СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА РАЗМЕРОМ 30±3 нм
METHOD OF PRODUCING SILVER NANOPARTICLES WITH SIZE OF 30 ± 3 NM

Данное изобретение относится к области коллоидной химии, иммунохимии, нанотехнологий и решает проблему получения наночастиц коллоидного серебра (НчКС). Благодаря своим уникальным физическим, химическим и биологическим свойствам наночастицы серебра находят применение во многих областях науки и техники. Они входят в состав спектрально-селективных покрытий для поглощения солнечной энергии, их применяют в качестве химиотерапевтических препаратов и катализаторов химических реакций, а также используют для антимикробной стерилизации. Данная область применения включает в себя производство различных средств упаковки, перевязки, текстиля, водоэмульсионных красок и эмалей. Также известно, что на основе коллоидного серебра выпускаются различные препараты и косметические средства [Яманова, P.P. О применении наночастиц серебра в легкой промышленности / P.P. Яманова, Г.Р. Николаенко // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №16. - С. 39-41].
В настоящее время известны физические и химические методы получения наночастиц серебра. При использовании физических методах образование наночастиц происходит в результате диспергирования больших металлических частиц при помощи коллоидных мельниц или ультразвука. Химические методы позволяют получить наночастицы в результате реакции химического восстановления в растворе ионов металлов [Коляда, Л.Г. Синтез и исследование наночастиц серебра и возможность их использования в пищевой упаковке / Л.Г. Коляда, Н.Л. Медяник, Ю.Ю. Ефимова, А.В. Кремнева // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - 2015. - №2. - С. 65-69].
-3
-3
4
3
Среди химических известен способ получения наночастиц серебра боргидридным методом, который представлен в работе Н.М. Дроздовой и соавт. [Дроздова, Н.М. Зависимость свойств наночастиц серебра от методики получения / Н.М. Дроздова, Н.А. Яштулов // Научный альманах. - 2018. - №5-2 (43). - С. 137-139]. В данном варианте наночастицы коллоидного серебра получают путем восстановления солей серебра тетрагидридоборатом натрия. Для этого 15 мл 2⋅10 моль/л NaBH охлаждают до температуры 0°С, поставив в кристаллизатор со льдом. Далее к 5 мл 1⋅10 моль/л приготовленного на дистиллированной воде AgNO добавляют охлажденный тетрагидридоборат натрия и быстро перемешивают, энергично встряхивая.
Данный метод является универсальным для получения наночастиц серебра в стабильных формах. Это объясняется тем, что тетрагидридоборат натрия обладает более высокой восстановительной способностью по сравнению с другими применяемыми реагентами [Поджарная, К.С. Анализ методов получения наноразмерных частиц серебра / К.С. Поджарная // Успехи в химии и химической технологии. - 2012. - №7 (136). - С. 85-87].
Недостатками боргидридного метода являются высокая токсичность и агрессивность восстановителей, а также невозможность достижения высоких концентраций наночастиц в конечных растворах.
3
3
6
5
7
2
4
2
3
Цитратно-сульфатный метод получения наночастиц коллоидного серебра (метод Кери Ли) основан на восстановлении ионов серебра сульфатом двухвалентного железа и стабилизации образующихся частиц цитратом натрия [Carey, L.M. // American Journal of Science. - 1889. - V. 37 - P. 476-491]. Данную методику осуществляют следующим образом. Готовят два препарата: 0,02% раствор AgNO и смесь, состоящую их двух растворов, взятых в равных объемах - NaCHO⋅2HO и FeSO⋅7HO с конечной концентрацией вещества в растворе 6 г/л. Приготовленную смесь быстро добавляют к раствору AgNO, интенсивно перемешивая на магнитной мешалке в течение 1 часа [Дроздова, Н.М. Зависимость свойств наночастиц серебра от методики получения / Н.М. Дроздова, Н.А. Яштулов // Научный альманах. - 2018. - №5-2 (43). - С. 137-139].
Наночастицы серебра, полученные методом Кери Ли, значительно превосходят по оптическим и морфологической характеристикам, а также однородности обычные нитратные золи, однако главным недостатком данного метода является использование высоких концентраций реагентов, приводящее к тому, что возникает необходимость проведения ряда последовательных циклов осаждения частиц металла.
