ФОТОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА
PHOTOCHEMICAL METHOD OF PRODUCING STABILISED SILVER NANOPARTICLES

Изобретение относится к области нанотехнологий, конкретно - к получению и применению препаратов на основе наночастиц серебра, и может быть использовано для производства бактерицидных средств, предназначенных для применения в медицине, ветеринарии, пищевой промышленности, в бытовых и других целях.
Коллоидные дисперсии наночастиц серебра применяют в электронной промышленности для получения проводящих клеев и чернил, защитных экранов графических дисплеев. Хорошо известны биоцидные свойства наночастиц серебра, и создание бактерицидных препаратов на их основе является важным достижением в области нанотехнологий. Препараты стабилизированного наносеребра используют для получения бактерицидных покрытий, дезинфицирующих, моющих, ранозаживляющих средств и других продуктов в качестве профилактических антимикробных средств защиты на предприятиях общественного питания, в детских, спортивных, медицинских учреждениях и других местах, где повышена вероятность развития бактериальных, грибковых и вирусных инфекций.
В качестве стабилизирующих агентов (стабилизаторов), способствующих сохранению наноразмерной структуры и высокой бактерицидной активности частиц восстановленного серебра, используют широкий круг соединений, таких как цитрат или додецилсульфат натрия, поливиниловый спирт, поливинилпирролидон, крахмал, желатин и другие низкомолекулярные и полимерные продукты природного и искусственного происхождения.
Известно большое количество химических, электрохимических, микробиологических, а также комбинированных, объединяющих различные подходы, способов получения стабилизированных препаратов наночастиц серебра, сохраняющих стабильную бактерицидную активность в течение сроков их хранения и использования.
В качестве химических восстановителей используют боргидриды, например [RU 2367512 С1, опубл. 20.09.2009], производные гидразина, например [US 20130029034 A1, опубл. 31.01.2013], танины [RU 2430169 С2, опубл. 27.09.2011], аскорбиновую кислоту [US 5389122, опубл. 14.02.1995], глюкозу, например [CN 101941075 А, опубл. 12.01.2011], кверцетин [RU 2333773 С1, опубл. 20.09.2008] и другие соединения. Применение химических восстановителей приводит к загрязнению конечных продуктов нежелательными, часто - токсичными примесями, и требует дополнительных затрат на их очистку. Электрохимическое восстановление ионов серебра с получением стабилизированных препаратов наносеребра [RU 2364470 С1, опубл. 20.08.2009, RU 2390344 С1, опубл. 27.05.2010, RU 2410471 С1, опубл. 27.01.2011, RU 2456356 С1, опубл. 20.07.2012 и др.] связано с высокими энергозатратами.
Описано применение обратномицеллярных технологий, позволяющих получить устойчивые препараты наночастиц серебра [RU 2322327 С2, опубл. 20.04.2008, RU 2341291 С1, опубл. 20.12 2008 и др.], однако многостадийность способа, необходимость использования большого числа реагентов ограничивают возможности масштабирования производства.
Все более широкое распространение получают микробиологические методы, например [СА 2656323 А1, опубл. 10.01.2008, RU 2460797 С2, опубл. 10.09.2012, US 20090239280 A1, опубл. 24.09.2009, US 20120108425 A1, опубл. 03.05.2012, RU 2477172 С1, опубл. 10.03.2013 и др.]. Препараты наносеребра, полученные с использованием микроорганизмов, могут содержать остатки биомассы и вредные продукты метаболизма, очистка от которых дополнительно повышает их стоимость.
Описаны способы получения наноструктур серебра и других металлов, основанные на восстановлении ионного серебра под действием различных видов электромагнитного излучения. Например, стабильные, высокоупорядоченные| покрытые лигандной оболочкой наночастицы серебра получают в полимерной матрице из поливинилового спирта или желатина под действием лазерного излучения на длине волны 510,6 нм или 578,2 нм в растворе, содержащем цитрат натрия, олеат натрия и боргидрид натрия [RU 2510210 С1, опубл. 27.03.2014]. Использование электромагнитного излучения позволяет получать наносеребро и без применения химических восстановителей. Так, способ получения коллоидного раствора наночастиц серебра [RU 2474471 С2, опубл. 10.02.2013] включает гамма-облучение в инертной атмосфере водного раствора нитрата серебра, содержащего в качестве стабилизатора карбоксиметилхитин без дополнительных восстанавливающих агентов. Процесс осложнен необходимостью использования инертного газа и вредного для персонала гамма-облучения.
