Зелен сонохимичен метод за получаване на сребърни наночастици
Сребърните наночастици (AgNPs) са често използвани наноматериали поради своите антимикробни свойства, оптични свойства и висока електропроводимост. Сонохимичният метод с използване на капа-карагенан е прост, удобен и екологичен метод за синтез на сребърни наночастици. κ-карагенанът се използва като естествен екологичен стабилизатор, а мощният ултразвук действа като зелен редуциращ агент.
Зелената химия изисква прецизен контрол на параметрите. Нашите инженери по наноматериали ще ви помогнат да изберете подходящия сонотрод, геометрия на реактора и настройки на мощността, за да увеличите максимално добива, да контролирате морфологията на частиците и да осигурите пълно съответствие с принципите на зелената химия.
Ag+/κ-карагенан (вляво) и Ag/κ-карагенан след ултразвукова обработка (вдясно). Ултразвуковата обработка е извършена с UP400S за 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Зелен ултразвуков синтез на сребърни наночастици
Elsupikhe и съавт. (2015) са разработили зелен метод за синтез с помощта на ултразвук за получаване на сребърни наночастици (AgNPs). Известно е, че сонохимията подпомага множество химични реакции в течна среда. Ултразвуковата обработка позволява синтезирането на AgNPs с κ-карагенан като естествен стабилизатор. Реакцията протича при стайна температура и образува сребърни наночастици с гранецентрирана кубична (fcc) кристална структура без никакви примеси. Концентрацията на κ-карагенан може да повлияе на разпределението на AgNPs по размер.
Схема на взаимодействието между заредените групи на Ag-NPs, покрити с κ-карагенан при ултразвукова обработка. [Elsupikhe et al. 2015]
Процедура: устойчив синтез на сребърни наночастици
- Ag-NPs са синтезирани чрез редукция на AgNO3 с помощта на ултразвукова обработка в присъствието на κ-карагенан. За получаване на различни проби са приготвени пет суспензии чрез добавяне на 10 mL 0,1 M AgNO3 към 40-mL κ-карагенан. Използваните разтвори на κ-карагенан са съответно с концентрации 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 и 0,3 wt%.
- Разтворите са разбърквани в продължение на 1h за получаване на AgNO3/κ-карагенан.
- След това пробите са подложени на интензивно ултразвуково облъчване: амплитудата на ултразвуковото устройство UP400S (400W, 24kHz) е зададена на 50%. Ултразвуковата обработка е прилагана за 90min при стайна температура. Сонотродът на ултразвуковите процесори за течности UP400S е потопен директно в реакционния разтвор.
- След ултразвуковата обработка суспензиите са центрофугирани за 15min и промити четири пъти с двойно дестилирана вода, за да се отстранят остатъчните сребърни йони. Утаените наночастици са изсушени при 40°C под вакуум през нощта за получаване на Ag-NPs.
Уравнение
- nH₂O –ултразвукова обработка–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–хидролиза–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ –> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –редукции–> Ag°
- Ag+ + H2O –> Ag° + OH + H+
Анализ и резултати: сребърни наночастици, синтезирани с ултразвук
За оценка на резултатите пробите са анализирани чрез спектроскопски анализ в ултравиолетовата и видимата област, рентгенова дифракция, химичен анализ с FT-IR, изображения от TEM и SEM.
Броят на Ag-NPs се увеличава с повишаване на концентрациите на κ-карагенан. Образуването на Ag/κ-карагенан е установено чрез спектроскопия в ултравиолетовата и видимата област, при която максимумът на абсорбция на повърхностните плазмони е наблюдаван между 402 и 420nm. Анализът чрез рентгенова дифракция (XRD) показва, че Ag-NPs имат гранецентрирана кубична структура. Инфрачервеният спектър с преобразуване на Фурие (FT-IR) показва наличието на Ag-NPs в κ-карагенана. Изображението от трансмисионна електронна микроскопия (TEM) за най-високата концентрация на κ-карагенан показва разпределението на Ag-NPs със среден размер на частиците, близък до 4,21nm. Изображенията от сканираща електронна микроскопия (SEM) илюстрират сферичната форма на Ag-NPs. SEM анализът показва, че с повишаване на концентрацията на κ-карагенан настъпват промени в повърхността на Ag/κ-карагенан, така че се получават Ag-NPs с малки размери и сферична форма.
TEM изображения и съответните разпределения по размер 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 сонохимичния синтез на Ag наночастици
Литература/Източници
- 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: зелен сонохимичен синтез на сребърни наночастици
Как ултразвукът подобрява зеления синтез на сребърни наночастици?
Ултразвукът предизвиква акустична кавитация, създавайки локализирани зони с висока температура, които бързо редуцират сребърните йони с помощта на екологични агенти. Този сонохимичен процес ускорява кинетиката на реакцията, подпомага равномерното зародишообразуване и позволява прецизен контрол върху размера и формата на частиците – всичко това без агресивни химикали или голямо количество топлинна енергия.
Какви са основните предимства на зеления сонохимичен метод за AgNPs?
Зеленият сонохимичен синтез съчетава ултразвук с биосъвместими редуциращи и покриващи агенти (като растителни екстракти, захари или полимери) за получаване на нетоксични сребърни наночастици, безвредни за околната среда. Методът намалява потреблението на енергия, съкращава времето за синтез, елиминира опасните странични продукти и осигурява наночастици с висока стабилност и постоянно разпределение по размер.
