Grøn sonokemisk vej til sølv nanopartikler
Sølvnanopartikler (AgNP'er) er ofte anvendte nanomaterialer på grund af deres antimikrobielle egenskaber, optiske egenskaber og høje elektriske ledningsevne. Den sonokemiske vej ved hjælp af kappa carrageenan er en enkel, bekvem og miljøvenlig syntesemetode til fremstilling af sølvnanopartikler. κ-carrageenan bruges som en naturlig miljøvenlig stabilisator, mens Power Ultrasound fungerer som et grønt reduktionsmiddel.
Grøn ultralydssyntese af sølv nanopartikler
Elsupikhe et al. (2015) har udviklet en grøn ultralydassisteret synteserute til fremstilling af sølvnanopartikler (AgNP'er). Sonokemi er velkendt for at fremme mange vådkemiske reaktioner. Sonikering gør det muligt at synthisere AgNP'er med κ-carrageenan som naturlig stabilisator. Reaktionen kører ved stuetemperatur og producerer sølvnanopartikler med fcc-krystalstruktur uden urenheder. Partikelstørrelsesfordelingen af AgNP'erne kan påvirkes af koncentrationen af κ-carrageenan.
Skema for interaktion mellem de Ag-NP'er ladede grupper, der er begrænset med κ-carrageenan under sonikering. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedure
- Ag-NP'erne blev syntetiseret ved at reducere AgNO3 ved hjælp af ultralydbehandling i nærvær af κ-carrageenan. For at opnå forskellige prøver blev der fremstillet fem suspensioner ved at tilsætte 10 ml 0,1 M AgNO3 til 40 ml κ-carrageenan. De anvendte κ-carrageenanopløsninger var henholdsvis 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 og 0,3 vægt%.
- Opløsningerne blev omrørt i 1 time for at opnå AgNO3/κ-carrageenan.
- Derefter blev prøverne udsat for intens ultralydsbestråling: Ultralydsenhedens amplitude UP400S (400W, 24kHz) blev indstillet til 50%. Sonikering blev anvendt i 90 minutter ved stuetemperatur. Sonotroden af ultralydsvæskeprocessorerne UP400S nedsænket direkte i reaktionsopløsningen.
- Efter sonikering blev suspensionerne centrifugeret i 15 minutter og vasket med dobbelt destilleret vand fire gange for at fjerne sølvionresterne. De udfældede nanopartikler blev tørret ved 40 °C under vakuum natten over for at opnå Ag-NP'erne.
Ligning
- Nh2O —Sonikering–> +H + OH
- OH + RH –> R + H2O
- AgNo3–hydrolyse–> Ag+ + NO3–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –Reduktioner–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analyse og resultater
For at evaluere resultaterne blev prøverne analyseret ved UV-synlig spektroskopisk analyse, røntgendiffraktion, FT-IR kemisk analyse, TEM- og SEM-billeder.
Antallet af Ag-NP'er steg med stigende κ-carrageenankoncentrationer. Dannelsen af Ag/κ-carrageenan blev bestemt ved UV-synlig spektroskopi, hvor overfladeplasmonabsorptionens maksimum blev observeret ved 402 til 420 nm. Røntgendiffraktionsanalysen (XRD) viste, at Ag-NP'erne har en ansigtscentreret kubisk struktur. Fourier-transform-infrarødt (FT-IR) spektrum indikerede tilstedeværelsen af Ag-NP'er i κ-carrageenan. Transmissionselektronmikroskopi (TEM) billede for den højeste koncentration af κ-carrageenan viste fordelingen af Ag-NP'er med en gennemsnitlig partikelstørrelse tæt på 4,21 nm. Scan elektronmikroskopi (SEM) billeder illustrerede den sfæriske form af Ag-NP'erne. SEM-analysen viser, at der med stigende koncentration af κ-carrageenan skete ændringer i overfladen af Ag/κ-carrageenan, således at der små Ag-NP'er med sfærisk form blev opnået.
TEM-billeder og tilsvarende størrelsesfordelinger for sonokemisk syntetiseret Ag/κ-carrageenan ved forskellige koncentrationer af κ-carrageenan. [henholdsvis 0,1 %, 0,2 % og 0,3 % (a, b, c)].
