溶液pH對(duì)茶多酚納米銀生物制備及催化性能的影響

張 俊，許 磊，陶 然，虞 琳，姚 平

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215009）

納米銀不僅具有納米材料的宏觀量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、催化性能，良好的生物相容性、抗菌性等，因此，納米銀的制備及應(yīng)用成為近些年來研究的熱點(diǎn)［1］。由于具有高效、環(huán)保、快速等特點(diǎn)，生物法制備納米銀粒子是科研工作者關(guān)注的重點(diǎn)之一。生物法所用的有機(jī)物包括微生物和植物提取物等。植物提取物具有來源廣泛且能再生的優(yōu)勢(shì)，因此使用植物提取物來還原制備納米銀研究得更廣泛。

本研究以茶多酚提取物為還原劑和穩(wěn)定劑來制備納米銀粒子，并使用紫外-可見吸收光譜曲線對(duì)納米銀溶液進(jìn)行表征，同時(shí)討論溶液pH 對(duì)納米銀生物制備的影響。為了測(cè)定茶多酚納米銀的催化性能，以硼氫化鈉為還原劑，C.I.直接橙26 為目標(biāo)降解物進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)C.I.直接橙26 的降解過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，比較不同pH條件下制備的納米銀粒子的性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：茶多酚提取物（98%，西安瑞林生物科技有限公司），硝酸銀、氫氧化鈉（99.99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。儀器：UV3600 紫外-可見分光光度計(jì)（日本島津公司），Zetasizer Nano Series 激光粒徑儀（英國馬爾文公司），BS224S 電子天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司），pH 3310 酸堿度測(cè)試儀（德國WTW 公司）。

1.2 茶多酚納米銀的制備

使用移液槍將10 mL AgNO3溶液（0.001 mol/L）緩慢加入89 mL 水中，攪拌一定時(shí)間后逐滴加入1 mL茶多酚提取物溶液（5.0 g/L）；再加入一定量的NaOH溶液，持續(xù)磁力攪拌一定時(shí)間；當(dāng)觀察到溶液顏色發(fā)生明顯變化時(shí)，表明茶多酚納米銀溶液已成功制備。

1.3 測(cè)試

紫外光譜：使用紫外-可見分光光度計(jì)在200～800 nm 進(jìn)行光譜掃描。粒徑：使用激光粒徑儀測(cè)定。催化性能：在石英比色皿中加入3 mL C.I.直接橙26溶液（100 mg/L），然后迅速加入一定量的NaBH（40.2 mol/L）和茶多酚納米銀溶液，使用紫外-可見分光光度計(jì)間隔一定時(shí)間進(jìn)行光譜掃描，以確定C.I.直接橙26 的催化還原降解情況，從而確定茶多酚納米銀的催化性能。在進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)時(shí)，C.I.直接橙26 溶液（100 mg/L）中只加入一定量的NaBH（40.2 mol/L）。

2 結(jié)果與討論

2.1 茶多酚納米銀的生物還原制備及其制備機(jī)理

茶多酚（TPs）是茶葉中多酚類物質(zhì)的總稱，包括黃烷醇類、花色苷類、黃酮類、黃酮醇類和酚酸類等［2］，其中兒茶素類化合物為茶多酚的主體成分，占茶多酚總量的65%～80%。兒茶素類化合物主要包括兒茶素、表兒茶素（EC）、表沒食子兒茶素（EGC）、表兒茶素沒食子酸酯（ECG）、表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）和沒食子兒茶素沒食子酸酯（GCG），化學(xué)結(jié)構(gòu)如下：

從以上結(jié)構(gòu)中可以看到，茶葉中多酚類物質(zhì)都含有多個(gè)酚羥基，而酚羥基具有較弱的還原性，因此可以使用茶葉中的多酚類物質(zhì)來綠色制備納米銀粒子（AgNPs）。

98%的茶多酚提取物在常溫下為淺黃色粉末，易溶于水；溶液為淡綠色，與硝酸銀溶液反應(yīng)后呈棕黃色。在反應(yīng)開始前，茶多酚提取物的紫外-可見吸收光譜在200～800 nm 內(nèi)沒有明顯的吸收峰，而在反應(yīng)（20 ℃，初始pH=9.2）結(jié)束后，茶多酚納米銀溶液在412 nm 左右存在明顯的吸收峰。［3-4］