В основе фотохимических способов получения наночастиц металлов лежит генерация сильных высокоактивных восстановителей - электронов, радикалов, возбужденных частиц под действием световой энергии. В работе Р.Ф. Аббасовой и др. «Получение наночастиц серебра в водных растворах полиакриловой кислоты и их агрегация при фотохимическом восстановлении», 2009 г. [1.pdf] описано образование наноструктурных агрегатов серебра при восстановлении ионов серебра под действием УФ-облучения в присутствии полиакриловой кислоты. Облучение проводят полным светом ртутной лампы высокого давления на воздухе при комнатной температуре без введения дополнительных восстановителей. При этом образуются наночастицы, не загрязненные примесями, сопутствующими процессам с использованием химических восстановителей. Под действием облучения в результате фотовосстановления идут не только процессы получения наночастиц определенного размера, но и формируются более крупные агрегаты. Авторы отмечают седиментационную неустойчивость полученных образцов, которая увеличивается с возрастанием времени УФ-облучения. Недостатком способа также является необходимость использования вредного для здоровья УФ-света.
С практической точки зрения более предпочтительными представляются технические решения, не связанные с использованием вредного для здоровья человека излучения. Согласно [US 8333822 В2, опубл. 18.10.2012], стабильные наночастицы серебра образуются при естественном освещении при введении в систему соединений, совмещающих в себе свойства стабилизатора и восстановителя (далее по тексту «стабилизатор-восстановитель»), в частности полимеров на основе полиоксиэтиленамина. Варьируя состав полимера и подбирая количественные соотношения реагентов, можно получать системы, содержащие наночастицы серебра различного размера. Однако синтез описанных полимеров представляет собой самостоятельную задачу, что затрудняет масштабирование и создание промышленного производства. Средство, обладающее антимикробной активностью по патенту [RU 2278669 С1, опубл. 27.06.2006], получают на свету при взаимодействии соли серебра с природным полисахаридом арабиногалактаном, также играющим одновременно роль стабилизатора и восстановителя. Недостатком способа является необходимость использования сильно щелочной среды и дополнительного нагрева.
3
3
В качестве прототипа выбран способ получения нанокомпозиций серебра на основе синтетических водорастворимых полимеров [RU 2485051 С1, опубл. 20.06.2013]. Согласно изобретению, в качестве стабилизатора-восстановителя используют сополимеры 2-диокси-2-метакриламидо-D-глюкозы с 2-диметиламиноэтилметакрилатом или 2-диэтиламиноэтилметакрилатом. Способ реализуют взаимодействием указанных сополимеров с AgNO в водном растворе при комнатной температуре и естественном освещении при концентрации полимера 0,010-0,100 г/мл и концентрации AgNO 0,001-0,01 г/мл. В зависимости от состава сополимера, на восстановление требуется от трех часов до нескольких суток.
Недостатком способа является необходимость использования в качестве стабилизатора-восстановителя не производящегося промышленностью полимерного продукта, синтез которого требует продолжительного нагрева в инертной атмосфере с последующей очисткой.
Таким образом, анализ уровня техники показывает, что, несмотря на большое количество известных способов получения нанодисперсного серебра, практически все они характеризуются недостатками, ограничивающими их применение для промышленного производства бактерицидных препаратов.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения стабилизированных наночастиц серебра, который осуществляют с использованием доступных, выпускаемых промышленностью реагентов, в условиях, исключающих применение вредных производственных и экологических факторов и позволяющих быстро и с минимальными энергозатратами получать стабильные, не требующие дополнительной очистки конечные продукты, обладающие бактерицидной активностью.
Поставленная задача решена предлагаемым фотохимическим способом получения стабилизированных наночастиц серебра, включающим взаимодействие ионов серебра со стабилизирующим агентом в водном растворе при комнатной температуре под действием света видимого диапазона, отличающегося тем, что в качестве стабилизирующего агента используют додецилсульфат натрия или полимерный продукт, выбранный из группы: поливинилпирролидон, поливиниловый спирт, крахмал, а в качестве источника света видимого диапазона используют источник искусственного освещения.
