Журнал неорганической химии, 2022, T. 67, № 12, стр. 1851-1857

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы вырос интерес к синтезу наночастиц (НЧ) типа ядро–оболочка, “янус”, интерметаллидам, легированным наночастицам и др. Наличие двух и более металлических атомов благодаря синергизму в сравнении с монометаллическими наночастицами способствует появлению у этих частиц более высокой механической и каталитической эффективности, биоактивности и других свойств [1–3]. В настоящее время разработаны фундаментальные основы получения биметаллических наночастиц (БНЧ) типа ядро–оболочка физическими, химическими и микробиологическими методами, которые по комбинации внешней и внутренней сфер могут быть разделены на четыре группы: неорганика/органика, неорганика/неорганика, органика/неорганика и органика/органика [4–6]. Особое значение представляет получение гибридных БНЧ в присутствии высокомолекулярных соединений [3, 7–9]. Полимерстабилизированные БНЧ могут быть применены в качестве сорбентов красителей сточных вод, катализаторов и электропроводящих материалов для 2D- и 3D-технологий, а также препаратов медицинского назначения, обладающих биологической активностью [9–12].

В настоящее время внимание исследователей привлекают биметаллические наночастицы, полученные на основе биогенных металлов (Cu, Co, Zn и др.), среди которых можно выделить системы на основе Cu/Ag в связи с созданием биопрепаратов с улучшенными антимикробными свойствами. Существуют различные методы синтеза БНЧ Cu/Ag, такие как электрохимическое осаждение, пиролиз, золь-гель и химическое восстановление [13]. Синтез биметаллических наночастиц методом химического восстановления осуществляется в одном реакторе и обеспечивает формирование бикомпонентных НЧ со структурой ядро–оболочка с регулируемыми составом и степенью чистоты, что является важным фактором для создания препаратов медицинского назначения [2, 14]. Анализ литературных данных показывает, что БНЧ Cu/Ag получают в растворах восстановлением ионов меди(II) в присутствии химических восстановительных агентов (NaBH₄, NaH₂PO₄, C₆H₈O₆, C₆H₅Na₃O₇ и др.), затем в реакционную смесь вводят ионы серебра, и на поверхности НЧ Cu происходит формирование серебряного покрытия. При таком методе получения в составе БНЧ имеются следы оксидных НЧ (СuO/Cu₂O). Известно, что размер и форму БНЧ можно регулировать в зависимости от соотношения металлических ионов, химической природы и концентрации восстановителей, количества стабилизатора и других факторов [15–18].

Следует отметить, что биологическая активность наноразмерных оксидов в системе медь–серебро зависит от условий синтеза, плотности покрытия поверхности частиц одного металла частицами другого, присутствия оксидных фаз в составе материала, а также от применяемых в процессе синтеза блокирующих органических молекул, препятствующих росту наночастиц и адсорбирующихся на их поверхности.

В связи с этим целью данной работы являлся синтез БНЧ Cu/Ag, а также изучение их структуры и физико-химических и биоактивных свойств.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы. Все химические вещества применяли без дополнительной очистки. Степень чистоты CuSO₄ ⋅ 5H₂O (Sigma-Aldrich), AgNO₃ (Sigma-Aldrich) и поливинилпирролидон (ПВП, ММ 55 000, Sigma-Aldrich) составляла 98.0%. В качестве восстановительного агента использовали аскорбиновую кислоту (АА, 99.7%, Sigma-Aldrich), а также этанол для промывания НЧ после центрифугирования.

Методы исследования. Морфологию исходных и модифицированных образцов исследовали на сканирующем электронном микроскопе QuattroS (Thermo Fisher Scientific, Чехия).

ИК-спектры НЧ регистрировали на ИК-Фурье-спектрометре VERTEX 80v (Германия).

Структуру порошков исследовали методом дифракции рентгеновских лучей в диапазоне углов 2θ = 10°–100° на дифрактометре D2 Phaser (CuK_α-излучение, λ = 0.154 нм), модернизированном для работы с веществами в аморфном и поликристаллическом состоянии.

Термический анализ выполняли на приборе синхронного термического анализа Netzsch STA449 F3 (Германия), сопряженном с масс-спектрометром, при следующих условиях: масса образца 10.380 мг, атмосфера Ar (99.998%), скорость потока 30 мл/мин, скорость нагрева 10 град/мин.

Биологически активные свойства растворов моно- и биметаллических наночастиц по отношению к грамположительным и грамотрицательным микроорганизмам исследовали диско-диффузионным методом в питательной среде агар-агар с применением бумажных дисков, пропитанных растворами [19].

