Aktualizacja: 20.10.2015 r. ZASTOSOWANIE EKSTRAKTÓW Z ROŚLIN, OWOCÓW I WARZYW DO SYNTEZY NANOCZĄSTEK METALI 1. WPROWADZENIE Istotnym czynnikiem sprzyjającym rozwojowi nanotechnologii jest opracowywanie sposobów otrzymywania nanomateriałów z wykorzystaniem metod biologicznych, do których należą procesy, w których wykorzystuje się bakterie, grzyby i ekstrakty roślinne. Elementy struktur tych czynników charakteryzują się właściwościami umożliwiającymi przeprowadzanie redukcji chemicznej prowadzącej do uzyskiwania nanomateriałów. Wraz z rozwojem nanotechnologii, metody ekologiczne stały się alternatywą dla procesów tradycyjnych, które nie zawsze pozostają w zgodności z zasadami zielonej chemii i tym samym nie są obojętne dla środowiska naturalnego. 1.1. Tradycyjne metody redukcji chemicznej Tradycyjna metoda redukcji chemicznej składa się z trzech etapów. W pierwszym, dzięki reakcji redoks, zostają utworzone wolne atomy metalu. W tym etapie elektrony pochodzące od reduktora są przekazywane jonom metalu, w wyniku czego dochodzi do ich redukcji. Drugi etap to nukleacja. Powstałe atomy zderzają się ze sobą, tworząc stabilne 1 2 nm jądra, na powierzchni których zachodzi dalsza redukcja jonów metalu do momentu zużycia wszystkich jonów. Ostatni etap to stabilizacja nanocząstek poprzez dodanie środków zapobiegających aglomeracji. Schemat tworzenia nanocząstek metali poprzez redukcję chemiczną przedstawiono na Rys. 1. Rysunek 1. Schemat tworzenia nanocząstek metali przez tradycyjną redukcję chemiczną Najczęściej stosowanym stabilizatorem jest PVP (poliwinylopirolidon). Polimer ten pokrywa powierzchnię nanocząstek, dzięki czemu zapobiega ich skupianiu i powstawaniu większych aglomeratów. Inne środki stabilizujące to PVA (alkohol poliwinylowy), SDS 1
(dodecylosiarczan sodu) i CTAB (bromek cetylotrimetyloamoniowy). W tradycyjnej metodzie chemicznej redukcji zazwyczaj stosuje się reduktory które są toksyczne, niebezpieczne dla środowiska oraz drogie (borowodorek sodu, hydrazyna, formaldehyd). 1.2. Metody biologiczne syntezy nanocząstek Istotną cechą metod proekologicznych jest możliwość ograniczenia stosowania w procesie substancji mogących stanowić potencjalne zagrożenie dla środowiska naturalnego. Dodatkowo warto odnotować niski koszt prowadzenia przebiegu redukcji jonów metali, gdyż proces bazujący na tych metodach nie wymaga zaangażowania wyspecjalizowanego sprzętu laboratoryjnego. Nie bez znaczenia jest również prostota sposobu postępowania; w większości przypadków proces opiera się jedynie na połączeniu substratów. Zastosowanie materiałów biologicznych w celu otrzymywania srebra nanocząsteczkowego stanowi interesującą alternatywę dla metod powszechnie stosowanych. W porównaniu z tradycyjnymi fizycznymi lub chemicznymi sposobami wytwarzania nanosrebra, zielone metody charakteryzują się znacznie większą liczbą korzyści. Ich podstawową zaletą jest brak negatywnego wpływu na środowisko, dzięki czemu są to metody, których idea jest zgodna z zasadami zielonej chemii. Brak konieczności stosowania syntetycznych odczynników sprawia, że koszt prowadzenia procesu jest mniejszy niż w przypadku realizacji tradycyjnych metod. Zaletą jest również łatwość realizacji procesu w skali przemysłowej. Łagodne warunki pracy, tj. ciśnienie atmosferyczne i temperatura nieprzekraczająca 100 C, pozwalają na zaklasyfikowanie tych procesów do grupy metod mało energo- i pracochłonnych. Realizacja zielonych syntez w przypadku stosowania roślin jest bardziej korzystna, gdyż nie ma konieczności przechowywania kultur bakterii w wymaganych przez nie warunkach. Otrzymane w wyniku biologicznych metod nanocząstki srebra mogą być z powodzeniem stosowane we wszystkich dziedzinach, które stanowią potencjalny cel aplikacyjny dla tradycyjnie wytwarzanego nanosrebra. Synteza nanocząstek metalicznych z wykorzystaniem ekstraktów roślinnych ma na celu całkowite wyeliminowanie lub minimalizację wytwarzanych odpadów oraz wdrożenie zrównoważonych procesów poprzez przyjęcie dwunastu podstawowych zasad zielonej