Наиболее близким к заявленному способу является способ получения наночастиц коллоидного серебра цитратным методом Туркевича. Изначально этот метод был разработан для получения наночастиц коллоидного золота, который заключался в восстановлении хлористоводородной кислоты цитратом натрия при кипячении в водном растворе [Turkevich J. A Study of the Nucleation and Growth Processes in the Synthesis of Colloidal Gold. Discuss / J. Turkevich, P.S. Stevenson, J. Hiller // Faraday Soc. - 1951. - №11. - P. 55-75]. В дальнейшем цитратный метод Туркевича был применен для синтеза наночастиц серебра [Tripatni G.N.R. Adsorption of 2-Mercaptopyrimidine on Silver Nanoparticles in Water / G.N.R. Tripatni, V. Clements // J. Phys. Chem. - 2003. - V. 107. - №40. - P. 1125-11132].
Данный метод использован в работе О.В. Дементьевой [Дементьева О.В. Сравнительное исследование свойств гидрозолей серебра, полученных цитратным и цитрат-сульфатным методами / О.В. Дементьева, А.В. Мальковский, М.А Филиппенко, В.М. Рудой // Коллоидный журнал. - 2008. - Т. 70. - №5. - С. 607-619]. Преимуществом данной работы является приготовление и оценка различных золей, отличающихся по молярному и объемному соотношению реагентов, а также в зависимости от времени отбора проб в процессе кипячения реакционной смеси. Однако при оценке результатов работы методом спектрофотометрии и электронной микроскопии была выявлена неоднородность гидрозоля, с разбросом диаметра частиц от 5 нм до 60 нм.
По данным научной литературы существуют различные модификации цитратного метода, отличающиеся по времени кипячения реакционной смеси и отбора проб с использованием или без использования охлаждения раствора наночастиц серебра для прекращения реакции восстановления [Евдокимов, А.А. Получение и исследование наноструктур: лабораторный практикум по нанотехнологиям / А.А. Евдокимов, А.С. Сигов. - М: БИНОМ. Лаборатория знаний. - 2011. - 146 с.].
Самым главным преимуществом цитратного метода Туркевича является то, что цитрат-анион выступает одновременно в качестве восстановителя и стабилизирующего агента образующихся частиц. Однако, когда цитрат натрия является и стабилизатором, и восстановителем, процесс формирования наночастиц становится особенно чувствительным к условиям синтеза. Большое влияние на размеры наночастиц оказывает соотношение концентраций ионов серебра и цитрат-иона, а также время кипячения раствора и скорость смешения реагентов.
Несмотря на обилие методов синтеза наночастиц серебра в различных средах (водной и органической), использующих различные восстановители, получение кондиционных частиц определенного размера остается достаточно сложной задачей.
Отсутствие четкого алгоритма получения наночастиц серебра, обосновывает целесообразность отработки пошагового способа получения НчКС, оптимального для использования наночастиц в различных областях науки, в медицине, промышленности, сельском хозяйстве, благодаря доказанному наличию у наночастиц серебра противомикробного, противовирусного, антитоксического действия.
Технический результат изобретения - разработка пошагового способа получения НчКС цитратным методом и оценка препаратов, полученных при использовании отработанной методики.
3
3
6
5
7
Технический результат достигается путем восстановления и стабилизации нитрата серебра цитратом натрия, выражающийся в пошаговом алгоритме получения препаратов коллоидного серебра размером 30±3 нм, который представляет собой отработанные этапы приготовления наночастиц серебра с учетом всех необходимых параметров по соотношению объемов и концентраций реагентов AgNO/NaCHO, температурных и временных параметров, а также режимов перемешивания, установленных на каждом этапе.
Для подтверждения объективности выбора оптимальных условий приготовления НчКС приведены результаты оценки серий препаратов, полученных при использовании различных условий.
В ходе разработки изобретения было определено влияние на качество приготовления НчКС следующих параметров и условий:
3
3
6
5
7
1) соотношение концентраций реагентов AgNO/NaCHO;
3
3
6
5
7
2) соотношение объемов реагентов AgNO/NaCHO;
3) время кипячения раствора с момента появления желтой окраски до окончания эксперимента.
3
3
6
5
7
В работе был использован нитрат серебра AgNO («Sigma-Aldrich», США), цитрат натрия NaCHO безводный («Sigma-Aldrich» США), дистиллированная вода (ГОСТ 6709-72), дионизированная вода (ГОСТ 11.029.003-80), соляная и азотная кислота («Реахим», Россия).
Для взвешивания реагентов использовали весы электронные аналитические Adventurer («OHAUS», США). Все реагенты готовили на деионизированной воде. Для получения деионизированной воды применяли систему UF Arium 611 UF («Sartorius», Германия).
