CN109909513B

CN109909513B - 一种用毛果算盘子生物合成纳米银粒子的方法以及用途

Info

Publication number: CN109909513B
Application number: CN201910344232.1A
Authority: CN
Inventors: 桑迪亚; 肖海峰; 夏尚文; 杨效东
Original assignee: Xishuangbanna Tropical Botanical Garden of CAS
Current assignee: Xishuangbanna Tropical Botanical Garden of CAS
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: CN109909513A

Abstract

本发明公开了一种环境友好型纳米银离子的生物合成方法以及用途，合成方法包括：采集毛果算盘子新鲜叶片洗净晾干；切碎毛果算盘子叶片加热并萃取过滤后与硝酸银溶液在黑暗条件下反应至溶液变成褐色即可得到纳米银。本反应合成方法对环境要求低，制备出分散性能佳，粒径中等，粒径分布范围窄，对植物生长无害，形态呈球形或近似球形的纳米银离子。实验发现用该方法生产的纳米银对白蚁有驱避作用，该发明对木材行业中白蚁防治有广泛的应用。

Description

一种用毛果算盘子生物合成纳米银粒子的方法以及用途

技术领域

本发明涉及一种廉价、高效的生物合成环境友好型纳米银粒子的方法，即利用毛果算盘子叶片合成纳米银的方法，以及合成纳米银材料在木材工业中作为木材保护剂的应用。

背景技术

纳米银(silver nanoparticles)是指长宽高三维度中至少一维在1-100nm范围内的银粒子。因其具有抗菌谱广、不易产生耐药性以及良好的生物相容性等特点，已广泛在医疗领域、日常家居领域及食品领域等用作防腐剂。其还可被用作探针而应用于生物测序。

纳米银的合成包括物理方法、化学方法、生物合成方法等。物理方法需要高温高压及昂贵的设备才能合成纳米银。化学方法所用的化学试剂在一定程度上对人体或环境都有危害，有的稳定剂或分散剂甚至有致癌性。随着社会上环保意识的增加，寻找绿色、安全、低能耗的纳米银制备方法成为必然。

生物合成法具有绿色、安全、低能耗的特点。所采用的原料有细菌、真菌、藻类、酵母、放线菌和一些天然植物材料等。根据纳米颗粒生物合成的底物特征，可以分成两种类型的生物***：a)微生物提取物和b)植物提取物。

与微生物作为还原剂相比，植物还原合成纳米银的方法不需要严苛的微生物培养环境，因而操作更加简单。因此近年来纳米银的植物合成法已成为相关领域的研究热点，人们相继采用不同的植物提取物合成纳米银。如利用纤维素、橙汁、杜仲叶、甘蔗渣、蓝莓叶、天竺葵叶、红茶叶、八角金盘叶片、芒果皮提取液，金钱草提取液、火棘果实等植物提取液合成纳米银等。而现有的各种方法均各有需要改进的地方。

专利号CN103341642B “一种纳米银离子的纤维素绿色合成法”需要180-210℃高温10-24小时，能耗较高；专利号CN103769603B “纳米银离子及其合成方法”的技术缺点是合成银颗粒直径为50-150nm。而超过100nm已经不属于纳米银范畴，因此产率较低，且如此大颗粒银离子的微生物抗性效果也未验证。专利号CN106862590B “一种利用广西杜荆叶抽提物生物合成纳米银”需要利用光催化，因此反应主要集中在光触界面，反应效率不高。专利号CN104874810B “一种蔗渣抽提液绿色快速制备纳米银溶胶的方法”则反应步骤繁琐。专利号CN104889418B “一种立方体形纳米银粒子的生物合成方法”，及专利号CN104889419B “一种球形纳米银粒子的生物合成方法”受原材料限制，如甜橙皮及芒果皮的收集问题。专利号CN106513707B“一种利用蓝莓叶提取液生物合成的纳米银抑菌剂及其制备工艺”需要90摄氏度加热回流1小时，过程比较耗能。专利号CN103949658B “一种利用杜仲水提取物绿色合成纳米银的方法”，用到的原材料杜仲皮为稀缺药材。

