Zeleni sonohemijski put do nanočestica srebra
Nanočestice srebra (AgNPs) često su korišteni nanomaterijali zahvaljujući svojim antimikrobnim svojstvima, optičkim svojstvima i visokoj električnoj provodljivosti. Sonohemijski put uz upotrebu kapa-karagenana jednostavna je, praktična i ekološki prihvatljiva metoda sinteze za pripremu nanočestica srebra. κ-karagenan se koristi kao prirodni ekološki prihvatljiv stabilizator, dok snažni ultrazvuk djeluje kao zeleno redukcijsko sredstvo.
Zelena hemija zahtijeva preciznu kontrolu parametara. Naši inženjeri za nanomaterijale pomoći će vam da odaberete odgovarajuću sonotrodu, geometriju reaktora i postavke snage kako biste maksimalno povećali prinos, kontrolirali morfologiju čestica i osigurali potpunu usklađenost s principima zelene hemije.
Ag+/κ-karagenan (lijevo) i ultrazvučno obrađen Ag/κ-karagenan (desno). Ultrazvučna obrada (sonikacija) provedena je uređajem UP400S u trajanju od 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Zelena ultrazvučna sinteza nanočestica srebra
Elsupikhe i saradnici (2015) razvili su zeleni put sinteze potpomognute ultrazvukom za pripremu nanočestica srebra (AgNPs). Poznato je da sonohemija potiče mnoge mokre hemijske reakcije. Ultrazvučna obrada (sonikacija) omogućava sintezu AgNPs uz κ-karagenan kao prirodni stabilizator. Reakcija se odvija na sobnoj temperaturi i daje nanočestice srebra s fcc kristalnom strukturom bez ikakvih nečistoća. Raspodjela veličine čestica AgNPs može se mijenjati koncentracijom κ-karagenana.
Shema interakcije između nabijenih grupa Ag-NPs koje su obložene κ-karagenanom pri ultrazvučnoj obradi (sonikaciji). [Elsupikhe et al. 2015]
Postupak: održiva sinteza nanočestica srebra
- Ag-NPs su sintetizirane redukcijom AgNO3 ultrazvučnom obradom (sonikacijom) u prisustvu κ-karagenana. Da bi se dobili različiti uzorci, pripremljeno je pet suspenzija dodavanjem 10 mL 0,1 M AgNO3 u 40 mL κ-karagenana. Korištene otopine κ-karagenana imale su udjele od 0,1, 0,15, 0,20, 0,25, odnosno 0,3 wt%.
- Otopine su miješane 1h kako bi se dobio AgNO3/κ-karagenan.
- Zatim su uzorci izloženi intenzivnom ultrazvučnom zračenju: amplituda ultrazvučnog uređaja UP400S (400W, 24kHz) postavljena je na 50%. Ultrazvučna obrada (sonikacija) primjenjivana je 90min na sobnoj temperaturi. Sonotroda ultrazvučnog procesora za tekućine UP400S bila je uronjena direktno u reakcijsku otopinu.
- Nakon ultrazvučne obrade (sonikacije) suspenzije su centrifugirane 15min i četiri puta isprane dvostruko destiliranom vodom radi uklanjanja ostataka iona srebra. Istaložene nanočestice sušene su na 40°C u vakuumu preko noći kako bi se dobile Ag-NPs.
Jednačina
- nH₂O —sonikacija–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidroliza–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –redukcije–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analiza i rezultati: ultrazvučno sintetizirane nanočestice srebra
Za ocjenu rezultata uzorci su analizirani UV-vidljivom spektroskopskom analizom, rendgenskom difrakcijom, FT-IR hemijskom analizom te TEM i SEM snimcima.
