UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI Přírodovědecká fakulta Katedra fyzikální chemie

Transkript

1 UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI Přírodovědecká fakulta Katedra fyzikální chemie Studium přípravy částic stříbra redukcí amoniakálního komplexu hydroxylamin-hydrochloridem BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Autor: Studijní program: Studijní obor: Forma studia: Vedoucí práce: Barbora Chládková B1407 Chemie Ekochemie Prezenční RNDr. Aleš Panáček, Ph.D. Olomouc 2012

2 Prohlášení Čestně prohlašuji, že jsem tuto práci vypracovala samostatně a veškeré použité literární prameny jsem uvedla v seznamu použité literatury uvedeném na konci této bakalářské práce. V Olomouci dne.... Barbora Chládková 2

3 Poděkování Ráda bych na tomto místě poděkovala vedoucímu mé bakalářské práce RNDr. Aleši Panáčkovi, PhD. za čas a trpělivost věnovanou nejen vedení této práce, ale také pořizování snímků z elektronového mikroskopu a studentce doktorského studia Mgr. Arianě Fargašové za měření Ramanových spekter. Mé díky patří také mé rodině za podporu při studiu a mým přátelům za veškeré jejich projevené odborné rady a názory. 3

4 Bibliografická identifikace Autor Název práce Typ práce Vedoucí práce Pracoviště Rok obhajoby práce Abstrakt Klíčová slova Barbora Chládková Studium přípravy částic stříbra redukcí amoniakálního komplexu hydroxylamin-hydrochloridem Bakalářská RNDr. Aleš Panáček, Ph.D. Katedra fyzikální chemie, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci, 17. listopadu 12, Olomouc 2012 Bakalářská práce je zaměřena na přípravu koloidních částic stříbra, které byly připravovány redukcí amoniakálního komplexu stříbrných iontů hydroxylamin-hydrochloridem. Byl sledován vliv koncentrace NH 3, ph, a přítomnosti citranu draselného na velikost a tvar vznikajících částic stříbra. Připravené částice byly charakterizovány metodou dynamického rozptylu světla (DLS), UV/VIS absorpčními spektry a snímky z transmisního elektronového mikroskopu (TEM). Následně byla zkoumána aktivita připravených částic v povrchem zesílené Ramanově spektroskopii. částice stříbra, hydroxylamin-hydrochlorid, SERS Počet stran 56 Jazyk Český 4

5 Bibliographic identification Author Title Type of thesis Supervisor Department Year of presentation Abstract Keywords Barbora Chládková Study of preparation of silver particles by reduction of ammonia complex via hydroxylamine hydrochloride Bachelor RNDr. Aleš Panáček, Ph.D. Department of physical chemistry, Faculty of Science, Palacký University Olomouc, 17. listopadu 12, Olomouc 2012 The aim of this work is the preparation of colloidal silver particles synthesized by reduction of silver ammonia complex via hydroxylamine hydrochloride. The impacts of ammonia concentration, ph, and the presence of potassium citrate on the size and shape of silver particles were studied. The prepared particles were characterized by dynamic light scattering (DLS), UV/VIS absorption spectroscopy and transmission electron spectroscopy (TEM). Next, the activity in SERS was studied. silver particles, hydroxylamine hydrochloride, SERS Number of pages 56 Language Czech 5

6 OBSAH ÚVOD... 8 TEORETICKÁ ČÁST Disperzní soustavy Charakteristika disperzních soustav Koloidní soustavy Kinetické vlastnosti koloidních soustav Brownův pohyb Difúze Osmóza Sedimentace Reologické vlastnosti koloidních soustav Viskozita Optické vlastnosti koloidních soustav Absorpce záření Rozptyl záření Měření optických vlastností koloidních soustav Elektrické vlastnosti koloidních soustav Elektrokinetické jevy a elektrická dvojvrstva Modely elektrické dvojvrstvy Stabilita koloidních soustav Teorie DLVO Příprava koloidních soustav Dispergační metody Kondenzační metody Koloidní částice stříbra Příprava koloidních částic stříbra Využití koloidních částic stříbra Antimikrobiální aktivita a toxicita Povrchem zesílená Ramanova spektroskopie (SERS) Další využití a aplikace koloidních částic stříbra

7 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Materiál a metody Chemikálie Experimentální vybavení Pracovní postupy Příprava koloidních částic stříbra redukcí AgNO Příprava koloidních částic stříbra redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] Povrchem zesílená Ramanova spektroskopie Výsledky a diskuse Příprava koloidních částic stříbra redukcí AgNO Příprava koloidních částic stříbra redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + závislost na NH Reakční systém s koncentrací NaOH 1,9 mmol dm Reakční systém s koncentrací NaOH 3,8 mmol dm Shrnutí výsledků Příprava koloidních částic stříbra redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + závislost na ph Reakční systém s koncentrací NH 3 2,4 mmol dm Reakční systém s koncentrací NH 3 4,8 mmol dm Shrnutí výsledků Využití připravených částic v povrchem zesílené Ramanově spektroskopii ZÁVĚR SUMMARY SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

8 Úvod Koloidní chemie zažívá v posledních několika desetiletích svou renesanci. Nicméně již staří Římané využívali pozitivních vlastností iontového stříbra, když ve stříbrných nádobách uchovávali vodu a víno. Ještě dříve Číňané čerpali užitek koloidní chemie při psaní tuší (koloidní disperzí uhelných sazí ve vodě). První zaznamenané medicínské využití stříbrných sloučenin se datuje do roku 1881, kdy porodník Carl S. F. Crede využil roztoku dusičnanu stříbrného jako očních kapek. Když byl po roce 1940 představen světu penicilin, stříbro na poli medicíny téměř upadlo v zapomnění. Až dnes, s rozvojem mnoha průmyslových technologií, je bádání v oblasti koloidní chemie intenzivní a stává se jedním z velmi diskutovaných témat v oblasti popularizace vědy. 1 Studium přípravy a vlastností kovových koloidních částic je z důvodu jejich unikátních vlastností intenzivně zkoumáno. V rámci nanomateriálů je právě nanočásticím stříbra věnována největší pozornost pro jejich antimikrobiální a katalytické vlastnosti, biosenzorické aplikace a v neposlední řadě aplikace v povrchem zesílené Ramanovy spektroskopie (SERS), kde disponují vlastností zesílení povrchu Ramanova signálu. V SERS má podstatnou roli velikost a tvar nanočástic stříbra, které se zde používají jako podklad při detekci individuálních molekul. Částice stříbra používané v SERS lze připravit např. chemickou redukcí a laserovou ablací. Způsob přípravy částic stříbra pro SERS se odvíjí od následného provedení SERS experimentu výběr vlnové délky excitace, chemická povaha studované molekuly a další. 2-4 Cílem této bakalářské práce je studium přípravy stříbrných částic redukcí amoniakálního komplexu stříbrných iontů hydroxylamin-hydrochloridem při různé konečné koncentraci amoniaku, různém ph a přítomnosti citranu draselného. Tyto faktory mají vliv na velikost a tvar připravovaných částic. Další zkoumanou vlastností u takto připravovaných částic je jejich aktivita v povrchem zesílené Ramanově spektroskopii. 8

9 Teoretická část 1 Disperzní soustavy Disperzní soustava neboli disperze je tvořena disperzním prostředím a disperzním podílem, který je v tomto prostředí rozptýlen. Disperzní podíl může společně s disperzním prostředím náležet do jedné fáze, potom nazýváme takovou soustavu homogenní. Pokud je disperzní soustava tvořena dvěma fázemi, označujeme ji jako heterogenní. 5 Chování disperzního systému je ovlivňováno mnoha faktory. Mezi takové patří například již zmíněný počet fází v soustavě, skupenství disperzního prostředí a podílu, velikost a tvar částic disperzního podílu, jejich vzájemná interakce, stejně jako interakce částic a disperzního prostředí Charakteristika disperzních soustav Disperze jsou klasifikovány na základě tvaru a velikosti disperzních částic. Izometrické částice mají své tři prostorové rozměry téměř totožné. Soustavy s takovými částicemi se nazývají globulárně disperzní. U částic anizometrických dominuje jeden rozměr (tvar tyčinek či vláken), nebo dva rozměry (tvar destiček či lamel). Anizometrické částice se nacházejí v soustavách fibrilárně disperzních (tvar tyčinek či vláken) a laminárně disperzních (tvar destiček nebo lamel). Pokud mají všechny částice stejnou velikost, nazýváme takový systém monodisperzní. Polydisperzní systém obsahuje částice s různou velikostí. Převrácená hodnota velikosti částic se nazývá stupeň disperzity. 5 Disperze s největším stupněm disperzity se nazývají analytické disperze. Tento systém obsahuje částice o velikosti do 10-9 m. Hrubé disperze mají naopak stupeň disperzity malý a částice mají velikost od 10-6 m. Dle velikosti částic v hrubých disperzích se tyto ještě dále dělí na makrodisperzní (< 10-5 ) a mikrodisperzní ( m). Mezi těmito dvěma druhy zaujímají své místo koloidní disperze ( m). 5, 6 2 Koloidní soustavy Některé koloidní soustavy lze také označit jako soly. Pokud je disperzní prostředí těchto solů plynné, značí to předpona aero (aero = vzduch). Soly s předponou lyo (lyos = rozpouštědlo) 9