鉴于上述基于植物原材料为还原剂合成纳米银的方法的局限性，筛选更多广布且廉价的植物基质，及优化流程，用更简便的方法来进行纳米银的合成，具有重要的意义。

毛果算盘子为大戟科常绿灌木植物。广泛分布于江苏、福建、台湾、湖南、广东、海南、广西、贵州和云南等省区。分布十分广泛。全株或根、叶可供药用，有解漆毒，收敛止泻、祛湿止痒的功效。现代研究，该植物所含的没食子酸及其衍生物均具有抗菌、抗肿瘤、抗氧化和抗乙肝病毒作用等活性，可以用来治疗痢疾、叶外用治生漆过敏、水田皮炎、皮肤瘙痒、荨麻疹、湿疹、剥落性皮炎。

本研究选用分布广泛、简单易得的毛果算盘子叶片提取液以及硝酸银为原料，生物合成具有良好抗菌活性的纳米银。

发明内容

本发明的目的在于解决已有技术的不足之处，提供一种通过毛果算盘子叶片中丰富的抗氧化物为还原剂，以低成本、环境友好的方式合成环境友好型纳米银粒子的方法，并发现此种纳米银离子在木材行业中的新应用，即用于对白蚁进行驱避，从而作为木材保护剂的应用。所述的方法包括以下步骤：

一种用毛果算盘子叶片生物合成纳米银粒子的方法，包括以下步骤：

1）采集新鲜、健康的毛果算盘子叶，用蒸馏水洗涤叶片，以除去灰尘和其他杂质；洗净后晾干备用；

2）叶提取物的制备，用剪刀将10克洗净并晾干的鲜叶切成小块放入无菌玻璃烧杯，加入100毫升蒸馏水，加热并进行萃取，然后将叶提取液冷却后经Whatmann1号滤纸过滤，过滤后的提取液在4℃保存；

3）与AgNO₃的反应用无菌蒸馏水制备新鲜硝酸银AgNO₃，其浓度1mol/L，在无菌锥形烧瓶中加入制备好的100mL AgNO₃，加入上述叶提取液，再将锥形瓶用铝箔覆盖，放置在黑暗条件下，静置或者在震荡频率范围为100-500rpm的旋转振动筛中旋转振动，直至溶液变成褐色，得到球形钠米银，平均直径为25.6纳米，自然条件下呈结晶状。

进一步地，步骤2中所述的萃取温度范围为10-100℃。

优选地，步骤3中所述的100ml的硝酸银与2.5-15ml叶提取物进行反应合成纳米银。

优选地，步骤3中合成反应温度为20-40℃。

本发明还保护利用本发明的方法合成的纳米银粒子用于木材保护剂的应用。

利用本发明方法合成的纳米银为球形，平均直径为25.6纳米，自然条件下呈结晶状，纯度非常高，高达84.4%，化学性状非常稳定，在250度高温时仍很稳定。该发明具有重要的应用价值。该合成工艺快速、经济、环保，不含任何有毒化学品。生物合成的银纳米粒子具有广泛的用途，特别是在木材和木材工业中，并且由于其驱白蚁活性可以用作木材保护剂。

本发明创新点：

1、本发明的方法中，毛果算盘子分布广泛、原材料简单易得；在制备毛果算盘子叶子的植物提取液时，与现有技术中不同之处在于，工序为鲜叶直接煮沸，而现有技术中大多数是烘干磨粉，加入蒸馏水加热回流后冷却并离心。

2、本发明获得纯净的还原剂的方法为过滤法，而现有技术多采用离心机离心。

3、本发明的纳米银生成步骤中不需要光催化，可以在封闭避光条件下生产。

4、本发明合成的纳米银离子有高稳定性，其为球形，平均直径为25.6纳米，自然条件下呈结晶状，纯度非常高，高达84.4%，化学性状非常稳定，在250度高温时仍很稳定。纳米银材料表面结合了促进稳定性的植物源有机化学官能团，200℃以上化学键才开始断裂。

