1 Институт за нанотехнологии „Крал Абдула“, Университет „Крал Сауд“, Рияд 11451, Саудитска Арабия

синтез

2 Катедра по физика, Университет Крал Сауд, Рияд 11495, Саудитска Арабия

3 Департамент по химическо инженерство, Университет Крал Сауд, Рияд 11421, Саудитска Арабия

4 Катедра по микробиология, Факултет по наука, Университет Крал Сауд, Рияд 11459, Саудитска Арабия

Резюме

1. Въведение

Наноматериалите са най-изследваните материали на века, които раждат нов клон на науката, известен като „нанотехнологии“. Наноматериалите се приготвят от насипни материали, но по-малкият размер и форма на тези частици разграничават техните химични действия от тези на техния основен материал [1]. По-малкият размер на наноматериалите им помага да проникнат в определени клетъчни места, а допълнителната им повърхност улеснява повишената адсорбция и целенасоченото доставяне на вещества [2]. Наноматериалите съществуват във вулканичен прах, минерални композити и антропогенни отпадъчни материали като изгаряне на въглища, дизелови отработени газове и заваръчни изпарения (случайни наноматериали) [3]. Проектираните наноматериали, произведени с наноразмерни размери, обикновено се групират в четири вида: въглерод, метали, метални оксиди, дендримери и композити [4].

Сребърните наночастици (AgNP) имат уникални оптични, електрически и термични свойства и са включени в продукти, вариращи от фотоволтаици до биологични и химични сензори. Някои примери включват проводими мастила, пасти и пълнители, които използват AgNPs за тяхната висока електрическа проводимост, стабилност и ниска температура на синтероване. Допълнителните приложения включват молекулярна диагностика и фотонни устройства, които се възползват от новите оптични свойства на тези наноматериали. Все по-често приложение е използването на AgNP за антимикробни покрития; текстилните продукти, клавиатурите, превръзките за рани и биомедицинските устройства вече съдържат AgNP, които непрекъснато отделят ниско ниво на сребърни йони, за да осигурят защита срещу бактерии [5].

Полимерите са приемни материали за метални наночастици [6]. Полимерът действа като специалист по повърхностно покриване, когато в тях се имплантират наночастици. Получените нанокомпозити показват подобрени оптични свойства [7]. Свойствата на полимерните композити обаче зависят от вида на включените наночастици и техния размер, форма, концентрация и взаимодействие с полимерната матрица. Поли (метилметакрилат) (PMMA) е полимерно стъкло с широк спектър от приложения. Използването на PMMA предлага двойни предимства, като наличието на карбоксилатни функционални групи за химично свързване с метални йони и висока разтворимост на PMMA в разтворители като DMF за редукция на сребърен нитрат [8].

Благодарение на разнообразните си свойства на полимерните нанокомпозити като безпрецедентна производителност, подобрени свойства в сравнение с съставните части, гъвкавост на дизайна и по-ниски разходи за жизнения цикъл, те привлякоха значително внимание. Нанокомпозитът използва органични/неорганични наночастици, включени в полимери, които произвеждат нови материали с потенциално приложение в катализа, биоинженерство, фотоника, електроника и антибактериални дейности [9-11]. Доказано е, че AgNPs образуват композити с полимери като поливинилов алкохол, полипирол, поливинилиден флуорид, хитозан и целулоза. За сребърно-полимерен нанокомпозит е важно да се поддържа контролируем размер на наночастиците в матрицата, заедно с равномерно разпределение на същите в полимерната матрица. Синтезът на сребърно-полимерните нанокомпозити включва смесване на разтвор на наночастици с полимеризационната смес. Тези сребърно-полимерни нанокомпозити могат да имат широк спектър от приложения като биомедицина, текстил, пречистване на вода, контейнери за съхранение на храна, домакински уреди и медицински изделия [12, 13].

