生物法合成纳米银材料的研究进展 柴春镜，白红娟 (中北大学化工与环境学院，山西太原030051) 摘要：纳米银粒子的独特性能使其在电学、热学、光学、磁学、抗茵和催化等诸多领域具有广阔的应用前景。近几年，纳米银制备技术迅速发展，方法多种多样。生物法因其成本低、绿色环保和反应过程简单等优势吸引了众多研究者的关注。采用细菌或真菌等微生物合成纳米银材料一直是新材料领域研究的热点，对近几年国内外生物合成纳米银材料的方法及机理进行了阐述，并对今后的发展趋势进行了展望。 关键词：纳米银粒子；生物合成；制备；机理；硝酸还原酶 中圈分类号：TQ 153 文献标识码：A 文章编号：1000-4742(2011) O前言 纳米材料由纳米粒子组成，纳米粒子是指尺寸在1～100 nm间的粒子，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。它具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而显示出不同于常规材料的热、光、电、磁、催化和敏感等特性[1]。纳米银就是将粒径做到纳米级的金属银单质[2]。纳米银材料具有很稳定的物理和化学性能，在电子、光学、抗菌和催化等方面具有十分优异的性能，可广泛应用于催化剂材料、电池电极材料、低温导热材料、导电浆料、抗菌材料及医用材料，具有广阔的应用前景[3-4]。 近年来，纳米银制备技术迅速发展，方法也多种多样。按原料状态，可分为固相法、液相法、气相法；按反应条件，有还原剂还原、光照、超声波、加热、电极电解、γ射线辐射等；按反应前驱体，有离子型的，也有高纯度的固态银；按制备机理，又可分为化学还原和物理蒸发两大类[5-7]。这些物理或化学还原法因为所需实验条件简单、成本低、节能等优点而得到很好的应用，目前在商业性规模生产中也大多采用这些方法；但所用的化学试剂在一定程度上对人体和环境都有危害，有的稳定剂或分散剂甚至有致癌性。因此安全、环保的生物还原法就应运而生。 1 生物法制备纳米银材料的研究进展 1.1 制备方法的研究进展及产物表征 采用生物材料或生物体系天然合成纳米微粒是解决生态友好及可靠性问题的一种较好的方法。许多学者通过往微生物培养液的上清液或菌体浸泡液中加入一定浓度的硝酸银溶液，来制备纳米银粒子。一般采用紫外一可见分光光度法、X射线衍射分析法、能谱测试、透射电镜及高分辨率透射电镜等手段对制备出的产品进行综合表征。紫外一可见分光光度法是利用物质的分子吸收200～800 nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，被广泛用于无机和有机物质的定性和定量分析。不同大小、不同形状的金属粒子的等离子体共振吸收峰将展现不同的峰形。不同尺寸分布的金属胶体，其吸收峰的半高宽也是有差别的。吸收峰的位置随粒径的增大而向长波移动，吸收强度随浓度的增加而增大。由于银粒子的表面等离子共振作用，其紫外一可见光光谱会在420～460 nm处出现明显的光学特征吸收峰。X射线衍射分析是纳米材料结构测定的重要手段之一，在纳米材料的结构测定中有着广泛的应用。若产物为纳米银粒子，X射线衍射分析谱图中的衍射峰将与标准晶态银卡片上的峰一致。根据实验中所用靶的不同，衍射峰的出现位置会有所不同，可根据公式2dsinθ=λ进行计算；样品的晶粒尺寸用衍射峰的半高宽根据Scherrer公式d=0. 89λ/(Bcosθ)估算。式中：λ为X射线的波长，d为粒径，θ为衍射角，B为主峰半峰宽所对应的弧度值[8]。透射电镜主要是研究试样的形貌、粒径大小等特征；配以能谱仪还可以研究元素在试样内部的存在状态或分布情况[9]。 目前，国外研究者正在不断探索和完善生物法来合成纳米材料，国内也有人开始了这方面的研究，但相关成果报道较少，仅有东南大学的郭志锐等成功地用红假单胞菌的上清液合成了纳米金粒子[10]。