5、本发明生物合成的纳米银粒子具有驱避白蚁活性的功效，可以作为木材保护剂的应用。

相对于与现有技术来说，本发明的有益效果：

1、本发明省去了烘干步骤而直接用洗净的鲜叶，更省时节能环保。

2、相对于离心技术而言，本发明的过滤提纯法对机械设备要求低且节省能源，易于大规模量产。

3、纳米银合成环境为避光环境，更容易实现封闭生产与大规模量产。

4、本发明生产的纳米银材料结合的植物源有机化学官能团能促进产物的稳定性。

5、本发明生物合成的纳米银粒子具有驱避白蚁活性功效，因此在木材工业中作为木材保护剂应用广泛。

6、本发明生物合成的纳米银粒子对植物友好，种子萌发是植物生活史中最为脆弱的阶段，而本发明生物合成的纳米银粒子对种子萌发无毒害作用。

附图说明

图1为合成的纳米银粒子透射电子显微镜扫描图；

图2为生物合成AgNPs的紫外可见光谱图；

图3为生物合成的AgNPs XRD光谱图；

图4为生物合成的AgNPs SEM显微图；

图5为生物合成AgNPs 的EDAX模式图；

图6为生物合成AgNPs 的FTIR 光谱图；

图7为 TGA检测生物合成AgNPs的热稳定性；

图8为生物合成AgNPs 驱避白蚁实验结果，图8A,图8B，图8C、图8D重复试验结果；

图9为Y 型嗅觉仪检测生物合成AgNPs 驱避白蚁实验结果；

图10为生物合成的纳米银粒子对种子萌发的影响，图10A,图10B，图10C分别表示在水、AgNO₃和AgNPs处理下木豆种子萌发的情况；

图11为木豆萌发试验三个处理的幼根切面图，图11A,图11B，图11C分别表示在水、AgNO₃和AgNPs处理下幼根细胞中银离子积累情况。

具体实施方式

在根据本发明的银纳米颗粒的典型生物合成生产方案中，首先，收集新鲜、健康、深绿色的毛果算盘子叶片。运到实验室后，用蒸馏水适当地清洗叶子，去除灰尘和其他杂质。洗涤后，晾干避光保存。

1.纳米银粒子的生物合成

合成过程主要涉及两个步骤：i）叶提取物的制备，ii）与AgNO₃的反应。

实施例1：

2）叶提取物的制备，用剪刀将10克洗净并晾干的鲜叶切成小块放入无菌玻璃烧杯，加入100毫升蒸馏水，在微波炉中煮沸3分钟，并进行萃取，萃取温度为10度，然后将叶提取液冷却后经Whatmann1号滤纸过滤，过滤后的提取液在4℃保存；

3）与AgNO₃的反应用无菌蒸馏水制备新鲜硝酸银AgNO₃，其浓度1mol/L，在无菌锥形烧瓶中加入制备好的100mL AgNO₃，加入上述叶提取液，再将锥形瓶用铝箔覆盖，2.5 ml的新鲜叶片提取液混合，然后将烧杯用铝箔纸封口，在30度黑暗条件下静置直到溶液呈棕色。

实施例2：

与实施例1不同之处在于步骤2）中的萃取温度为100度，步骤3）中与15ml的新鲜叶片提取液混合反应，用恒温摇床在20度黑暗条件下以500rpm速度震荡，直到溶液呈棕色。

实施例3：

与实施例 1不同之处在于，步骤3用恒温摇床在40℃且黑暗条件下以100rpm速度震荡，直到溶液转为棕色，指示纳米银的合成。

实施例4：

与实施例2不同之处在于，步骤3中用恒温摇床在30℃且黑暗条件下以400rpm速度震荡，直到溶液转为棕色，指示纳米银的合成。

2.生物合成纳米银粒子的表征

发明人利用X射线衍射（XRD）、电子显微镜、EDAX、FTIR和TGA对生物合成的AgNP进行了光学、结构、形貌、元素、功能和热性能的表征，见图1。紫外可见光吸收光谱法用于评价AgNPs的合成反应。图2显示了在反应开始后4小时记录的生物合成的AgNPs的紫外光谱，最大表面等离子体共振（SPR）峰记录在457 nm处。

通过X射线衍射（XRD）分析证实了生物合成的AgNPs的结晶性质。XRD谱在2θ角(38.10°、44.25°、64.20°和77.80°)显示四个特征衍射峰，这些特征衍射峰分别归属于AgNP的(111)、(200)、(220)和(311)面心立方结构(fcc)的布拉格反射峰(图3)。

对于形态表征，扫描（SEM）和透射（TEM）电子显微镜进行。SEM和TEM显微照片显示了生物合成的AgNPs的球形形态，平均尺寸大约为25.6纳米（图4）

用EDAX分析测定了生物合成的AgNPs的元素组成（图5）。在3kev处的强峰表明银(Ag)是生物合成的AgNPs中的主要元素，表明样品的纯度。而其它峰（碳和氧）对应于叶提取物中存在的生物分子。

