Zelená sonochemická cesta k nanočásticím stříbra
Nanočástice stříbra (AgNPs) jsou často využívanými nanomateriály díky svým antimikrobiálním vlastnostem, optickým vlastnostem a vysoké elektrické vodivosti. Sonochemická cesta pomocí kappa karagenanu je jednoduchá, pohodlná a ekologická metoda syntézy pro přípravu nanočástic stříbra. κ-karagenan se používá jako přírodní ekologický stabilizátor, zatímco výkonový ultrazvuk působí jako zelené redukční činidlo.
Ekologická chemie vyžaduje přesnou regulaci parametrů. Naši inženýři specializující se na nanomateriály vám pomohou vybrat vhodnou sonotrodu, geometrii reaktoru a nastavení výkonu tak, abyste maximalizovali výtěžek, ovlivnili morfologii částic a zajistili plnou shodu s principy ekologické chemie.
Ag+/κ-karagenan (vlevo) a sonikovaný Ag/κ-karagenan (vpravo). Sonikace byla provedena pomocí přístroje UP400S po dobu 90 minut.
[Elsupikhe a kol. 2015]
Zelená ultrazvuková syntéza nanočástic stříbra
Elsupikhe et al. (2015) vyvinuli zelenou ultrazvukem asistovanou syntetickou cestu pro přípravu nanočástic stříbra (AgNPs). Je dobře známo, že sonochemie podporuje mnoho mokrých chemických reakcí. Sonikace umožňuje syntetizovat AgNPs s κ-karagenanem jako přirozeným stabilizátorem. Reakce probíhá při pokojové teplotě a produkuje nanočástice stříbra s krystalovou strukturou fcc bez jakýchkoli nečistot. Distribuce velikosti částic AgNPs může být ovlivněna koncentrací κ-karagenanu.
Schéma interakce mezi Ag-NPs nabitými skupinami, které jsou omezeny κ-karagenanem pod sonikací. [Elsupikhe et al. 2015]
Postup: Udržitelná syntéza nanočástic stříbra
- Ag-NPs byly syntetizovány redukcí AgNO3 Použití ultrazvuku v přítomnosti κ-karagenanu. Pro získání různých vzorků bylo připraveno pět suspenzí přidáním 10 ml 0,1 M AgNO3 na 40 ml κ-karagenanu. Použité roztoky κ-karagenanu byly 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 a 0,3 hm%.
- Roztoky byly míchány po dobu 1 hodiny, aby se získal AgNO3/κ-karagenan.
- Poté byly vzorky vystaveny intenzivnímu ultrazvukovému ozáření: Amplituda ultrazvukového zařízení UP400S (400 W, 24 kHz) byla nastavena na 50 %. Sonikace byla aplikována po dobu 90 minut při pokojové teplotě. Sonotroda ultrazvukových kapalinových procesorů UP400S byl ponořen přímo do reakčního roztoku.
- Po sonikaci byly suspenze centrifugovány po dobu 15 minut a čtyřikrát promyty dvakrát destilovanou vodou, aby se odstranily zbytky iontů stříbra. Vysrážené nanočástice byly přes noc vysušeny při teplotě 40 °C ve vakuu, aby se získaly Ag-NPs.
Rovnice
- žádná voda —sonikace–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–hydrolýza–> Ag⁺ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –redukce–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analýza a výsledky: Ultrazvukem syntetizované nanočástice stříbra
Pro vyhodnocení výsledků byly vzorky analyzovány pomocí spektroskopické analýzy ve viditelném UV záření, rentgenové difrakce, chemické analýzy FT-IR, TEM a SEM snímků.
