Зелен сонохимичен път към сребърни наночастици
Сребърните наночастици (AgNPs) са често използвани наноматериали поради техните антимикробни свойства, оптични свойства и висока електрическа проводимост. Сонохимичният път с помощта на капа карагенан е прост, удобен и екологичен метод за синтез за получаване на сребърни наночастици. κ-карагенанът се използва като естествен екологичен стабилизатор, докато силовият ултразвук действа като зелен редуциращ агент.
„Зелената химия“ изисква прецизен контрол на параметрите. Нашите инженери по наноматериали ще ви помогнат да изберете подходящия сонотрод, геометрията на реактора и настройките на мощността, за да максимизирате добива, да контролирате морфологията на частиците и да гарантирате пълно съответствие с принципите на „зелената химия“.
Ag+/κ-карагенан (вляво) и обработен с ултразвук Ag/κ-карагенан (вдясно). Ултразвуковата обработка беше извършена с апарат UP400S в продължение на 90 минути.
[Elsupikhe и др., 2015]
Зелен ултразвуков синтез на сребърни наночастици
Elsupikhe et al. (2015) са разработили зелен ултразвуков метод за синтез за получаване на сребърни наночастици (AgNPs). Добре известно е, че сонохимията насърчава много мокри химични реакции. Соникацията позволява синтезиране на AgNP с κ-карагенан като естествен стабилизатор. Реакцията протича при стайна температура и произвежда сребърни наночастици с кристална структура без никакви примеси. Разпределението на частиците по размер на AgNP може да бъде повлияно от концентрацията на κ-карагенан.
Схема на взаимодействие между заредените Ag-NP групи, които са ограничени с κ-карагенан при ултразвук. [Elsupikhe et al. 2015]
Процедура: Устойчива синтеза на сребърни наночастици
- Ag-NP са синтезирани чрез намаляване на AgNO3 използване на ултразвук в присъствието на κ-карагенан. За да се получат различни проби, бяха приготвени пет суспензии, като се добавиха 10 ml 0,1 M AgNO3 до 40-ml κ-карагенан. Използваните разтвори на κ-карагенан са съответно 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 и 0,3 тегловни процента.
- Разтворите се разбъркват в продължение на 1 час, за да се получи AgNO3/κ-карагенан.
- След това пробите са били изложени на интензивно ултразвуково облъчване: Амплитудата на ултразвуковото устройство UP400S (400W, 24kHz) е настроен на 50%. Сонацията се прилага за 90 минути при стайна температура. Сонотродът на ултразвуковите течни процесори UP400S беше потопен директно в реакционния разтвор.
- След ултразвука суспензиите се центрофугират за 15 минути и се измиват с двойно дестилирана вода четири пъти, за да се отстранят остатъците от сребърни йони. Утаените наночастици се сушат при 40°C под вакуум за една нощ, за да се получат Ag-NP.
Уравнение
- без вода —ултразвук–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–хидролиза–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + Н+
- Аг+ + Н –Намаления–> Ag°
- Аг+ + Н2O —> Ag° + OH + H+
Анализ и резултати: Наночастици от сребро, синтезирани чрез ултразвук
За да се оценят резултатите, пробите бяха анализирани чрез UV-видим спектроскопски анализ, рентгенова дифракция, FT-IR химичен анализ, TEM и SEM изображения.
Броят на Ag-NPs се увеличаваше с нарастването на концентрациите на κ-карагенан. Образуването на Ag/κ-карагенан беше определено чрез УВ-видима спектроскопия, при която максимумът на абсорбцията на повърхностния плазмон беше наблюдаван при 402 до 420 nm. Анализът чрез рентгенова дифракция (XRD) показа, че Ag-NPs имат кубична структура с центрирани по повърхността елементи. Инфрачервеният спектър с Фурие-трансформация (FT-IR) показа наличието на Ag-NPs в κ-карагенан. Изображението от трансмисионна електронна микроскопия (TEM) за най-високата концентрация на κ-карагенан показа разпределението на Ag-NPs със среден размер на частиците близо до 4,21 nm. Изображенията от сканираща електронна микроскопия (SEM) илюстрираха сферичната форма на Ag-NPs. Анализът с SEM показва, че с увеличаване на концентрацията на κ-карагенан настъпват промени в повърхността на Ag/κ-карагенан, в резултат на което се получават малки по размер Ag-NPs със сферична форма.