Процесс осуществляют на воздухе при массовом избытке стабилизатора-восстановителя без дополнительного нагрева при интенсивном перемешивании и без введения в систему специальных восстанавливающих агентов. При этом реакционная система может включать, наряду с полимерными стабилизирующими агентами, поверхностно-активные вещества.
В основе предлагаемого способа лежит обнаруженный нами факт, состоящий в том, что в условиях облучения водных растворов солей серебра светом видимого диапазона, создаваемым источником искусственного освещения, в присутствии ряда полимерных и низкомолекулярных соединений, традиционно используемых в качестве стабилизаторов и поверхностно-активных веществ (ПАВ), процесс восстановления ионов серебра и образование стабильных коллоидных дисперсий может протекать с высокой скоростью на воздухе при комнатной температуре без введения в систему дополнительных восстанавливающих агентов. Так, нами показано, что под действием облучения водных растворов реагентов светом от галогенной лампы накаливания эффективное восстановление идет в присутствии додецилсульфата натрия, поливинилпирролидона (ПВП), поливинилового спирта (ПВС), крахмала. При этом полимерные продукты могут быть использованы в комбинации с поверхностно-активными веществами, например с додецилсульфатом натрия, олеиновой кислотой, Тритоном Х-100.
Из уровня техники известно применение этих веществ в качестве стабилизаторов нанодисперсий серебра, однако, при этом для осуществления процесса восстановления в реакционную систему дополнительно вводят специальные восстановители [см., например, RU 2445951 С1, опубл. 27.03.2012, RU 2012151096 А, опубл. 06.10,2014, RU 2011140012 А, опубл. 04.10.2013] или воздействуют на систему гамма-излучением, под действием которого в растворителе генерируются электроны, восстанавливающие ионы серебра [RU 2259871 С2, опубл. 10.09.2005]. Таким образом, неожиданный результат состоит в том, что получение стабилизированных наночастиц серебра возможно осуществить в гораздо более мягких условиях без использования специальных восстановителей и жесткого энергетического воздействия с применением доступных, традиционно применяемых в качестве стабилизирующих агентов соединений, которые играют в данном процессе роль стабилизаторов-восстановителей. Оксо- и гидроксогруппы этих соединений (карбоксильные, карбонильные, гидроксильные) способны образовывать комплексы с катионами серебра, обеспечивая оптимальные условия для их восстановления гидратированными электронами или атомами водорода [Ershov B.G., Henglein Α. // J. Phys. Chem. В 1998. 102. P. 10663], a также взаимодействовать с положительно заряженными кластерами и атомами поверхности наночастиц, обеспечивая их стабилизацию и контроль размера [Wang W., Chen X., Efrima S. // J. Phys. Chem. B. 1999. 103. P. 7238].
По-видимому, в качестве стабилизаторов-восстановителей могут быть использованы и другие синтетические или природные стабилизаторы, содержащие оксо- и гидроксогруппы, способные образовывать комплексы с катионами серебра.
Для осуществления изобретения в качестве соединения серебра может быть использовано любое водорастворимое соединение серебра, в частности нитрат серебра.
В отличие от прототипа, согласно которому процесс осуществляют при естественном освещении, применение искусственных источников света имеет несомненные преимущества. Они позволяют плавно регулировать интенсивность и дозу облучения и, таким образом, управлять процессом восстановления, что имеет большое значение при осуществлении способа в промышленных условиях. В качестве источника искусственного освещения можно использовать любые лампы, излучающие свет видимого диапазона. Однако использование ртутных ламп нежелательно, поскольку работа с ними требует водяного охлаждения и связана с опасностью попадания металлической ртути и ее паров в окружающую среду в случае повреждения лампы, а также требует дополнительных затрат на их утилизацию. Оптимальным с точки зрения экономики, экологии и техники безопасности является использование ламп накаливания, в частности галогенных ламп, излучающих видимый свет в диапазоне длин волн 325-1000 нм.
