"Зеленый синтез" наночастиц металлов

В последние годы нанотехнология развивается от мультидисциплинарной отрасли исследования до основной научной области. В дополнении к химическим и физическим подходам новая, простая и более дешевая стратегия синтезировать металлические наночастицы использует биологические инструменты, такие как бактерии, дрожжи, грибы и растения и называется «зеленая» нанотехнология. Большинство исследований посвящены синтезу наночастиц в растениях, так как этот метод очень экономически выгоден для крупномасштабного производства наночастиц [4, с.1].

«Зеленый» синтез – метод получения металлических наночастиц различной морфологии из солей соответствующих металлов с использованием в качестве восстанавливающих и стабилизирующих агентов экстракты растений. Метод позволяет получать металлические наночастицы размером от 10 до 500 нм сферической, трехгранной, пентагональной и гексагональной форм.

Синтез наночастиц требует три ключевых компонента – растворяющая среда, восстанавливающие и стабилизирующие вещества. Водная среда используется для «зеленого» синтеза вместо органического растворителя.

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

1) фазу активации, где происходит восстановление ионов металла;

2) фазу роста, в течение которой происходит формирование наночастиц за счет гетерогенной нуклеации и роста, что сопровождается увеличением термодинамической стабильности наночастиц;

 3) фазу терминации процесса, определяющую окончательную форму наночастиц [1, с.41].

Восстановление солей сопровождается изменением цвета раствора от желтого до фиолетового, темно-коричневого, черного и темно-зеленого в зависимости от используемых компонентов. Для получения высокого качества таких наночастиц используются различные концентрации экстрактов растения и солей, pH экстрактов, оптимальные условия проведения синтеза,  интервал температур от 10 до 300°С. Данным методом получают различные металлические наночастицы, такие как золото, серебро, платина, цинк, медь, окись титана, магнетит и никель. Используют различные части растений, такие как стебель, корень, фрукты, семя, кожица, листья и цветок.

Растительный свежий экстракт содержит различные метаболиты, такие как полифенолы, флавониды, алкалоиды и терпеноиды, фенольные кислоты, сахара и белки, в которых эти составы главным образом ответственны за восстановление ионов и формирование металлических наночастиц [1, с.39].

Разнообразие растительных экстрактов, типов солей металлов и способность варьировать состав реакционной смеси и условия проведения реакции путем изменения температуры, рН реакционной смеси и включения добавок биологического происхождения (биоматриц) позволяют создавать наночастицы различных металлов определенного размера и формы [5, с.1].

Наночастицы металлов используются в терапии онкологических заболеваний, в качестве антисептических средств, в направленной доставке лекарств, молекулярной визуализации, очистке сточных вод, катализе, создании биосенсоров, топливных элементов, покрытий и косметических средств [2, с.12].

При проведении исследований, наличие наночастиц металла в растворе определяли методом спектрофотометрии. Физико-химический метод спектрофотометрии или абсорбционной спектроскопии основан на измерении спектров поглощения в оптической области электромагнитного излучения, т.е. в ультрафиолетовой (200-400 нм), видимой (400-800 нм) и инфракрасной (>800 нм) областях спектра.

Поглощение исследуемым объектом света измеряли с помощью спектрофотометра, который регистрирует интенсивность проходящего света при разных длинах волн (Спектрофотометр СФ-2000, производитель ЗАО «ОКБ СПЕКТР», г.Санкт-Петербург). Помещали раствор в кювету шириной 1 мм, в качестве раствора сравнения брали дистиллированную H₂O. Помещали две кюветы в спектрофотометр, снимали результат в диапазоне измерений 190–1100 нм.

Для определения размера супрамолекулярного компонента (наночастица + окружение) в данном исследовании использовали метод динамического рассеяния света (в литературе также встречается как метод квазиупругого светорассеяния или фотонной корреляционной спектроскопии). Принцип измерения размеров частиц основан на измерении в разные моменты времени интенсивности рассеянного света в объеме растворителя, содержащем частицы. Благодаря случайному движению частиц, вызванному некомпенсированными толчками молекул растворителя (Броуновское движение), интенсивность света осциллирует относительно своего среднего значения. По частоте этих осцилляций можно получить информацию о коэффициенте диффузии частиц, который, в свою очередь, зависит от размеров частиц.

Для измерения брали пластиковую кювету с крышкой объемом 3 мл и размером стенок приблизительно 1 мм. Помещали в прибор (90 Plus Particle Size Analyser, производитель Brookhanen) и снимали результаты.

В работе использовали:

- растительные экстракты: Алоэ водный раствор, на 1 л – 4 г сухого вещества (производитель - ОАО «Дальхимфарм», г. Хабаровск); экстракт Каланхоэ сок, на 1 л 760 мл сока, производитель - ЗАО «ВИФИТЕХ», Московская область; экстракт листьев мяты, на 50 мл H₂O - 3,2 г сухого вещества (производитель ООО «МЕГАН 2000» г. Реутов), экстракт листа чая черного в соотношение 1:1 (50г сухого вещества-50 г Н₂O), компания «Akbar Brothers».

- соли соответствующих металлов: 0,1 М AgNO₃ , 0,1 н K₂[PdCl₄] и 0,1 н золотохлористоводородная кислота HAuCl₄.

Размеры наночастиц Ag и Au также были определены расчетным путем по зависимостям резонансных длин волн экстинкции и рассеяния от диаметра золотых и серебряных наночастиц [3, с 512].

В результате работы получили экспериментальную информацию о размерах размера супрамолекулярного компонента (наночастица + окружение) Ag, Pd и Au различных размеров, полученных с использованием в качестве восстанавливающих и стабилизирующих агентов растительных экстрактов. Опыты проводили при различных температурах и интенсивном перемешивании.

Полученные результаты приведены в таблице:

Таблица

Результаты получения наночастиц металлов при использовании различных растительных экстрактов

Эффективный диаметр супрамолекулярного комплекса (наночастица + окружение) зависит от природы растительного экстракта и изменяется в диапазоне от 155 нм (с использованием алоэ и K₂[PdCl₄]) до 1055,6 нм (с использованием каланхоэ и комплекса K₂[PdCl₄] + HAuCl₄). Расчетные диаметры частиц в случае использования солей золота – 3 нм, а в случае соли серебра – 55 и 65 нм.

Можно сделать вывод, что варьируя параметрами процесса такими, как природа растительного экстракта, концентрация солей, температура и время реакции, можно получить наночастицы определенного диаметра.

Список литературы:

1. Макаров В.В. «Зеленые» нанотехнологии синтеза металлических наночастиц с использованием растений // Молекулярная биология.- 2014. - №1 [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://actanaturae.ru  (дата обращения 15.01.2016)
2. Сергеева О.В. Введение в нанотехнологию: пособие для студентов хим.фак./ О.В. Сергеева, С.к. Рахманов. – Минск: БГУ, 2009.-176с.
3. Хлебцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным резонансом // Квантовая электроника.- 2008. - №6 [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.quantum-electron.ru (дата обращения 20.05.2016)
4. Phytosynthesis of eco-friendly silver nanoparticles and biological applications – A novel concept in nanobiotechnology/ M.Chandrasekhara Reddy, K.Sri Rama Murthy, A. Sambasiva, K.P.S. Sambasiva Rao and T.Pullaiah – 2014. – С.1-26.
5. The greener synthesis of nanoparticles / Oxaha V. Kharissova, H.V. Pasika Dias, Boris I. Kharisov, Betsabee Olvera Peres. – 2013. – С. 240-248.