Наночастицы коллоидного серебра готовили в колбах Эрленмейера на 100 мл, используя магнитную мешалку («Meidolph», Германия) и шариковый обратный холодильник. Для внесения реагентов использовались стеклянные пипетки на 5 и 10 мл, дозаторы с переменным объемом и пластиковые наконечники («Eppendorf», Германия). Для отбора и хранения проб применяли пенициллиновые флаконы, закрытые фольгой. Наночастицы коллоидного серебра готовили, используя магнитную мешалку с подогревом («Heidolph», Германия). Размеры, электронную плотность наночастиц анализировали на электронном трансмиссионном микроскопе JEM-1011 («Jeol», Япония).
Всю лабораторную посуду, предназначенную для приготовления препаратов НчКС, предварительно обрабатывали смесью концентрированных кислот соляной и азотной в соотношении 3:1 - «царской водкой». Всю посуду обрабатывали в сухожаровом шкафу при температуре 180°С в течение 60 мин.
3
Для приготовления 1 М матричного раствора нитрата серебра (М=169,87 г/моль) к 1,69 г AgNO добавляли 10 мл деионизированной воды. Готовый раствор хранили во флаконе из темного стекла в холодильнике при температуре 4°С.
3
6
5
7
Раствор 1 М матричного цитрата натрия (М=258,0 г/моль) готовили непосредственно перед постановкой каждого опыта. Для этого к 2,58 г NaCHOдобавляли 10 мл деионизированной воды.
3
3
3
6
5
7
Для каждой серии использовали одинаковый температурный режим для закипания AgNO (300°С) и скорость перемешивания на магнитной мешалке (375 об/мин), опираясь на ранее отработанный способ получения наночастиц коллоидого золота цитратным методом [Богачева Н.В., Дармов И.В., Крупина К.А, Смирнова Д.Н. Патент №2644466 «Способ получения наночастиц коллоидного золота со средним диаметром 25-30 нм» / г. Киров, ВятГУ]. Приготовленный раствор AgNO доводили до кипения, затем в него по каплям вносили NaCHO и наблюдали изменение окраски раствора на желтоватый цвет. При появлении желтой окраски изменяли температурный режим с 300°С до 200°С, число оборотов мешалки с 375 об/мин до 500 об/мин.
В ходе работы последовательно отрабатывали условия, оказывающие влияние на кондиционность НчКС.
На первом этапе, при сохранении прочих равных параметров, были использованы разные концентрации реагентов (таблица 1). При этом в 100 мл раствора коллоидного серебра конечная концентрация нитрата серебра в растворе составляла 0,002 М, а концентрация цитрата натрия менялась с 0,002 М в серии №1 до 0,0015 М в серии №2 и до 0,001 М в серии №3. Объемы цитрата натрия и нитрата серебра в каждой серии были постоянны.
По результатам электронной микроскопии, было установлено, что препарат №1 содержал малую концентрацию неоднородных частиц, присутствовала их агрегация, они были различной формы - треугольной, палочковидной, овальной; в препарате №3 наблюдались конгломераты несформированных частиц; препарат №2 содержал большую концентрацию частиц, форма их была более однородная и правильная, агрегация наблюдалась значительно меньше.
3
Полученные результаты поясняются фиг. 1, представляющей собой зависимость размера наночастиц серебра от соотношения концентраций AgNO и Na3C6H5O7.
3
По результатам первого этапа для дальнейшей отработки способа получения наночастиц коллоидного серебра было выбрано соотношение концентраций AgNO/Na3C6H5O7 - 1/0,75, в результате чего были получены однородные частицы, правильной формы с незначительной степенью агрегации, размером 35±5.
3
3
6
5
7
На следующем этапе провели оценку влияния соотношения объемов реагентов при сохранении соотношения концентраций AgNO/NaCHO (1/0,75) на кондиционность полученных серий препаратов наночастиц коллоидного серебра (таблица 2).
3
3
6
5
7
По результатам электронной микроскопии, было установлено, что в препарат №3, при приготовлении которого было выбрано соотношение объемов AgNO/NaCHO 1/1, наблюдалось значительно большее количество конгломератов, чем в препарате №5 (соотношение объемов реагентов 5/1), где они присутствовали, но в меньшем количестве. Форма частиц и в том и другом случае - правильная, округлая, размер 32,3-33,5 нм. Наночастицы серебра в препарате №4 имели неправильную форму и большой размер - более 50,0 нм. По результатам данного этапа препарат №5 был оценен как наиболее кондиционный. Параметры, используемые для его получения, были выбраны для третьего этапа исследования.
