CN114210995B

CN114210995B - 一种利用牛蒡根提取液制备纳米银颗粒的方法、产品和应用

Info

Publication number: CN114210995B
Application number: CN202111565625.9A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 田野; 罗金燕; 王惠; 陈磊; 刘梦菊; 张牧晨
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2041-12-17
Also published as: CN114210995A

Abstract

本发明公开了一种利用牛蒡根提取液制备纳米银颗粒的方法，包括以下步骤：(1)牛蒡根洗净、烘干后磨碎得到牛蒡根粉末，将牛蒡根粉末与去离子水搅拌混匀，离心得到牛蒡根提取液；(2)将步骤(1)的牛蒡根提取液与AgNO₃溶液混合，20～30℃下避光反应得到混合液，混合液经离心、洗涤、真空冷冻干燥得到所述纳米银颗粒。该方法工艺简单、能源消耗较少、原料易获得、无需额外添加还原剂与催化剂，不需光照、超声、加热等操作，适合大规模生产，制得的纳米银颗粒结构稳定、平均粒径小，为5～50nm，对水稻白叶枯病原菌的生物膜形成和游动性抑制率高，对水稻白叶枯病具有优异的防治作用。

Description

一种利用牛蒡根提取液制备纳米银颗粒的方法、产品和应用

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备领域，具体涉及一种利用牛蒡根提取液制备纳米银颗粒的方法、产品和应用。

背景技术

水稻白叶枯病是是由水稻白叶枯病原菌引起的一种常见水稻病害，且易于传播，给我国农业生产造成了巨大经济损失，而传统的化学农药容易引起污染环境、使病原细菌产生耐药性且对人体潜在危害，因此，急需研发出一种经济、高效、安全、环保的产品来防治水稻白叶枯病。

纳米银(AgNPs)现在已广泛应用于食品包装、环境生物学和医疗行业。在农业上，纳米银具有强大的杀虫、抗真菌、抗病毒和杀菌作用。AgNPs具有较大的比表面积和晶体表面结构，是一种很有潜力的抗菌剂。此外，当AgNPs与其他金属纳米颗粒或氧化物混合时，它也具有协同抗菌作用。由于广谱抗菌活性和良好的水溶性，AgNPs可以通过叶面喷洒抑制多种植物病害，并且使用它还可以完成植物病害的快速检测。

植物纳米技术是生物纳米合成技术的重要组成部分，具有生物相容性、环保性、安全性、易获得性等特点。纳米合成反应速率较高，合成条件简单，更适合大规模生产。植物提取物含有生物碱、多糖、蛋白质、类黄酮、萜类、甾体、皂甙和鞣质，可作为还原剂和稳定剂，在纳米银的合成中发挥重要作用。

公开号为CN109702218A的中国专利文献公开了一种利用余甘果提取液制备纳米银颗粒的方法；利用余甘果提取液与AgNO₃溶液在加热搅拌条件下反应制得纳米银颗粒，制得的纳米银颗粒结构稳定且对水稻细菌性褐条病病原物RS-2具有较强的抑菌作用。

公开号为CN107671305A的中国专利文献公开了一种利用小叶女贞果实提取液快速制备纳米银抑菌剂的方法，包括，采集成熟的小叶女贞果实，通过加热回流等步骤制备小叶女贞果实提取液；使小叶女贞果实提取液与AgNO₃溶液混合后超声处理，同时予以阳光照射，得到纳米银抑菌剂。

上述方法在合成纳米银过程中需要加热、超声处理或光照射处理，操作过程较为繁琐，且制得的纳米银的抑菌效果有待进一步提高，此外，现有技术中公开的可用于合成纳米银颗粒的植物种类较少，针对这一问题，急需研制出一种抑菌效果优异的纳米银颗粒的简便合并方法。

