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液相化学还原法制备纳米银及抗菌性能研究

发布日期:2015-03-26 11:19:50
葡萄糖
纳米银具有良好的光学、电学、催化等性能,尤其是 抗菌性能,对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、酵母菌等很多种革 兰氏阳性菌和阴性菌的生长都有很好的抑制作用[4],被广泛 用于抗菌塑料、抗菌涂料[6]、抗菌陶瓷ra和抗菌药物M等。 目前制备纳米银的方法主要有液相还原法、微乳液法、电化 学法及激光烧蚀法等M。其中液相还原法是在液相体系中 利用不同的还原剂还原银离子,如柠檬酸、水合肼、次磷酸钠 和葡萄糖等,具有工艺简单、操作方便等优点,因而被广泛采 用。
本实验用2种不同的还原剂制备纳米银,并对生成物进 行了各项性能表征,针对纳米银优异的抗菌性能,尝试将其
运用于抑制海洋菌类。
1实验
1.1试剂与仪器
硝酸银、羧甲基纤维素钠、葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)、三聚磷酸钠、氢氧化钠、乙醇均为市售分析纯试剂; 蛋白胨、酵母膏、琼脂为生物试剂;磷酸高铁为化学纯试剂。
日本电子株式会社JEM-2100HC型高衬度透射电子显 微镜;德国Bmker-axs公司D8 ADVANCE型X射线衍射 仪;日本日立公司U-3010型紫外可见分光光度计;上海博讯 实业有限公司医疗设备厂SPX-250C型恒温恒湿培养箱;宁 波医疗器械厂YXQ41-280型压力蒸气消毒器;长沙英泰仪 器有限公司TG16型离心机;常州国华电器有限公司78-2型
双向磁力搅拌器。
1.2纳米银的制备
1.2.1羧甲基纤维素钠体系制备纳米银肢体
称取0. 012g羧甲基纤维素钠和0. lg PVP加人到20mL 去离子水中,于60X:在磁力加热搅拌器中搅拌均匀,滴加0.1 mol/L氢氧化钠,调节pH值到8。然后逐滴加入0. lmL 0. 2 mol/L的硝酸银水溶液,继续搅拌反应4h,得到红棕色纳米 银胶体溶液。取一定量的胶体溶液适当稀释后,用于紫外可 见分光光谱分析。
1. 2. 2葡萄糖体系制备纳米银肢体
称取1. 〇8g葡萄糖和0. 4g三聚磷酸钠加入到20mL去 离子水中,于70'C在磁力加热搅拌器中搅拌均匀,滴加0.1 mol/L氢氧化钠,调节pH值到11。然后逐滴加入6mL 0.3 mol/L硝酸银水溶液,继续搅拌反应30min,得到黑色纳米银 沉淀。取一定量的溶液进行稀释后,用于紫外可见分光光谱 分析。
将上述的纳米银溶液离心分离,沉淀分别用无水乙醇和 去离子水洗涤3次,于50'C真空干燥箱中干燥24h,得到纳 米银粉末。
1. 3纳米银的抗菌性能测试
以海洋优势附翁细菌芽孢杆菌为实验菌种,采用抑菌圈 法对纳米银的抗菌性进行测试。取新鲜的海水,配制2216E 培养基(以l〇〇〇mL海水为例,组成如下:蛋白胨5g,磷酸高 铁〇• 〇lg,酵母膏lg,琼脂15〜20g,用煮沸的l%NaOH调节 pH值为7. 4〜7. 6),于29'C培养芽孢杆菌。将0. lmL的菌 种接种到含有琼脂板的培养皿中,浸泡过不同浓度的纳米银 水溶液的圆形滤纸干燥后放入培养皿中央,将上述培养皿放 在光照培养箱中在29X:培养,3天后取出,观察不同浓度的 纳米银水溶液的抑菌圈直径。,
2结果与讨论
2.1纳米银胶体的紫外可见光光度分析
图1中虚线部分为在PVP保护下用竣甲基纤维素钠直 接还原AgN03制备纳米银胶体的紫外吸收光谱测量结果。 纳米银粒子的紫外吸收峰为410nm左右,强度较大,吸收峰 对称度高,半峰宽小。而在葡萄糖作还原剂体系下制备的纳 米银粒子中,在420nm处出现强吸收峰,强度较小,峰型平 坦,半峰宽较大,对应于球形银纳米粒子的表面等离子共振 特征吸收。吸收峰位置的不同说明在不同的反应体系中生 成的银粒子大小和形状不同。由文献[10,11]及理论知识可 知,横向(面外偶极共振)表面等离子体吸收与球形吸收最大 值基本一致,而纵向(面内偶极共振)表面等离子体共振对粒 子的增长很敏感,随粒子长径比的增加而明显红移。这说明 cmc体系下制备的纳米银粒子较小,粒径分布较窄,胶体中 银单质的含量较多;而葡萄糖作还原剂制备的纳米银粒子较 大,粒径分布宽,胶体中银单质的含量较少。
2.2纳米银粉的XRD分析