Počet nanočástic stříbra (Ag-NPs) se zvyšoval s rostoucími koncentracemi κ-karagenanu. Tvorba komplexu Ag/κ-karagenanu byla stanovena pomocí UV-viditelné spektroskopie, přičemž maximum absorpce povrchových plazmonů bylo pozorováno v rozmezí 402 až 420 nm. Analýza rentgenovou difrakcí (XRD) ukázala, že Ag-NP mají kubickou strukturu s centrem na ploše. Spektrum infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FT-IR) naznačovalo přítomnost Ag-NPs v κ-karagenanu. Snímek z transmisní elektronové mikroskopie (TEM) pro nejvyšší koncentraci κ-karagenanu ukázal distribuci Ag-NPs s průměrnou velikostí částic blížící se 4,21 nm. Snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM) ilustrovaly sférický tvar nanočástic stříbra. Analýza SEM ukazuje, že s rostoucí koncentrací κ-karagenanu docházelo ke změnám na povrchu systému Ag/κ-karagenan, čímž byly získány malé nanočástice stříbra sférického tvaru.
TEM snímky a odpovídající velikostní distribuce pro sonochemicky syntetizovaný Ag/κ-karagenan při různých koncentracích κ-karagenanu. [0,1 %, 0,2 % a 0,3 % (a, b, c)].
UP400S – ultrazvukové zařízení používané pro sonochemickou syntézu nanočástic Ag
Literatura/Odkazy
- 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.
Často kladené otázky: Ekologická sonochemická syntéza nanočástic stříbra
Jak ultrazvuk zlepšuje ekologickou syntézu nanočástic stříbra?
Ultrazvuk vyvolává akustickou kavitaci, čímž vznikají lokalizované aktivní zóny, v nichž se ionty stříbra rychle redukují pomocí ekologických činidel. Tento sono-chemický proces urychluje reakční kinetiku, podporuje rovnoměrnou nukleaci a umožňuje přesnou regulaci velikosti a tvaru částic – a to vše bez použití agresivních chemikálií či vysoké tepelné energie.
Jaké jsou hlavní výhody ekologického sonochemického postupu pro výrobu AgNPs?
Ekologická sonochemická syntéza kombinuje ultrazvuk s biokompatibilními redukčními a krycími činidly (jako jsou rostlinné extrakty, cukry nebo polymery) za účelem výroby netoxických, ekologicky šetrných nanočástic stříbra. Tato metoda snižuje spotřebu energie, zkracuje dobu syntézy, eliminuje nebezpečné vedlejší produkty a poskytuje vysoce stabilní nanočástice s konzistentním rozložením velikostí.
Lze pomocí ultrazvuku ovlivnit velikost a morfologii nanočástic stříbra?
Ano. Úpravou amplitudy, frekvence, hustoty výkonu a doby sonikace mohou výrobci přesně nastavit rychlost nukleace a růstu. To umožňuje reprodukovatelnou výrobu AgNP o velikosti 5–100 nm v různých tvarech (koule, kostky, trojúhelníkové destičky), přizpůsobených konkrétním biomedicínským, elektronickým nebo průmyslovým aplikacím.
Je ultrazvuková „zelená“ syntéza škálovatelná pro průmyslovou výrobu AgNP?
Rozhodně. Průmyslové ultrazvukové procesory podporují reaktory s kontinuálním průtokem které lze plynule škálovat od laboratorních šarží až po plnohodnotnou výrobu. Inline sonikace zajišťuje rovnoměrné rozložení kavitace, monitorování procesu v reálném čase a konzistenci mezi jednotlivými šaržemi, díky čemuž je ideální pro velkoobjemovou a ekologickou výrobu AgNP.
Jaká zelená redukční činidla se nejlépe hodí pro syntézu nanočástic stříbra pomocí ultrazvuku?
Mezi účinné ekologické látky patří rostlinné výtažky (např. aloe, zelený čaj, citrusové slupky), sacharidy, aminokyseliny, bílkoviny a biologicky rozložitelné polymery. Ultrazvuk zvyšuje jejich redukční a stabilizační účinnost, což umožňuje úplné nahrazení syntetických chemikálií při zachování vysokého výtěžku, koloidní stability a funkční výkonnosti.
Jak si sonochemická syntéza vede ve srovnání s tradičními chemickými metodami výroby AgNPs?
Tradiční chemické postupy často využívají toxická redukční činidla (např. borohydrid sodný), extrémní hodnoty pH a vedou k tvorbě nebezpečného odpadu. Ekologická sonochemická syntéza využívá bezpečné, obnovitelné materiály, probíhá při pokojové teplotě nebo mírných teplotách, výrazně zkracuje dobu zpracování a vede k výrobě čistších, biokompatibilnějších nanočástic s vynikající disperzí a delší trvanlivostí.
