CN110102774A - 一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的绿色制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子制备方法，属于纳米材料领域。本发明采用氯化铜作为铜前体，氢氧化钠溶解的果胶作为稳定剂和还原剂，同时抗坏血酸也作为还原剂，通过简单地微波辅助合成铜纳米粒子，得到红棕色的铜纳米液体，最后，通过高速离心、洗涤和烘干，获得粉末铜纳米粒子。在紫外可见光下，其最大的吸收峰为590nm。同时，本发明还提供一种柑橘果胶的铜纳米粒子在抑菌领域的应用。本发明中的铜纳米粒子具有分散性良好，安全性能高等优点。本发明生产工艺简单且绿色环保，在医药抑菌领域具有广阔前景。

Description

一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的绿色制备方法及其应用

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的绿色制备方法及其应用。

背景技术

纳米粒子是指那些由于粒径的减小而表现出与本体材料的性质有所不同的粒子，其粒径一般小于100nm，是典型的介观系统，具有一系列新异的物理化学特性。在医学、生物技术、光学和催化等领域有着广泛的应用。在众多的金属纳米粒子中，铜纳米粒子(CuNPs)由于具有低成本，优良的光学、医药、催化、导电、导热性和抗菌性而得到越来越多的关注，但是其易结团和氧化的特性成为制备的瓶颈。过去的几十年研究中，已经开发了许多有效的方法来合成铜纳米粒子。然而，由于在合成过程中使用有害的还原或稳定剂而对环境和生物造成一定危害，随着人们环保意识的提高，倾向于把重点放在绿色合成方式上。

为了发展一种绿色清洁和可持续的制备纳米粒子的方法，研究者开始使用生物大分子或者聚合物来作为前体物质。Chakrapani(2014)等利用酪蛋白、肼和抗坏血酸分别作为稳定剂、还原剂和抗氧化剂制备CuNPs，并证实具有抗菌活性。杨正龙(2016)利用抗坏血酸作为还原剂，阿拉伯胶为保护剂，与无水硫酸铜在磁力搅拌的作用下合成铜纳米粒子。Zain(2016)等用抗坏血酸和壳聚糖做还原剂和稳定剂，利用微波辅助的方式合成AgNPs和CuNPs，并对其进行表征和生物活性的检测。董(2014)等人在没有任何惰性气体的情况下，阿拉伯树胶作为封端剂，通过用水合肼还原铜离子，制备具有3～9nm的均匀窄分布的球形CuNPs。虽然以上的方法避免了使用惰性气体的不便，但是仍然需要加入化学试剂参与还原和抗氧化反应，因此发展新的绿色方法合成CuNPs成为一个有吸引力的研究领域。

果胶是从水果、蔬菜等植物的皮、杆等残渣用化学或者生物化学的方法提取的一种水溶性多糖，是一种制备金属纳米粒子的优良生物大分子材料；然而现阶段对果胶金属纳米粒子的制备研究还刚起步。研究者发现不添加任何还原剂和稳定剂，果胶在NaOH或NaCO₃溶液中可一步反应制备AgNPs，主要是因为果胶是一种天然的高分子化合物，具有良好的胶凝化和乳化稳定性，同时在果胶中加入氢氧化钠可以产生还原糖，对于金属离子具有还原性。虽然利用果胶制备AgNPs和AuNPs已有报道，但是利用果胶制备CuNPs的研究还鲜有报道。

同时，金属纳米离子作为抗菌剂逐渐引起研究者的兴趣。在众多的金属纳米粒子中，AgNPs由于具有广谱抗菌活性，已经广泛用于生物医学、水和大气的净化、食品保鲜、化妆品及家用产品领域。

CuNPs具有表面体积比高、粒径小、分散性好等特点，新型抗菌药物的研制由于对常规抗菌药物的耐药性和治疗成本的提高而日益受到重视。本发明为解决CuNPs在制备过程中存在的环境污染提供一个新的研究思路。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种绿色环保、低毒、成本低且产量高的基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法及其应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