Съществуват различни начини на синтез на наноматериали, които включват химически, физически и биологични. Някои използвани химични и физични методи са допринесли за замърсяването на околната среда, тъй като участващите химични процедури могат да генерират голямо количество опасни странични продукти. По този начин е необходимо да се разработят нови „зелени“ процедури за синтез на наночастици, които са екологични, безопасни и нетоксични процедури, които да се извършват при ниска енергия и температура. Биологичните методи включват синтез на наноматериали от екстракти от растения, бактерии и гъбични видове, наред с други процедури [14, 15].

В това проучване се синтезират стабилни AgNPs чрез редукция на сребърен нитрат с Trigonella foenum-graecum воден екстракт. AgNPs се характеризират чрез пропускаща електронна микроскопия (TEM), UV-Vis спектри и зетазатор. Нанокомпозитът AgNP/PMMA се характеризира чрез FTIR и XRD и неговата термична стабилност се оценява с помощта на TGA. В допълнение, антимикробният ефект на нанокомпозитите от PMMA беше оценен върху вода от чешмата. Основната цел на проучването беше да се използват AgNPs в нанокомпозити PMMA като биофилтър за чешмяна вода.

2. Материали и методи

2.1. По-зелен синтез на AgNP

Trigonella foenum-graecum (Хелба, 3 g) семена са закупени от местния пазар в град Рияд (Саудитска Арабия). Семената се измиват няколко пъти, за да се отстрани прахът по периферията на семената и след това се сушат и киснат в 90 ml преварена дестилирана вода за една нощ. Екстрактът е преминал през Whatmann No. 1 филтърна хартия и комбинираният филтрат веднага се използва за приготвяне на наночастици. Полученият воден филтрат се обработва с воден разтвор на сребърен нитрат (AgNO3).

Сребърен нитрат (1 mmol/mL, аналитичен клас, Techno Pharmchem, Индия) се разтваря в 50 mL дестилирана вода при енергично разбъркване при 80 ° С в продължение на 5 минути. След това 5 ml Хелба екстракт се добавя към разтвора на сребърен нитрат. Колоидният разтвор променя цвета си в рамките на един час, което потвърждава намаляването на йоните на Ag и образуването на по-зелени AgNP. Промяната в цвета на реакцията се забелязва чрез визуално наблюдение. След това разтворът на зелените наночастици се инкубира при стайна температура, докато се използва.

2.2. Приготвяне на зелен нанокомпозитен филм AgNP/PMMA

PMMA (6 g, SABIC Company, Саудитска Арабия) се разтваря в 50 ml N, N-диметилформамид (DMF, R&M Marketing, Essex, UK) при непрекъснато разбъркване в продължение на 3 часа при 80 С. След това 3 ml прясно приготвен добавя се разтвор на зелени AgNPs (предишен раздел) при постоянно разбъркване при 80 ° С и 8000 об/мин. Тази смес се разбърква допълнително в продължение на 1 h, за да завърши реакцията. Целите предишни процеси се провеждаха в димоотвод. Получава се светлокафяв разтвор поради образуването на сребърен колоид. В този момент разтворът се хвърля върху стъклена плоча и DMF се оставя да се изпари при стайна температура, за да се получи нанокомпозитен филм. Филмът беше изсушен на въздух под аспиратор. Филмът се измива с метанол за отстраняване на остатъчния DMF и за подпомагане на сушенето и се отстранява от стъклената плоча след изсушаване.

2.3. Характеристика на зелени наночастици и нанокомпозит

Беше извършено сканиране с рентгенова дифракция (XRD) (Bruker D8 Discover), за да се идентифицират зелените AgNP/PMMA нанокомпозитни и PMMA филми. TGA анализи на зелени AgNP/PMMA нанокомпозитни и PMMA филми бяха проведени в термична система (Mettler Toledo TGA/DSC 1). За експеримента с TGA се използва около 4 mg сух филм. TGA термограмите са получени в диапазона 0–800 ° C при азотен поток със скорост 10 ° C min -1. Отделните им графики бяха нанесени с тегло (процент) загуба и топлинен поток спрямо температурата.