Може ли ултразвукът да контролира размера и морфологията на сребърните наночастици?
Да. Чрез регулиране на ултразвуковата амплитуда, честотата, плътността на мощността и времето за ултразвукова обработка производителите могат прецизно да настройват скоростите на зародишообразуване и растеж. Това позволява възпроизводимо производство на AgNPs с размери 5–100 nm в различни форми (сфери, кубове, триъгълни пластинки), съобразени с конкретни биомедицински, електронни или промишлени приложения.
Може ли зеленият ултразвуков синтез да се мащабира за промишлено производство на AgNP?
Категорично. Промишлените ултразвукови процесори поддържат проточни реактори с непрекъснато действие , които позволяват безпроблемно мащабиране от лабораторни партиди до пълномащабно производство. Ултразвуковата обработка в линия осигурява равномерно разпределение на кавитацията, наблюдение на процеса в реално време и постоянство между партидите, което я прави идеална за екологично производство на AgNPs в големи обеми.
Кои зелени редуциращи агенти работят най-добре при ултразвуковия синтез на сребърни наночастици?
Ефективните екологични агенти включват растителни екстракти (например алое, зелен чай, цитрусови кори), въглехидрати, аминокиселини, протеини и биоразградими полимери. Ултразвукът повишава тяхната редуцираща и стабилизираща ефективност, позволявайки пълно заместване на синтетичните химикали при запазване на висок добив, колоидна стабилност и функционални характеристики.
Как се сравнява сонохимичният синтез с традиционните химични методи за AgNPs?
Конвенционалните химични методи често разчитат на токсични редуктори (например натриев борохидрид), крайни стойности на pH и генерират опасни отпадъци. Зеленият сонохимичен синтез използва безопасни, възобновяеми материали, протича при температура на околната среда или умерени температури, значително съкращава времето за обработка и произвежда по-чисти, по-биосъвместими наночастици с по-добра дисперсия и по-дълъг срок на съхранение.
Кои отрасли се възползват от сребърните наночастици, получени чрез зелен ултразвуков синтез?
AgNPs, синтезирани чрез зелени сонохимични методи, се използват широко в антимикробни покрития, медицински изделия, грижа за рани, филтриране на вода, гъвкава електроника и устойчиви опаковки. Тяхното екологично производство осигурява съответствие със строги стандарти за околната среда и безопасността, като същевременно осигурява високи експлоатационни характеристики и приемане от регулаторните органи.
Какво представляват сребърните наночастици?
Сребърните наночастици се характеризират с размер между 1nm и 100nm. Въпреки че често се описват като „сребърни“, някои съдържат голям процент сребърен оксид поради високото съотношение на сребърните атоми на повърхността към тези във вътрешността. Сребърните наночастици могат да имат различни структури. Най-често се синтезират сферични сребърни наночастици, но се използват също ромбовидни, осмоъгълни и тънки листове.
Сребърните наночастици се използват много често в медицински приложения. Сребърните йони са биоактивни и имат силно антимикробно и гермицидно действие. Изключително голямата им повърхностна площ позволява координирането на множество лиганди. Други важни характеристики са проводимостта и уникалните оптични свойства.
Заради своите проводими свойства сребърните наночастици често се включват в композити, пластмаси, епоксидни смоли и лепила. Сребърните частици повишават електропроводимостта; затова сребърните пасти и мастила се използват често в производството на електроника. Тъй като сребърните наночастици поддържат повърхностни плазмони, AgNPs имат изключителни оптични свойства. Плазмонните сребърни наночастици се използват за сензори, детектори и аналитично оборудване, например за повърхностно усилена Раманова спектроскопия (SERS) и флуоресцентна спектроскопия с усилване от полето на повърхностните плазмони (SPFS).
Какво представлява карагенанът?
Карагенанът е евтин естествен полимер, който се среща в различни видове червени морски водорасли. Карагенаните са линейни сулфатирани полизахариди, широко използвани в хранителната промишленост заради своите желиращи, сгъстяващи и стабилизиращи свойства. Основното им приложение е в млечни и месни продукти поради силното им свързване с хранителните протеини. Има три основни разновидности на карагенана, които се различават по степента си на сулфатиране. Капа-карагенанът има една сулфатна група на дизахарид. Йота-карагенанът (ι-карагенан) има две сулфатни групи на дизахарид. Ламбда-карагенанът (λ-карагенан) има три сулфатни групи на дизахарид.
Капа-карагенанът (κ-карагенан) има линейна структура на сулфатиран полизахарид от D-галактоза и 3,6-anhydro-D-galactose.
κ-карагенанът се използва широко в хранителната промишленост, например като желиращ агент и за промяна на текстурата. Той може да се срещне като добавка в сладолед, сметана, извара, млечни шейкове, салатни дресинги, подсладени кондензирани млека, соево мляко и други растителни млека, както и сосове, за увеличаване на вискозитета на продукта.
Освен това κ-карагенанът може да се срещне в нехранителни продукти като сгъстител в шампоани и козметични кремове, в паста за зъби (като стабилизатор, предотвратяващ разделянето на съставките), в противопожарна пяна (като сгъстител, който прави пяната лепкава), в гелове за освежаване на въздуха, в боя за обувки (за увеличаване на вискозитета), в биотехнологиите за имобилизиране на клетки/ензими, във фармацевтични 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 (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]