孫和遠(yuǎn)，王小菊，陳 茜，王志國(guó)，劉祝蘭，王 琪

(南京林業(yè)大學(xué) 輕工與食品學(xué)院，南京 210037)

隨著柔性電子技術(shù)迅速發(fā)展，印刷電子技術(shù)由于其低成本、高精度、低排放，且可實(shí)現(xiàn)大幅面制造等特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[1]。印刷電子技術(shù)以導(dǎo)電油墨為媒介，通過(guò)噴墨印刷直接在承印物表面印刷連續(xù)的線路甚至整個(gè)電路板。作為印刷電子技術(shù)的核心，導(dǎo)電油墨的導(dǎo)電性、功能性、環(huán)保性及低成本性的研發(fā)具有深遠(yuǎn)意義[2]。導(dǎo)電油墨一般由溶劑、添加劑和導(dǎo)電組分構(gòu)成，其中決定導(dǎo)電油墨性能的導(dǎo)電組分主要分3 類(lèi)：碳材料、金屬納米顆粒、有機(jī)高分子材料[3-4]。金屬納米顆粒由于具有小尺寸效應(yīng)，即比表面積大、比表面能高的特點(diǎn)，展現(xiàn)出不同于塊狀材料的熱學(xué)性能，其導(dǎo)電性能更好、熔化耗能更低、反應(yīng)過(guò)程更加穩(wěn)定。金、銀、銅、鐵、鎳、鋁、錫等都曾經(jīng)被嘗試用作導(dǎo)電油墨中的納米材料，由于納米銀具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、優(yōu)異的導(dǎo)電性能、可靠的粒徑可控性等，以小粒徑納米銀為導(dǎo)電材料的導(dǎo)電油墨燒結(jié)溫度低、比表面積大、電阻率低、對(duì)設(shè)備要求低損耗少，避免出現(xiàn)納米金屬導(dǎo)電油墨常見(jiàn)問(wèn)題，因而小粒徑納米銀粒子的制備是當(dāng)今印刷電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5]。

納米銀的制備方法主要分為物理法、化學(xué)法和生物法。物理方法是將塊狀金屬銀通過(guò)激光燒蝕法、機(jī)械粉碎法、熱蒸發(fā)法、等離子蒸發(fā)法等[6-7]轉(zhuǎn)化成納米銀顆粒(AgNPs)。化學(xué)法包括液相還原法、多元醇法、電化學(xué)法、水熱法、超聲化學(xué)法等[8]。相較于物理方法，化學(xué)法制備納米銀顆粒生產(chǎn)成本低、制備過(guò)程簡(jiǎn)單且易于操控，是當(dāng)前制備納米銀顆粒的主要方法[9-10]，但制備過(guò)程中使用的還原劑如肼、氨、二甲基甲酰胺和硼氫化鈉等存在毒性，對(duì)環(huán)境和生物構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。生物還原法通常以具有一定還原性的植物提取物還原銀離子從而得到尺寸和形貌受控的納米銀單質(zhì)，植物成分同時(shí)充當(dāng)還原劑和穩(wěn)定劑，過(guò)程中不采用任何表面活性劑、保護(hù)劑和交聯(lián)劑等，綠色環(huán)保，在反應(yīng)提高安全性的同時(shí)節(jié)約成本。生物法制備銀納米顆粒無(wú)論從技術(shù)發(fā)展還是應(yīng)用研究方面，都符合綠色化學(xué)和工業(yè)發(fā)展要求，是一種生態(tài)友好的納米銀制備方法。相關(guān)研究中通常以具有強(qiáng)抗氧化性能的植物提取物為還原劑和保護(hù)劑制備納米銀，如山竹葉提取物、黑種草葉提取物和綠茶提取物等[11-13]。Minakshi 等[14]以苦瓜提取液為還原劑制備平均粒徑為16 nm 的球形納米銀顆粒，是一種綠色和環(huán)境友好的納米銀合成法。

本文采用生物還原法，以苦瓜提取液為還原劑、硝酸銀為反應(yīng)前驅(qū)體制備納米銀顆粒并進(jìn)行表征。研究不同品種(印度種和中國(guó)種)苦瓜的提取液對(duì)納米銀顆粒制備的影響，探究制備納米銀顆粒的最佳條件，探索制備反應(yīng)機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

新鮮中國(guó)種苦瓜、印度種苦瓜(南京市玄武區(qū)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng))；硝酸銀(ω(AgNO3)?99.9%，天津天感感光材料有限公司)、無(wú)水乙醇(分析純，南京化學(xué)試劑股份有限公司)；Whatman1 號(hào)濾紙(必泰生物)；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

