Příprava nanočástic stříbra a zlata a jejich vybrané biologické, katalytické a SERS aplikace

Mgr. Petr SUCHOMEL

Doctoral thesis

Abstract:

Na pracovištích katedry fyzikální chemie a RCPTM Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci je dlouhodobě věnována pozornost mimo jiných nanomateriálů taktéž biologické aktivitě nanočástic stříbra. V poslední době je navíc důležitá část výzkumu zaměřena na aplikace nanočástic stříbra a zlata v povrchem zesílené Ramanově spektroskopii (SERS) a v heterogenní katalýze. Těmto výzkumným směrům je věnována tato dizertační práce, která představuje shrnutí vědeckých výsledků dosažených v oblasti přípravy a aplikací nanočástic stříbra a zlata dosažených během mého Ph.D. studia. Hlavním cílem této práce bylo studovat nové metody přípravy nanočástic stříbra a zlata a zároveň ověřit jejich aplikační potenciál v oblastech biologického účinku, katalytických aplikací nebo jako SERS substráty pro analytické aplikace. Vědeckovýzkumná práce související s tematikou Ph.D. studia byla tedy věnována nanočásticím dvou ušlechtilých kovů stříbra a zlata. V případě stříbra byla pozornost zaměřena na nepříliš běžný směr přípravy nanočástic stříbra přes jeho nerozpustnou sloučeninu bromid stříbrný a jeho následnou redukci na nanočástice stříbra. V tomto případě byl studován především vliv různých modifikátorů (polymerů a povrchově aktivních látek) na velikost vznikajících nanočástic bromidu stříbrného a na následnou velikost nanočástic stříbra. U nanočástic bromidu stříbrného a stříbra modifikovaných vybranými polymery byla testována jejich biologická aktivita, kde se jasně projevil různý mechanismus účinku těchto dvou forem stříbra na Gram-negativní a Gram-pozitivní bakterie. U nanočástic stříbra připravených v přítomnosti dalších modifikátorů byl studován jejich aplikační potenciál v heterogenní katalýze, kde se projevila jasná závislost mezi velikostí nanočástic a jejich katalytickými schopnostmi. Následující část výzkumu byla věnována sonochemické přípravě vrstev nanočástic stříbra, vlivu různých reakčních podmínek na vznik vrstev nanočástic a ověření možnosti jejich využití jako substráty pro povrchem zesílenou Ramanovu spektroskopii (SERS). Při přípravě vrstev byla otestována řada redukčních látek a společně se změnami jejich koncentrací a reakčních podmínek, jako byla změna času a sonikace a použití různých reakčních nádob, byla nalezena taková kombinace, která umožnila významně snížit spotřebu stříbra při zachování vysoké hodnoty zesílení Ramanova signálu. Takto připravené vrstvy nanočástic se vyznačovaly výbornou homogenitou a časovou stálostí, což jsou jedny ze základních podmínek reálného použití. Navíc se nalezená metoda ukázala jako velmi dobře reprodukovatelná a v rámci konkurenčních postupů jako nenáchylná na preciznost provedení postupu. Popsaná metoda přípravy byla následně nejen publikována v odborném periodiku, ale též byla v České republice ochráněna udělením užitného vzoru a patentu a v zahraničí bylo zahájeno patentové řízení podáním PCT přihlášky. Druhá část výzkumu v rámci přípravy disertační práce byla zaměřena na inovativní metodu přípravy nanočástic zlata, umožňující jednoduché řízení jejich velikosti přídavkem povrchově aktivní látky Tween 80. Využití této povrchově aktivní látky umožňovalo řídit velikost připravených nanočástic v rozsahu 6-26 nm a navíc výrazně zlepšovalo monodisperzitu připravených disperzí oproti reakčnímu systému bez povrchově aktivní látky. Další výhoda použité povrchově aktivní látky na rozdíl od dříve publikovaných studií spočívá v tom, že její přítomnost v reakčním systému nesnižuje katalytickou aktivitu připravených nanočástic, jak prokázala modelová studie redukc

Abstract:

e 4-nitrofenolu tetrahydridoboritanem sodným. Oproti jiným studiím zaměřeným na tuto modelovou reakci a využívajícím nanočástice zlata se navíc ukazuje, že využití této povrchově aktivní látky zjednodušuje mechanismus průběhu reakce, protože místo obvykle pozorovaného Langmuir-Hinshelwoodova mechanismu heterogenně katalyzované reakce byla v tomto případě pozorována závislost odpovídající mechanismu Eley-Ridealovu.

Abstract:

Department of Physical Chemistry and Regional Centre of Advanced Technologies and Materials at Palacký University Olomouc are among other areas focused on research in the field of preparation and biological activity of silver nanoparticles. However, important part of research is also focused on applications of silver and gold nanoparticles in surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) and heterogeneous catalysis in recent years. This dissertation is therefore devoted to these research areas and presents summary of the results achieved during Ph.D. study. The main objectives of this thesis were to study new methods of preparation of silver and gold nanoparticles and evaluate their application potential in the fields of biological activity, catalysis or as SERS substrates for analytical chemistry Research connected to Ph.D. study was mainly dedicated to two noble metals silver and gold. In the case of silver, the attention was focused on nearly undescribed two step synthesis based on the preparation of silver bromide nanoparticles and their subsequent reduction to silver nanoparticles. The main interest was devoted to the influence of various modifiers (polymers and surfactants) on the size of silver bromide and silver nanoparticles. Silver bromide and silver nanoparticles modified by selected polymers were evaluated for their biological activity, where different action mechanism against Gram-negative and Gram-positive bacteria was observed. Silver nanoparticles prepared in the presence of remaining modifiers were studied for their catalytic activity. Next research was focused on sonochemical preparation of silver layers, influence of different reaction conditions on their formation and validation of their potential use as SERS substrates. There were tested several reducing agents and different reaction conditions, such as changes in sonication time, reaction beaker material, and the best combination, which allowed reduction of silver consumption and preparation of stable silver layers with outstanding characteristics and high Raman signal enhancement, was found. Developed method was moreover well reproducible and really fast compared to commonly used techniques. Described preparation of silver layers was subsequently not only published in impact journal, but moreover it was protected by Czech patent and utility model and it was initiated PCT procedure. The second part of research was dedicated to innovative preparation of gold nanoparticles, which allowed easy size control by adition of various concentration of surfactant Tween 80. It was possible to manage size of prepared gold nanoparticles from 6 up to 26 nm and there was shown, that addition of Tween 80 significantly reduced polydispersity of gold nanoparticles. Tween 80 as modifier did not reduced catalytic activity of prepared gold nanoparticles, which was proved by model reaction based on reduction of 4-nitrophenol by sodium borohydride. Compared to other published studies focused on described model reaction, use of Tween 80 simplified the mechanism of reaction. Instead of ordinary observed Langmuir-Hinshelwood mechanism of heterogeneous catalysis, there was observed Eley-Rideal mechanism of reaction catalyzed by prepared gold nanoparticles.

Keywords

stříbro, zlato, nanočástice, příprava, vrstvy, aplikace, biologická aktivita, katalýza, SERS

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 4. 2017

Thesis defence

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry