Биосинтез наночастиц серебра с использованием растительных экстрактов

№107-1,

химические науки

Рассмотрена возможность использования растительных экстрактов на основе стевии для синтеза наночастиц серебра. Золи наночастиц серебра получали методом «зеленой химии» с использованием фитоэкстрактов чайного травяного сбора и стевии. Получены спектры поглощения коллоидных растворов наночастиц серебра с разной концентрацией фитоэкстрактов. Максимум поглощения при 410 — 430 нм свидетельствует об образовании наночастиц сферической формы диаметром до 40 нм. Увеличение интенсивности окраски золей свидетельствует, что количество наночастиц увеличивается с увеличением концентрации экстрактов.

Похожие материалы

Наночастицы вызывают большой интерес в основном из-за их необычных физических характеристик, отличных от свойств соответствующих компактных материалов. Наночастицами называют высокодисперсные системы, какой-либо параметр которой измеряется в нанометрах. Открытие наночастиц благородных металлов и материалов на их основе стало революционным достижением коллоидной химии наночастиц и других фундаментальных и прикладных областей науки [1].

Наночастицы серебра — маленькие неактивные кристаллы, являющиеся совокупностью нескольких тысяч атомов данного металла. Коллоидные частицы серебра отличаются от макрочастиц в физико-химических характеристиках, оптических, электромагнитных и каталитических свойствах. Главным образом, ценность характеристик и поведения наночастиц зависит от их физико-химических качеств.

Несмотря на то, что наночастицы серебра химически инертны, они проявляют бактерицидную активность, благодаря чему динамично используются в медицине, фармацевтике, легкой промышленности и т.д. Влияние коллоидных частиц серебра на болезнетворные микроорганизмы сравнимо с действием антибиотиков, однако наночастицы не оказывают отрицательное воздействие на организм человека [2].

Полоса поглощения серебра находится в области длин волн 400 нм, в соответствие с этим коллоидное серебро обладает интенсивным оптическим поглощением в этой же области [3]. На сегодняшний день существует множество методов, позволяющих получить устойчивые с точки зрения термодинамики наночастицы серебра сферической формы. Среди них можно выделить методы, основанные на получении частиц путем физического, химического воздействия и методы, в основе которых лежат процессы восстановления серебра соединениями, которые содержатся в живых организмах или вырабатываются ими.

Весьма перспективными методами считаются методы биотехнологии. Растения могут восстанавливать ионы металлов, причем процесс может идти не только на поверхности, но и в органах и тканях, удаленных от нее. Доказано, что в восстановлении ионов металлов участвуют такие растительные метаболиты, как сахара, алкалоиды, терпеноиды, фенольные кислоты и белки, кроме того они обеспечивают стабильность полученных наночастиц [4-7].

При использовании для синтеза экстрактов из листьев ключевую роль в превращении ионов серебра в наночастицы могут играть терпеноиды, способные активно восстанавливать ионы металлов с последующим образованием наночастиц [8]. Линейные моносахариды, содержащие альдегидную группу (например, глюкоза), также являются сильными восстановителями [9].

Установлено, что наночастицы могут быть образованы при участии белков. Многие аминокислоты, например, лизин, цистеин, аргинин и метионин способны связывать ионы серебра. Аминокислоты могут связывать ионы металла через амино- и карбонильные группы основной цепи или через боковые цепи, такие, как карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот. Богат белками и свободными аминокислотами чайный сбор. Содержание экстрактивных веществ в готовом чайном сборе составляет 40 — 50%.

Механизм синтеза металлических наночастиц в растительных экстрактах включает три основные стадии:

1. Активация — восстановление ионов металла и их нуклеация;

2. Рост — объединение мелких наночастиц в более крупные, сопровождаемое увеличением их термодинамической стабильности;

3. Терминация — обретение наночастицей наиболее энергетически выгодной для нее конформации [10].

Наночастицы, синтезированные «зеленым» методом, имеют большой потенциал для применения в сельском хозяйстве и медицине. Например, такие наночастицы способны противостоять Escherichia coli, Shigella dysenteriae и Vibrio cholera, проявляют антибактериальное действие в отношении многих сельскохозяйственных патогенов, имеют высокую цитотоксическую активность относительно опухолевых клеток [11].

Экспериментальная часть

Для синтеза наночастиц серебра использовали экстракты чайного травяного сбора и стевии. В листьях стевии содержатся стевиозид и ребаудиозид, выступающие в качестве восстановителей наночастиц серебра. В состав чайного травяного сбора входят растения: стевия, донник, шалфей, подорожник, земляника, клевер, колосок, дымянка, зверобой, подмаренник, железница, тысячелистник, репешок, коровяк, сухоцвет однолетний, которые богаты свободными сахарами, аминокислотами и белковыми веществами, проявляющими активность при синтезе наночастиц благородных металлов.