Скорость протекания процесса зависит от удельной мощности светового потока, которая, в частности, зависит от мощности источника излучения и его удаленности относительно облучаемого раствора. Важно обеспечить интенсивное перемешивание реакционной смеси, чтобы реализовать равномерное облучение всего объема. Эмпирически подбирая соответствующие параметры, можно обеспечить быстрое и эффективное восстановление ионного серебра с получением стабилизированных дисперсий наночастиц серебра.
На Фиг. 1 в качестве иллюстрации показаны УФ-спектры коллоидных растворов наночастиц серебра, полученных с использованием в качестве стабилизаторов-восстановителей ПВП (7), ПВС (2), крахмала (5), додецилсульфата натрия (4), ПВС в комбинации с додецилсульфатом натрия (5). Для регистрации УФ-спектров использован прибор HACH DR-4000V (США).
На Фиг. 2 (а-г) в качестве иллюстрации показаны электронные микрофотографии стабилизированных наночастиц серебра, полученных с использованием в качестве стабилизаторов-восстановителей ПВП (а), ПВС (б), крахмала (в), додецилсульфата натрия (г).
На Фиг. 3 (а-г) в качестве иллюстрации показаны диаграммы распределения по размерам стабилизированных наночастиц серебра, полученных с использованием в качестве стабилизаторов-восстановителей ПВС (а), ПВС в комбинации с додецилсульфатом натрия (б), ПВС в комбинации с олеиновой кислотой (в), ПВС в комбинации с Тритоном Х-100 (г).
Размер и статистическое распределение по размеру стабилизированных наночастиц серебра определяют методом просвечивающей электронной микроскопии с использованием прибора «Hitachi-11» (Япония).
Изобретение осуществляют следующим образом.
2
Готовят раствор стабилизатора-восстановителя или бинарной композиции стабилизатора-восстановителя с поверхностно-активным веществом в воде. В полученном растворе дополнительно растворяют соединение серебра, например нитрат серебра. Полученный раствор при интенсивном перемешивании облучают светом лампы накаливания без дополнительного нагрева в течение времени, достаточного для завершения процесса, о чем судят по изменению величины оптической плотности раствора при длине волны вблизи 400 нм (см. Фиг. 1). При этом в интервале 30-120 минут наблюдается нарастание интенсивности окраски, характерной для коллоидных растворов наносеребра. Дальнейшее облучение не приводит к заметному увеличению содержания наносеребра в реакционной смеси. В приведенных ниже примерах источником видимого света служит галогенная лампа мощностью 150 Вт в комплекте с линзами и конденсором. Удельная мощность светового потока, измеренная термоэлектрическим актинометром АТ-50, составляет 10 мВт/см. Для реализации способа в промышленном масштабе потребуется переход к многоламповой осветительной установке, при этом время воздействия светового потока должно быть оптимизировано с учетом реальных производственных условий.
Количественное соотношение стабилизатора-восстановителя и соединения серебра выбирают таким образом, чтобы получить максимально концентрированные, не седиментирующие в течение длительного времени, коллоидные растворы стабилизированных наночастиц серебра. С этой целью используют массовый избыток стабилизатора-восстановителя, обеспечивающий возможность стабилизации всего количества образующихся наночастиц. Присутствие стабилизатора-восстановителя в конечном продукте не сказывается отрицательно на возможности его применения в качестве бактерицидного средства.
Для получения устойчивых защитных бактерицидных покрытий к стабилизирующему агенту добавляют низкомолекулярные мицеллообразующие поверхностно-активные вещества, например додецилсульфат натрия, олеиновую кислоту, Тритон Х-100, которые не оказывают отрицательного влияния ни на скорость восстановления, ни на распределение полученных наночастиц по размерам (см. Фиг. 3). В приведенных ниже примерах 5-7 показана возможность использования в качестве стабилизатора-восстановителя ПВС в сочетании с различными ПАВ, однако очевидно, что вместо ПВС могут быть использованы и другие полимерные стабилизаторы в сочетании с другими поверхностно-активными веществами.
Установлено, что полученные в соответствии с изобретением препараты при хранении в стандартных условиях (в закрытой таре без доступа света при комнатной температуре), как минимум, в течение 6 месяцев, седиментационно устойчивы и сохраняют близкий к первоначальному характер распределения по размерам стабилизированных наночастиц серебра и близкий к исходному уровень бактерицидной активности.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют возможности осуществления заявляемого способа, однако не исчерпывают всех возможностей его реализации.
