Диспергирование и синтез «зеленой химии» наночастиц металлов

Изучение свойств систем, содержащих наноразмерные объекты, в последнее время интенсивно развивается, при этом значительное внимание уделяется наноматериалам [1, c23]. В настоящее время существуют различные методы синтеза наночастиц: физические, химические и микробиологические. Наиболее простым и доступным способом синтеза наночастиц металлов является метод химического восстановления в жидкой фазе, как в водных, так и неводных средах. В качестве соединений металлов обычно используют их соли, в качестве восстановителей — алюмогидриды, борогидриды, гипофосфиты, формальдегид, соли щавелевой и винной кислот в получаемой системе [2, с. 288].

В биохимическом синтезе сочетаются преимущества системы обратных мицелл и биологических восстановителей. В основе метода лежит восстановление ионов металлов в обратных мицеллах природными биологически активными веществами — растительными пигментами из группы флавоноидов. Изучение механизмов биологического действия флавоноидов (главным образом, путем изучения их реакций в водных растворах) позволило установить, что во многих случаях наблюдаемые эффекты обусловлены способностью этих веществ образовывать прочные комплексы с ионами металлов (в основном меди и железа), играющих важную роль в процессах перекисного окисления липидов [3, с. 1628].

Ультразвуковое диспергирование является примером использования физических методов измельчения. Диспергирующее действие ультразвука связано с тем, что при прохождении звуковой волны в жидкости происходят местные, быстро сменяющиеся сжатия и растяжения, которые создают разрывающее усилие и приводят к диспергированию взвешенных частиц [4, c.784]. Ультразвуковое диспергированиесвязано с явлениями кавитации. В результате этого струи жидкости устремляются к центру захлопывающейся полости и дробятся на мелкие капли. Приультразвуковом диспергированииразрушение твердой фазы происходит в объеме жидкости без контакта с конструкционными материалами аппарата, что обеспечивает высокую чистоту диспергируемого материала [5, c. 569].

Для проведения научного исследования были использованы водные растворы экстрактов: корней лимонника, солодки, девясила, корицы, а также 0,001н растворы ацетата серебра (CH₃COOAg) и сульфата цинка (ZnSO₄). Для проведения биохимического синтеза водную вытяжку экстракта и 0,001н раствор соли нагревали до 70⁰С на водяной бане, затем смешивали в следующих соотношениях (таблица 1):

Таблица 1

Приготовление коллоидных растворов

Наблюдали за изменением окраски в течение каждых 30 минут и проводили спектрофотометрическое определение.

Наночастицы металлов методом ультразвукового диспергирования получали следующим образом: приведенное в таблице количество водного раствора экстракта обрабатывали ультразвуком мощностью 800 оборотов в течение 2 мин, затем к экстракт с вводили соответствующее количество 0,001н раствора ZnSO₄ и продолжали диспергирование в течение 2 минут. По окончании процесса диспергирования определяли спектры поглощения наночастиц металлов на спектрофотометре SPECORD 210 Plus. Смешивание растворов в диспергаторе проводили в соотношении, указанном в таблице 1:

Измение окраски коллоидных растворов после ультразвукового диспергирования, указывает на присутствие наночастиц серебра и цинка и свидетельствует о восстановлении металлов [6, c.142]. На рисунке 1 изображены спектры оптического поглощения наночастиц серебра по истечении времени. Максимумы спектров оптического поглощения наночастиц серебра в экстракте корицы соответствуют литературным данным.

Рис. 1. Спектры оптического поглощения биохимического синтеза соли серебра с эктрактом корицы

Был проведен сравнительный анализ спектров оптического поглощения биохимического синтеза при комнатной температуре и после ультразвукового диспергирования. Данные приведены на рисунке 2.

Рис. 2. Спектры оптического поглощения биохимического синтеза эктракта корней лиммоника и цинка с экстактом корней лимонника, обработанным ультразвуком

Как видно из рисунка 2, характер спектров поглощения наночастиц цинка, полученных путем ультразвукового диспергирования в течении 7 мин и 2 мин более выражен по сравнению со спектрами поглощения наночастиц, синтезированных биохимическим способом в течении 30 мин, 2,5 и 20 часов. Таким образом, ультразвуковое диспергирование, как метод получения наночастиц металлов, является наиболее выгодным и быстрым в сравнении с другими методами.

Размеры наночастиц цинка, полученных методами «зеленой химией» и ультразвуковым диспергированием, были определены на анализаторе размеров частиц серии Zetasizer Nano ZS90. На рисунках 3–4 представлено распределение наночастиц цинка в экстракте корицы по размерам, полученных методами «зеленой химии» и ультразвукового диспергирования.

Рис. 3. Распределение наночастиц цинка по размерам, синтезированных «зеленой химией»

Рис. 4. Распределение наночастиц цинка по размерам после ультразвукового диспергирования

Как видно из представленных рисунков, размеры наночастиц цинка синтезированных «зеленой химией» и после ультразвукового диспергирования различны, а именно после ультразвука размер частиц уменьшается, что дает более положительный результат и большую устойчивость наночатиц. Средние размеры полученных наночастиц серебра и цинка приведены в таблице 2.

Таблица 2

Размеры наночастиц серебра и цинка синтезированных «зеленой химией» и ультразвуковым диспергированием, нм

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1.                  Были синтезированны наночастицы металлов синтезом «зеленой химии» и ультразвуковым диспергированием на основе растительных экстрактов корней лимонника, солодки, девясила и корицы при комнатной температуре без использования токсичных растворителей.

2.                  По сравнению с биохимическим синтезом время получения наночастиц металлов с использованием ультразвука было сокращено до нескольких минут. Полученные наночастицы металлов имеют средний размер от 30 до 50 нм.

3.                  Полученные данные представляют интерес и могут быть применены в дальнейшем в исследованиях медико-биологической практики.

Литература:

1.         С. П. Губин «Что такое наночастица? Тенденции развития нанохимии и нанотехнологии» //Российский химический журнал — 2006. — № 6. — ТомХLIV. –Часть 2.–С.23–31.

2.         Сергеев Г. Б. Нанохимия. — Москва: Издательство МГУ, 2003. — 288 с.

3.         S. S. Shankar, A. Ahmad, R. Pastricha et al. bioreduction of chloroaurate ions by geranium leaves and its endophytic fungus yields gold nanoparticles of different shapes. //Journal Mater. Chem. — 2003 — V.19 — p. 1627–1631

4.         Кузнецов В. А., Липсон А. Г., Саков Д. М. О пределе измельчения кристаллов //Жидкофазная хроматография. 1993. Т. 67. № 4. С. 782–786.

5.         Fischer H. C. Nan toxicity: the growing need for in vivo study //H. C. Fischer, W. C. Chan //Curr. Opin. Biotechnol. — 2007–8(6) — pages 565–571.

6.         Егорова Е. М. Наночастицы металлов в растворах: биохимический синтез, свойства и применение: Дис. докт. хим. наук/Ин-т электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, НИИ общ.патологии и патофизиологии, МИТХТ им. М. В. Ломоносова. — М., 2011. — 291с.