(1)将柑橘果胶在磁力搅拌下溶于氢氧化钠溶液中，得到柑橘果胶溶液，加入氯化铜溶液和抗坏血酸溶液进行微波加热一段时间，室温静置一段时间，得到铜纳米粒子。

(2)择优取，取一定量1～6g/L的氢氧化钠溶液配置成0.1～0.5％(w/v)的果胶溶液、0～0.02mol/L氯化铜溶液、2～12％(w/v)抗坏血酸溶液。

(3)取10mL的0～0.02mol/L氯化铜溶液均匀混合于10mL的0.1～0.5％(w/v)果胶溶液，再取2mL的2～12％(w/v)抗坏血酸溶液均匀混合。将上述混合液放于微波炉中反应，其中微波功率为0～800W，微波时间为0～10min。

(4)取出步骤(3)中反应液室温静置0～36h。

(5)择优取，取过滤后的液体高速离心取上清液，离心条件为转速10000rpm，离心时间10min。添加等体积的蒸馏水，重复离心三次，获得果胶基铜纳米粒子。

本发明还提供一种根据前述基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法得到的铜纳米粒子在抑菌领域中的应用。

本发明的创新点及优点：

1、本发明通过将果胶溶于氢氧化钠中，形成果胶溶液，利用氯化铜作为铜前体，利用抗坏血酸作为还原剂，在液相中进行还原的反应，能够更好地控制反应速率，提高纳米铜尺寸的单分散性。

2、本发明利用碱溶果胶作为稳定剂和还原剂，在微波生成铜纳米粒子过程中，防止铜纳米粒子集聚，提高铜纳米粒子的稳定性。

3、本发明的基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法，采用微波辅助合成铜纳米粒子，制备工艺简单，成本低，反应时间短，避免有毒还原剂的使用。

4、本发明的基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法制备得到CuNPs，具有广谱的抗细菌和霉菌的活性，对于革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都具有一定的抑菌效果且其最小抑菌浓度比较低。因此对于开发高效、低成本、广谱的抗菌材料领域方面具有广阔的应用前景，可为医学抑菌领域提供科学依据。

附图说明

图1为实施例1中铜纳米粒子的透射电镜图(a)及粒径分布图(b)。

图2为实施例1中铜纳米粒子的紫外-可见光吸收光谱。

图3为实施例1中铜纳米粒子对大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)在波长600nm下不同时间的吸光值。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

本发明的一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

采用氯化铜作为铜前体，碱溶果胶作为稳定剂和还原剂，抗坏血酸也作为还原剂，通过微波辅助合成铜纳米粒子，利用高速离心方法得到纳米铜粉。克服现有技术的不足，提供一种绿色环保、低毒、成本低且产量高的基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法及其应用。

实施例1

本实施例的一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

(1)取10mL 0.015mol/L CuCl₂放入50mL的锥形瓶中；

(2)加入10mL含有5g/L氢氧化钠的0.2％(w/v)果胶溶液，搅拌均匀；

(3)加入2mL 10％(w/v)的抗坏血酸，充分搅拌均匀；

(4)将反应试剂放入为功率为320W的微波炉中加热3min；

(5)对所得絮状液体及其沉淀装瓶静置6h后，进行过滤处理，过滤所得的上清夜；

(6)取过滤后的液体高速离心，离心条件为10000rpm，离心时间10min，去除上清液，添加等体积蒸馏水超声，重复离心三次；

(7)将步骤(6)产物于50℃中烘干过夜，得到的红棕色粉末即为铜纳米粒子；

(8)在试验中，反应溶液由蓝色变成黄色，最后变成红棕色表明产生铜纳米粒子，进行300～800nm的紫外可见光谱扫描，以590nm附近的吸收峰作为条件优化；

(9)将本实施例得到铜纳米粒子进行透射电镜观察，铜纳米粒子透射电镜图如图1(a)所示，粒径分布图如图1(b)所示，由图1可知，本实施例所制备的铜纳米粒子平均粒径为40.9±13.6nm之间，并具有窄的粒度分布。图2为所制备的铜纳米粒子紫外-可见光吸收光谱。

实施例2

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于氢氧化钠(步骤(2))的浓度不同，分别为0g/L、1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、6g/L。