Для приготовления чайного экстракта брали 5 г измельченного листового чайного сбора. Данную навеску заливали 100 мл дистиллированной воды, доведенной до 100С, и оставляли до полного настаивания в течение 30 минут при постоянном перемешивании при комнатной температуре и отфильтровывали.

Экстракт стевии готовили аналогично: 5 г стевии заливали 100 мл дистиллированной воды, доведенной до 100С, и оставляли до полного настаивания в течение 30 минут при постоянном перемешивании при комнатной температуре. По истечении времени полученный экстракт отфильтровывали.

Оптические спектры поглощения экстрактов стевии и чайного сбора, а также золей серебра регистрировали с помощью спектрофотометра U-2001 в кварцевой кювете (длина оптического слоя 2 см).

Обсуждение результатов

Фитоэкстракт стевии так же, как и фитоэкстракт чайного травяного сбора имеет желтую окраску. Такая окраска характерна для золей серебра, содержащих наночастицы сферической формы. С учетом этого, необходимо было провести спектральный анализ фитоэкстрактов, чтобы убедиться в том, что данные экстракты не дают полос поглощения при 410–420 нм (рисунки 1 и 2). Именно эти длины волн свидетельствуют об образовании наночастиц серебра сферической формы диаметром до 40 нм. На основании анализа спектров, представленных на рисунках 1 и 2 можно сделать вывод об отсутствии наночастиц серебра в приготовленных экстрактах, поскольку максимума поглощения в указанной области спектра не наблюдается.

Спектр поглощения экстракта чайного сбора<br>
Рисунок 1. Спектр поглощения экстракта чайного сбора
Спектр поглощения экстракта стевии<br>
Рисунок 2. Спектр поглощения экстракта стевии

Таким образом, по полученным данным можно сделать вывод, что фитоэкстракты можно использовать для получения наночастиц серебра. Окраска экстрактов не повлияет на дальнейшие результаты.

Далее полученные экстракты использовали для синтеза наночастиц серебра. Свежеприготовленный фитоэкстрат чайного сбора разбавляли до 10%, 30% и 50% дистиллированной водой, в полученные водные растворы добавляли по 1 мл 0,001н раствора нитрата серебра концентрацией 1∙10-3 моль/л и доводили их 0,1 н раствором NH3 до значения pН 8 (Таблица 1. ).

Таблица 1. Синтез наночастиц серебра с использованием фитоэкстракта чайного сбора

Фитоэкстракт чайного травяного сбора, %

0,001н AgNO3

0,1 н NH3, мл

10

1

0,1

30

1

0,1

50

1

0,1

С увеличением концентрации фитоэкстракта увеличивается интенсивность окраски растворов.

Свежеприготовленный экстракт стевии также разбавляли до концентрации 10%, 30% и 50% дистиллированной водой, вносили 0,001н раствор нитрата серебра и доводили 0,1н раствором NH3 до pН 8 (Таблица 2. ).

Введение раствора нитрата серебра в водные растворы фитоэкстрактов чайного сбора и стевии привело к резкому изменению окраски растворов от светлых оттенков желтого до более темных, что свидетельствует об образовании наночастиц серебра в растворе (для наночастиц серебра диаметром до 40 нм свойственна желтая окраска золя).

Таблица 2. Синтез наночастиц серебра с использованием фитоэкстракта стевии

Фитоэкстракт стевии, %

0,001н AgNO3

0,1 н NH3, мл

10

1

0,1

30

1

0,1

50

1

0,1

Полученные водные 10%, 30% и 50% растворы экстрактов стевии и чайного сбора с внесением 0,001н раствора нитрата серебра выдерживали на водяной бане при рН 8, температуре 70 в течение 40 минут. Следует отметить, что интенсивность окраски получаемых золей увеличивается с ростом концентрации фитоэкстракта стевии (рисунок 3).

Окраска золей серебра с разной концентрацией фитоэкстракта стевии: слева направо — 10 %, 30 %, 50 %<br>
Рисунок 3. Окраска золей серебра с разной концентрацией фитоэкстракта стевии: слева направо — 10 %, 30 %, 50 %

Изменение окраски растворов с наночастицами серебра связано с появлением характерных для коллоидных наночастиц плазмонных полос поглощения с длинами волн 410–420 нм. С целью подтвержения образования наночастиц серебра были сняты спектры оптического поглощения полученных коллоидных растворов сразу после синтеза. Как видно на рисунках 4 и 5, максимум поглощения в оптических спектрах золей наблюдается при длине волны 410-420 нм как полученных с использованием фитоэкстрактов чайного сбора, так и стевии.