发明内容

本发明提供了一种利用牛蒡根提取液制备纳米银颗粒的方法，反应条件温和，不需加热、超声和光照等操作，制备工艺简单、能源消耗较少，制得的纳米银颗粒结构稳定、平均粒径小，为5～50nm，对水稻白叶枯病原菌的生物膜形成和游动性抑制率高，对水稻白叶枯病具有优异的防治作用。

具体采用的技术方案如下：

一种利用牛蒡根提取液制备纳米银颗粒的方法，包括以下步骤：

(1)牛蒡根洗净、烘干后磨碎得到牛蒡根粉末，将牛蒡根粉末与去离子水搅拌混匀，离心得到牛蒡根提取液；

(2)将步骤(1)的牛蒡根提取液与AgNO₃溶液混合，20～30℃下避光反应得到混合液，混合液经离心、洗涤、真空冷冻干燥得到所述纳米银颗粒。

牛蒡属于属桔梗目，又名：恶实、大力子，其主要分布于中国、西欧、克什米尔地区、欧洲等地。牛蒡具有丰富的维生素、矿物质、氨基酸。除此之外，牛蒡具有治疗贫血、白血病、头痛、黄疸、胃病和间歇性疟疾热的功能。

牛蒡根含有丰富的菊糖及挥发油、牛蒡酸、多种多酚物质及醛类，并富含纤维素和氨基酸等物质，这些物质对于硝酸银的还原具有重要作用，而且还可作为合成纳米银颗粒的封盖剂和稳定剂，采用牛蒡根提取液制备纳米银颗粒有助于更好地提取纳米银。此外，本发明方法在避光条件下进行，避免了硝酸银的在光照条件下直接被分解的可能，且反应过程中不断搅拌，增加接触面积，使牛蒡根提取物中的活性物质可以将溶液中的银离子更快速地还原为纳米银颗粒。

本发明方法中选取来源于江苏徐州的牛蒡，利用其根部提取液制备纳米银颗粒，制得的纳米银颗粒结构稳定且对水稻白叶枯病原菌具有较强的抑菌活性，显著提高了纳米银对水稻白叶枯病原菌的抑制效果。

优选的，步骤(1)中，所述的牛蒡根粉末与去离子水的质量比为1∶100～200。

进一步优选的，利用移动式搅拌机将牛蒡根粉末与去离子水混合均匀，搅拌机的功率为100±10W，搅拌时间为1～2h，功率过低会导致牛蒡根有效成分提取效率较低，功率过高会造成不必要能源消耗。

优选的，步骤(2)中，所述的AgNO₃溶液的浓度为0.5～2mM，牛蒡根提取液与AgNO₃溶液的体积比为1～2∶7，牛蒡根有效成分含量过高会影响纳米银颗粒的生成，含量过低则会导致纳米银颗粒的合成效率低。

优选的，步骤(2)中，牛蒡根提取液与AgNO₃溶液混合后，立即置于20～30℃、避光环境中发生反应，待混合液的颜色由红褐色变为深褐色即终止反应。

优选的，步骤(2)中，避光反应过程中需要持续搅拌，搅拌速率为300～1000rpm/min，搅拌时间为2～3h。搅拌时间过短会导致接触不够多、反应不充分、合成效果不佳，最终导致纳米银粒径过大且分布不匀，影响产物的抑菌效果；搅拌时间时间过长则易变质且会造成不必要能源消耗。

优选的，步骤(2)中，离心条件为：转速10000～14000rpm，时间10～15min。离心速率过低、时间过短，会导致上清含有杂质，最终获得的纳米银颗粒稳定性较低，进而影响抑菌效果，上述离心条件更适于本发明中纳米银颗粒的制备。

本发明还提供了所述的利用牛蒡根提取液制备纳米银颗粒的方法制得的纳米银颗粒，所述的纳米银颗粒粒径为5～50nm。上述方法制得的纳米银颗粒平均粒径小，结构稳定。

本发明还提供了所述的纳米银颗粒作为农用杀菌剂在防治水稻白叶枯病中的应用。

优选的，应用方法为：将所述的纳米银颗粒溶于水得到AgNPs溶液，再将AgNPs溶液均匀喷洒于水稻苗上。

进一步优选的，所述的AgNPs溶液的浓度为5～20μg/ml。上述浓度范围内的AgNPs溶液作为农用杀菌剂对水稻白叶枯病原菌具有很好的抑制效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的制备工艺简单、能源消耗较少、原料易获得、无需额外添加还原剂与催化剂，不需光照、超声、加热等操作，适合大规模生产；