Broj Ag-NPs povećavao se s povećanjem koncentracije κ-karagenana. Nastanak Ag/κ-karagenana utvrđen je UV-vidljivom spektroskopijom, pri čemu je maksimum apsorpcije površinskog plazmona uočen na 402 do 420nm. Analiza rendgenskom difrakcijom (XRD) pokazala je da Ag-NPs imaju površinski centriranu kubnu strukturu. Infracrveni spektar s Fourierovom transformacijom (FT-IR) ukazao je na prisustvo Ag-NPs u κ-karagenanu. Snimak transmisijskom elektronskom mikroskopijom (TEM) za najvišu koncentraciju κ-karagenana pokazao je raspodjelu Ag-NPs s prosječnom veličinom čestica blizu 4,21nm. Snimci skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM) prikazali su sferični oblik Ag-NPs. SEM analiza pokazuje da su s povećanjem koncentracije κ-karagenana nastale promjene na površini Ag/κ-karagenana, tako da su dobivene Ag-NPs malih dimenzija sferičnog oblika.
TEM snimci i odgovarajuće raspodjele veličine za sonohemijski sintetizirani Ag/κ-karagenan pri različitim koncentracijama κ-karagenana. [0,1%, 0,2% i 0,3%, redom (a, b, c)].
UP400S – ultrazvučni uređaj korišten za sonohemijsku sintezu nanočestica Ag
Literatura/reference
- 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.
Često postavljana pitanja: zelena sonohemijska sinteza nanočestica srebra
Kako ultrazvuk poboljšava zelenu sintezu nanočestica srebra?
Ultrazvuk pokreće akustičnu kavitaciju, stvarajući lokalizirane žarišne tačke koje brzo redukuju ione srebra koristeći ekološki prihvatljiva sredstva. Taj sonohemijski proces ubrzava reakcijsku kinetiku, potiče ujednačenu nukleaciju i omogućava preciznu kontrolu veličine i oblika čestica–sve to bez agresivnih hemikalija ili visoke toplinske energije.
Koje su glavne prednosti zelenog sonohemijskog puta za AgNPs?
Zelena sonohemijska sinteza kombinira ultrazvuk s biokompatibilnim redukcijskim sredstvima i sredstvima za oblaganje (poput biljnih ekstrakata, šećera ili polimera) kako bi se proizvele netoksične, ekološki prihvatljive nanočestice srebra. Metoda smanjuje potrošnju energije, skraćuje vrijeme sinteze, eliminira opasne nusproizvode i daje visoko stabilne nanočestice s ujednačenom raspodjelom veličine.
Može li ultrazvuk kontrolirati veličinu i morfologiju nanočestica srebra?
Da. Podešavanjem ultrazvučne amplitude, frekvencije, gustoće snage i trajanja ultrazvučne obrade (sonikacije), proizvođači mogu precizno podešavati brzine nukleacije i rasta. To omogućava ponovljivu proizvodnju AgNPs od 5–100 nm u raznim oblicima (sfere, kocke, trouglaste pločice), prilagođenih specifičnim biomedicinskim, elektronskim ili industrijskim primjenama.
Je li ultrazvučna zelena sinteza skalabilna za industrijsku proizvodnju AgNP?
Apsolutno. Industrijski ultrazvučni procesori podržavaju kontinuirane protočne reaktore koji se besprijekorno skaliraju od laboratorijskih šarži do punog obima proizvodnje. Inline ultrazvučna obrada (sonikacija) osigurava ujednačenu raspodjelu kavitacije, praćenje procesa u stvarnom vremenu i konzistentnost među šaržama, što je čini idealnom za ekološki prihvatljivu proizvodnju AgNP velikog obima.
Koja zelena redukcijska sredstva najbolje djeluju s ultrazvučnom sintezom nanočestica srebra?
Djelotvorna ekološki prihvatljiva sredstva uključuju biljne ekstrakte (npr. aloju, zeleni čaj, koru citrusa), ugljikohidrate, aminokiseline, proteine i biorazgradive polimere. Ultrazvuk povećava njihovu redukcijsku i stabilizacijsku učinkovitost, što omogućava potpunu zamjenu sintetičkih hemikalija uz održavanje visokog prinosa, koloidne stabilnosti i funkcionalnih performansi.
Kako se sonohemijska sinteza uspoređuje s tradicionalnim hemijskim metodama za AgNPs?
Konvencionalni hemijski putevi često se oslanjaju na toksične reducense (npr. natrijev borhidrid), ekstremne pH vrijednosti i stvaraju opasan otpad. Zelena sonohemijska sinteza koristi sigurne, obnovljive materijale, radi na ambijentalnim ili blagim temperaturama, znatno skraćuje vrijeme obrade i daje čistije, biokompatibilnije nanočestice s boljom disperzijom i duljim rokom trajanja.