Размерът на синтезираните зелени AgNPs се анализира чрез зетазатор (серия Nano, HT Laser, ZEN3600 Molvern Instrument, UK). Използвана е трансмисионна електронна микроскопия (JEM-1011, JEOL, Япония), за да се характеризират размерите, формата и морфологията на образуваните зелени синтезирани наночастици при ускоряващо напрежение 100 kV.

2.4. Водно микробиологично изпитване
2.4.1. Метод за броене на плочи

Микробният растеж в третираната чешмяна вода се оценява, като се използва методът за броене на плочки. Методът за броене на плочки разчита на бактерии, отглеждащи колония върху хранителна среда, така че колонията да стане видима с невъоръжено око и броят на колониите в чинията да бъде преброен. За да бъде ефективно, разреждането на първоначалната проба трябва да бъде организирано така, че средно да се отглеждат колонии от целевата бактерия между 30 и 300. За да се гарантира, че ще се генерира подходящ брой колонии, обикновено се култивират няколко разреждания. Този подход се използва широко за оценка на ефективността на пречистването на водата чрез инактивиране на представителни микробни замърсители като Е. coli следва [16, 17].

За третиране на чешмяна вода със зеления нанокомпозитен филм, a

зелен филм се накисва в 50 ml чешмяна вода в колба на Erlenmeyer и се държи в продължение на 48 часа.

Три различни типа среда, еозин метиленово синьо (E.M.B) агар, хранителен агар (N.A) за грам-отрицателни бактерии като Е. coli, и Muller-Hinton (M.H) агар, са били използвани за получаване на много изолирани микроорганизми. Оценените водни проби бяха нормална чешмяна вода като контрол (NW) и обработена чешмяна вода (TW).

За да се приготвят 250 g хранителна агаризираща среда, 7 g агаризираща среда се разтварят в 250 ml дестилирана вода и се автоклавират. За да се получат 250 g от агар на MacConkey, 12,87 g от агаровата среда се разтварят в 250 ml дестилирана вода и след това се автоклавират. За агаризираната среда на Muller-Hinton 9,5 g от средата се разтварят в 250 ml дестилирана вода и след това се автоклавират. След това към зададените чашки на Петри се добавят 1 ml от обработена и необработена чешмяна вода (TW или NW). След това средата беше добре смесена, автоклавирана и инкубирана с главата надолу при 37 ° C за 24-48 часа.

3. Резултати и дискусия

3.1. Визуално наблюдение и UV-Vis спектроскопичен анализ

Благородните метали показват изключителни оптични свойства поради повърхностния плазмонен резонанс (SPR) [18]. Развитието на AgNPs първо беше проверено за промяна в цвета от безцветен до кафяв и UV-Vis спектроскопия. Промяната в цвета показва образуването на AgNPs поради редукцията на сребърни метални частици Ag + до наночастици Ag 0 [19]. Този цвят се отнася до възбуждането на SPR. Както е показано на Фигура 1, характерна SPR лента за AgNPs се наблюдава при около 339 nm.


3.2. TEM и анализ на размера на частиците

TEM изображенията представят монодисперсни AgNP със сферична форма, както е показано на Фигура 2 (а). Средният размер на частиците е определен чрез динамично разсейване на светлината (DLS) и е установено, че е 83,01 nm, както е разкрито, в графика за разпределение на размера, която показва монодисперсни AgNPs (Фигура 2 (b)). Тези резултати се съгласиха и потвърдиха резултатите, получени от ТЕМ. Тези резултати са в съгласие с Goyal et al. които учат, че проучванията за определяне на размера с помощта на DLS разкриват синтезираните сребърни наночастици, използващи Trigonella foenum-graecum размер на екстракта от семена между 95 и 110 nm [20].

3.3. Рентгенов дифракционен анализ

Структурите на чист PMMA и AgNPs в полимерната матрица бяха изследвани с помощта на XRD анализ. Следователно, XRD моделите на чист PMMA полимер и по-екологични AgNPs/полимерни нанокомпозити са получени, както е показано на фигури 3 (a) и 3 (b).