Která odvětví těží z ekologických ultrazvukových nanočástic stříbra?
AgNPs syntetizované ekologickými sonochemickými metodami se široce využívají v antimikrobiálních povlacích, zdravotnických prostředcích, při ošetřování ran, filtraci vody, v oblasti flexibilní elektroniky a v udržitelných obalech. Jejich ekologická výroba zajišťuje soulad s přísnými environmentálními a bezpečnostními normami a zároveň přináší vysokou výkonnost a schválení ze strany regulačních orgánů.
Co jsou to nanočástice stříbra?
Nanočástice stříbra se vyznačují velikostí mezi 1 nm a 100 nm. I když je často popisován jako "stříbrný"’ Některé jsou složeny z velkého procenta oxidu stříbrného kvůli jejich velkému poměru povrchových k objemovým atomům stříbra. Nanočástice stříbra se mohou objevit s různými strukturami. Nejčastěji se syntetizují sférické nanočástice stříbra, ale používají se také diamantové, osmihranné a tenké plechy.
Nanočástice stříbra jsou velmi často využívány v lékařských aplikacích. Ionty stříbra jsou bioaktivní a mají silné antimikrobiální a germicidní účinky. Jejich extrémně velký povrch umožňuje koordinaci mnoha ligandů. Dalšími důležitými vlastnostmi jsou vodivost a jedinečné optické vlastnosti.
Pro své vodivé vlastnosti jsou nanočástice stříbra často součástí kompozitů, plastů, epoxidů a lepidel. Částice stříbra zvyšují elektrickou vodivost; Proto se při výrobě elektroniky často používají stříbrné pasty a inkousty. Vzhledem k tomu, že nanočástice stříbra podporují povrchové plazmony, mají AgNPs vynikající optické vlastnosti. Plazmonické nanočástice stříbra se používají pro senzory, detektory a analytická zařízení, jako je povrchem zesílená Ramanova spektroskopie (SERS) a povrchová plazmonová fluorescenční spektroskopie (SPFS).
Co je to karagenan?
Karagenan je levný přírodní polymer, který se nachází v různých druzích červených mořských řas. Karagenany jsou lineární sulfátové polysacharidy, které jsou široce používány v potravinářském průmyslu pro své želírovací, zahušťovací a stabilizační vlastnosti. Jejich hlavní uplatnění je v mléčných a masných výrobcích, a to díky jejich silné vazbě na potravinové bílkoviny. Existují tři hlavní odrůdy karagenanu, které se liší stupněm sulfatace. Kappa-karagenan má jednu sulfátovou skupinu na disacharid. Jota-karagenan (ι-karageen) má dva sulfáty na disacharid. Lambda karagenan (λ-karageen) má tři sulfáty na disacharid.
Kappa karagenan (κ-karagenan) má lineární strukturu sulfatovaného polysacharidu D-galaktózy a 3,6-anhydro-D-galaktózy.
κ-karagenan je široce používán v potravinářském průmyslu, např. jako želírující činidlo a pro úpravu textury. Lze jej nalézt jako přísadu do zmrzliny, smetany, tvarohu, mléčných koktejlů, salátových dresinků, slazených kondenzovaných mlék, sójového mléka & jiná rostlinná mléka a omáčky pro zvýšení viskozity produktu.
Kromě toho lze κ-karagenan nalézt v nepotravinářských výrobcích, jako je zahušťovadlo v šamponech a kosmetických krémech, v zubní pastě (jako stabilizátor zabraňující oddělování složek), hasicí pěna (jako zahušťovadlo způsobující lepkavost pěny), gely pro osvěžení vzduchu, krém na boty (pro zvýšení viskozity), v biotechnologii k imobilizaci buněk/enzymů, ve léčivech (jako neaktivní pomocná látka v pilulkách/tabletách), v krmivu pro domácí zvířata atd.
SEM snímky pro Ag/κ-karagenan při různých koncentracích κ-karagenanu. [0,1 %, 0,2 % a 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]