10 mají kapalné disperzní prostředí. Koloidní disperze s kapalným prostředím a pevným podílem se nazývají lyosoly. 7 Lyosoly lze dále rozdělit do tří skupin podle vlastností fázového rozhraní. Disperze, ve kterých se disperzní podíl spolu s disperzním prostředím nacházejí ve dvou fázích, nazýváme lyofobní. Tyto disperze nevznikají samovolně a jsou termodynamicky nestálé. Nejsou-li tyto koloidní disperze stabilizovány, koagulují. Po koagulaci není možné vrátit lyofobní koloidy nazpět do koloidní formy. Naopak lyofilní koloidy jsou ty, jejichž disperzní podíl je samovolně rozpuštěn v disperzním prostředí. Tyto koloidy jsou termodynamicky stálé a rozpuštěný disperzní podíl v disperzním prostředí společně tvoří jednu fázi. Lyofilní koloidy jsou schopny samostatného vzniku a po destabilizaci je možné tyto koloidy vrátit nazpět do koloidní formy. Často jsou lyofilní koloidy využívány jako tzv. ochranné koloidy stabilizátory lyofobních koloidů. Poslední skupinou lyosolů jsou asociativní koloidy vznikající samovolným spojováním amfifilních molekul v částice koloidní velikosti. 6, Kinetické vlastnosti koloidních soustav Brownův pohyb Pohyb koloidních částic pozorovatelný v mikroskopu a ultramikroskopu poprvé pozoroval skotský přírodovědec Robert Brown (1827) Brownův pohyb. Do těchto částic narážejí molekuly disperzního prostředí, a částice se tak pohybují všemi směry (nestejný počet nárazů z různých směrů). S rostoucí teplotou se tento pohyb zintenzivňuje, jeho intenzita ale klesá s rostoucí velikostí částic disperzního podílu. 5, Difúze Důsledkem Brownova pohybu je difúze děj, při kterém dochází ke spontánnímu vyrovnávání koncentrací v soustavě. K tomuto vyrovnávání dochází vždy ve směru z okolí o koncentraci vyšší do okolí o koncentraci nižší. Difúze probíhá do ustavení rovnováhy v soustavě. 6 10

11 Difúze je charakterizována 1. Fickovým zákonem: = kde je vyjádřením difúzního toku, je difúzní koeficient a je koncentrační gradient Osmóza Pokud je systém předělen polopropustnou (semipermeabilní) membránou, proces vyrovnávání koncentrací se nazývá osmóza. Při osmóze prochází membránou pouze molekuly disperzního prostředí roztoku o nižší koncentraci (rozpouštědla) do roztoku o vyšší koncentraci. Stejně jako klesá intenzita Brownova pohybu s rostoucí velikostí částic disperzního podílu, tak klesá rychlost difúze i osmózy. 6 Intenzitu osmózy vyjadřuje osmotický tlak. Velikost osmotického tlaku lze vyjádřit van t Hoffovou rovnicí: = = kde je označením pro osmotický tlak, je molární koncentrace, je univerzální plynová konstanta a je termodynamická teplota Sedimentace Na koloidní disperze působí silové pole (gravitační či odstředivé) a toto působení má za následek pohyb disperzních částic. Při pohybu dochází k usazování částic a takovýto děj se nazývá sedimentace. 5 Sedimentace částic nastává působením gravitační síly, ale na částici v disperzi taktéž působí síla vztlaková a viskozitní odpor!". Vzájemné silové působení lze vyjádřit vztahem: = +!" Ze vztahu lze vyjádřit rychlost sedimentace disperzní částice, na kterou působí gravitační pole:!" = 6%&' = 4* 3 & +,, -./ 11

12 ' = 2& +,, -./ 9% kde rychlost sedimentace je ', poloměr disperzní částice je &, hustota částic disperze je,, hustota disperzního prostředí je, -, gravitační zrychlení je / a % je dynamická viskozita disperzního prostředí. Ze vzorce pro rychlost sedimentace částic vyplývá, že rychlost roste přímo úměrně se čtvercem poloměru částice. 7 vztah: je Pokud probíhá sedimentace při působení síly odstředivé (např. v centrifuze), platí pro ni 3"ř = 5 hmotností částice, 5 úhlovou rychlostí a je vzdáleností od osy otáčení. V centrifuze nepůsobí pouze síla odstředivá, ale každá částice má také svůj viskozitní odpor. V případě, že se velikosti 3"ř a!" rovnají, pro rychlost částice pohybující se v odstředivém poli platí vztah: ' = 2& +,, -.5 9% kde ' je rychlost částice a & je poloměr disperzní částice Reologické vlastnosti koloidních soustav Odvětví zabývající se působením vnějších mechanických sil na tok a deformaci hmoty se nazývá reologie. Toto chování hmoty lze rozdělit do tří typů dle doby setrvání deformace. 5 Vlivem vnějších mechanických sil dojde k deformaci, která vymizí po odstranění silového působení a hmota se vrátí do původního stavu. Takové chování se nazývá elastické. V případě, že způsobená deformace přetrvává i po odstranění silového působení, hmota se do původního stavu nevrátí a toto chování je nazýváno viskozní. Třetím typem je chování viskoelastické, kdy je odezva deformované hmoty podmíněna dobou trvání tohoto silového působení Viskozita Pohyb kapaliny zapříčiněný působením sil se nazývá proudění. Důsledkem proudění kapaliny je pohyb všech částic v ní po směru proudění. Všechny částice mají vlastní rychlost a směr, jež se může měnit v závislosti na čase a místě. Viskozita kapalin je popsána 12

13 Newtonovým zákonem viskozního toku: = %6 ' kde % je dynamický viskozní koeficient, jinak nazývaný dynamická viskozita, 6 je plocha kapalné vrstvy, zatěžovaná silou F a je gradient rychlosti. Dynamická viskozita % je veličina popisující vnitřní tření v kapalinách. Převrácená dynamická viskozita se nazývá fluidita. 7 Důsledkem obsahu relativně velkých disperzních částic v disperzním systému je zvýšení viskozity systému oproti viskozitě disperzního prostředí. Pro vyjádření viskozity disperzního systému se používá jiných veličin: - relativní viskozita (poměr viskozity systému a viskozity čistého prostředí) - inkrement relativní viskozity % 7 = % % - - redukovaná viskozita %! = % % 8 % 8 = % 7 1 % 7: = %! kde je hmotnostní koncentrace podílu disperzního systému v /. 6 Vztah mezi viskozitou a koncentrací disperzního podílu odvodil Einstein: % = % ,5=. tento vztah platí pouze pro kulovité částice bez společných interakcí a = je objemový zlomek disperzního podílu. 5 V koloidním systému s makromolekulárními částicemi je možno určit relativní molekulovou hmotnost těchto částic z viskozitního měření. K tomuto se využívá vztahu Markova-Houwinkova: % = >+ 7:.? kde % je limitní viskozitní číslo, > jsou konstanty příznačné pro dvojici polymerrozpouštědlo a 7: je relativní molekulová hmotnost polymeru. 5 13

14 Reologické vlastnosti koloidního systému jsou mnohdy závislé na čase jeho vystavení účinkům vnější síly. Pokud je na koloidní systém o vysoké viskozitě působeno vnější silou a toto působení vyvolá snížení viskozity za určitý časový interval, a následně dochází ke zpětnému zvýšení viskozity systému, na který vnější síly více nepůsobí, je tento jev nazýván tixotropie. Obrácený jev je nazýván reopexie Optické vlastnosti koloidních soustav Velikost koloidních částic, elektrická vodivost a další fyzikální vlastnosti koloidních částic ovlivňují jejich optické vlastnosti. Pokud koloidní soustavou prochází světelný paprsek, jeho intenzita se po průchodu zmenšuje důsledkem pravé absorpce a rozptylu světla na koloidních částicích Absorpce záření Při absorpci elektromagnetického záření koloidní soustavou dochází ke zvýšení vnitřní energie molekul soustavy a k přeměně části absorbovaného záření na teplo Absorpce elektromagnetického záření (světla) je popsána Lambert-Beerovým zákonem: A = log E E 8 = F kde A je hodnota absorbance, E je intenzita prošlého záření, E - je intenzita dopadajícího záření, F je absorpční koeficient, je její koncentrace a je tloušťka vrstvy soustavy, kterou paprsek prochází Rozptyl záření Při rozptylu záření nedochází ke zvýšení vnitřní energie molekul soustavy pohlcením kvanta záření, ale pohlcené záření je vyzářeno nahodile všemi směry, aniž by se měnila vlnová délka záření. Pozorovat rozptyl záření je možno, pokud je splněna podmínka G &, kde G je vlnová délka záření a & je poloměr koloidní částice v soustavě. 8 V 17. století byl rozptyl světla v disperzní soustavě do tvaru paprsku pozorován britským fyzikem Johnem Tyndallem, podle něhož byl také pojmenován Tyndallův jev. Výrazem obdobným Lambert-Beerovu lze kvantitativně popsat rozptyl záření v soustavě: log E E 8 = I 14