chemii. Do redukcji jonów metali coraz częściej wykorzystuje się naturalne ekstrakty roślinne, olejki eteryczne, grzyby lub bakterie. Metody biologiczne są proste, stosunkowo tanie i przyjazne dla środowiska, gdyż bazują na naturalnych substancjach, nie wprowadzając toksycznych związków. Dzięki wykorzystaniu substancji ze źródeł odnawialnych eliminuje się zużycie środków chemicznych niebezpiecznych dla środowiska, takich jak formaldehyd lub borowodorek sodu, które w tradycyjnych metodach są stosowane jako reduktory. Ponadto, naturalne ekstrakty są najczęściej również efektywnymi stabilizatorami, dzięki czemu zostaje zmniejszone zużycie substancji poprzez stosowanie związków o właściwościach jednocześnie stabilizujących i redukujących. Ulegają one także biodegradacji. Nanocząstki srebra coraz częściej otrzymywane są metodą biochemiczną, która polega na redukcji jonów srebra przez reduktory naturalnego pochodzenia (naturalne ekstrakty roślinne otrzymywane m.in. z igieł sosny, trawy 2
cytrynowej, liści aloesu, zielonej herbaty, czarnej herbaty, kauczuku naturalnego, tamaryndowca, komosy białej, geranium lub cynamonu oraz skrobi). Tabela 1. Przykłady ekstraktów roślinnych stosowanych w syntezie nanocząstek srebra Tabela 2. Przykłady ekstraktów roślinnych stosowanych w syntezie nanocząstek złota 3
Na wielkość nanocząstek metalicznych mogą mieć wpływ temperatura oraz ph. Udowodniono, że związki chemiczne, których cząsteczki zawierają grupy karbonylowe, hydroksylowe i aminowe wykazują zdolność do redukcji jonów metali. Preparatyka ekstraktu z roślin polega na rozdrabnianiu materiału roślinnego (liście zielone, łodygi, korzenie, kwiaty, liście suszone, nasiona, skórki). Zmielony materiał poddawany jest procesowi ekstrakcji, a następnie filtracji (Rysunek 2). Rysunek 2. Procedura syntezy nanocząstek metalicznych z wykorzystaniem ekstraktów z roślin, owoców lub warzyw do redukcji jonów metali. Innowacyjną metodą syntezy nanocząstek złota było zastosowanie zielenic. Zielenice są to eukariotyczne, wodne organizmy samożywne, które wykorzystując promienie słoneczne wytwarzają związki organiczne z materii nieorganicznej. Stwierdzono, że jednokomórkowe zielone glony (Chlorella vulgaris) gromadzą różne metale ciężkie, takie jak ołów, kadm, uran, miedź i nikiel. Wykazują one także zdolność do silnego wiązania terachlozłocianu (III), redukując następnie zawarte w nim jony złota do złota metalicznego. Chociaż chemiczne syntezy nanostrukturalnego złota są szybsze i umożliwiają kontrolę kształtu i wielkości otrzymanych nanocząstek, to stosowanie ekstraktu z zielenic jest tańsze i mniej toksyczne, a przede wszystkim umożliwia wykorzystanie tak otrzymanych nanocząstek do zastosowań biomedycznych. Warto również podkreślić, że atutem stosowanego ekstraktu jest jego działanie przeciwnowotworowe. Wykorzystanie środowiska wodnego i materiałów odnawialnych, jakimi są ekstrakty roślinne, prezentuje szeroki wachlarz możliwości dla dalszego rozwoju proekologicznych metod syntezy nanocząstek metali. Rozwój techniki w dzisiejszych czasach wymaga dostępności nowych materiałów, wśród których nanocząstki 4
metaliczne zajmują ważne miejsce, gdyż są pożądane dla wielu zastosowań. Determinuje to potrzebę doskonalenia istniejących i poszukiwania nowych technologii otrzymywania nanocząstek. Najintensywniejsze badania prowadzone są w kierunku użycia tych struktur w medycynie i naukach pokrewnych. Stosowanie nanocząstek metali w terapii przeciwnowotworowej obejmuje dwie strategie działania. Pierwsza to bezpośrednie oddziaływanie nanocząstek z komórkami nowotworowymi, skutkiem czego jest hamowanie rozwoju choroby. Takie właściwości opisano dla nanocząstek srebra, które są inhibitorami aktywności kaspazy-3 i procesu angiogenezy. Druga strategia polega na wykorzystaniu nanocząstek jako nośnika dostarczającego lek bezpośrednio do komórek rakowych. Na Rysunku 3 przedstawiono zdjęcia mikroskopowe nanocząstek srebra otrzymanych metodą redukcji chemicznej oraz z wykorzystaniem ekstraktów roślinnych. a) b Rysunek 3. Zdjęcia mikroskopowe nanocząstek Ag a) po redukcji ekstraktem roślinnym, b) po redukcji NaBH 4. 5
CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest synteza nanocząstek złota i srebra z wykorzystaniem ekstraktów z roślin, owoców i warzyw oraz zbadanie widm UV-Vis. WYKONANIE ĆWICZENIA Przepisy: 1. Otrzymywanie nanocząstek Ag z wykorzystaniem ekstraktu z mięty. a) Przygotowanie ekstraktu z liści mięty Naważyć 5g liści mięty i pokroić na małe kawałki, następnie umyć je wodą destylowaną i wysuszyć. Liście zalać 50 ml wody i wstawić do zagotowania. Całość gotować 5 minut, a następnie liście odsączyć od ekstraktu na sączku. b) Synteza Ag NPs Do redukcji jonów srebra będą wykorzystywane różne ilości ekstraktu z mięty. W tym celu należy naważyć 0.017 g prekursora srebra AgNO 3 i rozpuścić w 100ml wody destylowanej-przygotować trzy takie roztwory. Do każdego z roztworów jonowego srebra należy dodać 5, 15 i 25 ml ekstraktu z mięty. 2. Otrzymywanie nanocząstek Ag z wykorzystaniem ekstraktu z czosnku. a) Przygotowanie ekstraktu z czosnku. Obrać kilka kawałków czosnku z łupiny i przecisnąć je na wyciskarce do czosnku. Odważyć 5g posiekanego czosnku i zalać 40 ml wody destylowanej. Całość dokładnie mieszać przez około 10 minut, a następnie usunąć kawałki czosnku poprzez filtrację na sączku. 6
b) Synteza Ag NPs Naważyć 0.017 g prekursora srebra AgNO 3 i rozpuścić w 50ml wody destylowanejprzygotować trzy takie roztwory. Przygotowany roztwór ekstraktu podzielić na trzy części i ogrzać do temperatury około 20, 40 i 60 C. Do każdego z roztworów jonowego srebra należy dodać 5 ml ekstraktu o różnych temperaturach. 3. Otrzymywanie nanocząstek Au z wykorzystaniem ekstraktu z cebuli c) Przygotowanie ekstraktu z cebuli Obrać celublę, odważyć 10g i pokroić na kawałki. Całość przenieść do moździerza i ubierać aż do uzyskania soku, następnie przenieść wszystko do zlewki i dodać 40 ml wody demineralizowanej i gotować 15 minut. Usunąć kawałki cebuli poprzez filtrację na sączku. d) Synteza Au NPs Naważyć plastikową łyżeczką 0.016 g prekursora złota HAuCl 4 i rozpuścić w 50ml wody destylowanej-przygotować trzy takie roztwory. Przygotowany roztwór ekstraktu podzielić na trzy części i ogrzać do temperatury około 40, 60 i 90 C. Do każdego z roztworów jonowego złota należy dodać 10 ml ekstraktu o różnych temperaturach. 7
4. Otrzymywanie nanocząstek Au z wykorzystaniem ekstraktu z pomarańczy. a) Przygotowanie ekstraktu z pomarańczy Obrać pomarańcz i pokroić na małe kawałki, odważyć 20g i dodać 20 ml wody demineralizowanej. Całość gotować 5 minut jednocześnie mieszając i wyciskając sok. Następnie odsączyć stałe kawałki od ekstraktu na sączku. b) Synteza Au NPs Do redukcji jonów srebra będą wykorzystywane różne ilości ekstraktu. Naważyć plastikową łyżeczką 0.016 g prekursora złota HAuCl 4 i rozpuścić w 50ml wody destylowanej-przygotować trzy takie roztwory. Do każdego z roztworów jonowego złota należy dodać 5, 10 i 15 ml ekstraktu z pomarańczy 5. Otrzymywanie nanocząstek Ag z wykorzystaniem ekstraktu z białej kapusty. c) Przygotowanie ekstraktu z białej kapusty Kapustę białą pokroić na małe kawałki, odważyć 25g i umyć wodą demineralizowaną. Do kapusty dodać 150 ml wody i gotować około 10 minut. Następnie odsączyć stałe kawałki kapusty od ekstraktu na sączku. d) Synteza Ag NPs Naważyć plastikową łyżeczką 0.017 g prekursora srebra AgNO 3 i rozpuścić w 50ml wody destylowanej-przygotować trzy takie roztwory. Przygotowany roztwór ekstraktu podzielić na trzy części i ogrzać do temperatury około 30, 60 i 90 C. Do każdego z roztworów jonowego srebra należy dodać 10 ml ekstraktu o różnych temperaturach. 8
- WZÓR sprawozdania Grupa....... (Imię i Nazwisko) Data.. Nanocząsteczki w medycynie, kosmetologii, biotechnologii i ochronie środowiska Sprawozdanie z ćwiczenia ZASTOSOWANIE EKSTRAKTÓW Z ROŚLIN, OWOCÓW I WARZYW DO SYNTEZY NANOCZĄSTEK METALI Cel ćwiczenia: Krótki opis przebiegu doświadczenia: 9
Widma UV-Vis przed i po redukcji jonów złota lub srebra: Opis widm UV-Vis: Wnioski: 10