TEM изображения и съответното разпределение на размера за сонохимично синтезиран Ag/κ-карагенан при различни концентрации на κ-карагенан. [0,1%, 0,2% и 0,3% съответно (a, b, c)].
UP400S – ултразвуковото устройство, използвано за сонохимичен синтез на Ag наночастици
Литература/Препратки
- Elsupikhe, Randa Fawzi; Shameli, Kamyar; Ahmad, Mansor B; Ibrahim, Nor Azowa; Zainudin, Norhazlin (2015): Green sonochemical synthesis of silver nanoparticles at varying concentrations of κ-carrageenan. Nanoscale Research Letters 10. 2015.
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, and Majid Darroudi (2016): Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities. Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 16, 7989–7993, 2016.
- Bose, Rahul & Roychoudhury, Piya & Pal, Ruma (2021): In-situ green synthesis of fluorescent silica–silver conjugate nanodendrites using nanoporous frustules of diatoms: an unprecedented approach. Bioprocess and Biosystems Engineering 44, 2021
- I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011): Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.
Често задавани въпроси: Екологичен сонохимичен синтез на сребърни наночастици
Как ултразвукът подобрява „зеления“ синтез на наночастици от сребро?
Ултразвукът предизвиква акустична кавитация, като създава локализирани зони с повишена активност, в които сребърните йони бързо се разграждат с помощта на екологично чисти вещества. Този сонохимичен процес ускорява реакционната кинетика, спомага за равномерното образуване на ядра и позволява прецизен контрол върху размера и формата на частиците – и всичко това без агресивни химикали или висока топлинна енергия.
Какви са основните предимства на екологичния сонохимичен метод за получаване на AgNPs?
Екологичната сонохимична синтеза съчетава ултразвук с биосъвместими редуциращи и капсулиращи агенти (като растителни екстракти, захари или полимери) за получаване на нетоксични, безвредни за околната среда сребърни наночастици. Методът намалява енергопотреблението, съкращава времето за синтеза, елиминира опасните странични продукти и осигурява получаването на изключително стабилни наночастици с равномерно разпределение по размер.
Може ли ултразвукът да контролира размера и морфологията на сребърните наночастици?
Да. Чрез регулиране на амплитудата, честотата, плътността на мощността и продължителността на ултразвуковата обработка производителите могат да настройват с висока прецизност скоростта на ядково образуване и растеж. Това позволява възпроизводимо производство на AgNPs с размер от 5 до 100 nm в различни форми (сфери, кубове, триъгълни пластини), съобразени с конкретни биомедицински, електронни или промишлени приложения.
Може ли ултразвуковата „зелена“ синтеза да се приложи в промишлен мащаб за производството на AgNP?
Разбира се. Промишлените ултразвукови процесори поддържат реактори с непрекъснат поток които безпроблемно се мащабират от лабораторни партиди до пълномащабно производство. Вградената ултразвукова обработка осигурява равномерно разпределение на кавитацията, мониторинг на процеса в реално време и постоянство между отделните партиди, което я прави идеална за екологично чисто производство на AgNP в големи обеми.
Кои зелени редуциращи агенти дават най-добри резултати при ултразвуковата синтеза на наночастици от сребро?
Сред ефективните екологични активни вещества са растителните екстракти (например алое, зелен чай, кори от цитрусови плодове), въглехидратите, аминокиселините, протеините и биоразградимите полимери. Ултразвукът повишава тяхната редуцираща и стабилизираща ефективност, което позволява пълно заместване на синтетичните химикали, като същевременно се запазват високият добив, колоидната стабилност и функционалните характеристики.
Как се сравнява сонохимичният синтез с традиционните химични методи за получаване на AgNPs?
