CN107486562B

CN107486562B - 植物源性多糖提取物还原金属盐制备金属纳米材料的方法及应用

Info

Publication number: CN107486562B
Application number: CN201710780824.9A
Authority: CN
Inventors: 张继; 牛晓博; 王风霞; 王伟; 荆王莉
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2037-11-09
Also published as: CN107486562A

Abstract

本发明公开了一种植物多糖提取物还原金属盐制备金属纳米材料的方法，是将金属盐与植物多糖提取物按混合，加水搅拌使其充分络合，再加入碱液继续搅拌，然后置于微波中进行微波处理，冷却，洗涤，干燥，即得金属纳米材料。本发明制备金属纳米材料中，植物源性多糖提取物作为还原剂和支撑材料，具有生物降解性和生物安全性，能够有效地减少有毒化学品使用，对环境起到了保护作用，同时能够克服金属纳米材料合成后的团聚缺陷，具有较大的应用潜力。将其作为电极修饰材料，构建葡萄糖传感器应用于葡萄糖的检测，选择性好、灵敏度高；对埃希氏杆菌属、金黄色葡萄糖球菌、根霉菌、毛霉菌等具有较高的抗菌率，具有明显的广谱抗菌性。

Description

植物源性多糖提取物还原金属盐制备金属纳米材料的方法及应用

技术领域

本发明涉及一种金属纳米材料的制备方法，尤其涉及一种采用植物源性多糖提取物还原金属盐制备金属纳米材料的方法；本发明同时还涉及该方法制备的金属纳米材料在作为传感器在检测葡萄糖中的应用，作为催化剂在醇催化氧化反应中的应用，以及作为抗菌剂等的应用，属于纳米材料的制备和应用领域。

背景技术

金属纳米材料具有比表面积大、尺寸小、表面能高等特点，使得表面的活性位点多、催化效率高，可作为高活性的催化材料，在有机合成和环境保护等领域有着重要的应用。近些年来，新型生物合成纳米材料研究引起了研究者的极大兴趣，其不仅在环保和生物安全性上具有明显的优势，而且能够克服金属合成时的难控制尺寸，为特殊功能的纳米材料的研发开辟了新途径。

在“绿色合成”方式快速发展的过程中，探索天然物质与金属纳米材料之间的关系和规律具有重要研究价值。迄今相关研究报道研究表明，生物材料有着独特的优势，被应用到纳米材料的合成中。研究发现，DNA能够调控金属形成不同形貌的纳米材料，如以鸡蛋膜为原料合成出3D纳米Au材料等。采用生物的天然物质合成的纳米材料几乎可以应用于各个领域，如：抗微生物、抗病毒、载药、抗肿瘤、催化等方面。因此，天然存在的植物或动物资源，在纳米材料合成领域有其独特的优势。使用自然界中丰富的生物资源，以发展新型“绿色合成”纳米材料方法为契机，研究开发纳米材料及其应用，对利用开发多样的自然资源，丰富纳米材料制备的理论和实践具有重要意义。

植物源多糖提取物具有一定的降解能力和生物安全性，因此，以其为还原剂制备的金属纳米材料，将其应用于葡萄糖的检测，醇的催化氧化和抗菌等，具有巨大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用植物源性多糖提取物还原金属盐制备金属纳米材料的方法；

本发明的另一目的是提供一种上述方法制备的金属纳米材料在检测葡萄糖以及作为广普抗菌剂的应用。

一、金属纳米材料的制备

本发明植物源性多糖提取物还原金属盐制备金属纳米材料的方法，是将金属盐与植物多糖提取物按1:1 ~ 1: 40的质量比混合，加水搅拌25 ~ 30min使其充分络合，再加入碱液继续搅拌10~15min，然后置于微波中进行微波处理，冷却，抽滤，干燥，即得金属纳米材料。

所述金属盐为钯、银、铂、钌、金、铜的硝酸盐、醋酸盐或氯化物中的至少一种；所得金属纳米材料为单金属纳米粒子或合金的纳米材料。

所述植物多糖提取物为锁阳多糖、百合多糖或蕨麻多糖；植物多糖提取物的纯度为5% ~ 100%。

所述碱液为浓度0.1 mM ~ 5 M的KOH、NaOH或氨水。

所述微波处理的功率150 W ~ 2000 W，处理时间为4 ~ 30 min。

二、金属纳米材料的物理表征

1、透射电镜(TEM) 表征

图1、2为本发明制备的Pd NPs透射电镜图和粒径分布图。可以看出，本发明制备的Pd NPs(黑色小点)分散非常均匀，背景部分颜色较浅的部分为锁阳多糖(CSP)，可以看到Pd纳米颗粒是附着在锁阳多糖的表面；Pd的颗粒粒径分布相对均一，平均粒径为4.2 nm。