制備使用的主要設(shè)備包括高速離心機(jī)(TGL-18 MS，上海盧湘儀公司)；超聲波清洗機(jī)(SB-5200 DTD，寧波新芝生物科技股份有限公司)。用于分析表征的設(shè)備包括紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)(美國(guó)PE 公司Lambda 型)；組合型多功能水平X 射線衍射儀(XRD，日本Rigaku 公司Ultima IV 型)；透射電子顯微鏡(TEM，日本電子株式會(huì)社JEM-1400型)；紅外光譜儀(FTIR，德國(guó)布魯克公司VERTEX 80V 型)。

1.2 納米銀的制備

取新鮮中國(guó)種和印度種苦瓜各50 g，清洗后干燥，去瓤，放入300 mL 乙醇-去離子水(1:1)混合液中打成勻漿。在恒溫水浴鍋中50℃恒溫回流加熱20 min，真空抽濾，所得2 種苦瓜提取液濾液在4℃冷藏備用。

在室溫下，將濃度為7.5、10、12.5 和15 mmol/L的硝酸銀溶液分別逐滴加入100 mL 中國(guó)種(標(biāo)記為A)和印度種(標(biāo)記為B)苦瓜提取液中(編號(hào)依次為A1、A2、A3、A4 和B1、B2、B3、B4)，邊滴加邊攪拌，約10 min 后反應(yīng)溶液由綠色變?yōu)槌赛S色和棕色，將溶液在37℃保溫反應(yīng)24 h。

取出反應(yīng)液，在25℃以12000 r/min 轉(zhuǎn)速離心30 min，取下層沉淀。將沉淀物分散在去離子水中以8000 r/min 轉(zhuǎn)速離心30 min，清洗3 次，消除游離體，保證納米銀顆粒的純度和穩(wěn)定性。冷凍干燥，得到對(duì)應(yīng)編號(hào)的納米銀粉末。

1.3 納米銀的表征

1) 紫外可見(jiàn)(UV-Vis)吸收光譜。將8 種納米銀粉末分別分散到去離子水中得到0.1 mol/L 的樣品溶液，以去離子水為空白組，在350～800 nm 波長(zhǎng)范圍測(cè)其紫外可見(jiàn)吸收光譜。

2) X 射線衍射(XRD)。選取AgNO3濃度為10 mmol/L 時(shí)分別與2 種苦瓜提取液反應(yīng)制得的納米銀粉末，測(cè)定XRD 譜，并與JCPDS 圖譜(JCPDS-#04-0783)對(duì)比。設(shè)置工作電壓40 kV，電流30 mA，采用Cu 靶，射線采用Kα 射線(λ=1.5406 nm)，掃描速度5°/min，掃描范圍20°～80°。

3) 傅里葉紅外光譜(FTIR)。取苦瓜提取物及AgNO3濃度為10 mmol/L 時(shí)制得的納米銀粉末，與溴化鉀(KBr)按1∶100 的比例混合均勻后進(jìn)行壓片，測(cè)定傅里葉紅外光譜。掃描波數(shù)范圍為400～4000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

4) 透射電鏡(TEM)。將濃度為10 mmol/L 時(shí)AgNO3與2 種苦瓜提取液制得的納米銀粉末分散到去離子水中得到0.1 mol/L 的樣品溶液，滴加于附有支持膜的電鏡銅網(wǎng)表面，防塵干燥，干燥后使用透射電子顯微鏡觀察納米銀顆粒形貌、粒徑、分散情況等。

2 結(jié)果與討論

2.1 前驅(qū)體濃度對(duì)產(chǎn)物的影響

圖1 為2 種苦瓜提取液制得的納米銀顆粒溶液的紫外可見(jiàn)光光譜。樣品A2 的吸收峰為407 nm，而B(niǎo)2 的吸收峰位置為414 nm，與Minakshi 等[14]報(bào)道的球形納米銀粒子表面吸收峰位置近似，表明兩種苦瓜提取液制備產(chǎn)物均為球形納米銀顆粒。根據(jù)光譜圖可知，當(dāng)硝酸銀濃度由7.5 mmol/L 增加到10 mmol/L 時(shí)，納米銀顆粒的共振峰藍(lán)移，但濃度繼續(xù)增大時(shí)，共振峰紅移。根據(jù)Rycenga 等[15]的研究，球形納米銀的共振峰位置藍(lán)移程度越強(qiáng)，粒徑越小，相反的，紅移則表明粒徑增加。由圖1 可知，采用2 種苦瓜提取液制備納米銀顆粒時(shí)均在硝酸銀濃度為10 mmol/L 時(shí)納米銀共振峰藍(lán)移效果最強(qiáng)，故本實(shí)驗(yàn)中制備粒徑最小納米銀顆粒的硝酸銀濃度為10 mmol/L。當(dāng)前驅(qū)體硝酸銀濃度較高時(shí)，反應(yīng)速率快，納米銀成核速度增加，苦瓜提取液中活性物質(zhì)無(wú)法及時(shí)包裹納米銀晶核，導(dǎo)致納米晶團(tuán)聚，粒徑變大，吸收峰紅移；而前驅(qū)體濃度較低時(shí)，反應(yīng)速率慢，納米銀成核速率低于晶核生長(zhǎng)速率，導(dǎo)致生長(zhǎng)過(guò)度，粒徑變大，吸收峰紅移。