(2)本发明得到的纳米银颗粒结构稳定、平均粒径小，为5～50nm，对水稻白叶枯病原菌的生物膜形成和游动性抑制率高，对水稻白叶枯病具有优异的防治作用；

(3)本发明制得的纳米银颗粒作为农用抗菌剂应用于防治水稻白叶枯病中，具有很好的防治效果；该植物来源的农用杀菌剂绿色环保、环境相容性高、安全性高，在农业生产领域中有广阔的应用和推广前景。

附图说明

图1为实施例1制得的纳米银颗粒的紫外光谱图、红外光谱图和X射线衍射图，其中，A为紫外光谱图，B为红外光谱图，C为X射线衍射图。

图2为实施例1制得的纳米银颗粒的形貌分析结果，其中，A为扫描电镜图，B为透射电镜图，C为粒径统计图。

图3为不同浓度的AgNPs溶液对水稻白叶枯病原菌的抑菌性能，其中，A为抑菌效果图，B为抑菌圈直径统计图，C为吸光值变化图，a、b、c表示显著性差异。

图4为不同浓度的AgNPs溶液对水稻白叶枯病原菌生物膜形成与游动能力的影响效果图，其中，A为对生物膜形成的影响图，B为对游动能力的影响图，a、b、c、d表示显著性差异。

图5中，A为正常水稻白叶枯病原菌的细胞壁结构；B为20g/ml AgNPs溶液处理后的水稻白叶枯病原菌的细胞壁结构；C为20μg/ml AgNPs溶液处理下水稻白叶枯病原菌的SEM图片；D为20μg/ml AgNPs溶液处理下水稻白叶枯病原菌的EDS分析图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。

实施例1

(1)选取新鲜牛蒡根，洗净、烘干后研磨得到牛蒡根粉末，牛蒡根粉末可真空保存于-20℃冰箱中；利用搅拌器将牛蒡根粉末与去离子水按质量比1∶150搅拌混匀，搅拌率功率为100±10W，搅拌时间为1h，再置于离心机10000rpm离心10min，取上清得到红褐色的牛蒡根提取液；

(2)将牛蒡根提取液与1.25mM的AgNO₃溶液按体积比为1∶4混合后，立即置于25℃避光条件下反应，且反应过程中在600rpm/min下连续搅拌2h，待混合液的颜色由红褐色变为深褐色终止反应，将混合液14000rpm/min离心10min，取沉淀，用去离子水洗涤两次后，采用真空冷冻干燥法制备成粉状颗粒，得到纳米银颗粒。

实施例2

(1)选取新鲜牛蒡根，洗净、烘干后研磨得到牛蒡根粉末，牛蒡根粉末可真空保存于-20℃冰箱中；利用搅拌器将牛蒡根粉末与去离子水按质量比1∶120比例混合均匀，搅拌率功率为100±10W，搅拌时间为1.5h，置于离心机10000rpm离心10min，取上清得到红褐色的牛蒡根提取液；

(2)将牛蒡根提取液与1.5mM的AgNO₃溶液按体积比为1∶3混合后，立即置于25℃避光条件下反应，且反应过程中在800rpm/min下连续搅拌2h，待混合液的颜色由红褐色变为深褐色终止反应，将混合液14000rpm/min离心10min，取沉淀，用去离子水洗涤两次后，采用真空冷冻干燥法制备成粉状颗粒，得到纳米银颗粒。