15 kde I je turbidita koloidní soustavy. soustavy. M Míra úhrnné energie, která se rozptýlí na všechny strany od svě světelného telného paprsku, který projde vrstvou suspenze o jednotkové tloušť tlouš tloušťce,, je turbidita. turbidita Velikost tur turbidity bidity závisí na optických vlastnostech koloidní soustavy, na vlnové délce dopadajícího elektromagnetického záření zá ení a na stupni disperzity. 5, 7 Roku 1871 teoreticky popsal Lord Rayleigh rozptyl světla sv svě na částicích ásticích koloidních velikostí. Rayleigho teorie platí platí jenom pro malé kulovité částice nedisponující vlastní absorpcí zá záření, ření, ení, jež od sebe zaujímají dostate dostatečnou čnou vzdálenost, a říká: E J 16 O L M = L M E- N & GO 4 F- kde J je polarizabilita částice, F- je permitivita vakua a & je vzdálenost od detektoru Měření ěření ení optických vlastností koloidních soustav Měření ěření ení rozptylu zá záření ření ení lze uplatnit pro zjišt zjištění ění ní velikosti disperzních částic nebo koncentrace koncentrac disperzního podílu. Schopnost koloidní soustavy rozp rozptylovat tylovat záření zářření ení je využívána ppři př nefelometrii a zeslabení primárního primárního elektromagnetického záření zá při př průchodu ůchodu chodu danou disperzní soustavou m měří turbidimetrie. turbidimetrie Měření ěření ení turbidimetrie lze provádět provád prováděě běžným ěžným žným spektrofotometrem. 9 Nefelometrie měří ěříí intenzitu rozptýleného elektromagnetického zář zá záření v úhlu 90 a pro vyjádř vyjádření ení turbidity turbidity se využívá vztahu: I kde K K- je Rayleighův Rayleigh v poměr, pomě, což je velič veličina čina vyjadřující vyjadřřující ující hodnoty získané m měřením ěřením rozptylu nefelometricky elometricky pod úhlem 90 (Obr. 1) 1). 7, 9 Obr. 1 - Schéma experimentálního uspo uspořádání řádání měření měření nefelometrie nefelometrie a turbidimetrie 5 V případ případě, ě,, že jako zdroj světla svě sv tla použijeme zdroj koherentního záření zá ření (např (např. ř. laser), v určitých směrech ěrech rech nastává in interference terference rozptýleného zá záření. ření. ení. Difúzí je rozptýlené zář zá záření ření ovlivňováno ovlivň a intenzita rozptýleného zá záření ření ení osciluje okolo pr průmě ůměrné rné hodnoty intenzity. Tento jev se nazývá 15

16 dynamický rozptyl světla (DLS Dynamic Light Scattering).. Z průběhu oscilace intenzity rozptýleného záření je možno měřit rychlost pohybu disperzní částice a z této rychlosti se dá stanovit velikost částice rozptylující záření. Metoda měření pomocí p dynamického rozptylu světla se často využívá právě pro určení velikosti koloidních částic. 8 Již výše zmíněného Tyndallova jevu využívá další z metod zkoumání koloidních soustav ultramikroskopie (Obr. 2). Tato metoda nepřímo zkoumá koloidní částicee a je založena na principu pozorování záření rozptýleného jednotlivými koloidními částicemi. Při pozorování částic pomocí ultramikrosk kopu se zorné pole jevíí jako tmavéé a pozorované částice na něm jako světlé objekty.. 5 Obr. 2 - Ultramikroskop schéma průchodu paprsků Při pozorování kovových solů lze při zachování speciálních podmínek p pozorovat částice větší než 2 nm. V solech nekovových je možno pozorovat částice větší v než 200 nm, a to z důvodu rozdílu mezi indexem lomu disperzního podílu a indexem lomu disperzního prostředí, který je menší než u kovových solů. 9 Pro pozorování ještě menších koloidních částic lze využít elektronové mikroskopie. Při této metodě se využívá paprsku rychlee letících elektronů. Elektrony zesilují rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu, rozptylují se na pozorovaném předmětu a ten je tímto způsobem přímo viditelný. Elektronová mikroskopie umožňuje při pozorování předmětů také jejich fotografování a pořízené snímkyy se dají dále zvětšovat. Lze pozorovat objekty o velikosti do 10 pm. Právě z důvodu použití elektronového paprsku si tatoto metoda klade velmi vysoké nároky na obsluhu, například udržování vysokého vakua a příprava vzorku na speciální podkladový materiál. Pro svéé vysoké rozlišovací schopnosti je e tato metoda stále více používána. 9 ů 5 16

17 2.4 Elektrické vlastnosti koloidních soustav Koloidní soustavy tvořené tuhým disperzním podílem a kapalným disperzním prostředím mohou vykazovat určité elektrické vlastnosti. Elektrické vlastnosti koloidních soustav významně ovlivňují jejich stabilitu a také hrají důležitou roli v chování nabitých koloidních částic v elektrickém poli. 9, Elektrokinetické jevy a elektrická dvojvrstva Při studiu zákonů elektrolýzy zaznamenal ruský vědec F. F. Rejss fakt, že dochází k transferu kapaliny z anodového prostoru do katodového při procházení elektrického proudu danou soustavou. Tento úkaz byl pojmenován jako elektroosmóza. Obráceným jevem k elektroosmóze je elektroforéza pohyb částic disperzního podílu v elektrickém poli. U obou těchto jevů dochází k přesunu disperzního prostředí či podílu v důsledku působení elektrického pole. 9, 10 Později byly objeveny dva jevy opačné k elektroosmóze a elektroforéze. U obou těchto jevů vzniká elektrické pole jako důsledek transferu disperzního prostředí či podílu vlivem vnějších mechanických sil. Pokud kapalina protéká přes porézní přepážku, oddělující od sebe prostor dvou elektrod, a vzniká přitom elektrický proud, jedná se o jev zvaný potenciál proudění (průtokový proud) opačný jev k elektroosmóze. Roku 1878 objevil Dorn sedimentační potenciál (proud) - jev, při kterém vzniká elektrický proud v důsledku sedimentace částic v kapalině, také nazván po svém objeviteli Dornův efekt. Je to jev opačný k elektroforéze. 9, 10 Tyto čtyři uvedené jevy nesou společný název elektrokinetické jevy a jsou velmi citlivé na výskyt elektrolytů v disperzním prostředí. Ty většinou snižují sílu elektrokinetických jevů. Přídavek elektrolytu způsobí změnu směru proudu nebo změnu znaménka náboje povrchu (přepólování povrchu). V souvislosti s elektrokinetickými jevy a s jejich chováním v elektrolytech představil německý vědec Helmholtz model prostorové distribuce nábojů na rozmezí pevné a kapalné fáze. 10, Modely elektrické dvojvrstvy Helmholtzova dvojvrstva. Podle Helmholtzova modelu si lze distribuci nábojů u povrchu představit jako elektrickou dvojvrstvu, kdy jedna vrstva je tvořena náboji v povrchu fáze 17

18 pevné a druhá se vytvoří z iontů fáze kapalné. Mezi těmito protikladně nabitými vrstvami je dle Helmholtze konstantní vzdálenost, která zapříčiňuje náhlý skok potenciálu mezi pevnou a kapalnou fází. 11 Gouyova dvojvrstva. Po důkladnějším zkoumání zjistili L. Gouy a D. L. Chapman fakt, že vzdálenost mezi vrstvami není konstantní a zasahuje dále do roztoku. Tento typ dvojvrstvy se také nazývá difúzní. V tomto systému působí společně s elektrostatickými silami, které tvoří typickou Helmholtzovu dvojvrstvu, tepelný pohyb molekul, který má naopak snahu ionty stejnoměrně rozptýlit v celém objemu roztoku. Následkem těchto sil není potenciálový skok náhlý, ale plynule klesá směrem do roztoku. 11 Sternova dvojvrstva. Představu Helmholze a Gouye spojil Stern a nejlépe tak popsal elektrickou dvojvrstvu teorií dvou vrstev náboje kapalné fáze vyrovnávajících náboj pevné fáze. Sternova první vrstva kapalné fáze je poutána k pevné fázi elektrostatickými a adsorpčními silami. Společně s ionty pevné fáze tvoří tyto dvě části jednu soudržnou nepohyblivou vrstvu - náhlý skok potenciálu mezi pevnou a kapalnou fází. Zbylý náboj je vyrovnáván druhou pohyblivou vrstvou, která tvoří důsledkem tepelného pohybu molekul difúzní část potenciál plynule klesá směrem do roztoku. Místo styku nepohyblivé a pohyblivé vrstvy kapalné fáze se nazývá pohybové rozhraní (Obr. 3). Potenciál částice v pohybovém rozhraní zodpovídá za interakci částice s vnějším elektrickým polem nazývá se ζ-potenciál. Velikost ζ-potenciálu je ovlivňována iontovou silou roztoku a řadou dalších faktorů, zároveň jeho velikost ovlivňuje stabilitu koloidních částic. 7, 9, 11 Obr. 3 - Elektrické dvojvrstvy Helmholtzova (a), Gouyova (b) a Sternova (c) 12 18