圖1 中國(guó)種(a)及印度種(b)苦瓜提取液制備的納米銀顆粒的紫外可見(jiàn)光譜Fig.1 UV-Vis absorption spectra of AgNPs obtained by Chinese (a) and Indian (b) momordica charantia extracts

2.2 晶體類(lèi)別及晶格結(jié)構(gòu)

圖2 為AgNO3濃度為10 mmol/L 時(shí)分別與2種苦瓜提取液反應(yīng)制備的納米銀XRD 圖譜。兩幅XRD 圖中均有4 個(gè)衍射峰，峰形尖銳，表明產(chǎn)物具有良好的晶格結(jié)構(gòu)。與標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS-#04-0783)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4 個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)納米銀的(111)、(200)、(220)、(311)晶面[16]，證明反應(yīng)產(chǎn)物確為納米銀顆粒，且晶相為面心立方結(jié)構(gòu)(face-centered cubic，fcc)。

圖2 中國(guó)種(a)及印度種(b)苦瓜提取液制備的納米銀的XRD 圖譜(c(AgNO3=10 mmol/L))Fig.2 XRD patterns of AgNPs obtained by Chinese (a) and Indian (b) momordica charantia extracts (c(AgNO3=10 mmol/L))

2.3 納米銀形貌

根據(jù)圖1 和圖2 可知所得產(chǎn)物為無(wú)其他雜質(zhì)的高純度納米銀，并可確定樣品A2 和樣品B2 的粒徑最小。為了進(jìn)一步表征制得納米銀的形貌，選取樣品A2 和樣品B2 進(jìn)行粒徑測(cè)量，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 中國(guó)種(a)和印度種(b)苦瓜提取液制備納米銀粒子的TEM 圖像及粒徑統(tǒng)計(jì)Fig.3 TEM images and particle size statistics of AgNPs prepared from Chinese (a) and Indian (b) momordica charantia extracts

由圖3(a)可知，樣品A2納米銀顆粒分布在4～14 nm，有70%的納米銀顆粒分布在4～10 nm，通過(guò)計(jì)算可得樣品A2 的平均粒徑為8.72 nm，形貌為球形，分散性較好，有輕微團(tuán)聚現(xiàn)象。由圖3(b)可知，樣品B2 納米銀顆粒集中分布在4～10 nm，粒徑在10 nm 以?xún)?nèi)的納米銀顆粒占81%，通過(guò)計(jì)算可得樣品B2 的平均粒徑為7.64 nm，形貌為球形，分散性良好，無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。印度種苦瓜提取液制得的納米銀粒徑分布更加均勻，且分散性更好。

2.4 反應(yīng)官能團(tuán)識(shí)別及反應(yīng)機(jī)理分析

為確定苦瓜提取液的有效成分，檢測(cè)2 種苦瓜提取液、樣品A2 及樣品B2 在400～4000 cm-1范圍內(nèi)的傅里葉紅外光譜，如圖4 所示。

2 種苦瓜提取液的紅外光譜圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者成分近似，故兩種苦瓜提取液與前驅(qū)體AgNO3反應(yīng)生成納米銀的反應(yīng)原理相同。根據(jù)圖4(b)中國(guó)種苦瓜提取液及樣品A2 的紅外譜圖，3600～3000 cm-1處的強(qiáng)寬峰代表N-H、O-H、酚羥基的伸縮振動(dòng)，3432 cm-1處的強(qiáng)峰證明苦瓜提取液中存在苯酚分子間羥基，而在制備納米銀顆粒時(shí)，該峰轉(zhuǎn)移到3430 cm-1。苦瓜提取液中于2925 cm-1處檢測(cè)到-C-H 伸縮振動(dòng)，在納米銀的形成過(guò)程中轉(zhuǎn)移到2919 cm-1。反應(yīng)液和提取液中均檢測(cè)到1631 cm-1處的峰，表示胺或者蛋白質(zhì)酰胺鍵的伸縮振動(dòng)，在1384 cm-1處檢測(cè)到的振動(dòng)峰則表示硝酸根的伸縮振動(dòng)。1047 cm-1處的峰顯示苦瓜提取液中胺的-C-O 拉伸振動(dòng)，該振動(dòng)在銀納米顆粒形成過(guò)程中轉(zhuǎn)移到1052 cm-1。611 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)C-Cl 鍵，是由于水和碳的相互作用而出現(xiàn)的。545 cm-1處的峰是生物分子銀-配體拉伸相互作用的特征峰[17]。以上特征峰說(shuō)明苦瓜提取液中含有活性物質(zhì)，例如類(lèi)黃酮、氨基酸、三萜等。由于-O-H參與Ag+還原為Ag0的過(guò)程，吸收帶從3435 cm-1變化為3430 cm-1，證明類(lèi)黃酮(多酚)是起主要還原作用的物質(zhì)。此外，芳香胺基團(tuán)的峰值的變化意味著氨基酸部分的-COOH 轉(zhuǎn)移，這是蛋白質(zhì)生物分子的一部分，有穩(wěn)定和防團(tuán)聚的作用。綜上，傅里葉紅外光譜圖說(shuō)明苦瓜提取液制備納米銀的反應(yīng)中，類(lèi)黃酮是還原劑，蛋白質(zhì)是保護(hù)劑。