Koje industrije imaju koristi od zelenih ultrazvučnih nanočestica srebra?
AgNPs sintetizirane zelenim sonohemijskim metodama široko se koriste u antimikrobnim premazima, medicinskim proizvodima, njezi rana, filtraciji vode, fleksibilnoj elektronici i održivoj ambalaži. Njihova ekološki prihvatljiva proizvodnja osigurava usklađenost sa strogim ekološkim standardima i standardima sigurnosti, uz istovremeno visoke performanse i regulatornu prihvaćenost.
Šta su nanočestice srebra?
Nanočestice srebra karakterizira veličina između 1nm i 100nm. Iako se često opisuju kao „srebrne“, neke se sastoje od velikog udjela srebrnog oksida zbog velikog omjera površinskih i unutarnjih atoma srebra. Nanočestice srebra mogu imati različite strukture. Najčešće se sintetiziraju sferične nanočestice srebra, ali se koriste i romboidne, oktagonalne i tanke pločaste.
Nanočestice srebra vrlo su zastupljene u medicinskim primjenama. Ioni srebra su bioaktivni i imaju jake antimikrobne i germicidne učinke. Njihova izuzetno velika površina omogućava koordinaciju brojnih liganada. Ostale važne karakteristike su provodljivost i jedinstvena optička svojstva.
Zbog svojih provodnih svojstava, nanočestice srebra se često ugrađuju u kompozite, plastiku, epoksidne smole i ljepila. Čestice srebra povećavaju električnu provodljivost; stoga se paste i tinte od srebra često koriste u proizvodnji elektronike. Budući da nanočestice srebra podržavaju površinske plazmone, AgNPs imaju izvanredna optička svojstva. Plazmonske nanočestice srebra koriste se za senzore, detektore i analitičku opremu poput površinski pojačane Ramanove spektroskopije (SERS) i fluorescentne spektroskopije pojačane poljem površinskog plazmona (SPFS).
Šta je karagenan?
Karagenan je jeftin prirodni polimer koji se nalazi u raznim vrstama crvenih morskih algi. Karagenani su linearni sulfatirani polisaharidi koji se široko koriste u prehrambenoj industriji zbog svojih svojstava geliranja, zgušnjavanja i stabilizacije. Njihova glavna primjena je u mliječnim i mesnim proizvodima, zbog snažnog vezanja za proteine hrane. Postoje tri glavne vrste karagenana, koje se razlikuju po stepenu sulfatiranja. Kapa-karagenan ima jednu sulfatnu grupu po disaharidu. Jota-karagenan (ι-carrageenen) ima dva sulfata po disaharidu. Lambda-karagenan (λ-carrageenen) ima tri sulfata po disaharidu.
Kapa-karagenan (κ-karagenan) ima linearnu strukturu sulfatiranog polisaharida D-galaktoze i 3,6-anhidro-D-galaktoze.
κ-karagenan se široko koristi u prehrambenoj industriji, npr. kao sredstvo za geliranje i za modifikaciju teksture. Može se naći kao aditiv u sladoledu, vrhnju, svježem sirexu, milkshakeovima, dresinzima za salatu, zaslađenim kondenziranim mlijekima, sojinom mlijeku i drugim biljnim mlijekima te umacima radi povećanja viskoznosti proizvoda.
Osim toga, κ-karagenan se može naći u neprehrambenim proizvodima, kao što su zgušnjivač u šamponu i kozmetičkim kremama, u zubnoj pasti (kao stabilizator za sprječavanje razdvajanja sastojaka), vatrogasnoj pjeni (kao zgušnjivač koji pjenu čini ljepljivom), gelovima za osvježavanje zraka, kremi za cipele (za povećanje viskoznosti), u biotehnologiji za imobilizaciju ćelija/enzima, u farmaceutskim proizvodima (kao inaktivna pomoćna tvar u pilulama/tabletama), u hrani za kućne ljubimce itd.
SEM snimci Ag/κ-karagenana pri različitim koncentracijama κ-karagenana. [0,1%, 0,2% i 0,3 %, redom (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]