Zelená sonochemická cesta k nanočásticím stříbra
Nanočástice stříbra (AgNPs) jsou často využívané nanomateriály díky svým antimikrobiálním vlastnostem, optickým vlastnostem a vysoké elektrické vodivosti. Sonochemická cesta s využitím kappa karagenanu je jednoduchá, pohodlná a ekologická syntetická metoda přípravy nanočástic stříbra. κ-karagenan se používá jako přírodní ekologický stabilizátor, zatímco výkonový ultrazvuk působí jako zelené redukční činidlo.
Zelená chemie vyžaduje přesné řízení parametrů. Naši inženýři pro nanomateriály vám pomohou zvolit správnou sonotrodu, geometrii reaktoru a nastavení výkonu, abyste maximalizovali výtěžek, řídili morfologii částic a zajistili plný soulad se zásadami zelené chemie.
Ag+/κ-karagenan (vlevo) a sonikovaný Ag/κ-karagenan (vpravo). Sonikace byla provedena pomocí UP400S po dobu 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Zelená ultrazvuková syntéza nanočástic stříbra
Elsupikhe et al. (2015) vyvinuli zelenou syntetickou cestu za asistence ultrazvuku pro přípravu nanočástic stříbra (AgNPs). Je dobře známo, že sonochemie podporuje mnoho mokrých chemických reakcí. Sonikace umožňuje syntetizovat AgNPs s κ-karagenanem jako přírodním stabilizátorem. Reakce probíhá při pokojové teplotě a poskytuje nanočástice stříbra s krystalovou strukturou fcc bez jakýchkoli nečistot. Distribuci velikosti částic AgNPs lze ovlivnit koncentrací κ-karagenanu.
Schéma interakce mezi nabitými skupinami Ag-NPs, které jsou při sonikaci pokryty κ-karagenanem. [Elsupikhe et al. 2015]
Postup: Udržitelná syntéza nanočástic stříbra
- Ag-NPs byly syntetizovány redukcí AgNO3 pomocí ultrazvuku za přítomnosti κ-karagenanu. Pro získání různých vzorků bylo připraveno pět suspenzí přidáním 10 mL 0,1 M AgNO3 ke 40 mL κ-karagenanu. Použité roztoky κ-karagenanu měly koncentraci 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 a 0,3 wt%, v uvedeném pořadí.
- Roztoky byly míchány 1h, čímž se získal AgNO3/κ-karagenan.
- Poté byly vzorky vystaveny intenzivnímu ultrazvukovému ozařování: Amplituda ultrazvukového zařízení UP400S (400W, 24kHz) byla nastavena na 50%. Sonikace probíhala 90min při pokojové teplotě. Sonotroda ultrazvukového procesoru pro kapaliny UP400S byla ponořena přímo do reakčního roztoku.
- Po sonikaci byly suspenze odstřeďovány 15min a čtyřikrát promyty dvakrát destilovanou vodou, aby se odstranily zbytky stříbrných iontů. Vysrážené nanočástice byly přes noc sušeny při 40°C ve vakuu, čímž se získaly Ag-NPs.
Rovnice
- nH₂O —sonikace–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–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 UV-VIS spektroskopické analýzy, rentgenové difrakce, chemické analýzy FT-IR a snímků TEM a SEM.
Počet Ag-NPs rostl se zvyšující se koncentrací κ-karagenanu. Tvorba Ag/κ-karagenanu byla stanovena UV-VIS spektroskopií, přičemž maximum absorpce povrchového plazmonu bylo pozorováno při 402 až 420nm. Rentgenová difrakční analýza (XRD) ukázala, že Ag-NPs mají plošně centrovanou kubickou strukturu. Infračervené spektrum s Fourierovou transformací (FT-IR) prokázalo 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 blízkou 4,21nm. Snímky z rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) ukázaly kulovitý tvar Ag-NPs. Analýza SEM ukazuje, že se zvyšující se koncentrací κ-karagenanu docházelo ke změnám povrchu Ag/κ-karagenanu, takže byly získány malé Ag-NPs kulovitého tvaru.
Snímky TEM a odpovídající distribuce velikosti pro sonochemicky syntetizovaný Ag/κ-karagenan při různých koncentracích κ-karagenanu. [0,1%, 0,2% a 0,3%, v uvedeném pořadí (a, b, c)].
UP400S – ultrazvukové zařízení použité pro sonochemickou syntézu nanočástic 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.
Často kladené otázky: Zelená sonochemická syntéza nanočástic stříbra
Jak ultrazvuk zlepšuje zelenou syntézu nanočástic stříbra?
Ultrazvuk vyvolává akustickou kavitaci, čímž vytváří lokální horká místa, která za použití ekologických činidel rychle redukují stříbrné ionty. Tento sonochemický proces urychluje reakční kinetiku, podporuje rovnoměrnou nukleaci a umožňuje přesnou kontrolu velikosti a tvaru částic – to vše bez agresivních chemikálií nebo vysoké tepelné energie.
Jaké jsou hlavní výhody zelené sonochemické cesty pro AgNPs?
Zelená sonochemická syntéza kombinuje ultrazvuk s biokompatibilními redukčními a stabilizačními (capping) činidly (jako jsou rostlinné extrakty, cukry nebo polymery) za účelem výroby netoxických, k životnímu prostředí šetrných nanočástic stříbra. Metoda snižuje spotřebu energie, zkracuje dobu syntézy, eliminuje nebezpečné vedlejší produkty a poskytuje vysoce stabilní nanočástice s konzistentní distribucí velikosti.
Může ultrazvuk řídit velikost a morfologii nanočástic stříbra?