貴金屬納米粒子對(duì)光的吸收是價(jià)帶電子與電磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生連續(xù)振動(dòng)，即表面等離子體共振（SPR），這是小粒子尺寸效應(yīng)的表現(xiàn)，在塊體材料中則不存在。而貴金屬納米粒子SPR 峰的位置和形狀與粒子大小、介電常數(shù)及表面吸附情況有很大關(guān)系，納米銀粒子的 SPR 峰出現(xiàn)在 410 nm 左右［5］，因此可以通過測(cè)定溶液紫外-可見吸收光譜來判定納米銀粒子是否有效合成。岳新霞等［6］采用茶葉提取物制備納米銀粒子，其 SPR 吸收峰在 414 nm 左右；王迎春［7］使用綠茶、紅茶和普洱茶溶液來制備納米銀粒子，SPR 吸收峰在420～427 nm；而本工藝制備所得溶液的SPR 吸收峰在412 nm 處，與文獻(xiàn)資料的SPR 峰接近，基本可以判定為茶多酚納米銀粒子，證明了納米銀粒子的有效合成。

目前雖已有大量關(guān)于生物制備納米銀粒子的研究報(bào)告，但具體機(jī)理沒有定論，已有的多為推測(cè)性結(jié)論。有研究者認(rèn)為植物多酚提取物中多羥基可能將Ag+吸附到表面，苯環(huán)上α、β 位置上的羥基脫氫變?yōu)镃O 不飽和基團(tuán)，提供電子還原 Ag+［8-9］；同時(shí)，這些物質(zhì)起到保護(hù)劑的作用，使生成的銀粒子不發(fā)生團(tuán)聚，達(dá)到納米級(jí)。茶多酚納米銀的反應(yīng)機(jī)理推測(cè)示意圖如下：

茶多酚提取物苯環(huán)上的酚羥基能吸附Ag+并使其還原成0 價(jià)銀，而酚羥基自身被氧化并包裹在銀的周圍，茶多酚提取物在整個(gè)反應(yīng)過程中起到還原劑和穩(wěn)定劑的作用，并且無任何其他化學(xué)試劑的添加，從而實(shí)現(xiàn)了茶多酚納米銀粒子的生物還原制備。

2.2 溶液pH對(duì)茶多酚納米銀生物制備的影響

Edison 等［10］使用腰果種皮提取物（有效成分為兒茶酚、表兒茶酸和表沒食子兒茶素）綠色制備納米銀粒子，當(dāng)溶液呈弱酸性（pH=5、6）時(shí)，制備的納米銀粒子很不穩(wěn)定，而當(dāng)溶液呈中性（pH=7）或弱堿性（pH=8、9）時(shí)，生成的納米銀粒子高度穩(wěn)定。從綠色制備納米銀的反應(yīng)進(jìn)程來看，酸性條件有可能使植物多酚發(fā)生質(zhì)子化，與銀離子產(chǎn)生靜電排斥，隨后發(fā)生納米銀粒子的團(tuán)聚，導(dǎo)致無法有效地制備納米銀粒子；當(dāng)溶液呈中性或弱堿性時(shí)，植物多酚發(fā)生電離，可以更有效地吸附銀離子而發(fā)生還原反應(yīng)，而氧化態(tài)的植物提取物能夠有效地包裹在生成的銀粒子周圍，從而形成穩(wěn)定的納米銀粒子［11］。因此，提高溶液 pH 是提升納米銀粒子制備效率的重要手段之一。

為了討論溶液pH 對(duì)茶多酚納米銀生物制備的影響，分別在弱酸性（pH=6.1）、中性（pH=7.2）和弱堿性（pH=8.4、9.2）條件下制備納米銀。其他反應(yīng)條件分別為：溫度20 ℃，硝酸銀濃度0.001 mol/L，茶多酚提取物質(zhì)量濃度0.05 g/L［在不同pH 條件下制備的納米銀粒子分別標(biāo)記為TP1（pH=6.1）、TP2（pH=7.2）、TP3（pH=8.4）和 TP4（pH=9.2）］。由圖1可知，4 種納米銀膠體溶液在420 nm 左右都存在吸收峰，說明在弱酸性、中性和弱堿性條件下都能綠色制備納米銀粒子。同時(shí)，4 種納米銀膠體溶液的SPR 峰存在一定的差異［426 nm（TP1）、424 nm（TP2）、422 nm（TP3）和412 nm（TP4）］，可能是因?yàn)榧{米銀粒子的粒徑大小不一。當(dāng)溶液pH 從弱酸性向弱堿性轉(zhuǎn)變時(shí)，茶多酚納米銀膠體溶液的SPR 峰也在不斷增大，說明納米銀粒子的產(chǎn)率在提升。