2
В стандартном эксперименте в 50 мл дистиллированной воды растворяют 40 мг стабилизатора-восстановителя или 80 мг смеси (1:1) стабилизатора-восстановителя с ПАВ, после чего к раствору прибавляют 30 мг нитрата серебра и полученный прозрачный раствор облучают светом галогенной лампы мощностью 150 Вт при интенсивном перемешивании раствора на магнитной мешалке. Расстояние между раствором и источником света - 30 см, что соответствует удельной мощности светового потока - 10 мВт/см. Минимальное время облучения в описанных условиях составляет 30 мин. При этом наблюдается появление окраски, характерной для коллоидных растворов наносеребра. В течение 120 минут происходит нарастание интенсивности окрашивания и соответствующее изменение УФ-спектра реакционной смеси, свидетельствующее об увеличении содержания коллоидного наносеребра в системе. Дальнейшее облучение не приводит к изменению концентрации наносеребра.
Полученный коллоидный раствор может быть непосредственно использован после необходимого разведения в качестве бактерицидного средства или высушен любым известным способом с получением сухого продукта, пригодного для хранения и получения в дальнейшем жидких препаратов для практического использования в качестве дезинфицирующих средств.
По примеру 1 в качестве стабилизатора-восстановителя используют поливинилпирролидон (М.в.=26400).
По примеру 2 в качестве стабилизатора-восстановителя используют поливиниловый спирт (М.в.=10000).
По примеру 3 в качестве стабилизатора-восстановителя используют крахмал (М.в.=50000).
По примеру 4 в качестве стабилизатора-восстановителя используют додецилсульфат натрия.
По примеру 5 в качестве стабилизатора-восстановителя используют ПВС, к которому добавлен додецилсульфат натрия (массовое соотношение 1:1).
По примеру 6 в качестве стабилизатора-восстановителя используют ПВС, к которому добавлен Тритон Х-100 (массовое соотношение 1:1).
По примеру 7 в качестве стабилизатора-восстановителя используют ПВС, к которому добавлена олеиновая кислота (массовое соотношение 1:1).
Как видно из Фиг. 2 и 3, на которых в качестве иллюстрации показаны электронные микрофотографии и распределение по размерам частиц, полученных с использованием различных стабилизирующих агентов, около 70% восстановленного серебра находится в составе кластеров атомарного серебра размером 20-30 нм. Остальное серебро представлено частицами с размерами от 2 до 200 нм. При использовании в качестве стабилизатора додецилсульфата натрия (пример 4) образуются, в основном, частицы с размером около 60 нм.
Результаты исследования бактерицидной активности препаратов стабилизированных наночастиц серебра, полученных заявляемым способом.
Для исследования бактерицидной активности полученный, как описано выше, коллоидный раствор высушивают на воздухе, и сухой продукт используют для приготовления точных разведений.
Методом диффузии в агар определена бактерицидная активность препаратов, полученных по примерам 1-4. В качестве тест-культур взяты Е. coli, S. aureus, S. enteritidis, S. dublin, S. cholerasuis, S. typhimurium. С целью изучения спектра действия активность препаратов была также изучена в отношении бактерий родов Citrobacter, Providencia, Hafnia, Proteus, Morganella и Listeria.
7
В толще мясо-пептонного агара, содержащего суточную культуру микроорганизмов в дозе 10 м.к./мл, стерильно делают лунки диаметром 4 мм. В лунки вносят рабочие разведения препарата (35, 17, 8, и 4 мг/л) и помещают в термостат при 37ºС на 18-20 ч. Результаты оценивают по величине зоны задержки роста тест-культур вокруг лунки. Полученные результаты на примере образца наночастиц серебра, стабилизированных поливинилпирролидоном, представлены в Таблице 1.
Как видно из таблицы, в концентрации, как минимум, до 4 мг/л препарат проявляет бактерицидное действие по отношению ко всем изученным микроорганизмам, которое усиливается с увеличением концентрации серебра. Близкие результаты получены и для препаратов, полученных по примерам 2-4.