3
3
6
5
7
3
3
6
5
7
На третьем этапе разработки пошаговой методики получения кондиционного препарата наночастиц серебра были использованы параметры, выбранные на первых двух этапах исследования (соотношение концентраций AgNO/NaCHO - 1:0,75; соотношение объемов AgNO/NaCHO - 5:l) и проведен выбор оптимального времени кипячения раствора после начала появления желтоватой окраски.
Для этого при появлении желтой окраски раствора изменяли температурный режим на магнитной мешалке с 300°С до 200°С, число оборотов мешалки с 375 об/мин до 500 об/мин и с интервалом 4 мин отбирали пробы стерильные флаконы для оценки методом электронной микроскопии. В результате обнаружили, что в пробах №7 и 8 имела место агрегативная устойчивость частиц. При кипячении же раствора в течение 20 мин, частицы в поле зрения лежали разбросано, были правильной округлой формы, примерно одинакового размера - 30-33 нм.
Характеристика 1-9 серий препаратов, полученных при отработке пошагового способа получения наночастиц серебра в результате использования различных условий, представлена в таблице 4.
По результатам эксперимента было установлено, что оптимальными параметрами для приготовления наночастиц коллоидного серебра являются следующие:
3
3
6
5
7
1) Соотношение концентраций растворов AgNO/NaCHO - 1:0,75.
3
3
6
5
7
2) Соотношение объемов растворов AgNO/NaCHO - 5:1.
3) Оптимальная температура и режим перемешивания магнитной мешалки: 300°С и 375 об/мин - с начала эксперимента; 200°С и 500 об/мин - с момента появления желтоватой окраски.
4) Время кипячения раствора для стабилизации частиц после появления желтоватой окраски - 20 мин.
Изобретение иллюстрируется примером получения трех серий препаратов коллоидного серебра с диаметром наночастиц 30±3 нм в объеме 96 мл, приготовленных при соблюдении следующих условий:
3
6
5
7
3
6
5
7
1) Приготовить 16 мл 0,0075 М раствора NaCHO. Для этого в колбу Эрлейнмейера на 100 мл добавить 0,031 г соли NaCHO и 16 мл деионизированной воды комнатной температуры, внести стерильный «перемешивающий» стержень магнитной мешалки. Поставить колбу с содержимым на магнитную мешалку и в течение 2 минут при постоянном перемешивании растворить соль.
3
3
2) Приготовить 80 мл 0,002 М раствора AgNO. Для этого в колбу Эрлейнмейера на 100 мл добавить 0,027 г AgNO и 80 мл деионизированной воды комнатной температуры, внести стерильный «перемешивающий» стержень магнитной мешалки.
3
3) Надеть на колбу, содержащую 0,002 М раствор раствор AgNO, дефлегматор. Поставить колбу с дефлегматором на магнитную мешалку и установить режим перемешивания 375 об/мин и температуру 300°С;
3
6
5
7
4) При появлении первых признаков закипания (начало стекания конденсата по стенкам дефлегматора и/или колбы) внести 16 мл 0,0075 М раствора NaCHO.
5) При изменении цвета раствора на желтоватый изменить режим работы магнитной мешалки на следующий: режим перемешивания на 500 об/мин и температуру на 200°С.
6) От момента изменения цвета раствора на желтый кипятить раствор еще 20 мин. Снять колбу с магнитной мешалки. Раствор НчКС накрыть фольгой и оставить при комнатной температуре остывать в течение суток, затем хранить в холодильнике при 4°С.
3
3
6
5
7
При необходимости приготовления другого объема препарата необходимо сделать пересчет, соблюдая соотношение объемов и концентраций реагентов AgNO/NaCHO.
Полученные результаты, подтверждающие работоспособность способа пошагового получения наночастиц коллоидного серебра цитратным методом, поясняются фиг. 2, представляющей собой таблицу с фотографиями полученных кондиционных серий препаратов НчКС.
Таким образом, разработанная пошаговая методика позволила получить кондиционные препараты наночастиц серебра одинаковой округлой формы, размером 30±3 нм, без признаков агрегации и кристаллизации.
3
3
6
5
7
Техническим результат изобретения - разработка пошагового способа приготовления НчКС размером 30±3, который представляет собой отработанные этапы приготовления наночастиц серебра с учетом всех необходимых параметров по соотношению объемов и концентраций реагентов AgNO/NaCHO, температурных и временных параметров, а также режимов перемешивания, установленных на каждом этапе - достигается указанными в формуле изобретения существенными признаками.