Ag + / κ-carrageenan (venstre) og sonikeret Ag / κ-carrageenan (højre). Sonikering blev udført med UP400S i 90 min. [Elsupikhe et al. 2015]
UP400S – ultralydsenheden, der anvendes til sonokemisk syntese af Ag-nanopartikler
SEM-billeder for Ag/κ-carrageenan ved forskellige koncentrationer af κ-carrageenan. [0,1 %, 0,2 % og 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]
Litteratur/Referencer
- Elsupikhe, Randa Fawzi; Shameli, Kamyar; Ahmad, Mansor B; Ibrahim, Nor Azowa; Zainudin, Norhazlin (2015): Grøn sonokemisk syntese af sølv nanopartikler ved varierende koncentrationer af κ-carrageenan. Forskningsbreve i nanoskala 10. 2015.
Grundlæggende oplysninger
Sonokemi
Når kraftig ultralyd påføres kemiske reaktioner i opløsning (flydende eller gylletilstand), giver den specifik aktiveringsenergi på grund af et fysisk fænomen, kendt som akustisk kavitation. Kavitation skaber høje forskydningskræfter og ekstreme forhold såsom meget høje temperaturer og kølehastigheder, tryk og væskestråler. Disse intense kræfter kan igangsætte reaktioner og ødelægge attraktive kræfter af molekyler i væskefasen. Talrige reaktioner vides at drage fordel af ultralydsbestråling, f.eks. sonolyse, Sol-Gel rute, sonokemisk syntese af palladium, latex, hydroxyapatit og mange andre stoffer. Læs mere om Sonochemistry her!
Sølv nanopartikler
Sølv nanopartikler er kendetegnet ved en størrelse på mellem 1nm og 100nm. Mens det ofte beskrives som værende 'sølv’ Nogle er sammensat af en stor procentdel af sølvoxid på grund af deres store forhold mellem overflade-til-bulk sølvatomer. Sølvnanopartikler kan forekomme med forskellige strukturer. Oftest syntetiseres sfæriske sølvnanopartikler, men diamant-, ottekantede og tynde plader bruges også.
Sølvnanopartikler er meget hyppige i medicinske applikationer. Sølvionerne er bioaktive og har stærke antimikrobielle og bakteriedræbende virkninger. Deres ekstremt store overfladeareal giver mulighed for koordinering af adskillige ligander. Andre vigtige egenskaber er ledningsevne og unikke optiske egenskaber.
På grund af deres ledende egenskaber er sølvnanopartikler ofte inkorporeret i kompositter, plast, epoxy og klæbemidler. Sølvpartiklerne øger den elektriske ledningsevne; Derfor bruges sølvpastaer og blæk ofte til fremstilling af elektronik. Da sølvnanopartikler understøtter overfladeplasmoner, har AgNP'er fremragende optiske egenskaber. Plasmoniske sølvnanopartikler bruges til sensorer, detektorer og analytisk udstyr såsom Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) og Surface Plasmon Field-enhanced Fluorescence Spectroscopy (SPFS).
Carrageenan
Carrageenan er en billig naturlig polymer, der findes i forskellige arter af rød tang. Carrageenaner er lineære sulfaterede polysaccharider, der er meget udbredt i fødevareindustrien for deres gelerende, fortykkende og stabiliserende egenskaber. Deres vigtigste anvendelse er i mejeri- og kødprodukter på grund af deres stærke binding til fødevareproteiner. Der er tre hovedsorter af carrageenan, som adskiller sig i deres sulfateringsgrad. Kappa-carrageenan har en sulfatgruppe pr. disaccharid. Iota-carrageenan (ι-carrageenen) har to sulfater pr. disaccharid. Lambdacarrageenan (λ-carrageenen) har tre sulfater pr. disaccharid.
Kappa carrageenan (κ-carrageenan) har en lineær struktur af sulfateret polysaccharid af D-galactose og 3,6-anhydro-D-galactose.
κ-carrageenan anvendes i vid udstrækning i fødevareindustrien, f.eks. som geleringsmiddel og til teksturændring. Det findes som tilsætningsstof i is, fløde, hytteost, milkshakes, salatdressinger, sødet kondenseret mælk, sojamælk & anden plantemælk og saucer for at øge produktets viskositet.
Desuden kan κ-carrageenan findes i nonfoodprodukter såsom fortykningsmiddel i shampoo og kosmetiske cremer, i tandpasta (som stabilisator for at forhindre bestanddele i at adskille), brandslukningsskum (som fortykningsmiddel for at få skummet til at blive klæbrigt), luftfriskergeler, skocreme (for at øge viskositeten), i bioteknologien til at immobilisere celler/enzymer, i lægemidler (som et inaktivt hjælpestof i piller/tabletter), i foder til kæledyr osv.