实施例3

(1)选取新鲜牛蒡根，洗净、烘干后研磨得到牛蒡根粉末，牛蒡根粉末可真空保存于-20℃冰箱中；利用搅拌器将牛蒡根粉末与去离子水按质量比1∶100比例混合均匀，搅拌率功率为100±10W，搅拌时间为2h，再置于离心机10000rpm离心10min，取上清得到红褐色的牛蒡根提取液；

(2)将牛蒡根提取液与2mM的AgNO₃溶液按体积比为1∶6混合后，立即置于25℃避光条件下反应，且反应过程中在700rpm/min下连续搅拌3h，待混合液的颜色由红褐色变为深褐色终止反应，将混合液14000rpm/min离心10min，取沉淀，用去离子水洗涤两次后，采用真空冷冻干燥法制备成粉状颗粒，得到纳米银颗粒。

样品分析

(1)牛蒡根提取液呈红褐色，AgNO₃溶液无色透明，牛蒡根提取液与AgNO₃溶液混合避光反应制备得到纳米银时，混合液的颜色由红褐色变为深褐色。

(2)利用紫外可见吸收光谱(UV-VIS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)评价实施例1制得的纳米银颗粒的理化性质和结构特征，具体结果如下：

图1中的A为纳米银颗粒的紫外可见(UV-Vis)吸收光谱图，该纳米银颗粒在300-700nm范围内于438nm处出现吸收峰，初步证明了纳米银颗粒的生成；

图1中的B为纳米银颗粒的傅里叶变换红外光谱图(FTIR)，3396cm^-1的吸收峰由N-H和O-H伸缩振动引起的；2928cm^-1的吸收峰由C-H拉伸振动引起的；1601cm^-1的吸收峰由C＝O酰胺基团引起的；1376cm^-1的吸收峰由COO^-引起，1026cm^-1的吸收峰由C-N拉伸振动引起的。由此可知纳米银颗粒已被成功合成；

图1中的C为纳米银颗粒的X射线衍射图(XRD)，在2θ＝38.117°，44.294°，64.503°，77.411°处位置上分别出现(111)，(200)，(220)，(311)的特征峰，与已报导的纳米银粉末衍射图特征峰相一致，证明合成了稳定的纳米银颗粒；

图2中的A为纳米银颗粒的扫描电镜图(SEM)，纳米银颗粒呈球形，纳米银颗粒具有较高的比表面积和表面能而易发生团聚；

图2中的B为纳米银颗粒的透射电镜图(TEM)，可以看出合成纳米银颗粒为大小较均一的球形颗粒物；

图2中的C为纳米银颗粒的粒径统计图，可以看出纳米银颗粒的直径较小，在8～36nm之间。

(3)将不同质量的实施例1制得的纳米银颗粒溶于去离子水配制得到5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml的AgNPs溶液，再通过测定水稻白叶枯病原菌的生长、生物膜形成、游动性，活死菌染色，流失细胞仪检测试验，观察正常与AgNPs溶液处理下的水稻白叶枯病原菌细胞膜TEM图，检测AgNPs的抑菌活性，检测结果如下。

①通过0.5％营养琼脂双平板上测量出的抑菌圈和菌液吸光值评价纳米银颗粒对水稻白叶枯病原菌的拮抗。

图3中的A为5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml的AgNPs溶液对水稻白叶枯病原菌的抑菌圈直径效果图，如图3中的B所示，浓度为5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml的AgNPs的抑菌圈分别达到9.1mm、14.1mm和16.5mm。图片中a、b、c表示显著性差异。

由图3中的C可知，添加浓度为5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml的AgNPs溶液对水稻白叶枯病原菌的生长抑制率分别为45.08％，69.28％，72.10％，图片中的a、b、c表示显著性差异。AgNPs溶液具有很强的抑菌活性，且浓度越高抑菌效果越好，当浓度在10～20μg/ml时抑菌效果明显。

