmol12-磷钨酸的纳米银溶胶的混合液取1ml；b图和e图分别是1ml10-4大肠杆菌溶液和1ml10-4金黄色葡萄球菌溶液与体积相等的1ml1mmol/l磷钨酸混合取1ml ；c图和f图分别是1ml10-4大肠杆菌溶液和1ml10-4金黄色葡萄球菌溶液与1ml无菌水混合取1ml）在平板培养基上的生长情况图1中不同细菌的不同混合溶液在培养基上的生长情况图，从a图和d图是浓度为1mmol/L12-磷钨酸的纳米银溶胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的实验结果，观察不到任何的菌落菌体，说明纳米银对这两种菌有抑制作用。而b图和e图中可以明显的观察到分别有一百多个米白色的大肠杆菌的菌落和金黄色的金黄色葡萄球菌菌落，且与d图和f图两种细菌分别和无菌水混合在平板培养皿上的生长情况对照来看，说明磷钨酸对大肠杆菌溶液和金黄色葡萄球菌没有显著的抗菌性，这更加体现出纳米银有很显著的抗菌性。3.4 12-磷钨酸的纳米银溶胶的不同浓度的抗菌图2中a图和c图是12-磷钨酸的纳米银溶胶从1 mmol /L稀释50倍后分别和1ml10-4大肠杆菌溶液和1ml10-4金黄色葡萄球菌溶液混合后在培养基上生长的情况，a图和c图中并没有观察到菌落的出现，而b图与d图是把12-磷钨酸的纳米银溶胶稀释100倍后与上述两种细菌的溶液混合，且在图中几个金黄色葡萄球菌的菌落和大肠杆菌的菌落，说明纳米银抗菌性会出现轻微下降， b图和d图出现了而没有被稀释的纳米银溶液(图1中a图和d图)和被稀释低倍数的纳米银溶液（图2中a图和c图）上没有长出菌落。图2 1mmol/L12-磷钨酸的纳米银溶胶被稀释不同倍数（a图和c图中12-磷钨酸的纳米银溶胶被稀释50倍后分别与1ml10-4大肠杆菌溶液和1ml10-4金黄色葡萄球菌溶液；b图和d图中12-磷钨酸的纳米银溶胶被稀释100倍后分别与1ml10-4大肠杆菌溶液和1ml10-4金黄色葡萄球菌溶液）在平板培养基上生长情况12-磷钨酸的纳米银溶胶对大肠杆菌的抑制生长的结果表明,210-5mol/L的12-磷钨酸的纳米银溶胶能够完全抑制106cfu/mL的大肠杆菌细胞生长,并且12-磷钨酸的纳米银溶胶浓度越高,抗菌效果越明显。采用观察经纳米银粒子处理过的大肠杆菌细胞和金黄色葡萄球菌细胞生长的菌落数,结果显示纳米银溶液对上述两种细菌有很好的抑制作用。纳米银溶液即使被稀释了很多倍，但其抗菌性仍然保持很高的稳定性和高效性。4结论采用间接电化学方法用H3PW12O40作为模板还原AgNO3制得12-磷钨酸的纳米银溶胶，通过改变H3PW12O40和AgNO3的物质的量，以制备出最经济的纳米银溶胶，而后进行相应的12-磷钨酸的纳米银溶胶的抗菌实验。通过各个实验可以得到一个结论，在温和的条件下也可以制得纳米级的银胶体溶液，而且12-磷钨酸的纳米银溶胶有很强且稳定性好的抗菌性能。参考文献：1 任楠.纳米催化材料的有序组装设计与应用D.复旦大学,20072许海燕,孔桦. 纳米材料的研究进展及其在生物医学中的应用J基础医学与临床, 2002,(02) . 3 高廉，李藯.纳米陶瓷M.北京：化学工业出版社，20024王洪水. 纳米银及载银纳米抗菌材料的研究D.华中科技大学, 20065孙延. 添加纳米载银无机抗菌剂对义齿基托树脂和烤瓷用釉相关性能影响的研究D.第四军医大学, 20076马楠,季君晖,崔德健,等。纳米抗菌塑料的抗菌性能测定J.中国消毒学杂志, 2006; 23(4): 319.7杨娜,严玉蓉,赵耀明. 银系抗菌剂及其在纺织材料中的应用J化纤与纺织技术, 2004,(03)8张文钲,王广文.纳米银抗菌材料研发现状J.化工新型材料, 2003; 2: 42. 9胡建强,吴继红,任斌,杨志林,田中群. 纯化学还原方法制备银纳米棒及其SERS活性J光散射学报, 2001,(04)10S.Navaladian,B.Viswanathan,R.P.Viswanath,T.K.Varadarajan. 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