Ano. Nastavením ultrazvukové amplitudy, frekvence, hustoty výkonu a doby sonikace mohou výrobci jemně ladit rychlost nukleace a růstu. To umožňuje reprodukovatelnou výrobu AgNPs o velikosti 5–100 nm v různých tvarech (koule, krychle, trojúhelníkové destičky), přizpůsobených konkrétním biomedicínským, elektronickým nebo průmyslovým aplikacím.
Je ultrazvuková zelená syntéza škálovatelná pro průmyslovou výrobu AgNPs?
Rozhodně. Průmyslové ultrazvukové procesory podporují kontinuální průtokové reaktory umožňující plynulé škálování od laboratorních šarží až po plnou výrobu. Inline sonikace zajišťuje rovnoměrné rozložení kavitace, monitorování procesu v reálném čase a konzistenci mezi šaržemi, což ji činí ideální pro velkoobjemovou, ekologickou výrobu AgNPs.
Která zelená redukční činidla fungují nejlépe při ultrazvukové syntéze nanočástic stříbra?
Mezi účinná ekologická činidla patří rostlinné extrakty (např. aloe, zelený čaj, citrusové slupky), sacharidy, aminokyseliny, proteiny a biologicky rozložitelné polymery. Ultrazvuk zvyšuje jejich redukční a stabilizační účinnost, což umožňuje úplné nahrazení syntetických chemikálií při zachování vysokého výtěžku, koloidní stability a funkčních vlastností.
Jak se sonochemická syntéza AgNPs srovnává s tradičními chemickými metodami?
Konvenční chemické postupy se často spoléhají na toxická redukční činidla (např. borohydrid sodný) a extrémní pH a vytvářejí nebezpečný odpad. Zelená sonochemická syntéza využívá bezpečné, obnovitelné materiály, probíhá při okolní nebo mírné teplotě, výrazně zkracuje dobu zpracování a produkuje čistší, biokompatibilnější nanočástice s vynikající disperzí a trvanlivostí.
Která odvětví těží ze zelených ultrazvukových nanočástic stříbra?
AgNPs syntetizované zelenými sonochemickými metodami se široce používají v antimikrobiálních povlacích, zdravotnických prostředcích, péči o rány, filtraci vody, flexibilní elektronice a udržitelných obalech. Jejich ekologická výroba zajišťuje soulad s přísnými environmentálními a bezpečnostními normami a zároveň poskytuje vysoký výkon a regulatorní přijatelnost.
Co jsou nanočástice stříbra?
Nanočástice stříbra se vyznačují velikostí mezi 1nm a 100nm. Ačkoli jsou často popisovány jako „stříbrné“, některé se kvůli vysokému poměru povrchových atomů stříbra k atomům v objemu skládají z velkého podílu oxidu stříbra. Nanočástice stříbra se mohou vyskytovat v různých strukturách. Nejčastěji se syntetizují kulovité nanočástice stříbra, využívají se však také kosočtverečné, osmiúhelníkové a tenké plátky.
Nanočástice stříbra jsou velmi často využívány v lékařských aplikacích. Stříbrné ionty jsou bioaktivní a mají silné antimikrobiální a germicidní účinky. Jejich extrémně velký povrch umožňuje koordinaci četných ligandů. Dalšími důležitými vlastnostmi jsou vodivost a jedinečné optické vlastnosti.
Díky svým vodivým vlastnostem jsou nanočástice stříbra často začleňovány do kompozitů, plastů, epoxidů a lepidel. Stříbrné částice zvyšují elektrickou vodivost, proto se stříbrné pasty a inkousty často používají při výrobě elektroniky. Protože 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 fluorescenční spektroskopie zesílená polem povrchových plazmonů (SPFS).
Co je karagenan?
Karagenan je levný přírodní polymer, který se nachází v různých druzích červených mořských řas. Karagenany jsou lineární sulfatované polysacharidy, které se široce používají v potravinářském průmyslu pro své gelotvorné, zahušťovací a stabilizační vlastnosti. Jejich hlavní uplatnění je v mléčných a masných výrobcích díky jejich silné vazbě na potravinové proteiny. Existují tři hlavní typy karagenanu, které se liší stupněm sulfatace. Kappa-karagenan má jednu sulfátovou skupinu na disacharid. Iota-karagenan (ι-karagenan) má dva sulfáty na disacharid. Lambda karagenan (λ-karagenan) má tři sulfáty na disacharid.
Kappa karagenan (κ-karagenan) má lineární strukturu sulfatovaného polysacharidu z D-galaktózy a 3,6-anhydro-D-galaktózy.
κ-karagenan se široce používá v potravinářském průmyslu, např. jako želírující činidlo a pro úpravu textury. Lze jej nalézt jako přísadu ve zmrzlině, smetaně, tvarohu (cottage cheese), mléčných koktejlech, salátových dresincích, slazeném kondenzovaném mléce, sójovém mléce a dalších rostlinných nápojích a v omáčkách pro zvýšení viskozity výrobku.
κ-karagenan se dále vyskytuje v nepotravinářských výrobcích, například jako zahušťovadlo v šamponech a kosmetických krémech, v zubních pastách (jako stabilizátor zabraňující oddělování složek), v hasicí pěně (jako zahušťovadlo, které způsobuje lepivost pěny), v gelových osvěžovačích vzduchu, v krému na boty (pro zvýšení viskozity), v biotechnologii k imobilizaci buněk/enzymů, ve farmacii (jako neaktivní pomocná látka v pilulkách/tabletách), v krmivu pro zvířata atd.
Snímky SEM pro Ag/κ-karagenan při různých koncentracích κ-karagenanu. [0,1%, 0,2% a 0,3 %, v uvedeném pořadí (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]