19 2.5 Stabilita koloidních soustav Schopnost soustavy odolávat průběhu dějů, které by měly za následek změnu jejich vlastností, např. antibakteriální aktivity, se nazývá stabilita koloidní soustavy. Existují dva typy stability kinetická a agregátní. Pojmem kinetická stabilita rozumíme vlastnost, s jakou soustava udržuje koncentraci částic disperzního podílu v gravitačním poli. Agregátní stabilita je stálost, s jakou soustava udržuje vlastní stupeň disperzity. Soustava s velkými částicemi sedimentuje je kineticky nestabilní. Čím menší je velikost částic disperzního podílu a čím větší je jejich koncentrace, tím více disponuje soustava agregátní nestabilitou. Agregátní stabilita závisí na skladbě disperzního prostředí, lze ji tedy měnit zavedením objemů různých elektrolytů do koloidní soustavy. 5, 9 Částice disperzního podílu disponují velkým povrchem, a proto má koloidní soustava velkou povrchovou energii. Soustava se octne ve stavu s nižší než původní povrchovou energií, když zdolá energetickou bariéru. Energie k tomu potřebná se nazývá aktivační energie. Čím větší energetickou bariéru soustava má, tím více je zamezeno spojování částic disperzního podílu, poklesu povrchové energie a soustava je stabilní. 7 Převládají-li v soustavě mezi molekulami přitažlivé síly, vzdálenost částic se zmenšuje a částice se sdružují. Sdružené částice nelze navrátit zpět do jejich původní koloidní formy. Vzniklé útvary se nazývají koaguláty a vznikají při procesu zvaném koagulace. V případě, že mezi molekulami převládají síly odpudivé nad přitažlivými, je soustava stabilní. Se vzrůstající vzdáleností částic velikost přitažlivých a odpudivých sil klesá a částice se sdružují v útvary flokuláty. Tento proces se nazývá flokulace. Sdružené částice je možné od sebe oddělit zpět do jejich původní koloidní formy. Koagulaci a flokulaci částic lze obecně nazvat agregací vzniklé útvary potom jako agregáty. 5, Teorie DLVO Koloidní soustavu, která je stabilizovaná elektrickou dvojvrstvou (elektrostaticky stabilizovaná), lze destabilizovat přidáním elektrolytu. Tento proces nezávisle na sobě zkoumali vědci Derjagin, Landau, Verwey a Overbeek (DLVO). DLVO teorie říká, že přídavek elektrolytu vede ke snížení velikosti ζ-potenciálu. To vede ke snížení odpudivých sil mezi disperzními částicemi a ty se k sobě přibližují, spojují a vznikají agregáty. Aby došlo k agregaci částic, je nutno překonat koagulační práh Q, tedy přesáhnout 19

20 minimální koncentraci elektrolytu v koloidní soustavě. Určitá koncentrace elektrolytu je zapotřebí, aby byla překonána energetická bariéra tvořená elektrickou dvojvrstvou. Právě elektrická dvojvrstva brání částicím před agregací působením přitažlivých sil molekul. 2.6 Příprava koloidních soustav Koloidní soustavy s tuhým disperzním podílem a kapalným disperzním prostředím (lyosoly) je možné získat dvěma postupy podle způsobu jejich přípravy. Postupy přípravy lyosolů rozdělil Svedberg do dvou metod, a to na metody dispergační (disperzní) a kondenzační. Metoda dispergační je založena na principu přípravy koloidních částic z částic makroskopických působením vnější síly. Kondenzační metodou jsou připravovány koloidní soustavy z analytických disperzí Dispergační metody 9, 13 Koloidní soustavy vznikají při působení vnějších sil, často mechanických. Makroskopické částice lze rozmělňovat např. mletím nebo ultrazvukem. K mletí makroskopické soustavy se využívá kulových mlýnů, přitom ale dochází ke znečištění vznikajících částic materiálem mlecích koulí. Ultrazvukové rozmělňování podněcuje v látkách pravidelné stlačování a rozpínání, což má za následek rozpad makroskopických částic na menší díly o koloidních rozměrech. 5 Dnes se převážně využívá metod dispergace laserovou ablací a elektrickým obloukem. Laserová ablace využívá laserového rozrušení materiálu. Tato metoda je jednoduchá a nedochází při ní ke znečištění vznikajících částic. Elektrický oblouk pracuje na principu elektrického rozprašování (odtrhávání) při využití vysokofrekvenčních výbojů. Touto metodou lze získat lyosoly kovů a slitin Kondenzační metody Připravit koloidní soustavy kondenzačními metodami je možné buď fyzikálně, nebo chemicky. Lze ovlivnit i stupeň disperzity a to buď rychlostí vzniku zárodků, nebo rychlostí jejich růstu. 5, 7 Fyzikální kondenzační metoda využívá změnu složení rozpouštědla, kdy je dosaženo kondenzace látky a vzniku částic koloidní velikosti. Chemická metoda kondenzace je v dnešní 9, 10 20

21 době hojně využívána a lze tak připravit řadu různých koloidních soustav. Lze využít mnoho typů chemických reakcí, od srážecích přes výměnné až po redukční Koloidní částice stříbra Koloidní částice stříbra jsou pro svou relativně snadnou přípravu a své vlastnosti, např. elektrochemické, katalytické, magnetické a optické, intenzivně zkoumány. Všechny vlastnosti koloidních částic stříbra závisí na velikosti a tvaru těchto částic. Od vlastností připravených částic se poté odvíjí způsob jejich využití a aplikace v dalších vědních disciplínách. 2 Pokud nejsou koloidní částice stříbra stabilizovány, dochází k jejich agregaci. Tak ztrácí své unikátní vlastnosti a je znemožněno jejich využití. Pro stabilizaci těchto částic jsou využívány různé makromolekulární a povrchově aktivní látky Příprava koloidních částic stříbra Obecně je příprava koloidních soustav popsána výše. Mnoho z těchto způsobů přípravy je využíváno právě při přípravě koloidních částic stříbra. Příprava koloidních částic stříbra pomocí laserové ablace je jednou z metod příprav vhodných pro použití v SERS. Touto metodou se získávají chemicky čisté částice o velikosti jednotek nanometrů do 30-40nm. Vlastností ultrazvuku lze využít v roztoku stříbrných solí při přípravě částic o průměrné velikosti 13 nm. Částice o průměrné velikosti 7 nm lze připravit redukcí působením γ nebo UV záření. 2 Borohydridová metoda. Vodný roztok dusičnanu stříbrného je redukován silným redukčním činidlem tetrahydroboritamen sodným. Jako první popsali tuto metodu Creighton, Bletchford a Albrecht a dodnes je hojně využívána Touto metodou nevznikají chemicky čisté částice, jelikož dochází k adsorpci boritanu na povrch částic. 15 Citrátová metoda. Další dnes již klasickou metodou přípravy částic stříbra je redukce dusičnanu stříbrného citrátem sodným, kterou navrhli Lee a Meisel. Takto připravovanou soustavu je nutno téměř 60 min vařit. Citrátový anion má kromě redukčních účinků v tomto systému také účinky stabilizační. Částice jsou tak stabilizovány již při jejich vzniku a jsou velmi vhodné pro použití v SERS

22 Tollensova metoda. Tato metoda využívá sacharidů jako redukčních látek. Při této jednostupňové syntéze je kation A/+RS. T redukován sacharidem. Syntéza probíhá v alkalickém prostředí. Výsledné částice nabývají velikostí v rozmezí nm. Na rozdíl od citrátové metody probíhá metoda Tollensova za laboratorní teploty a redukce trvá v průměru 5 minut. 17, 18 Redukční látkou využívanou pro přípravu koloidních částic stříbra je také hydrazin. Velikost takto připravených stabilizovaných částic se zvětšuje se vzrůstající finální koncentrací hydrazinu. Zásadním způsobem se mění také optické vlastnosti systému. Při nejnižším přídavku hydrazinu má koloid červenooranžové zbarvení. S dalšími přídavky hydrazinu se zbarvení mění z červenooranžového přes zelené až po šedé při nejvyšším přídavku hydrazinu. 19 Redukce dusičnanu stříbrného hydroxylamin-hydrochloridem za laboratorní teploty byla popsána roku 2003 vědci Leopoldem a Lendlem. V závislosti na přídavcích dusičnanu stříbrného a hydroxylamin-hydrochloridu do reakčního systému se mění velikost částic. Připravené částice dosahují průměrných velikostí od 23 do 67 nm a kulovitých tvarů. Při této přípravě je nutno udržovat zásadité ph, kterého se docílí přídavky NaOH. Pro svou jednoduchost je metoda přípravy koloidních částic stříbra za použití redukční látky hydroxylamin-hydrochloridu perspektivní pro řadu aplikací ve fyzikální a analytické chemii Využití koloidních částic stříbra Antimikrobiální aktivita a toxicita Stříbro pro své antimikrobiální účinky využívaly mnohé civilizace již před tisíci lety. Právě pro tyto účinky se nanostříbro začalo intenzivně studovat. Výzkumy prokázaly jeho antimikrobiální aktivitu a v dnešní době je volně prodejné široké spektrum komerčních výrobků obsahujících koloidní částice stříbra. Byla dokázána antimikrobiální aktivita proti široké škále bakterií, jako např. E. Coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus a Enterococcus faecium. 18 Bohužel se stále progresivnějším výzkumem se potvrdily také toxické účinky koloidního stříbra. Toxicita byla sledována a prokázána např. u bezobratlých a ryb

