農作物防害高效抗菌納米銀的制備及應用

陳天宇

（浙江農林大學光機電工程學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

隨著科技的快速發展，作為新型材料，納米材料在醫藥、工業、農業等許多方面都有著非常廣泛的應用[1-2]。在醫療方面，納米材料可以用作抗菌材料；在化學方面，納米材料可以用作催化劑材料等等[3]。納米材料在信息存儲、光子學、感應器、成像等領域也有著廣泛的應用[4-6]。金屬納米材料有著獨特的物理和化學性能，它的制備與研究得到了各個國家科學家的廣泛關注，有關金屬納米材料的制備以及金屬納米技術的應用也慢慢成為研究的熱點之一[5]。

納米銀是一種比較特殊的金屬銀，有著比較特殊的形態，其內部的金屬銀顆粒粒徑在1 nm~100 nm之間。由于其顆粒極其微小達到了納米級別，有著比較大的比表面積，所以有著非常明顯的量子隧道效應、表面效應、量子尺寸效應，這使得納米銀顆粒具有比較強的活性和滲透性，其擁有的殺菌能力是普通銀顆粒的數百倍。納米級別的銀顆粒有著表面電子特性，它可以與細菌的蛋白質分子上的疏基、胺基等吸電子基團形成配體，從而進一步增強抗菌效果。隨著抗生素的細菌耐藥性日益強大，納米銀在消毒殺菌領域的研究和應用也越來越被廣泛關注。納米銀可以作為抗菌劑的機理：首先，由于納米銀顆粒的構造單元標準在微觀物質和微觀原子與分子之間，所以納米銀顆粒有著特別的外表效應、量子標準效應、小標準效應和微觀量子地道效應，能夠輕而易舉地進入病原體里面使病原體死亡；其次，納米銀顆粒標準小，但其外表所占的體積百分數大，外表的鍵態和電子態與顆粒內部完全不一樣，外表原子配位不全等致使外表的活性方位增加，具有了作為抗菌劑的基本條件；最后，其具有很強的穿透力，能全面充分觸摸并進犯病原體，然后表現出非常強大的生物效應，具有很高的安全性。

納米銀粒子的制備方法有許多種，如化學還原法、熱分解法、生物化學法和電化學法等[6-9]。化學還原法制備納米銀粉是一種最簡單且非常有效的方法，用來還原硝酸銀的還原劑有葡萄糖、檸檬酸三鈉、乙二醇等，這些都可用來還原硝酸銀以制備納米銀粒子[10]。但制備納米銀粒子有幾個普遍存在的問題：用化學還原法制備的納米銀粒子非常容易發生團聚，形貌大部分不規則，粒徑分布也非常廣泛。

本文以葡萄糖作為還原劑還原硝酸銀，采用海藻酸鈉作分散保護劑制備納米銀粒子。實驗結果表明：該方法能有效控制納米銀粒子團聚，增強納米銀粒子的穩定性，是納米粉體制備中有效解決納米粒子團聚的可靠方法，可制得粒徑分布范圍窄（平均粒徑大小為20 nm）、分散性好、純相立方晶系的球形納米銀微粒，并且有著超強的活性及滲透性。納米銀粒子制備的抗菌劑在農業方面的殺菌功能與效果是非常明顯和肯定的，作為新型抗菌劑，納米銀具有強大的抑菌殺菌作用，在農作物消毒殺菌應用領域正得到越來越多的關注。

1 材料和實驗

1.1 實驗試劑

葡萄糖，硝酸銀，海藻酸鈉（均為分析純，購于上海麥克林生化科技有限公司）；實驗中使用的水為去離子水。

1.2 納米銀微粒的制備

稱取一定量的海藻酸鈉在40 ℃的環境下攪拌，使其溶解在50 mL 的去離子水中，得到海藻酸鈉溶液。稱取一定量的硝酸銀溶液，慢慢滴加到海藻酸鈉溶液中，然后加入一定濃度的葡萄糖溶液。在75 ℃的條件下反應3 h，然后使用高速離心機進行高速離心分離。55 ℃的環境下干燥12 h，最后得到以海藻酸鈉作為保護劑的納米銀粉末。

1.3 表征方法

采用X 射線衍射儀；采用JEOL JEM-2100F 場發射透射電子顯微鏡來表征其形貌。

2 結果與討論

2.1 納米銀粒子的TEM圖譜分析

所制備的納米銀粒子圖像如圖1 所示。用海藻酸鈉作為保護劑所制備的納米銀粒子為球狀，分散性良好。雖然有一些形狀不規則的納米銀粒子，但大部分都是球狀的，且粒子的粒徑大部分都小于25 nm，分布在15 nm~25 nm 之間。不加保護劑時制備的納米銀粒子的TEM 圖如圖2 所示，可見在無海藻酸鈉作為保護劑的情況下，生成的納米銀粒子會全部團聚在一起。

圖1 不同放大倍數的納米銀粒子TEM圖

圖2 不加保護劑的納米銀粒子TEM圖

2.2 納米銀粒子的XRD圖譜分析

納米銀粒子的XRD 圖如圖3 所示，從圖3 可以看出，在2θ 分別為38°、44°、64°、77°時有4 個明顯的衍射峰，各峰值與標準卡片卡上數據一致，分別對應面心立方晶系（fcc）單質銀（111）、（200）、（220）、（311）晶面的衍射。

圖3 納米銀粒子的XRD 圖

3 結論與應用

1）采用葡萄糖還原硝酸銀，以海藻酸鈉作為保護劑可以避免納米銀粒子的團聚效應。納米銀粒子的粒徑大小基本為20 nm 左右，在海藻酸鈉的保護作用下大幅度降低了納米銀粒子間的碰撞，很好地控制了納米銀粒子粒徑的大小和形狀，可良好地應用于抗菌劑的制備。以納米銀微粒制備的溶液在農業種植方面可以更好地預防和殺滅有害病毒、細菌及真菌，從而為農作物創造更好的生存環境，增強農作物的生長力，提高農產品的質量，保護環境和人類健康。并且以納米銀微粒制備的溶液非常適用于經濟作物，也可應用于所有的農作物，例如農作物（蔬菜）、工業植物（胡椒、可可、茶、甘蔗）、糧食作物（玉米）、觀賞植物（花卉、盆栽）等。

2）以納米銀微粒制備的溶液在農業種植方面有以下優勢：①土壤殺菌。土壤中含有大量的霉菌、真菌孢子、線蟲或其他有害生物，它們會影響植物的生長，尤其是在種子發芽、莖葉繁殖以及幼芽移植期間。種植前，在土壤中噴灑納米銀溶液可以快速殺滅土壤中的病原體。②種子培育。播種前將種子浸泡在納米銀溶液中，可以殺滅種子攜帶的真菌，提高發芽率，并減少芽苗中霉菌的生長。植物還可以從土壤中吸收微小的銀顆粒，從而對土壤病原體產生抵抗力，使植物的葉子更綠、根莖更壯、生長得更茂盛。③防止根腐病。根腐病是會殺滅植物的常見植物病，癥狀出現在土壤下面的根系，然后導致葉片發黃。使用納米銀溶液可以殺滅土壤中的真菌，有效防止根腐病，提高植物的存活率。在植物莖葉表面噴灑少量的納米銀溶液可以防止真菌、細菌和病毒在其表面繁殖。④代替乙烯。納米銀溶液還具有保鮮作用，直接在花的表面噴灑納米銀溶液，或將鮮花插入添加了納米銀溶液的水中，可以長時間保持花的新鮮度；也可以用于治療植物的局部真菌感染，使植物生長得更茂盛。

3）納米銀屬于非抗菌素殺菌劑，以納米銀顆粒制備的抗菌劑可以殺滅各種致病微生物，比抗菌素更有效，10 nm 左右的納米銀顆粒因其獨特的抗菌機理可以非常高效地直接殺死細菌，使細菌失去繁殖能力，無法繁殖出有耐藥性的后代，有效避免了因細菌產生抗藥性而導致病害反復發作。可見，以納米銀粒子制備的抗菌劑有著非常高效的抗菌、殺菌作用，并且有著廣譜抗菌活性，安全性高，無耐藥性。