圖4 中印苦瓜提取液(a)及納米銀溶液A2(b)、B2(c)的紅外光譜圖Fig.4 FTIR images of both Chinese and Indian momordica charantia extracts (a),sample A2 (b) and B2 (c)

根據(jù)紅外光譜圖顯示的特征峰，苦瓜提取物中的植物成分包括類(lèi)黃酮、皂苷、凝集素、蛋白質(zhì)、類(lèi)固醇、三萜、酚類(lèi)化合物和生物堿[18]。反應(yīng)前后體系中苯酚含量明顯減少，表明類(lèi)黃酮在反應(yīng)中是還原劑，且該反應(yīng)體系中還原劑是過(guò)量的，反應(yīng)充分。根據(jù)Minakshi 等[14]的研究，Ag0/Ag+的標(biāo)準(zhǔn)還原電位為0.80 V，而酚/醌、醛/醇和蛋白質(zhì)體系的標(biāo)準(zhǔn)還原電位小于0.80 V，說(shuō)明酚和醇在苦瓜提取液制備納米銀反應(yīng)中是發(fā)揮強(qiáng)還原性的基團(tuán)。反應(yīng)中，類(lèi)黃酮由烯醇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為醌型結(jié)構(gòu)失去2個(gè)H+，將2 個(gè)Ag+還原成Ag0，如圖5 所示。

圖5 反應(yīng)機(jī)理示意圖Fig.5 Mechanistic details of reduction process

此外，苦瓜提取液中的其他成分，如蛋白質(zhì)、三萜和次級(jí)代謝物，有助于納米銀顆粒的形成，而且通過(guò)自身分裂包覆納米銀顆粒從而阻止納米銀團(tuán)聚。這主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)對(duì)于金屬粒子有很強(qiáng)的吸附親和力，通過(guò)自身分裂，蛋白質(zhì)的羧酸基團(tuán)得以包覆于納米銀顆粒表面形成蛋白質(zhì)層而起到表面活性劑的作用，大大加強(qiáng)了納米銀的穩(wěn)定性，有效阻止了納米銀的二次生長(zhǎng)和團(tuán)聚。所以，2 種苦瓜提取液制備納米銀的粒徑、分散性及均勻性存在的差異歸因于蛋白質(zhì)、三萜化合物等保護(hù)劑含量不同，而且，利用兩種苦瓜提取液制備納米銀顆粒的效果基本一致，故苦瓜種類(lèi)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的影響可忽略不計(jì)。

3 結(jié)論

1) 分別以中國(guó)種和印度種2 種苦瓜提取液為還原劑、硝酸銀為前驅(qū)體、乙醇-去離子水混合溶液為溶劑制備得到分布均勻、分散穩(wěn)定的球形納米銀，其晶格結(jié)構(gòu)為面心立方(fcc)。

2) 當(dāng)前驅(qū)體AgNO3濃度為10 mmol/L 時(shí)，納米銀顆粒的紫外可見(jiàn)光譜中吸收峰藍(lán)移程度最大，波長(zhǎng)最小，其粒徑最小(2 種苦瓜提取液所得納米顆粒平均粒徑分別為8.62 和7.46 nm)，前驅(qū)體濃度10 mmol/L 是利用苦瓜提取液制備納米銀的最佳反應(yīng)濃度。

3) 機(jī)理分析認(rèn)為，苦瓜提取液中的類(lèi)黃酮在反應(yīng)中起還原劑作用，通過(guò)失去H+來(lái)還原Ag+得到Ag0，自身由烯醇結(jié)構(gòu)變?yōu)轷徒Y(jié)構(gòu)。而蛋白質(zhì)、三萜類(lèi)化合物等物質(zhì)起到保護(hù)劑和分散劑的作用。2種苦瓜提取液中蛋白質(zhì)、三萜化合物等保護(hù)劑含量不同導(dǎo)致制備的納米銀的粒徑、分散性及均勻性存在細(xì)微差異，可忽略不計(jì)。