23 3.2.2 Povrchem zesílená Ramanova spektroskopie (SERS) Povrchem zesílená Ramanova spektroskopie je citlivá analytická metoda, umožňující detekci látek o koncentraci piko až femto-molů na litr. Velkým úspěchem je detekce jediné molekuly v analytu pomocí SERS. Výhodou SERS je potřeba malého množství zkoumané látky a její průběžný přívod bezprostředně pod laserový paprsek. Disciplína povrchem zesílené spektroskopie dále pojímá například povrchem zesílenou rezonanční Ramanovu spektroskopii (SERRS) nebo hrotem zesílenou Ramanovu spektroskopii (TERS). Materiály disponující zdrsněným kovovým povrchem nebo ty o velikosti nanometrů vykazují povrchové zesílení Ramanova signálu více než 10 7 krát. Bylo zjištěno, že právě vzácné kovy jsou vhodné pro použití v SERS a nejvíce využívaným kovem je stříbro. Pouze zlomek koloidních částic stříbra vykazuje vysokou účinnost zesílení Ramanova signálu. Tyto částice se nazývají hot particles a jejich faktor zesílení dosahuje hodnot až a závisí na tvaru a velikosti částic. Tento obrovský faktor zesílení umožňuje detekci jediné molekuly naadsorbované na jedné koloidní částici stříbra. Velikost hot particles se pohybuje v průměru mezi nm. 2, 23 Povrchové zesílení je dáno dvěma příspěvky chemickým a elektromagnetickým. V SERS je povrchové zesílení dáno elektromagnetickým příspěvkem, který souvisí s existencí povrchového plasmonu. Chemický příspěvek souvisí s transferem náboje mezi kovovým povrchem a na něm naadsorbovanou molekulou a je možné jej pozorovat v SERS jako tzv. rezonanční zesílení. Pokud je povrchové zesílení dáno oběma příspěvky současně, chemickým i elektromagnetickým, je tento případ nazýván jako povrchem zesílená rezonanční Ramanova spektroskopie (SERRS). 23 Nejčastěji používané koloidy stříbra pro SERS jsou ty, připravované redukcí dusičnanu stříbrného citrátem sodným (metoda Leeho a Meisela) nebo borohydridem sodným. Obě metody nejsou z nejsnadnějších, co se týká přípravy částic stříbra. Naopak metoda popsaná Leopoldem a Lendlem je snadná a její výhodou je syntéza probíhající za laboratorní teploty. Výsledky dokázaly, že hodnoty zesílení povrchu Ramanova signálu částicemi stříbra připravenými metodou Leopolda a Lendla jsou téměř totožné s hodnotami, jež lze získat použitím částic připravených metodou Leeho a Meisela. 20 2, 22 23

24 3.2.3 Další využití a aplikace koloidních částic stříbra Pro svůj velký povrch a velkou povrchovou energii jsou koloidní disperze stříbra často využívány jako katalyzátory s oxidačními vlastnostmi. Katalytické vlastnosti částic závisí na jejich velikosti. Koloidní částice disponují také redukčními katalytickými vlastnostmi, např. při redukci některých organických barviv. 2, 17 Optické vlastnosti koloidních částic se uplatňují v senzorice. Pro výzkum v environmentální oblasti a biologických systémů se uplatňují biosenzory i nanobiosenzory. V mikrobiologii lze využít stříbrných částic upravených barvivy, která jsou stanovitelná v SERS. 17, 23 V informačních technologiích a elektronice lze využít stříbrných nanodrátků, které jsou pokryty vrstvou SiO 2, ideálních pro sestavení mikroelektronických obvodů. Barevná holografie nebo uchovávání dat na optické bázi, to jsou další z mnoha možností využití nanočástic stříbra

25 Experimentální část 4 Materiál a metody 4.1 Chemikálie V této práci byly k přípravě koloidních částic stříbra použity následující chemikálie: dusičnan stříbrný (Fagron), amoniak (vodný roztok, 28,0 30,0 %, Sigma-Aldrich), citran draselný (Lachema), hydroxid sodný (p.a., Lach-Ner). K redukci amoniakálního komplexu stříbra byla použita redukční látka hydroxylamin-hydrochlorid (99 %, Sigma-Aldrich). K ředění a doplňování objemů roztoků byla vždy používána destilovaná voda. 4.2 Experimentální vybavení Měření hodnoty ph bylo prováděno ph metrem Eutech ph 2700 (Eutech Instruments). Metodou dynamického rozptylu světla byla měřena velikost částic přístrojem 90 Plus Particle Analyser (Brookhaven Instruments Co.). Veškerá níže uvedená absorpční spektra byla měřena spektrofotometrem Specord S 600 (Analytik Jena, Germany). Snímky připravených koloidních částic stříbra byly pořízeny transmisním elektronovým mikroskopem JEM 2010 (Jeol, Japan) při urychlovacím napětí 160 kv. Ramanova spektra byla měřena na spektrometru Raman microscope DXR (Thermo Scientific). K excitaci bylo využito laseru s vlnovou délkou 532 nm o výkonu 10 mw. 4.3 Pracovní postupy Při přípravě částic stříbra bylo využito následujících zásobních roztoků připravených ve 100ml odměrných baňkách: AgNO 3 ( mol dm -3 ), NH 3 (0,1 mol dm -3 ), citran draselný (1% roztok), NaOH (0,24 mol dm -3 ), NH 2 OH HCl ( mol dm -3 ). Pro doplnění objemů roztoků byla používána destilovaná voda. Finální objem připravovaného koloidu byl vždy 25 ml a celou dobu byl míchán na elektromagnetické míchačce. Výsledná koncentrace redukční látky ve všech připravovaných koloidech byla vždy 0,002 mol dm

26 4.3.1 Příprava koloidních částic stříbra redukcí AgNO 3 Výchozí systém koloidních částic stříbra byl připraven redukcí dusičnanu stříbrného hydroxylamin-hydrochloridem ve směsi s různými finálními koncentracemi NaOH 1,9; 3,8; 5,8; 7,7; 9,6 a 11,5 mmol dm -3. Do 50ml kádinky byly automatickou pipetou přidány výše uvedené chemikálie v následujícím pořadí: 5 ml AgNO 3 a 15 ml destilované vody. Poté byla redukce zahájena přidáním směsi obsahující požadovaný objem NaOH, 1 ml redukční látky a destilovanou vodu tak, že celkový objem připravované směsi byl 25 ml Příprava koloidních částic stříbra redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + Nejprve byl studován vliv NH 3 na připravované částice. Závislost na NH 3 byla sledována pro 6 koncentrací NH 3 (0,8; 1,6; 2,4; 3,2; 4,0 a 4,8 mmol dm -3 ) při dvou finálních koncentracích NaOH (1,9 a 3,8 mmol dm -3 ). Citran draselný byl použit jako stabilizátor a byly tak porovnávány systémy citranem nestabilizované a stabilizované. Nestabilizovaný systém byl připravován tak, že do 50ml kádinky byly automatickou pipetou přidány chemikálie v následujícím pořadí: 5 ml AgNO 3, požadovaný objem zásobního roztoku NH 3 a 15 ml destilované vody. Poté byla redukce zahájena přidáním směsi obsahující 0,2 ml (0,4 ml) zásobního roztoku NaOH, 1 ml redukční látky a destilovanou vodu tak, že celkový objem připravované směsi byl 25 ml. Stejná závislost byla sledována u systému stabilizovaného citranem, kterého byl přidán 1 ml ze zásobního roztoku. Pořadí přídavků chemikálií bylo v těchto případech následující: 5 ml AgNO 3, požadovaný objem zásobního roztoku NH 3, 15 ml destilované vody a 1 ml zásobního roztoku citranu. Poté byla redukce zahájena přidáním směsi obsahující 0,2 ml (0,4 ml) zásobního roztoku NaOH, 1 ml redukční látky a destilovanou vodu tak, že celkový objem připravované směsi byl 25 ml. Dále byl studován vliv ph na připravované částice. Závislost na ph byla sledována pro 6 koncentrací NaOH (1,9; 3,8; 5,8; 7,7; 9,6 a 11,5 mmol dm -3 ) při dvou finálních koncentracích NH 3 (2,4 a 4,8 mmol dm -3 ). Navíc byl opět porovnáván systém nestabilizovaný a stabilizovaný citranem. 26

27 Nestabilizovaný systém byl připravován tak, že do 50ml kádinky byly automatickou pipetou přidány chemikálie v následujícím pořadí: 5 ml AgNO 3, 0,6 ml (1,2 ml) zásobního roztoku NH 3 a 15 ml destilované vody. Poté byla redukce zahájena přidáním směsi obsahující požadovaný objem zásobního roztoku NaOH, 1 ml redukční látky a destilovanou vodu tak, že celkový objem připravované směsi byl 25 ml. Stejná závislost byla sledována u systému stabilizovaného citranem, kterého byl přidán 1 ml ze zásobního roztoku. Pořadí přídavků chemikálií bylo v těchto případech následující: 5 ml AgNO 3, 0,6 ml (1,2 ml) NH 3, 15 ml destilované vody a 1 ml zásobního roztoku citranu. Poté byla redukce zahájena přidáním směsi obsahující požadovaný objem NaOH, 1 ml redukční látky a destilovanou vodu tak, že celkový objem připravované směsi byl 25 ml. U všech připravených koloidů bylo změřeno ph. Poté byly koloidy naředěny destilovanou vodou 1:10 a při tomto zředění byly charakterizovány metodou dynamického rozptylu světla (DLS) a UV/VIS absorpční spektrometrií. Vybrané koloidní systémy byly dále charakterizovány pomocí transmisní elektronové mikroskopie (TEM). Následně byla zkoumána aktivita vybraných částic stříbra v povrchem zesílené Ramanově spektroskopii Povrchem zesílená Ramanova spektroskopie Jako poslední byla zkoumána aktivita částic stříbra v povrchem zesílené Ramanově spektroskopii. Částice stříbra byly aktivovány chloridovými ionty a měření bylo prováděno při excitační vlnové délce 532 nm a při výkonu laseru 10 mw. Jako modelový analyt byl zvolen adenin. Jednotlivé vzorky k měření byly připravovány tak, že bylo 400 µl koloidu smícháno s 1,55 ml destilované vody. K takto připravené a protřepané směsi bylo přidáno 50 µl 4M NaCl a 20 µl 10-4 M adeninu. Výsledná koncentrace NaCl byla 100 mmol dm -3 a adeninu 10-6 mol dm

28 5 Výsledky a diskuse 5.1 Příprava koloidních částic stříbra redukcí AgNO 3 Jako výchozí systém byla zvolena metoda připravy koloidních částic stříbra podle Leopolda a Lendla. 20 Navíc byla v této bakalářské práci studována závislost velikosti částic na ph. Průměrná velikost částic naměřená metodou DLS při nejnižší hodnotě ph byla asi 90 nm a se zvyšující se hodnotou ph se zmenšovala až na 40 nm (Graf 1) velikost částic [nm] ph Graf 1 Závislost velikosti částic stříbra na ph připravených redukcí AgNO 3 hydroxylaminem Při nejnižším ph probíhala redukce nejpomaleji, asi 8 minut, po této době se intenzita zabarvení disperze neměnila. U všech následujících přídavků NaOH byla redukce dusičnanu téměř okamžitá. Všechny připravené koloidy měli oranžové zbarvení a jevily opalescenci. Oranžové zbarvení připravovaných koloidů stříbra se zintenzivňovalo se vzrůstající hodnotou ph, což je patrné i na absorpčních spektrech, kde se zvyšuje absorbance záření. Absorpční křivky připravených částic potvrzují průměrnou velikost naměřenou metodou DLS (Spektrum 1). Všechny absorpční křivky dosahují svého maxima v oblasti vlnových délek okolo nm (přítomnost povrchového plasmonu), což potvrzuje přítomnost částic stříbra o rozměru několika málo desítek nanometrů. Navíc je na absorpčních spektrech patrný posun maxima ke kratším vlnovým délkám s klesajícím rozměrem částic, což potvrzuje, že se vzrůstající hodnotou ph reakčního systému vznikají částice menších rozměrů. 28

29 absorbance 1,2 1 0,8 0,6 0,4 ph = 5,62 ph = 8,14 ph = 10,95 ph = 11,32 ph = 11,57 ph = 11,70 0, vlnová délka [nm] Spektrum 1 - Absorpční spektra koloidů připravených redukcí AgNO 3 při různých hodnotách ph (legenda popisuje ph jednotlivých koloidů) Níže přiložené TEM snímky potvrzují velikost částic naměřenou metodou DLS. TEM snímky byly pořízeny pro celou řadu připravovaných koloidů a u koloidu o výsledném ph 5,62 (Snímek TEM 1) lze pozorovat částice tvaru tyčinek o průměrné velikosti asi 170 nm. U všech dalších koloidů (ph = 8,14 a vyšší) jsou si velikosti, tvary i uskupení částic velmi podobné, kulovité, bez výskytu tyčinek. Zvláštností částic v koloidech majících ph 8,14 a vyšší je jejich uskupení. Malé kulovité částice jsou seskupeny kolem dokola jedné, o průměrné velikosti 60 nm. (Snímek TEM 2-3) Kulovité částice se vyskytují u všech připravených koloidů (Snímek TEM 1-3). 29

30 Snímek TEM 1 Koloidní částice stříbra připravené redukcí AgNO 3 při ph 5,62 Snímek TEM 2 Koloidní částice stříbra připravené redukcí AgNO 3 při ph 8,14 Snímek TEM 3 - Koloidní částice stříbra připravené redukcí AgNO 3 při ph 11,70 30

31 5.2 Příprava koloidních částic stříbra redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + závislost na NH 3 K výchozímu systému byly přidány různé objemy zásobního roztoku NH 3 a byl studován vliv amoniakálního komplexu stříbrných iontů na redukci stříbrných částic při dvou finálních koncentracích NaOH (1,9 a 3,8 mmol dm -3 ) Reakční systém s koncentrací NaOH 1,9 mmol dm -3 Reakční čas se v tomto případě pohyboval okolo cca 5 minut pro všechny použité koncentrace amoniaku v reakčním systému. Průměrná velikost částic naměřená metodou DLS byla při nejnižší koncentraci NH 3 asi 100 nm a zvětšovala se s rostoucí koncentrací NH 3 až na průměrnou velikost 140 nm (Graf 2). velikost částic [nm] ,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 koncentrace NH 3 [mmol dm-3] Graf 2 - Závislost velikosti připravených částic na koncetraci NH 3 Nejedná se o příliš výraznou změnu ve velikosti připravených částic stříbra a to vzhledem k tomu, že použité koncentrace amoniaku jsou poměrně nízké. Nicméně i přesto má tvorba komplexu vliv na výslednou velikost koloidních částic stříbra zejména v porovnání se systémem bez čpavku. V porovnání s výchozím koloidem připraveným redukcí AgNO 3 byly v tomto případě připraveny podstatně rozměrnější částice stříbra. Důvodem je samozřejmě tvorba komplexu [Ag(NH 3 ) 2 ] + a tím změna redox potenciálu sytému Ag + /Ag. Při vzniku komplexu [Ag(NH 3 ) 2 ] + klesne redox potenciál systému Ag + /Ag z hodnoty 0,8 V na hodnotu 0,38 V, což následně vede ke zpomalení redukce a vzniku rozměrnějších částic stříbra. Připravené koloidy v této řadě měly světle žluté zbarvení s velmi intenzívním zákalem a jejich ph se zvyšovalo se vzrůstající koncentrací NH 3 (Tabulka 1). Se zvětšující se velikostí připravených částic postupně klesala absorbance a ztrácelo se zřetelné absorpční maximum 31

32 (Spektrum 2). V případě systému s nejnižší hodnotou ph je na absorpčním spektru patrné druhé maximum při vlnové délce cca 510 nm, jež může být způsobeno přítomností částic s jiným tvarem. Koncentrace amoniaku (mmol dm -3 ) ph reakčního systému 0,8 6,33 1,6 7,55 2,4 8,87 3,2 9,14 4,0 9,40 4,8 9,50 Tabulka 1 - ph reakčního systému v závislosti na koncentraci amoniaku absorbance 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ph = 6,33 ph = 7,55 ph = 8,87 ph = 9,14 ph = 9,40 ph = 9,50 0, vlnová délka [nm] Spektrum 2 - Absorpční spektra koloidů připravených redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + při různých koncentracích NH 3 Proto byly pořízeny snímky na elektronovém mikroskopu, které toto potvrzují. TEM snímky částic připravených při nejnižší koncentraci NH 3 (ph= 6,33) ukazují přítomnost především nepravidelně kulovitých částic stříbra a občas částic nejrůznějších tvarů - trojúhelníků, obdélníků a tyčinek (Snímek TEM 4 6). Tyčinky dosahují velikostí větších jak 400 nm. Průměrná velikost naměřená metodou DLS neodpovídá velikostem částic na TEM snímcích, a to právě z důvodů zprůměrování velikostí malých kulovitých částic a tvarů n-úhelníků a 32

33 tyčinek, které jsou větší jak 100 nm. Na TEM snímcích částic koloidů majících ph = 7,55 lze stále pozorovat přítomnost trojúhelníkových částic, nicméně již zde nejsou přítomny rozměrné částice tyčinkovitých tvarů. Snímek TEM 4 - Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + ph = 6,33 (koncentrace NH 3 0,8 mmol dm -3 ) Snímek TEM 5 ph = 6,33 (koncentrace NH 3 0,8 mmol dm -3 ) Snímek TEM 6 ph = 6,33 (koncentrace NH 3 0,8 mmol dm -3 Závislost na koncentraci amoniaku byla rovněž sledována i u systému stabilizovaného citranem. Ze zásobního roztoku byl přidán 1 ml citranu, který snížil hodnoty ph o 1 3 jednotky v porovnání se systémem bez citranu a navíc hodnota ph nepřekročila hodnotu ph = 7 (Tabulka 2). 33

34 Průměrná velikost částic naměřená metodou DLS se pohybovala v rozmezí nm (Graf 3). Obecně tedy byly díky přítomnosti stabilizátoru připraveny částice menší než v případě systému bez použití citranu. Nejmenší částice o průměrné velikosti 50 nm byly připraveny při koncentraci amoniaku 2,4 mmol dm -3 při ph = 5,32. Se snížením ph se také zvýšil reakční čas. Při nejnižším ph byl 22 minut a se vzrůstajícím ph se čas zkracoval až na 5 minut (ph = 6,33). velikost částic [nm] ,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 koncentrace NH 3 [mmol dm -3 ] Graf 3 - Závislost velikosti připravených částic stabilizovaných citranem na koncetraci NH 3 Koncentrace amoniaku (mmol dm -3 ) ph reakčního systému 0,8 5,19 1,6 5,27 2,4 5,32 3,2 5,64 4,0 5,96 4,8 6,33 Tabulka 2 - ph reakčního systému v závislosti na koncentraci amoniaku a při použití citranu Barva takto připravených koloidů byla žlutá se zákalem. Pokles velikosti částic stříbra do koncentrace NH 3 2,4 mmol dm -3 a jejich následný růst potvrdily i níže zobrazená absorpční spektra (Spektrum 3). Povrchový plasmon typický pro málo rozměrné částice je nejvýraznější v případě koncentrace amoniaku 2,4 mmol dm -3 (ph = 5,32), což potvrzuje přítomnost takto malých částic. Kromě nárůstu absorbance je rovněž patrné, že se absorpční maximum buď rozšiřuje anebo vzniká další maximum při vlnové délce cca 550 nm, což může opět předznamenávat přítomnost částic jiných tvarů. 34

35 absorbance 0,6 0,5 0,4 0,3 ph = 5,19 ph = 5,27 ph = 5,32 ph = 5,64 ph = 5,96 ph = 6,33 0,2 0, vlnová délka [nm] Spektrum 3 - Absorpční spektra koloidů připravených redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + stabilizovaných citranen při různých koncentracích NH 3 To potvrdily i snímky z elektronové mikroskopuie, na nichž je vidět, že kromě částic kulovitých vznikají i částice tyčinkovité. Při porovnání TEM snímků koloidních částic stabilizovaných citranem lze vidět, že se vzrůstající koncentrací NH 3 při ph do hodnoty 6 vzniká stále více tyčinek a zároveň se vznikající tyčinky prodlužují (Snímek TEM 7-9). Při nejvyšších koncentracích NH 3 však zastoupení tyčinkovytých částic klesá (Snímek TEM 10). Srovnáním TEM snímků koloidních částic bez a s citranem při různých hodnotách ph si lze povšimnout rozdílné četnosti zastoupení částic tvaru n-úhelníků, která je mnohem větší v koloidech stabilizovaných citranem. 35

36 Snímek TEM 7 Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + ph = 5,19 (koncentrace NH 3 0,8 mmol dm -3 ) Snímek TEM 9 Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + ph = 5,32 (koncentrace NH 3 2,4 mmol dm -3 ) Snímek TEM 8 Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + ph = 5,64 (koncentrace NH 3 1,6 mmol dm -3 ) Snímek TEM 10 Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + ph = 6,33 (koncentrace NH 3 4,0 mmol dm -3 ) 36

37 5.2.2 Reakční systém s koncentrací NaOH 3,8 mmol dm -3 Vyšší přídavek NaOH do reakčního systému měl za následek zrychlení doby reakce na přibližně dvě až tři minuty v porovnání se systémem s poloviční koncentrací NaOH. Tomu také odpovídá menší velikost připravených částic naměřená metodou DLS, která se pohybovala od 80 nm do 120 nm v závislosti na koncentraci NH 3 (Graf 4). Hodnota ph reakčního systému se pohybovala od ph = 9,32 až po ph = 10,16 (Tabulka 3), v tomto případě tedy nebyly částice připravovány ve slabě kyselém prostředí jako u systému s nižším přídavkem NaOH. Z grafu 4 je patrné, že velikost částic stříbra narůstá do koncentrace amoniaku 2,4 mmol dm -3, poté již není nárůst velikosti částic stříbra tak výrazný. velikost částic [nm] ,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 koncentrace NH 3 [mmol dm -3 ] Graf 4 - Závislost velikosti připravených částic na koncetraci NH 3 Koncentrace amoniaku (mmol dm -3 ) ph reakčního systému 0,8 9,32 1,6 9,80 2,4 9,93 3,2 10,02 4,0 10,12 4,8 10,16 Tabulka 3 - ph reakčního systému v závislosti na koncentraci amoniaku Připravené koloidy v této řadě měli světle žluté zbarvení se zákalem, u koloidů připravených při koncentraci amoniaku 2,4 4,8 mmol dm -3 ( ph = 9,93 10,16), bylo žluté zabarvení méně patrné, což je vidět i na absorpčních spektrech. Přítomnost povrchového plasmonu při vlnové délce cca 410 nm ve spektru koloidů připravených při dvou nejnižších koncentrací 37

38 amoniaku potvrzuje přítomnost menších částic pod 100 nm, kdežto zbývající spektra již nevykazují tak jasný absorpční pík a jejich průběh a tvar je v podstatě stejný. To opět potvrzuje, že při koncentracích amoniaku od 2,4 4,8 mmol dm -3 jsou přítomny částice nad 100 nm a jejich velikost se s rostoucí koncentrací amoniaku příliš nemění (Spektrum 4). absorbance 0,6 0,5 0,4 0,3 ph = 9,32 ph = 9,80 ph = 9,93 ph = 10,02 ph = 10,12 ph = 10,16 0,2 0, vlnová délka [nm] Spektrum 4 - Absorpční spektra koloidů připravených redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + Na snímcích pořízených elektronovým mikroskopem se téměř nevyskytují částice tvaru tyčinek. Pokud zde jsou, tak pouze ojediněle a formují se do tvarů hvězdiček (Snímek TEM 11). Proto není ve spektru patrné druhé maximum při delších vlnových délkách. Na všech snímcích bylo patrné shlukování částic (Snímek TEM 11 13). 38

39 Snímek TEM 11 - Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + ph = 9,32 (koncentrace NH 3 0,8 mmol dm -3 ) Snímek TEM 12 - ph = 9,80 (koncentrace NH 3 1,6 mmol dm -3 ) Snímek TEM 13 - ph = 10,02 (koncentrace NH 3 3,2 mmol dm -3 ) I v tomto případě byl sledován vliv stabilizátoru na výslednou velikost částic stříbra. Opět byl do systému přidán 1 ml zásobního roztoku citranu, přičemž se u jednotlivých koncentrací NH 3 snížily hodnoty ph v průměru o 3 jednotky (Tabulka 4). Průměrná velikost částic naměřená metodou DLS se pohybovala od 90 nm do 110 nm, což se velmi podobá systému bez citranu (Graf 5). Nicméně z grafu 5 je patrné, že velikost částic mírně roste do koncentrace amoniaku 2,4 mmol dm -3, poté však mírně klesá. Snížením ph se zvýšil reakční čas. Při nejnižším ph trvala reakce 15 minut a se vzrůstajícím ph se čas zkracoval až na 3 minuty. 39

40 velikost částic [nm] ,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 koncentrace NH 3 [mmol dm -3 ] Graf 5 - Závislost velikosti připravených částic stabilizovaných citranem na koncetraci NH 3 Koncentrace amoniaku (mmol dm -3 ) ph reakčního systému 0,8 5,84 1,6 6,09 2,4 6,62 3,2 7,72 4,0 8,48 4,8 8,63 Tabulka 4 - ph reakčního systému v závislosti na koncentraci amoniaku při použití citranu Barva připravených koloidů s různými koncentracemi NH 3 byla světle žlutá se zákalem. Průměrnou velikost částic získanou metodou DLS nevyvrací ani absorpční křivky jednotlivých koloidů, které mají podobný průběh. (Spektrum 5) Ani velikosti připravených koloidů se od sebe nijak výrazně neliší. Absorpční křivky mají svá maxima v oblasti nm. 40