Спектр поглощения золя наночастиц серебра, полученного с использованием фитоэкстракта чайного сбора<br>
Рисунок 4. Спектр поглощения золя наночастиц серебра, полученного с использованием фитоэкстракта чайного сбора
Спектр поглощения золя наночастиц серебра, полученного с использованием фитоэкстракта стевии<br>
Рисунок 5. Спектр поглощения золя наночастиц серебра, полученного с использованием фитоэкстракта стевии

Таким образом, можно сделать вывод, что в обоих случаях присутствуют наночастицы серебра сферической формы диаметром до 40 нм, причем их количество увеличивается с увеличением концентрации экстрактов. При этом следует отметить, что фитоэкстракт стевии лучше восстанавливает ионы серебра, чем экстракт чайного сбора, о чем свидетельствуют спектры поглощения коллоидных растворов наночастиц серебра.

Список литературы

  1. Зимон А.Д., Павлов А.Н. Коллоидная химия наночастиц/ А.Д. Зимон, А.Н. Павлов — М.: Научный мир, 2012. — 224 с.: ил.
  2. Е.В. Антина. Химия биологически активных веществ и жизненных процессов/ Е.В. Антина, М.А. Волкова, К.В. Дамрина, С.О. Кручин, А.А. Ксенофонтов, А.Р. Латыпова, В.В. Макаров, А.Н. Масленникова, Е.Г. Одинцова, А.А. Отлетов, М.К. Серебрякова, К.А. Ситникова//Иван.гос.хим.-технол.ун-т. — Иваново, 2015. — 303 с.
  3. Коляда, Л. Г. Синтез и исследования наночастиц серебра / Л. Г. Коляда, О. В. Ершова, Ю. Ю. Ефимова, Е. В. Тарасюк // Альманах современной науки и образования. — 2013. — № 10. — 79 — 82 с.
  4. Shiv Shankar S., Rai A., Ahmad A. Rapid synthesis of Au, Ag, and bimetallic Au core–Ag shell nanoparticles using Neem (Azadirachta indica) leaf broth / S. Shiv Shankar, A. Rai, A. Ahmad // Journal of colloid and interface science. — 2004. — V. 275. — P. 496 — 502.
  5. Ranjithkumar R., Chandar Shekar B., Senthil Kumaran C. K. Green synthesis of silver nanoparticles using graviola leaf aqueous extract at room temperature / R. Ranjithkumar, B. Chandar Shekar, C. Senthil Kumaran // Journal of Advanced Research. — 2015. — V. 2. — P. 6 — 10.
  6. Song J. Y., Kwon E. Y., Kim B. S. Biological synthesis of silver nanoparticles using Diopyros kaki leaf extract / J. Y. Song, E. Y. Kwon, B. S. Kim // Bioprocess and biosystems engineering Bioprocess. — 2010. — V. 33. — P. 159 — 164.
  7. Song J. Y., Kim B. S. Rapid biological synthesis of silver nanoparticles using plant leaf extracts / J. Y. Song, B. S. Kim // Bioprocess and Biosystems Engineering. — 2009. — V. 32. — P. 79 — 84.
  8. Singh A., Talat M., Singh D., Srivastava O.N. Biosynthesis of gold and silver nanoparticles by natural precursor clove and their functionalization with amine group / A. Singh, M. Talat, D. Singh, O. N. Srivastava // Journal of Nanoparticle Research. — 2010. — V. 12 (5). — P. 1667 — 1675.
  9. Panigrahi S., Kundu S., Ghosh S. General Method of Synthesis for Metal Nanoparticles / S. Panigrahi, S. Kundu, S. Ghosh // Journal of Nanoparticle Research. — 2004. — V. 6 (4). — P. 411 — 414.
  10. Si S., Mandal T. K. Tryptophan‐Based Peptides to Synthesize Gold and Silver Nanoparticles: A Mechanistic and Kinetic Study / S. Si, T. K. Mandal // Chemistry. — 2007. — V. 13 (11). — P. 3160 — 3168.
  11. Dhanalakshmi T., Rajendran S. Synthesis of silver nanoparticles using tridax procumbens and its antimicrobial activity / T. Dhanalakshmi, S. Rajendran // Archives of Applied Science Research. — 2012. — V. 4. — P. 1289 — 1293.