在很多关于生物合成金属及金属化合物纳米粒子的报道中，所采用的微生物材料不尽相同，多为细菌和真菌；反应前驱体多为硝酸银溶液；合成过程中不采用任何表面活性剂、保护剂和交联剂等。合成方法主要有以下3种： (1)采用微生物的培养上清液 该方法的实验步骤如下：将培养好的菌液离心，获得培养液的上清液；通过往其中加入硝酸银溶液来合成纳米银粒子。采用这类方法的学者认为菌体在生长代谢过程中，会将可还原银离子的酶分泌到体外。因此，经离心的培养上清液中便会含此类物质。 (2)采用菌体浸泡液 该方法的实验步骤如下：将培养好的菌液离心，获得湿菌体；用蒸馏水清洗湿菌体3次以去除培养基中的干扰物质；再往其中加入蒸馏水，浸泡72 h后，通过离心、过滤分离出有效的浸泡液；往此浸泡液（细胞滤液）中加入硝酸银溶液，通过两者反应来合成纳米银粒子。本方法通过浸泡菌体，使菌体细胞内的还原物质通过自由扩散作用而迁移到浸泡液中。 (3)采用菌体和硝酸银溶液的浸泡液 本方法的实验步骤如下：通过将培养好的菌淡离心，获得湿菌体；用蒸馏水（或磷酸缓冲溶液）清洗湿菌体3次以去除培养基中的干扰物质；然后把礴酸银溶液加入到湿菌体中，以此合成纳米银粒,该方法认为加入到湿菌体中的硝酸银溶液会诱导漫菌体产生可还原银离子的诱导酶。 以上3种合成方法均利用溶液中的还原物质将银离子还原为单质银。其中，采用微生物盼培养上清液时，上清液中的滤液成分可能会对合成过程产生干扰；而采用菌体浸泡液与菌体和硝酸银溶液的浸泡液时，无其它干扰成分的存在。因为经离心后获得的菌体，会用蒸馏水将其清洗3次，以去除所有存在于培养基中的物质及其他代谢物质的干扰。 1.2制备过程中的影响因素 目前，生物法合成纳米银离子的研究成果主要体现在利用不同的细菌或真菌初步合成纳米粒子，产物多为球形，纯度较高，均匀性较好。在形貌控制方面，有关物理或化学方法合成的报道较多，而生物合成的报道较少。Balaji等[11]利用C Cladosporicxkles真菌的细胞外液将硝酸银溶液中的银离子还原成纳米银，并指出生物合成的纳米银可以形成不同的晶粒形状，其控制因素是银离子的浓度、菌体滤液和溶液的pH值。 通过选取合适的微生物，改变反应条件合成形貌可控的纳米粒子将是研究的主要方向。制备过程中可控制的条件主要有微生物材料的选择、pH值、温度、盐度、反应时间、反应物的浓度和光照强度等。选取对银离子有较强还原能力的菌种并优化其反应条件将对产物性能有重要影响。笔者在研究中曾选用光合细菌沼泽红假单胞菌作为微生物材料合成纳米银粒子。选取的光合细菌为益生菌，且可利用光能生长，因此具备生产过程安全、产品的可靠性好及生产成本低等优势。另外，笔者曾对pH值、温度、反应物的浓度和光照强度等因素对生产过程及产品的影响进行了研究。结果表明：在诸多因素中，pH值对合成过程起着较为重要的影响。一种成功的纳米粒子制备方法由产物的产量、粒径大小、均匀性、稳定性及是否团聚等共同决定。 2合成机理的研究进展 目前，虽已有大量关于生物法合成纳米银粒子的报道，但是，其反应机理还没有定论。现有资料所呈现的多为一些推测性的研究成果，其中，对机理的推测不尽相同。多数学者认为NADH及其所依赖的硝酸还原酶在银离子的还原反应中起着重要作用。NADH广泛存在于微生物的活细胞内，是氧化还原反应电子传递系统中的重要物质。在硝酸根的诱导下，微生物产生并分泌出硝酸还原酶，该酶直接参与纳米银粒子的合成过程。NADH为电子供体，硝酸还原酶为电子载体，银离子得到电子被还原为金属态银。有学者认为参与地衣芽孢杆菌合成纳米粒子过程的酶可能为存在于该菌体内的硝酸还原酶，这种酶由硝酸根诱导产生，将银离子还原为金属态的银。曾有很多关于纳米金粒子的报道，对机理的推测基本一致。NADH及NADH所依赖的硝酸还原酶是合成过程的重要因素。地衣芽孢杆菌可以分泌辅因子NADH及NADH所依赖的酶，尤其是硝酸还原酶。