Традиционните химични методи често разчитат на токсични редуктори (например натриев борохидрид), екстремни стойности на pH и генерират опасни отпадъци. Екологичният сонохимичен синтез използва безопасни, възобновяеми материали, протича при стайна или ниска температура, значително съкращава времето за обработка и произвежда по-чисти, по-биосъвместими наночастици с по-добра дисперсия и по-дълъг срок на годност.
Кои отрасли извличат полза от екологичните ултразвукови наночастици от сребро?
AgNPs, синтезирани чрез „зелени“ сонохимични методи, намират широко приложение в антимикробни покрития, медицински изделия, лечение на рани, филтриране на вода, гъвкава електроника и устойчиви опаковки. Екологичното им производство гарантира спазването на строги екологични и безопасностни стандарти, като същевременно осигурява висока ефективност и съответствие с нормативните изисквания.
Какво представляват сребърните наночастици?
Сребърните наночастици се характеризират с размер между 1nm и 100nm. Въпреки че често се описва като "сребърно"’ Някои са съставени от голям процент сребърен оксид поради голямото им съотношение на повърхностни към обемни сребърни атоми. Сребърните наночастици могат да се появят с различни структури. Най-често се синтезират сферични сребърни наночастици, но се използват и диамантени, осмоъгълни и тънки листове.
Сребърните наночастици са често срещани в медицинските приложения. Сребърните йони са биоактивни и имат силно антимикробно и бактерицидно действие. Изключително голямата им повърхност позволява координацията на множество лиганди. Други важни характеристики са проводимостта и уникалните оптични свойства.
Поради своите проводими свойства сребърните наночастици често се включват в композити, пластмаси, епоксидни смоли и лепила. Сребърните частици увеличават електрическата проводимост; Затова сребърните пасти и мастила често се използват в производството на електроника. Тъй като сребърните наночастици поддържат повърхностни плазмони, AgNP имат изключителни оптични свойства. Плазмонните сребърни наночастици се използват за сензори, детектори и аналитично оборудване като повърхностна раманова спектроскопия (SERS) и повърхностна плазмонна флуоресцентна спектроскопия (SPFS).
Какво е карагенан?
Карагенанът е евтин естествен полимер, който се намира в различни видове червени водорасли. Карагенаните са линейни сулфатирани полизахариди, които се използват широко в хранително-вкусовата промишленост, заради техните желиращи, сгъстяващи и стабилизиращи свойства. Основното им приложение е в млечните и месните продукти, поради силното им свързване с хранителните протеини. Има три основни разновидности на карагенан, които се различават по степента си на сулфатиране. Капа-карагенанът има една сулфатна група на дизахарид. Йота-карагенан (ι-карагенен) има два сулфата на дизахарид. Ламбда карагенан (λ-карагенен) има три сулфата на дизахарид.
Капа карагенан (κ-карагенан) има линейна структура от сулфатиран полизахарид на D-галактоза и 3,6-анхидро-D-галактоза.
κ- карагенанът се използва широко в хранително-вкусовата промишленост, например като желиращ агент и за промяна на текстурата. Може да се намери като добавка в сладолед, сметана, извара, млечни шейкове, дресинги за салати, подсладени кондензирани млека, соево мляко & други растителни млека и сосове за увеличаване на вискозитета на продукта.
Освен това κ-карагенанът може да се намери в нехранителни продукти като сгъстител в шампоани и козметични кремове, в паста за зъби (като стабилизатор за предотвратяване на отделянето на съставките), противопожарна пяна (като сгъстител, който причинява лепкав на пяната), гелове за освежаване на въздуха, лак за обувки (за увеличаване на вискозитета), в биотехнологиите за обездвижване на клетките/ензимите, във фармацевтичните продукти (като неактивно помощно вещество в хапчета/таблетки), в храни за домашни любимци и др.
SEM изображения за Ag/κ-карагенан при различни концентрации на κ-карагенан. [0,1 %, 0,2 % и 0,3 % съответно (а, б, в)]. [Elsupikhe et al. 2015]