Синтез образцов. Для синтеза биметаллических наночастиц Cu/Ag ПВП (ММ = 55 000, [ПВП] = = (1.4–4.55) × 10^–4 моль/л) и CuSO₄ ⋅ 5H₂O (0.1 М) взвешивали в требуемом количестве и отдельно растворяли в дистиллированной воде, затем полученные растворы перемешивали при 50°С в течение 30 мин и по каплям добавляли раствор аскорбиновой кислоты ([AA] = 7.1 × 10^–3 моль/л) до образования светло-розового раствора. Далее в реакционную смесь добавляли раствор AgNO₃ (0.1 М) и наблюдали образование темно-зеленого осадка. Соотношение ионов металлов варьировали в диапазоне n(Ag⁺/Cu²⁺) = 0.25–0.33 моль. Температуру в течение синтеза поддерживали на уровне 50°С. Осадок выделяли центрифугированием, промывали этанолом и высушивали при 50°С до постоянной массы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Синтез биметаллических НЧ осуществляли методом химического восстановления в присутствии солей CuSO₄, AgNO₃ и аскорбиновой кислоты (С₆Н₈О₆) (схема). Формирование НЧ Cu/Ag происходит в два этапа: сначала восстанавливаются ионы меди(II), затем на поверхности этих же частиц растут НЧ серебра. Известно, что окислительно-восстановительный потенциал Ag⁺/Ag (0.799 эВ) по сравнению со стандартным водородным электродом выше, чем у Cu²⁺/Cu (0.337 эВ). Вследствие этого при смешивании растворов, содержащих НЧ Cu и ионы Ag, происходят окислительно-восстановительные реакции на поверхности НЧ Cu с образованием серебряной оболочки.

Полученные образцы порошков Cu/Ag были исследованы методами сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа XRD и ИК-Фурье-спектроскопии.

На рис. 1 приведены микрофотографии БНЧ Cu/Ag, полученные при различных мольных соотношениях ионов металлов. Видно, что морфология и дисперсность БНЧ Cu/Ag очень чувствительны к исходным соотношениям ионов металлов (Ag⁺/Cu²⁺). Следует отметить, что в обоих случаях наблюдается агломерация мелких частиц и формируются крупные частицы дендритной структуры.

Рис. 1.

Микрофотографии БНЧ Cu/Ag, полученных в присутствии ПВП при n(Ag⁺/Cu²⁺) = 0.25 моль (а) и 0.33 моль (б); ×240 000.

ЭДС-спектр подтверждает присутствие в порошке БНЧ, синтезированном при n(Ag⁺/Cu²⁺) = = 0.33 моль, наночастиц Ag и Cu в количестве 4.18 и 2.02 мас. % соответственно (рис. 2).

Рис. 2.

ЭДС-спектр (а) и профиль (б) наночастиц Cu/Ag.

Обнаружено, что поверхность частиц покрыта атомами углерода от ПВП и аскорбиновой кислоты, которые были использованы при синтезе и абсорбированы на поверхность частиц (рис. 3)

Рис. 3.

ЭДС-микрофотография наночастиц Cu/Ag.

Отсутствие на поверхности образца атомов Cu и наличие атомов Ag свидетельствуют о том, что метод химического восстановления в выбранных условиях синтеза приводит к получению биметаллических наночастиц со структурой Сu-ядро и Ag-оболочка. Следует отметить, что при получении образцов БНЧ при мольном соотношении n(Ag⁺/Cu²⁺) = 0.25 при ЭДС-анализе не наблюдается образования идентичных микроструктур.

На рентгенограмме представлены рефлексы БНЧ Cu/Ag, полученных при n(Ag⁺/Cu²⁺) = 0.33 моль. Как видно из рис. 4, характерные пики НЧ Ag и Cu хорошо согласуются с JCPDS № 04-0783 и 003-1018 соответственно [20, 21].

Рис. 4.

Рентгенограмма БНЧ Cu/Ag.

Рефлексы при углах 2θ = 38°, 45°, 64.5°, 82° характерны для плоскостей (111), (200), (220), (311) и соответствуют наночастицам Ag. Рефлексы для наночастиц меди наблюдаются при углах 2θ = 42°, 50.5° и 77.34°, которые могут быть отнесены к кристаллическим плоскостям (111), (200) и (220).

Рефлексы при 2θ = 42° и 44°, характерные для НЧ Cu и Ag соответственно, накладываются, при этом образуется пик с максимумом при 2θ = = 44.28°, обусловленный формированием БНЧ Cu/Ag, что хорошо согласуется с литературными данными [5, 22–25]. Более интенсивный пик при 2θ = 38° свидетельствует о наличии высокой степени кристалличности наночастиц.

На рис. 5 представлен ИК-спектр синтезированных БНЧ Cu/Ag, полученных при n(Ag⁺/Cu²⁺) = = 0.33 моль.

Рис. 5.

ИК-Фурье-спектр БНЧ Cu/Ag.