这些辅因子在银离子还原成金属态镀及银粒子形成的过程中起着重要作用。有学者利用纯化的硝酸还原酶体外制备纳米粒子。NelsonDuran等[12]利用真菌尖孢镰刀菌成功合成了粒径为20～50 nm的稳定纳米银粒子，并对合成机理进行了推测。许多学者经过FTIR分析，普遍认为在合成的纳米银粒子表面包裹有蛋白质，通过对裸核粒子包覆，大大提高裸核粒子的稳定性和分散性，改变或增强了它们的原有性质，为纳米材料的开发和应用提供了良好的契机。 3展望 本文重点阐述了生物法合成纳米银材料常见的几种方法。近年来，利用不同微生物合成纳米银粒子的研究已经取得初步的进展。通过采用一些综合表征手段，如紫外一可见分光光度法、X射线衍射分析法、能谱分析法、透射电镜、高分辨率透射电镜等，均证实产物确为纳米银粒子。然而，关于形貌可控的纳米银粒子的合成研究报道较少。通过改变合成反应条件，来合成多形态的纳米银粒子将是今后研究的重点。另外，微生物合成纳米银粒子的机理研究还处于初步探究的阶段，尚未有定论。微生物处于一个较复杂的环境中，有关参与银离子还原的酶或蛋白质及纳米银材料的形成及稳定机制，需进一步探索。总之，关于微生物材料的选择、产品形貌可控和合成机理等方面的研究仍是当前科研工作的热点和难点，需要在今后进行深入研究。 参考文献： [1]代小英，许欣，陈昭斌，等，纳米银制备方法概述[J].中国消毒学杂志,2007, 24(6)：561-563． [2]陈国杰，富永纯，马涛．纳米银的制备及应用[J].辽宁化工，2008, 37(9): 618-619. [3]汪国忠，张伟，崔峙，等，纳米级银粉的制备[J].合成化学，1998, 6(3)：226-228. [4]何发泉，李勇军，银粉的用途与制备[J]．中国粉体技术，2001, 7(3): 45-47. [5]杨秋文．纳米银材料的制备进展[J]．化工之友，2007，15: 32． [6]殷焕顺，艾仕云，钱萍，等．纳米银的制备方法及其应用[J].材料研究与应用，2008, 2(1): 6-9. [7]熊金钰，徐国财．纳米银的制备及表征[J].金属功能材料，2004, 11(2)：38-42. [8]魏智强，夏天东，冯旺军，等．纳米银粉的制备及表征[J]．贵金属，2006, 27(2)：1-4． [9]杨磊，液相还原法制备纳米银胶体[D].天津：天津大学，2008． [10]He S Y,Guo Z R,Zhang Y,et al. Biosynthesis of gold nanoparticles using the bacteria thodopseudomonas capsulata [J]. Materials Letters, 2007, 61(18):3 984-3 987. [11]Balaji D S, Basavaraja S, Deshpande R, et al. Extracellular biosynthesis of functionalized silver nanoparticles by strains of cladosporium cladosporioides fungus [J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2009, 68(1): 88-92. [12] Nelson Duran, Priscyla D Marcato, Oswaldo L Alves, et al.Mechanistic aspects of biosynthesis of silver nanoparticleS bjr several fusarium oxysporum strains [J]. Journal of Nanobiotechnology, 2005, 3(8)1 1-7. |