41 absorbance 0,6 0,5 0,4 0,3 ph = 5,84 ph = 6,09 ph = 6,62 ph = 7,72 ph = 8,48 ph = 8,63 0,2 0, vlnová délka [nm] Spektrum 5 - Absorpční spektra koloidů připravených redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + stabilizovaných citranem Na TEM snímcích částic připravených o různých koncentracích NH 3 stabilizovaných citranem byl zpozorován úbytek množství tyčinek a zvyšující se četnost výskytu n-úhelníků se zvyšující se koncentrací NH 3 (Snímek TEM 14-16). Při ph 5,84 se vyskytovaly tyčinky delší jak 500 nm. Na snímcích byly také částice tvarů trojúhelníku a čtverce. Při ph 6,62 se tyčinky výrazně zkrátily a při ph 8,63 měli tyčinky průměrnou délku 100 nm a výrazně se zvětšil výskyt částic tvaru n-úhelníku, zejména pak šestiúhelníků. 41

42 Snímek TEM 14 - Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + stabilizované citranem ph = 5,84 (koncentrace NH 3 0,8 mmol dm -3 ) Snímek TEM 15 ph = 6,62 (koncentrace NH 3 2,4 mmol dm -3 ) Snímek TEM 16 ph = 8,63 (koncentrace NH 3 4,8 mmol dm -3 ) Shrnutí výsledků U výše uvedených experimentů byl studován vliv koncentrace amoniaku na redukci stříbrných částic při dvou finálních koncentracích NaOH (1,9 a 3,8 mmol dm -3 ). Ze všech získaných výsledků je patrné, že redukcí tohoto komplexu vznikaly větší částice v porovnání s velikostí částic připravených redukcí AgNO 3 a hodnoty ph připravených disperzí se pohybovaly v rozmezí 6,33 10,16. Velikost připravovaných částic se zvětšovala s rostoucí koncentrací NH 3. Navíc měli částice v průměru menší velikost při finální koncentraci NaOH 3,8 mmol dm -3 než při koncentraci 1,9 mmol dm -3. Stabilizací citranem se průměrná velikost částic zmenšila a byly připraveny koloidy mající ph v rozmezí od 5,19 do 8,63. V případě stabilizovaných disperzí citranem se vyskytovaly částice tvaru tyčinek nebo n-úhelníků ve 42

43 všech připravených koloidech. Ze získaných výsledků nelze ale citranu přiřadit roli modifikátoru tvaru částic stříbra, protože právě výskyt tvarů tyčinek nesouvisel až tak s přítomností citranu, jako spíše s hodnotou ph. Od ph 5 do 6,5 se v připravených koloidech (stabilizovaných či nestabilizovaných) zvětšovala četnost tyčinek a ty se prodlužovaly. Při vyšších hodnotách ph (nad 6,5) bylo stále možno pozorovat tyčinky, ale v mnohem menší míře a s mnohem menší délkou. Naopak se znásobil počet přítomných tvarů n-úhelníků. 5.3 Příprava koloidních částic stříbra redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + závislost na ph Na základě získaných výsledků byly vybrány dvě finální koncentrace NH 3 a byl studován vliv ph na přípravu koloidních částic stříbra při dvou vybraných koncentracích NH 3 (2,4 a 4,8 mmol dm -3 ) Reakční systém s koncentrací NH 3 2,4 mmol dm -3 Zvyšující se ph koloidní směsi mělo za následek zkrácení reakčního času na 1 minutu. Průměrná velikost částic naměřená metodou DLS se pohybovala v rozmezí nm. Velikost částic se pro hodnoty ph = 7,67 až ph= 9,71 příliš neměnila a pro hodnoty ph nad 10 velikost částic mírně klesala (Graf 6). Nicméně celkově se dá říci, že změna ph neměla příliš výrazný vliv na velikost připravovaných částic stříbra. velikost částic [nm] ph Graf 6 - Závislost velikosti připravených částic na ph Barva připravených koloidů stříbra byla žlutá se zákalem a s rostoucím ph klesala hodnota absorbance. Absorpční spektra koloidů mají spíše plochý průběh a dosahují maxim v oblasti okolo nm s náznakem druhého maxima v oblasti okolo , nicméně spektra nevykazují výrazný rozdíl v závislosti na ph (Spektrum 6). 43

44 absorbance 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 ph = 7,67 ph = 9,37 ph = 9,71 ph = 10,16 ph = 10,43 ph = 11,01 0,15 0,1 0, vlnová délka [nm] Spektrum 6 - Absorpční spektra koloidů připravených redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + při různých hodnotách ph Citranem stabilizované disperze částic stříbra měly nižší ph a průměrná velikost částic koloidů naměřená metodou DLS byla při nejnižším ph asi 45 nm a při ph v okolí 9,3 byla naměřena nejvyšší průměrná hodnota 115 nm. Při vyšších hodnotách ph se velikost částic opět mírně snižovala. Reakční čas se zkracoval se vzrůstajícím ph z 10 na 5 minut. Velikost částic v tomto případě byla podobná jako v případě bez citranu pouze s tou výjimkou, že se podařilo připravit menší částice při ph pod hodnotu 6. velikost částic [nm] ph Graf 7 - Závislost velikosti připravených částic stabilizovaných citranem na ph 44

45 Spektra mají odlišný průběh než v případě systému bez použití citranu. Systém s nejnižší hodnotou ph vykazuje dvě maxima při vlnových délkách 410 nm a cca 550 nm. Dvě maxima jsou ještě patrná v případě systému s ph = 6 a na dalších spektrech je patrné pouze jedno poměrně široké maximum v oblasti vlnových délek 410 nm 430 nm. Bohužel v tomto případě nelze spektra interpretovat, jelikož od těchto systémů nejsou pořízeny snímky z elektronové mikroskopie. absorbance 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 ph = 5,42 ph = 6,00 ph = 8,19 ph = 9,40 ph = 10,23 ph = 11,28 0,15 0,1 0, vlnová délka [nm] Spektrum 7 - Absorpční spektra koloidů připravených redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + stabilizovaných citranem při různých hodnotách ph Reakční systém s koncentrací NH 3 4,8 mmol dm -3 Reakční čas všech připravovaných koloidů byl asi 2 minuty. Průběh absorpčních spekter koloidů si je podobný, čemuž neodporuje ani průměrná velikost částic naměřená metodou DLS. Ta se pohybovala v rozmezí nm (Graf 8). 45

46 velikost částic [nm] ph Graf 8 - Závislost velikosti připravených částic na ph Absorpční spektra koloidů mají spíše plochý průběh bez zřetelného maxima a jednotlivá spektra se od sebe v závislosti na ph nijak zvlášť neliší (Spektrum 8). absorbance 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 ph = 9,37 ph = 10,04 ph = 10,73 ph = 11,26 ph = 11,54 ph = 11,58 0,15 0,1 0, vlnová délka [nm] Spektrum 8 - Absorpční spektra koloidů připravených redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + při různých hodnotách ph (legenda popisuje ph jednotlivých koloidů) Velikost získaná metodou DLS nekoresponduje s velikostí částic na snímcích pořízených metodou TEM, kde jsou zaznamenány částice o velikosti několikrát větší i menší než té, 46

47 naměřené pomocí DLS (Snímek TEM 17). Částice mají nepravidelný kulovitý tvar a ze snímku je patrné, že vykazují značnou polydispezitu. Snímek TEM 17 Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + při ph 9,37 S přídavkem 1 ml zásobního roztoku citranu byly částice stabilizovány a průměrná velikost částic všech koloidů naměřená metodou DLS se snížila a pohybovala se v rozmezí nm. Na první pohled nebyla pozorována závislost velikosti na hodnotách ph (Graf 9). velikost částic [nm] ph Graf 9 - Závislost velikosti připravených částic stabilizovaných citranem na ph Absorpční spektra se od systému bez citranu liší, je na nich patrný pík při vlnové délce 430 nm při hodnotách ph = 6,7 a 8,37. Na těchto spektrech je patrné i mírné druhé maximum při vlnových délkách 550 nm. Při vyšších hodnotách ph jsou pak spektra podobná jako v případě systému bez citranu. 47

48 absorbance 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 ph = 6,70 ph = 8,37 ph = 9,11 ph = 9,49 ph = 9,88 ph = 10,04 0,15 0,1 0, vlnová délka [nm] Spektrum 9 - Absorpční spektra koloidů připravených redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + stabilizovaných citranem při různých hodnotách ph (legenda popisuje ph jednotlivých koloidů) Na snímku TEM 4 lze vidět částice kulovité, ale také částice ve tvaru n-úhelníků různých velikostí a tvarů, které nebyly v systému bez citranu tak patrné. Důvodem jejich přítomnosti bude syntéza při nižší hodnotě ph. Snímek TEM 18 - Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + za přítomnosti citranu při ph 6,7 Snímek TEM 19 Koloidní částice stříbra připravené redukcí [Ag(NH 3 ) 2 ] + za přítomnosti citranu při ph 8,37 48