2、AFM表征

图3为本发明制备的Pd NPs原子力显微镜图。从图3可以看出，经多次水洗后的多糖仍存在，且以大小为100 nm的尺寸聚集。虽然钯的纳米颗粒在其上无法观察到，但结合透射电镜和红外光谱表征，可以推测其上分散着尺寸大约为4.2 nm左右的Pd的纳米颗粒。多糖的存在稳定了Pd纳米颗粒，也为其具有较好的葡萄糖检测性能奠定了基础。

3、红外光谱表征

图4为本发明制备的Pd-CSP/C的红外光谱图。从图中可以看出，CSP的四个比较明显的吸收峰，3428 cm^-1，1615 cm^-1，1407 cm^-1和1019 cm^-1，在Pd-CSP/C上都存在。虽然使用的多糖为水溶性的，但经过多次水洗后仍存在，可以证实还原后钯纳米颗粒和锁阳多糖为复合结构，钯纳米金属颗粒附着于多糖表面的分子链上。

三、金属纳米材料的应用

下面对本发明制备的Pd NPs和Ag NPs材料分别对葡萄糖的传感性能和抗菌性进行了的测试。为了方便电极测试，将制备的金属纳米材料Pd NPs与碳粉进行复合，得到样记作Pd-CSP/C。

1、对葡萄糖性能测试

下面对本发明制备的Pd NPs的稳定性、响应性能和抗干扰性能进行考察。图5为本发明制备的Pd-CSP/C电极在不同葡萄糖浓度氩气饱和条件下的0.1 M NaOH溶液中进行电流时间响应。插入图：不同电压下的电流时间测试图。从图5可以很明显的看出，每过50 s在体系中加入葡萄糖，使其浓度依次按每次1 mM的顺序增加。从图中可以看出，电流按规律依次等间距的增加。说明电压为-0.05 V时，体系中葡萄糖浓度和电流之间存在较好的响应关系。图4插入图为三个不同电压下的响应性比较，从插图中可以看出，在电压为-0.15 V时，电流-时间曲线基本无规律。在电压为-0.10 V时，电流-时间曲线虽然前期具有规律，但随着葡萄糖浓度的增大，规律性也越来越差。只有选择电压为-0.05 V时，电流-时间曲线具有很好的响应规律性。这主要与葡萄糖在钯表面的氧化峰最大电流出现在该电压有关。

图6为本发明制备的Pd-CSP/C电极的电流时间曲线图对应的电流-浓度图。从图6可以看出，在浓度1 ~8 mM范围内，电流与葡萄糖浓度之间遵循较好的线性关系。线性相关系数R²为0.994，拟合得到对应的直线方程为：

I (μA) = 2.2336 C (mM) + 2.3134

I——Pd-CSP/C电极的电流

C——葡萄糖浓度。

根据直线的斜率可以得到该检测电极的灵敏度，其值为17.7 μA mM^-1 cm^-2。同时得到该电极的检测极限为237 μM (S/N = 3)。由此可见，该电极完全覆盖人类正常生理条件下血液中葡萄糖浓度范围(3 mM到8 mM)，可以应用于血糖监测中。

图7为本发明制备的Pd-CSP/C电极在1 mM葡萄糖、50 μM抗坏血酸、50 μM尿酸、50μM对乙酰氨基酚存在氩气饱和条件下的0.1 M NaOH溶液中进行电流-时间抗干扰性测试。从图7可以很明显的看出，分两次将1 mM葡萄糖加入0.1 M NaOH溶液中可以看到明显的电流响应，但分别加入50 μM AA，50 μM UA和50 μM AP观察电流几乎没有变化，选择性良好，可以进一步应用于实际样品中葡萄糖浓度的检测。

大量实验表明，本发明制备的Pd-CSP/C的电极，通过电化学测试发现，在有无葡萄糖的情况下，均有较好的稳定性。Pd NPs材料成功的应用于葡萄糖非酶传感器，该传感器展现出较好的综合性能，包括抗干扰能力、较好的选择性和稳定性。

2、抗菌性

本发明选取金黄色葡萄糖球菌，用以研究Ag NPs的抗菌性能。

胰酪胨大豆肉汤培养基(TSB)的制备：每1000 mL的TSB培养基加分析纯NaCl 5 g，胰蛋白胨17 g，大豆蛋白胨5 g，葡萄糖2.5 g，KH₂PO₄ 2.5 g，用去离子H₂O配制，调pH至7.3～7.4，121℃蒸汽灭菌15 min冷却后使用。(固体培养基：在TSB 液体培养基中加入2%的琼脂)金黄色葡萄球菌的菌株活化：取出金黄色葡萄球菌的标准菌株，接种至1 mL TSB液体培养基中，在37℃，160 rpm的环境中过夜培养。取出培养结束的菌液，在TSB固体培养基上划线，在37℃倒置过夜培养，直到长出单菌落，备用。

液体培养基实验：首先挑取已经活化好的单菌落，接种至1 mL TSB液体培养基中，在37℃，160 rpm的环境中过夜培养。取3个无菌15 mL离心管，标记为空白对照组(CK)和实验组(A)，按照下表进行培养基的配制，然后分别加入200 μL的上述菌液，在37℃，160 rpm的条件下进行培养。同时配制对应组别的固体培养基，将菌液涂布于平板后于24 h，48 h，96 h后，分别取稀释10^－6的培养液在固体培养基上涂板，隔夜观察菌落形成数量。

固体培养基实验：首先挑取已经活化好的单菌落，用生理盐水制备在600 nm处吸光值(OD_{600 nm})为0.5~0.6左右的菌悬液，即处于对数生长期的细菌(该时期细菌处于旺盛分列时期，状态最佳)。然后将菌悬液均匀涂布于TSB固体平板，并放入4 mg的Ag NPs，在37℃，160 rpm的环境中培养，分别培养24 h、48 h、96 h时观察抑菌圈形成情况。

在两组实验中，空白对照组(未加任何抗菌成分)中金黄色葡萄球菌的菌落密度最高。在培养了24 h后，Ag NPs组中的菌落密度没有太大的差别。且都少于空白对照组，AgNPs对于金色葡萄球菌都有抑菌性。但培养时间到达48 h时，可以观察到Ag NPs组中的菌落密度明显要小于CK组，并且随着培养时间的延长，此差异越来越明显。在TSB固体培养基上，得到了与TSB液体培养基类似的结果。培养时间的增长，抑菌圈的直径明显增大。进一步说明了Ag NPs的加入极大地提高了抗菌性能。

大量实验表明，本发明制备的Pd NPs材料对埃希氏杆菌属、金黄色葡萄糖球菌、根霉菌、毛霉菌均具有较高的抗菌率，因而有明显的广谱抗菌性。

附图说明

图1为本发明Pd NPs材料的透射电镜图。

图2为本发明Pd NPs材料的粒径分布图。

图3为本发明Pd NPs材料原子力显微图。

图4为本发明制备的Pd-CSP/C的红外光谱图。

图5为本发明制备的Pd-CSP/C电极在不同葡萄糖浓度和0.1 M NaOH溶液中进行电流-时间响应性测试。

图6为本发明制备的Pd-CSP/C电极的电流时间曲线图对应的电流-浓度图。

图7为本发明制备的Pd-CSP/C电极在1 mM葡萄糖、50 μM抗坏血酸、50 μM尿酸、50μM对乙酰氨基酚存在氩气饱和条件下的0.1 M NaOH溶液中进行电流-时间抗干扰性测试。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明Pd NPs、Pd₃Ag NPs、Ag NPs的材料制备和性能作进一步说明。

实施例1：Pd NPs材料制备

Pd NPs材料的制备：在100 mL圆底烧瓶中加入氯化钯(PdCl₂) 20 mL (1 mg mL^-1)，再加入新鲜配制的锁阳多糖(CSP) 20 mL (1.5 mg mL^-1)，最后加入三次水10 mL，搅拌30 min，使得多糖与钯离子充分络合。所得溶液加入KOH溶液10 mL (1 M)，搅拌10 min，再置于微波中300 W下加热8 min，取出冷却至室温，再加入50 mg碳粉，超声10 min，然后用磁力搅拌器搅拌5 h。最后将溶液抽滤多次，将得到的固体样品在60℃鼓风烘箱干燥2 h，碳粉与Pd NPs材料混合，记作Pd-CSP/C。

所得Pd-CSP/C电极灵敏度达到19.2 μA mM^-1 cm^-2，其检测极限为248 μM (S/N =3)，葡萄糖检测浓度范围为1 mM到11 mM)，在干扰物50 μM抗坏血酸、50 μM尿酸作用下，观察电流几乎没有变化，选择性良好。