圖1 不同pH 條件下制備的納米銀溶液的紫外-可見吸收光譜

由圖2可以看出，隨著溶液pH 的增大，納米銀粒子的分布向小粒徑方向移動(dòng)，粒徑分布從10～100 nm向1～10 nm 轉(zhuǎn)移；4 種茶多酚納米銀粒子的平均粒徑分別為：78.22 nm（TP1）、69.27 nm（TP2）、67.94 nm（TP3）和44.31 nm（TP4）。因此，溶液pH 不僅影響納米銀粒子的制備效率，同時(shí)也影響其粒徑分布和平均粒徑，高pH 更有利于納米銀粒子的制備。

圖2 不同pH 條件下制備的納米銀粒子的粒徑［強(qiáng)度（a）、數(shù)量（b）］分布圖

2.3 茶多酚納米銀粒子對(duì)染料的催化還原降解

為了比較不同pH 下制備的茶多酚納米銀的催化性能，以C.I.直接橙26 為目標(biāo)降解物，硼氫化鈉為還原劑進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。由圖3可以看出，C.I.直接橙26 溶液在可見光波長范圍內(nèi)存在明顯的吸收峰，最大吸收波長λmax=494 nm。在不添加催化劑而只加入還原劑的條件下，C.I.直接橙26 溶液的紫外-可見吸收光譜基本沒有發(fā)生變化，這說明硼氫化鈉無法對(duì)C.I.直接橙26 進(jìn)行有效的還原降解。而在C.I.直接橙26 溶液中同時(shí)加入茶多酚納米銀和硼氫化鈉時(shí)，C.I.直接橙26 的特征吸收峰強(qiáng)度明顯下降，并且在紫外光區(qū)部分產(chǎn)生了新的吸收峰。這說明C.I.直接橙26在催化劑納米銀和還原劑的共同作用下發(fā)生了催化還原降解，在大分子偶氮鍵發(fā)生斷裂的同時(shí)產(chǎn)生了新的有機(jī)物，這也印證了茶多酚納米銀的有效合成。另外，不同pH 下制備的茶多酚納米銀粒子的催化效率不盡相同。以C.I.直接橙26 溶液在494 nm 處的吸光度下降程度來計(jì)算染料的降解效率，在27 min 內(nèi)，TP1、TP2、TP3 和 TP4 對(duì) C.I.直接橙 26 的催化降解率分別為52.2%、62.5%、66.4%和86.4%，TP4 催化活性最高。

圖3 不同茶多酚納米銀粒子作用下C.I.直接橙26 的還原降解曲線

為了進(jìn)一步量化比較不同茶多酚納米銀粒子的催化降解效率，用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程來模擬降解過程，具體公式如下：

式中：A0為C.I.直接橙26 溶液還原降解前的吸光度；At為C.I.直接橙26 溶液降解后的吸光度；t為反應(yīng)時(shí)間（min）；k為反應(yīng)速率常數(shù)（min-1）。

由圖4可以看出，4 種茶多酚納米銀的反應(yīng)速率常數(shù)分別為：0.027 2 min-1（TP1）、0.033 9 min-1（TP2）、0.038 2 min-1（TP3）和0.062 4 min-1（TP4），在較高pH（pH=9.2）條件下制備的茶多酚納米銀粒子表現(xiàn)出了最高的反應(yīng)活性。隨著反應(yīng)溶液pH 的升高，茶多酚納米銀的產(chǎn)率得到了提高，平均粒徑下降。由于更小粒徑的納米銀具有更大的比表面積，而染料的催化還原降解主要發(fā)生在納米銀的表面，因此TP4 表現(xiàn)出更高的催化活性。

圖4 不同茶多酚納米銀粒子作用下C.I.直接橙26 溶液ln(At/A0)-t的變化圖

3 結(jié)論

（1）以茶多酚提取物為還原劑和穩(wěn)定劑成功制備出茶多酚納米銀粒子，茶多酚納米銀粒子溶液在412 nm 左右存在明顯的吸收峰。

（2）溶液pH 不僅影響納米銀粒子的制備效率，也影響其粒徑分布和平均粒徑，高pH 條件更有利于納米銀粒子的制備。

（3）在較高pH（pH=9.2）條件下制備的茶多酚納米銀粒子，由于平均粒徑更小且產(chǎn)率更高，表現(xiàn)出更強(qiáng)的催化活性，反應(yīng)27 min 后，C.I.直接橙26 的降解率達(dá)到86%左右。