②通过测定细菌生物膜形成与游动能力可间接评估纳米银颗粒的抑菌效果，如图4中的A所示，通过结晶紫染色法对生物膜生长进行测定，与浓度为0μg/ml(未经纳米银处理)的水稻白叶枯病原菌产生的生物膜相比，浓度为5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml的AgNPs，细菌生物膜形成能力分别降低了48.70％，55.08％和60.41％，图片中的a、b、c、d表示显著性差异。

如图4中的B所示，通过在0.3％营养琼脂培养基平板上测定细菌的游动性，与浓度为0μg/ml(未经纳米银处理)的细菌游动性相比，浓度为5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml的AgNPs溶液，细菌游动性抑制率分别达到28.76％，36.40％和51.43％，图片中的a、b、c、d表示显著性差异。细菌的游动性的抑制能够直接减弱水稻白叶枯病原菌对于水稻表面的粘附，抑制水稻白叶枯病原菌的生长和水稻的发病。

③为了直观判断AgNPs溶液对细菌生物膜的破坏程度，利用TEM观察正常水稻白叶枯病原菌的细胞壁结构(图5中的A)与20g/ml AgNPs溶液处理后的水稻白叶枯病原菌的细胞壁结构(图5中的B)，发现细胞壁损伤，细胞明显有内容物流出。

通过AgNPs溶液处理下水稻白叶枯病原菌的SEM(图5中的C)和X射线能谱分析(EDS)分析(图5中的D)，发现AgNPs溶液处理后的水稻白叶枯病原菌表面有Ag元素的峰值，这说明纳米银颗粒是通过粘附在细菌细胞上进而杀死细菌。纳米银颗粒通过与细菌表面的相关蛋白和细菌呼吸相关的酶发生反应，并且通过破坏细菌的内外渗透压平衡从而使细菌细胞膜破裂直至死亡，从而获得更好地抑菌效果。

应用例1

称取实施例1得到的纳米银颗粒1g溶于50L水中配制成20μg/ml AgNPs溶液，均匀喷施在温室或田间中可能产生水稻白叶枯的水稻苗上，观察发现喷施过AgNPs溶液的水稻苗较未喷施的水稻苗生长较好，由此可以说明AgNPs溶液能够有效地对水稻苗进行病害防治。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用牛蒡根提取液制备纳米银颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）牛蒡根洗净、烘干后磨碎得到牛蒡根粉末，将牛蒡根粉末与去离子水搅拌混匀，离心得到牛蒡根提取液；

（2）将步骤（1）的牛蒡根提取液与AgNO₃溶液混合，20～30 ℃下避光反应得到混合液，混合液经离心、洗涤、真空冷冻干燥得到所述纳米银颗粒；

步骤（1）中，所述的牛蒡根粉末与去离子水的质量比为1：100～200；利用移动式搅拌机将牛蒡根粉末与去离子水混合均匀，搅拌机的功率为100±10 W，搅拌时间为1～2 h；

步骤（2）中，所述的AgNO₃溶液的浓度为0.5～2 mM，牛蒡根提取液与AgNO₃溶液的体积比为1～2：7；

步骤（2）中，牛蒡根提取液与AgNO₃溶液混合后，立即置于20～30 ℃、避光环境中发生反应，待混合液的颜色由红褐色变为深褐色即终止反应；

步骤（2）中，避光反应过程中需要持续搅拌，搅拌速率为200～1000 rpm，搅拌时间为2～3h；离心条件为：转速10000～14000 rpm，时间10～15 min；

所述的纳米银颗粒粒径为8～36 nm。

2.根据权利要求1所述的纳米银颗粒作为农用杀菌剂在防治水稻白叶枯病中的应用。

3.根据权利要求2所述的纳米银颗粒作为农用杀菌剂在防治水稻白叶枯病中的应用，其特征在于，应用方法为：将所述的纳米银颗粒溶于水得到AgNPs溶液，再将AgNPs溶液均匀喷洒于水稻苗上。

4.根据权利要求3所述的纳米银颗粒作为农用杀菌剂在防治水稻白叶枯病中的应用，其特征在于，所述的AgNPs溶液的浓度为5～20 μg/ml。