实施例2：Pd₃Ag NPs材料制备

Pd₃Ag NPs材料制备：在100 mL圆底烧瓶中加入醋酸钯((CH₃COO)₂Pd)和硝酸银(AgNO₃)均为20 mL (2 mg mL^-1)，再加入新鲜配制的百合多糖(LBP) 20 mL (3 mg mL^-1)，最后加入三次水10 mL，搅拌30 min，使得多糖与钯、银离子充分络合。所得溶液加入KOH溶液10 mL (0.4 M)，搅拌10 min，再置于微波中200 W下加热6 min，取出冷却至室温，再加入50mg碳粉，超声10 min，后用磁力搅拌器搅拌5 h。然后将溶液抽滤多次，将得到的固体样品在60 ℃鼓风烘箱干燥2 h，碳粉与Pd₃Ag NPs材料混合，记作Pd₃Ag-LBP/C。

所得Pd₃Ag-LBP/C电极的灵敏度达到10 μA mM^-1 cm^-2，其检测极限为100 μM (S/N= 3) ，葡萄糖浓度范围为0.8 mM到15 mM，在干扰物50 μM NaCl、50 μM抗坏血酸、50 μM尿酸、50 μM果糖作用下，观察电流几乎没有变化，选择性良好。

实施例3、Ag NPs材料制备

Ag NPs材料制备：在100 mL圆底烧瓶中加入20 mL (1.5 mg mL^-1)，再加入新鲜配制的锁阳多糖(CSP)溶液20 mL (2 mg mL^-1)，最后加入三次水10 mL，搅拌30 min，使得多糖与银离子充分络合。所得溶液加入KOH溶液10 mL (0.5 M)，搅拌10 min，再置于微波中400W下加热6 min，取出冷却至室温，再加入50 mg碳粉，超声10 min，后用磁力搅拌器搅拌5 h。然后将溶液抽滤多次，将得到的固体样品在60 ℃鼓风烘箱干燥2 h，记作Ag NPs。

进行抗菌率的实验发现：加入Ag NPs对金黄色葡萄糖球菌的抗菌率是壳聚糖(42.3%)的2.3倍，有明显的抗菌优势。

实施例4：Pd NPs材料制备

Pd NPs材料的制备：在100 mL圆底烧瓶中加入氯化钯(PdCl₂) 20 mL (1 mg mL^-1)，再加入新鲜配制的蕨麻多糖(PAP) 20 mL (1.5 mg mL^-1)，最后加入三次水10 mL，搅拌30 min，使得多糖与钯离子充分络合。所得溶液加入KOH溶液10 mL (1 M)，搅拌10 min，再置于微波中600 W下加热8 min，取出冷却至室温，再加入50 mg碳粉，超声10 min，后用磁力搅拌器搅拌5 h。然后将溶液抽滤多次，将得到的固体样品在60℃鼓风烘箱干燥2 h，记作PdNPs。

进行抗菌率的实验发现：加入Pd NPs分别对埃希氏杆菌属、金黄色葡萄糖球菌、根霉菌、毛霉菌，抗菌率分别是48.3%、80.0%、50.3%、49.5%，有明显的广谱抗菌性。

Claims

1.植物源性多糖提取物还原金属盐制备Pd₃Ag NPs材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：在100 mL圆底烧瓶中加入20 mL浓度2 mg mL^-1的醋酸钯和20 mL浓度2 mg mL^-1硝酸银，再加入20 mL 浓度3 mg mL^-1的新鲜配制的百合多糖，最后加入三次水10 mL，搅拌30min，使得多糖与钯、银离子充分络合；所得溶液加入10 mL 0.4 M KOH溶液，搅拌10 min，再置于微波中200 W下加热6 min，取出冷却至室温；再加入50 mg碳粉，超声10 min后用磁力搅拌器搅拌5 h；然后将溶液抽滤多次，将得到的固体样品在60 ℃鼓风烘箱干燥2 h，得碳粉与Pd₃Ag NPs混合材料，记作Pd₃Ag-LBP/C；所得Pd₃Ag-LBP/C电极的检测葡萄糖灵敏度达到10 μA mM^-1 cm^-2，检测极限为100 μM；葡萄糖浓度范围为0.8 mM到15 mM，在干扰物50 μMNaCl、50 μM抗坏血酸、50 μM尿酸、50 μM果糖作用下，观察电流几乎没有变化，选择性良好。