Исследование стабильности полученных образцов при хранении в течение 6 месяцев в закрытых емкостях в темноте при комнатной температуре показывает, что количество наночастиц, измеренное относительным методом по величине оптической плотности, снижается не более чем на 10%. Распределение по размеру при хранении существенно не изменяется, и при этом препараты сохраняют близкий к исходному уровень бактерицидной активности по отношению к тест-культурам Е. coli и Salmonella s.p.p. В зонах задержки роста S. aureus отмечалось слабое помутнение агара, что свидетельствует о бактериостатическом действии препарата.
В таблице 2 показаны результаты тестирования бактерицидной активности препаратов, полученных по примерам 2, 5-7, содержащих в качестве стабилизаторов и пленкообразующих компонентов ПВС и смеси ПВС с додецилсульфатом натрия, Тритоном Х-100, олеиновой кислотой при массовом соотношении 1:1.
Из представленных данных следует, что все препараты обладают бактерицидной активностью в отношении тест-культур в концентрации до 4 мг/л.
2
Дезинфицирующая активность препаратов наносеребра, полученных по примерам 5-7, изучена на гладких поверхностях (кафельная и метлахская плитка), контаминированных взвесью суточной культуры тест-микроорганизма с использованием белковой защиты. Препараты наносят из расчета 500 мл/м. Нейтрализацию действия препаратов осуществляют путем десятикратного разведения смывов с обработанного объекта. Контролем служат объекты, обработанные водой. Дезинфицирующая активность в отношении Е. coli и Salmonella s.p.p. установлена у препаратов с концентрацией наночастиц серебра не менее 17 мг/л и времени воздействия 3 ч. В случае S. aureus полное обеззараживание тест-объектов достигнуто при воздействии препаратов с концентрацией серебра не менее 35 мг/л при времени воздействия 3 ч.
2
Препараты, полученные по примерам 5-7, были испытаны в модельных опытах с целью снижения уровня контаминации объектов ветеринарного надзора в птицеводческих хозяйствах (поверхности оборудования и инструментов для разделки тушки птицы). Для этого перечисленные объекты искусственно контаминировали взвесью суточных культур Е. coli и Salmonella s.p.p. Концентрация наночастиц серебра в препаратах - 35 мг/л. Поверхности обрабатывают из расчета 500 мл/м при времени воздействия 3 ч, инструменты (ножницы, пинцеты) погружают в раствор препарата на 30 мин, тушки птицы помещают в емкость, содержащую препарат серебра, на 30 мин. По истечении этого времени производят смывы стерильными ватными тампонами в пробирки с физраствором и проводят бактериологические исследования на наличие использованных в опыте тест-культур. Контролем служат тест-объекты, обработанные водой.
В то время как в посевах смывов с поверхностей в контроле обнаруживается сплошной рост тест-культур, в смывах с поверхностей, обработанных препаратами наносеребра, рост тест-культур отсутствует. Рост микроорганизмов в посевах смывов с инструментов, обработанных препаратами наносеребра, представлен единичными колониями, в то время как в контроле доходил до сотни колоний в отдельных пробах. В смывах с тушек птиц, обработанных препаратом стабилизированных наночастиц серебра, рост энтеробактерий отмечается в количестве 20-40 колоний в единичных пробах, в то время как в контроле получен обильный рост тест-культур в посевах во всех пробах смывов.
Приведенные данные показывают, что заявляемый способ позволяет получить водные препараты стабилизированных наночастиц серебра, обладающих высокой бактерицидной активностью относительно широкого круга микроорганизмов. Препараты сохраняют стабильность и бактерицидное действие в течение, как минимум, 6 месяцев (срок наблюдения) и могут быть использованы для обеззараживания различных объектов в промышленности и в быту.
Таким образом, заявляемый фотохимический способ получения стабилизированных наночастиц серебра предполагает использование доступных, выпускаемых промышленностью реагентов, осуществляется в условиях, исключающих применение вредных производственных и экологических факторов, и позволяет с минимальными энергозатратами получать конечные продукты, не требующие дополнительной очистки и пригодные после необходимого разведения для непосредственного использования в качестве дезинфицирующих агентов или для получения сухих препаратов, предназначенных для получения необходимых разведений.