实施例3

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于果胶(步骤(2))的浓度不同，分别为0％(w/v)、0.1％(w/v)、0.3％(w/v)、0.4％(w/v)、0.5％(w/v)。

实施例4

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于氯化铜(步骤(1))浓度不同，分别为0mol/L、0.005mol/L、0.010mol/L、0.020mol/L。

实施例5

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于抗坏血酸(步骤(3))浓度不同，分别为0％(w/v)、2％(w/v)、4％(w/v)、6％(w/v)、8％(w/v)、12％(w/v)。

实施例6

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于微波功率(步骤(4))不同，分别为0W、80W、160W、240W、400W、480W、560W、640W、720W、800W。

实施例7

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于微波时间(步骤(4))不同，分别为0、1.5min、4min、5min、10min。

实施例8

本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于室温静置时间(步骤(5))不同，分别0h、3h、6h、12h、24h、36h。

实施例9

本实施例是一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法得到的铜纳米粒子在抑菌领域中的应用，取实施例1所得铜纳米粒子进行抑菌实验。

(1)抑菌圈实验

将实施例1中铜纳米粒子分散于无菌水中制备成浓度为20mg/mL的分散液，制备平板培养基，吸取大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和霉菌的不同菌种悬液到灭菌后的平板培养基上涂布，控制菌悬液的菌浓或孢子浓度在10⁵个/mL左右，将10μl的20mg/mL铜纳米粒子浸湿于6mm滤纸片，无菌风干后，依次放入大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和霉菌中。

将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌于37℃中培养18～24h(在本实施例中时间为18h)、霉菌于37℃中培养28～30h(在本实施例中时间为24h)。

三种菌的抑菌圈分别为21.76mm、17.50mm和10.22mm。

(2)最低抑菌浓度

取实施例1所得铜纳米粒子粉末溶于肉汤中形成0～0.4mg/mL的样品溶液。

将肉汤、铜纳米粒子样品溶液和大肠杆菌或金黄色葡萄球菌菌悬液，菌悬液浓度控制在10⁵个/mL左右，在600nm波长下测其0、3、6、9、12、15、18、21、24h的吸光值，结果如图3所示，其中图3(a)为大肠杆菌，图3(b)为金黄色葡萄球菌，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度都是0.33mg/mL。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的绿色制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别配置氢氧化钠溶液、氯化铜溶液、抗坏血酸溶液；

(2)将一定量的果胶溶于氢氧化钠溶液，在磁力搅拌下使果胶充分溶于氢氧化钠溶液；

(3)向步骤(2)中加入氯化铜溶液，充分混合后，再加入抗坏血酸溶液，充分混合，置于微波中反应一段时间，取出室温放置一段时间后，过滤；

(4)取过滤后的液体高速离心，取上清液，重复离心三次；

(5)将步骤(4)产物于50℃烘箱中烘干过夜，得到的红棕色粉末即为铜纳米粒子。

2.根据权利1要求中所述的一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的绿色制备方法，其特征在于，所述步骤中氢氧化钠溶液制备方法为取一定量氢氧化钠溶于蒸馏水中，配置浓度为1～6g/L的氢氧化钠溶液。

3.根据权利1要求中所述的一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的绿色制备方法，其特征在于，所述步骤中果胶溶液制备方法为取一定量果胶溶于氢氧化钠溶液中，配置浓度为0.1～0.5％(w/v)的果胶溶液。

4.根据权利1要求中所述的一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的绿色制备方法，其特征在于，所述步骤中氯化铜溶液制备方法为取一定量氯化铜溶于蒸馏水中，配置浓度为0～0.02mol/L的氯化铜溶液。

5.根据权利1要求中所述的一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的绿色制备方法，其特征在于，所述步骤中抗坏血酸溶液制备方法为取一定量抗坏血酸溶于蒸馏水中，配置浓度为2～12％(w/v)的抗坏血酸溶液。

6.根据权利1要求中所述的一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的绿色制备方法，其特征在于，所述步骤中，微波功率为0～800W，微波时间为1～10min。

7.根据权利1要求中所述的一种基于柑橘果胶的铜纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述步骤中，室温静置0～36h。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备获得的柑橘果胶基铜纳米粒子在抑菌领域中的应用。