От Фигура 3 (а) изглежда ясно, че чистият PMMA тънък филм не притежава кристална структура. Следователно можем да кажем, че той е имал аморфна структура. Както се наблюдава на Фигура 3 (б), по-зелените нанокомпозити AgNP/PMMA показват и потвърждават съществуването на сребро в полимерната матрица. Това показва, че във всички върхове металното чисто сребро е имало сферична структура. Пречупването се осигурява от много пикове около

35–70 °, докато първият и вторият пик бяха разпределени съответно на решетъчните равнини (1 1 1) и (2 0 0) [21–23]. В допълнение към това, полимерните/AgNP композитни модели показват двуфазна (кристална и аморфна) структура. Композитът полимер/AgNP показва широко отражение и типична аморфна природа на полимера, както се очаква, а типичният модел на лицево-центрираната кубична (FCC) Ag кристална структура показва образуването на метален Ag [24].

XRD моделът на PMMA показва, че се появяват три широки пика, които съответстват на смес от подредени и неподредени структури на аморфната фаза на полимера [25]. Аморфният ореол е причинен от разстоянието между отделните полимерни вериги. Сравнението на дифракционните модели на PMMA и по-екологичния AgNP/PMMA нанокомпозит показа, че пиковете, съответстващи на PMMA, стават по-широки и изглежда изчезват поради малките AgNP, вградени във веригите PMMA [26].

3.4. FTIR спектроскопичен анализ

За да проверим дали получените композити съдържат PMMA, ние определихме FTIR спектрите на чист PMMA и AgNP/PMMA композит, съответно. Резултатите са показани на фигури 4 (а) и 4 (б). Както може да се види на Фигура 4 (а), лентите между 1550 и 1800 cm -1 в чист PMMA се дължат на акрилатни карбоксилни групи или C = O вибрации, които всички са типични ленти на PMMA. Пикът при 3000–3007 cm -1 е определен за разтягащата се вибрация C – H. За по-екологичния нанокомпозит AgNP/PMMA, външният вид на пика е определен за C = O вибрации при 1550–1800 cm -1 (Фигура 4 (b)). От спектрите на Фигура 4 (а) може да се види, че лентата на 1 203 cm -1 произхожда от групата C-O-C. Въпреки това, в сравнение с Фигура 4 (а) за чист PMMA, пиковите позиции на Фигура 4 (b) за по-екологичен AgNP/PMMA се изместиха поради силното взаимодействие между PMMA и AgNP. За нанокомпозита AgNP/PMMA (Фигура 4 (b)) пиковете при 550–650 cm -1 са от Ag-C разтягаща вибрация, което допълнително доказва съществуването и реакцията между Ag и дълговерижния алкил на PMMA. Освен това се наблюдават и измествания в C = O естерната карбонилна група, C = C, CH3 и CC за нанокомпозитните тънки филми AgNP/PMMA, което показва модификацията на PMMA тънкослойните структури от AgNPs [23, 27–29 ].


3.5. Термичният гравиметричен анализ

Изчисленията на TGA бяха извършени върху Ag/PMMA нанокомпозит и чист PMMA. Пробите с утаено тегло се нагряват със скорост 100 ° C/min от стайна температура до 800 ° C, което е между точката на кипене на разтворителя и температурата на разграждане на полимера. Фигура 4 демонстрира две конкретни фази на наблюдаваното тегло и основното намаляване на теглото е фигурирало около 20% и 5% за PMMA и Ag/PMMA, съответно, от стайна температура до 300 ° C.

Намаляването на теглото до тази температура се приписва на олигомери с ниско субатомно тегло, загуба на влага и остатъчен разтворител. Второто намаляване на теглото демонстрира разграждането на чист PMMA (Фигура 5 (а)) при над 360 ° C, който напълно се разпада при 400 ° C, докато нанокомпозитът Ag/PMMA се разпада при над 800 ° C (Фигура 5 (b)) . Второто значително намаляване на теглото се дължи на основното влошаване на качеството на полимера. Намаляванията на теглото на наночастици Ag/PMMA и чист PMMA са показани на фигури 5 (a) и 5 ​​(b). Термогравиметричното изследване на нанокомпозита Ag/PMMA показва профил на разлагане, започващ при 400 ° C и продължаващ до над 800 ° C. Това демонстрира, че високата термична стабилност на полимера се засилва от присъствието на Ag като нанопълнител [30].