利用FTIR分析了与合成的AgNPs相关的官能团（来源于植物生物分子中）。这些植物生物分子实际上在银离子的生物还原和生物合成的AgNPs的进一步稳定中起着重要作用。红外光谱在3434, 2917, 1624、1443, 1385, 1207、1027和514 cm-1处表现出较强的吸收谱带。在3434 cm-1处的峰对应于由于醇和酚的存在而产生的O-H伸缩振动。另一个峰在2917 cm-1处被分配到烷烃/芳香族化合物的C-H基团。在1624, 1443 cm-1处的带对应于存在于蛋白质中的C-N、C-C和N-H伸缩振动。在1385 cm～1的带由于硝基化合物的N-O伸缩而产生。在1207和1027 cm-1附近的峰说明蛋白质中的脂族C-N和羰基延伸。在514 cm-1处的带实际上是由于炔烃的伸缩振动而产生的（参见图6）。

采用热重分析（TGA）对生物合成的AgNPs进行热稳定性考察。在25～700℃的温度范围内对AgNPs样品进行加热。在100～200℃温度下，第一步的最小失重率为5.02％，这种失重实际上是由于吸附到AgNPs表面的水分被去除所致。在200～700℃的温度下，观察到明显的第二步失重（15.52%），这种失重是由于存在于AgNPs表面的生物分子解吸引起的。最重要的是，将样品加热到700℃后得到82.85%的残余重量，表明生物合成的AgNPs具有显著的热稳定性(如图7)。

3. 生物合成AgNPs的驱逐白蚁活性分析

从森林里被白蚁侵扰的树林中采集白蚁，白蚁被轻轻地捡起并运送到实验室。

用印迹纸技术测定，滤纸盘被分成两个相等的部分。半部分用水浸泡，另一半浸泡在1毫升AgNPS悬浮液中。浸透吸墨纸的两部分都放在两个部分之间保持大的距离。然后将10～15个收集的白蚁群体均匀地放入滤纸盘中。监测白蚁的运动，以了解白蚁的去向。24小时后，我们发现白蚁的最大种群驻留在用水浸泡的吸滤纸上（参见图8）。重复多次实验，观察白蚁的运动规律。

另一个实验，使用Y管嗅仪以检测生物合成AgNPs驱逐白蚁的活性。本实验将浸泡于水和AgNPs悬浮液中的小片纸片分别置于Y管嗅觉仪的左右臂，20只白蚁在Y管的下臂内释放。松开后，用棉塞立即封口。在室温下进行24小时后，计数左右臂中的白蚁，以检查AgNPs的对白蚁的驱避活性。从图9中可以看出，大部分白蚁爬向浸泡水的臂端。

4. AgNPs处理对种子萌发的影响

为了研究生物合成的AgNPs对植物萌发是否具有毒性作用，在离体条件下进行了种子萌发试验。木豆种子用水适当洗净，用吸墨纸表面干燥。对照组（水）（图10A）、硝酸银（50μg/ml）（图10B）、AgNPs（50μg/ml）（图10C）三组。种子在各自的悬浮液中浸泡1小时。在此之后，将种子放入含有吸湿墨纸的PET板中，并放置在室温下。如图10所示，对照组水（图10A）及生物合成的AgNPs（图10C）处理的种子萌发良好，而AgNO₃对种子萌发具有抑制作用。另一组相同的实验，由植物活体成像***监测以观察萌发的进程。从图11中我们发现AgNO₃处理胚根区的横截面显示出在维管束区的银积累的现象，这可能是它们对种子发芽的抑制性影响的可能原因。而本发明中的生物合成的AgNPs的尺寸大约为25.6nm，该纳米颗粒对细胞的影响很小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用毛果算盘子叶片生物合成纳米银粒子的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用毛果算盘子叶片生物合成纳米银粒子的方法，其特征在于：步骤2中所述的萃取温度范围为10-100℃。

3.根据权利要求1所述的用毛果算盘子叶片生物合成纳米银粒子的方法，步骤3中所述的100ml的硝酸银与2.5-15ml叶提取物进行反应合成纳米银。

4.根据权利要求1所述的用毛果算盘子叶片生物合成纳米银粒子的方法，其特征在于：步骤3中合成反应温度为20-40℃。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的方法合成的纳米银粒子用作木材保护剂的应用。