对真空干燥得到的纳米银粉进行XRD分析(如图2所 示)。对于葡萄糖体系制备的纳米银,图中出现3个明显的 峰值,对应的晶面指数由里到外依次为(111)、(220)、(311), 说明纳米银晶体有3个晶属于面心结构;对于竣甲基纤 维素钠体系制备的纳米银粒子,图中曲线显示有5个明显的 峰值,对应的晶面指数由里到外依次为(103)、(006)、(105)、 (112)、(201),属于多晶结构。已研究的纳米银大多数呈多 晶结构,但也有少数单晶结构[12]。另外,▲标记的峰经查阅 PDF卡片对比得出为Ag20特征峰。由此推断,在碱性条件 下,葡萄糖体系中发生如下的化学反应:
2Ag++20H- —^Ag20+H20 Ag20+CH2OH-(CHOH)4-CHO—»- CH2OH-(CHOH)4-COOH+2Ag
溶液中的银离子生成了 Ag20沉淀,然后在葡萄糖作用 下还原为单质银。当反应不完全时,沉淀中会含有残留的 Ag20,或者在干燥过程中,部分单质银氧化成了 Ag20。
图2不同还原剂制备的纳米银粉末的XRD图谱 Fig. 2 XRD spectras of dried powder of silver nanoparticles synthesized with different reductant
图3是羧甲基纤维素钠的分子结构图,其与硝酸银的化 学反应方程式尚未见报道。
2.3纳米银粒子的TEM分析
通过改变反应条件可以控制纳米银的形貌及粒径。图4 为在以羧甲基纤维素钠为还原剂、其它工艺条件相同的情况 下改变反应时间制备的纳米银的TEM图。当反应时间为 2h时,生成的纳米银颗粒团聚现象较严重(图4(a)),颗粒粒 径约为40nm;随着反应时间延长到6h时,纳米银为均匀的 球形,其粒径为20〜30nm,无团聚现象(图4(b))。
渐变大(图6(b)、(c)),说明低浓度的纳米银能抑制芽孢杆菌 的生长,井且随着纳米银质量浓度的增加典抑菌效果增强。 在葡萄糖体系下,当纳米银的质量浓度为Sjug/mL时(图6
(d)),抑菌圈直径比在CMC体系下制备的同浓度的纳米银 粒子的抑菌圈直径小,说明在此条件下制备的纳米银粒径较 大,杀菌能力较弱;而当质量浓度达到l(Vg/mL时(图6
(e)),其抑菌圈变大;当质量浓度为20fxg/mL时(图6(f)), 抑菌圈直径与lOfig/tnL时相比增加不大。从图6可以得 出,2种体系下制备的纳米银都能很好地抑制芽孢杆菌的生 长,并且随着浓度的增加,抑制作用增强。
3结论
由能量最低原理可知,纳米粒子具有较大的比表面积, 易发生团聚,在反应液中加人稳定剂可起到分散和保护的作 用。PVP能够促进Ag颗粒成核,从而起到防止晶粒长大的 作用同时,它的有机长链的空间位阻作用又能使相互结 合的纳米银颗粒表面隔开,阻止了粒子间的团聚。本实验在 其它实验条件未发生变化的情况下研究了 PVP用量对纳米 银溶胶的影响。图5(a)为不加PVP时在葡萄糖作还原剂体 系下制备的纳米银溶胶的TEM图,町以看出纳米银颗粒出 现明显的团聚现象;而当加人0. Olg的PVP(图5(b))时得到 的颗粒粒径较小,为25〜35nm,且分散均匀。这说明一定量 的PVP影响f纳米银颗粒的正常生长,起到了较好的分散 稳定作用。
图S不同PVP加入置下制备样品的TEM图 Fig. 5 TEM images of the samples synthesized with different amounts of PVP
由图4和图5可以看出,葡萄糖作还原剂体系下制备的 纳米银粒径略大于羧甲基纤维素钠体系下制备的纳米银粒 径.与紫外可见光光度分析结果一致。
2.4抗菌测试
经过抑菌圈法实验(如图6所示),在CMC体系下纳米 银粒子的质量浓度为^g/mL时出现抑菌圈现象,但是其抑 菌圈直径较小(图6(a))。随着质量浓度的增加,抑菌圈会逐
(1)在以CMC作为还原剂、PVP为保护剂制备纳米银 的工艺中,生成的纳米银粒径为20〜30rnn,无团聚现象,其 结构为多晶体系,抑菌效果较好。
(2)以葡萄糖作为还原剂制备的纳米银粉末,其平均粒 径为25〜35nm,为面心结构。
(3)2种制备方法绿色无污染,得到的纳米银形貌较均 匀,分散性较好,粒径为20~40nn!,对海洋优势附着菌种芽 孢杆菌有良好的抑菌性能,在进一步将纳米银应用于海洋微 生物防污抗腐蚀,尤其是环境友好型海洋防污复合涂料方面 具有指导意义
 
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