3.6. Резултатите от микробния растеж

В тази работа бяха проведени микробиологични тестове за чешмяна и пречистена вода с нанокомпозитен филм, използващ различни видове среди. Резултатите демонстрираха, че плочите с вода, третирани с нанокомпозитния филм, нямат растеж на микроорганизми за разлика от плочите с обикновена чешмяна вода (Фигура 6). Това е така, защото по-зелените AgNP във филма в пречистената вода съдържат особено естествени вещества като азот и фосфор, които са от основно значение за реакцията на бактериалния метаболизъм.


По-екологичният нанокомпозит показва феноменална активност на микроорганизма, зависима от размера на наночастиците, тъй като този параметър променя повърхността в контакт с бактериалните видове. Наличието на зелени AgNPs в нанокомпозита изяснява антимикробното свойство, открито в синтезирания нанокомпозитен филм.

По-екологичният нанокомпозит демонстрира антибактериална активност в зависимост от размера на наночастиците, тъй като този параметър променя повърхността в контакт с бактериалните видове. Наличието на зелени AgNPs в нанокомпозита обяснява антимикробните свойства, открити в приготвения нанокомпозит.

Силна антибактериална активност срещу бактерии е разкрита от нанокомпозитния филм, както се съобщава в няколко проучвания [33] Също така, AgNP нанокомпозитните антибактериални ефекти са докладвани в многобройни проучвания с различни теории; изглежда най-вероятният сценарий е, че сребърните йони се свързват с мембраната на бактериалната клетка и я увреждат, като пречат на мембранните рецептори и на бактериалния електронен транспорт. Друг сценарий е, че убийственият ефект на бактериите се дължи на контактно убиване [34, 35]. Следователно този без усилие подход за производство на по-екологичен AgNP/полимерен нанокомпозитен филм е ценен в много индустриални приложения. Техниката позволява използването на нетоксичен, евтин, екологичен, бионаличен материал [26].

4. Заключения

Въведената работа демонстрира бързия по-екологичен синтез на използваните AgNPs Trigonella foenum-graecum семена и техния композит с полимера PMMA. Техниката тук е нетоксична, екологично сърдечна и ясна и включва минимални усилия и няма смъртоносни химикали. Образуването на по-зелени AgNPs беше определено чрез TEM и UV-Vis спектроскопия, където максимумите на повърхностна абсорбция на плазмон могат да се видят при 339 nm в диапазона UV-Vis. Zetasizer демонстрира средния размер на получените наночастици 83,01 nm. Нанокомпозитът се характеризира, използвайки FTIR спектроскопия и XRD техники. TGA се използва за изследване на термичната стабилност и междуфазната връзка между AgNPs и полимерната матрица. TGA демонстрира, че нанокомпозитът AgNP/PMMA има по-висока термична стабилност от тази на полимера PMMA. Нанокомпозитните филми показват значителна антибактериална активност бактерии, които не показват растеж на микроби в третираната вода. Това гарантира обещаващо потенциално използване на нанокомпозита при обеззаразяване на водата, канали и натрупване на вода, в допълнение към пречистването на водата и отпадъчните води.

Наличност на данни

Всички наши данни, използвани в подкрепа на констатациите от това проучване, са включени в статията.

Конфликт на интереси

Авторите декларират, че няма конфликт на интереси по отношение на публикуването на тази статия.

Благодарности

Авторите са благодарни за финансовата и логистична подкрепа на Института за нанотехнологии и деканат на крал Абдула, Университет Кинг Сауд, Рияд, Саудитска Арабия.

Препратки