Широкая полоса поглощения в области 3600–3100 см⁻¹ соответствует гидроксильным группам ПВП. Наличие полосы поглощения при 1640 см^–1 обусловлено колебанием O–H-групп аскорбиновой кислоты, пик при 1403 см^–1 связан с колебаниями О–С–О-групп ПВП и АА. Полоса поглощения, наблюдаемая вблизи 1260 см^–1, соответствует деформационным колебаниям –C–C–H-групп ПВП и АА. Характерные полосы поглощения НЧ Cu/Ag образуются при 612, 800, 1030 см^–1 [25].

Термостабильность наночастиц Cu/Ag была изучена методами термогравиметрии и дифференциальной ТГ в интервале температур 20–560°С в инертной атмосфере (рис. 6). Видно, что при увеличении температуры наблюдается потеря массы навески образца. Начало термического разложения происходит в интервале температур от 53.6 до 130°С из-за десорбции адсорбированной влаги на поверхности НЧ и потери кристаллизационной воды, что способствует уменьшению веса порошка на 7.06%. В диапазонах температур 169.1–205.2 и 236.5–285.7°С масса наночастиц Cu/Ag уменьшается на 3.22 и 5.99% соответственно из-за разложения хемосорбированной аскорбиновой кислоты, использованной в процессе синтеза. Уменьшение веса на 46.73% при 399.3–452.1°С связано, по-видимому, с разложением ПВП. Интенсивные максимумы ДТГ при 75 и 430.9°С свидетельствуют о том, что испарение влаги и деструкция полимера протекают со скоростью 1.27 и 7.99%/мин соответственно. Следует отметить, что десорбция и разложение органических остатков протекают с очень низкой скоростью (0.52–0.78%/мин).

Рис. 6.

Термогравиметрический анализ образца БНЧ Cu/Ag.

При нагревании выше 500°С потери массы образца не происходит. При этом общая потеря массы составляет ~63%, что свидетельствует о наличии покрытия ПВП на поверхности НЧ Cu/Ag. Согласно [26], температура деструкции для систем Ag/ПВП составляет 430°С, в то время как для синтезированных в настоящей работе порошков БНЧ Cu/Ag – 452.1°С [27].

Таким образом, установлено, что полученные БНЧ Cu/Ag проявляют повышенную термическую стабильность по сравнению с отдельно взятыми монометаллическими НЧ Cu и Ag [28–30].

Антимикробную активность синтезированных моно- и биметаллических частиц Cu/Ag изучали по отношению к ряду грамположительных и грамотрицательных патогенных микроорганизмов, вызывающих внутрибольничные инфекции (табл. 1).

Известно, что наночастицы меди и серебра активно подавляют рост и развитие возбудителей патогенных микроорганизмов. Полученные нами экспериментальные данные также подтверждают, что монометаллические наночастицы меди и серебра предотвращают рост аэробных и анаэробных бактерий с формированием зоны ингибирования в диапазонах 5.0 ± 0.1…15.0 ± 0.2 и 8.0 ± ± 0.1…17.0 ± 0.2 мм соответственно. При воздействии на штаммы бактерий S. aureus и E. coli наибольшей активностью обладают НЧ Ag. Использование биметаллических наночастиц способствует более эффективному подавлению роста этих микроорганизмов примерно в 4–5 раз вследствие синергетического антимикробного эффекта отдельных наночастиц, при этом образуется стерильная зона 18.0 ± 0.2, 19.0 ± 0.2 и 23.0 ± 0.3 мм.

Следует отметить, что при воздействии на микроорганизмы рода Candida albicans (G+) в выбранной концентрации растворы НЧ меди и серебра не проявляют биологическую активность, однако растворы БНЧ Cu/Ag показали среднюю фунгицидность с формированием зоны ингибирования – 4.0 ± 0.1 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В присутствии восстановительного агента – аскорбиновой кислоты и полимерной матрицы – ПВП синтезированы биметаллические наночастицы Cu/Ag при различных соотношениях ионов металлов в интервале n(Ag⁺/Cu²⁺) = 0.25–0.33 моль. Выявлено, что полученный порошок содержит 4.18 мас. % Ag и 2.02 мас. % Cu. Данные рентгеноструктурного анализа и ИК-Фурье-спектроскопии подтверждают факт образования биметаллических наночастиц со структурой ядро–оболочка. Методами ТГ и ДТГ показана высокая термостабильность к окислению порошка БНЧ. На основании сравнительных исследований биологической активности моно- и биметаллических наночастиц обнаружено, что БНЧ Cu/Ag эффективно подавляют рост и развитие возбудителей грамположительных и грамотрицательных патогенов с образованием ингибирующей зоны от 4.0 ± 0.1 до 23.0 ± 0.3 мм благодаря синергетическому эффекту. Полученные результаты могут быть использованы для применения в косметологии и биомедицине в качестве материалов медицинского назначения (мазей, гелей, повязок).

Схема процесса формирования биметаллических наночастиц Cu/Ag методом химического восстановления.