Grøn sonokemisk metode til fremstilling af sølvnanopartikler
Sølvnanopartikler (AgNPs) er hyppigt anvendte nanomaterialer på grund af deres antimikrobielle egenskaber, optiske egenskaber og høje elektriske ledningsevne. Den sonokemiske metode med kappa-carrageenan er en enkel, praktisk og miljøvenlig syntesemetode til fremstilling af sølvnanopartikler. κ-carrageenan anvendes som en naturlig, miljøvenlig stabilisator, mens højintensiv ultralyd fungerer som et grønt reduktionsmiddel.
Grøn kemi kræver præcis parameterstyring. Vores nanomaterialeingeniører hjælper dig med at vælge den rette sonotrode, reaktorgeometri og effektindstillinger for at maksimere udbyttet, styre partikelmorfologien og sikre fuld overensstemmelse med principperne for grøn kemi.
Ag+/κ-carrageenan (til venstre) og sonikeret Ag/κ-carrageenan (til højre). Sonikering blev udført med UP400S i 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Grøn ultralydssyntese af sølvnanopartikler
Elsupikhe et al. (2015) har udviklet en grøn, ultralydsassisteret syntesemetode til fremstilling af sølvnanopartikler (AgNPs). Sonokemi er velkendt for at fremme mange vådkemiske reaktioner. Sonikering gør det muligt at syntetisere AgNPs med κ-carrageenan som naturlig stabilisator. Reaktionen foregår ved stuetemperatur og producerer sølvnanopartikler med fcc-krystalstruktur uden nogen urenheder. AgNPs’ partikelstørrelsesfordeling kan påvirkes af koncentrationen af κ-carrageenan.
Skematisk fremstilling af interaktionen mellem de ladede grupper på Ag-NPs, der er belagt med κ-carrageenan under sonikering. [Elsupikhe et al. 2015]
Fremgangsmåde: Bæredygtig syntese af sølvnanopartikler
- Ag-NPs blev syntetiseret ved at reducere AgNO3 ved hjælp af sonikering i tilstedeværelse 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 havde koncentrationer på henholdsvis 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 og 0,3 wt%.
- Opløsningerne blev omrørt i 1h for at opnå AgNO3/κ-carrageenan.
- Derefter blev prøverne udsat for intens ultralydsbestråling: Amplituden på ultralydsapparatet UP400S (400W, 24kHz) blev indstillet til 50%. Sonikering blev udført i 90min ved stuetemperatur. Sonotroden på ultralydsprocessoren til væskebehandling UP400S blev nedsænket direkte i reaktionsopløsningen.
- Efter sonikering blev suspensionerne centrifugeret i 15min og vasket med dobbeltdestilleret vand fire gange for at fjerne rester af sølvioner. De udfældede nanopartikler blev tørret ved 40°C under vakuum natten over for at opnå Ag-NPs.
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: Ultralydssyntetiserede sølvnanopartikler
For at evaluere resultaterne blev prøverne analyseret ved hjælp af UV-synlig spektroskopisk analyse, røntgendiffraktion, FT-IR-kemisk analyse samt TEM- og SEM-billeder.
Antallet af Ag-NPs steg med stigende κ-carrageenankoncentrationer. Dannelsen af Ag/κ-carrageenan blev bestemt ved UV-synlig spektroskopi, hvor absorptionsmaksimum for overfladeplasmoner blev observeret ved 402 til 420nm. Røntgendiffraktionsanalysen (XRD) viste, at Ag-NPs har en fladecentreret kubisk struktur. Det infrarøde Fouriertransformationsspektrum (FT-IR) indikerede tilstedeværelsen af Ag-NPs i κ-carrageenan. Et billede fra transmissionselektronmikroskopi (TEM) for den højeste koncentration af κ-carrageenan viste fordelingen af Ag-NPs med en gennemsnitlig partikelstørrelse på tæt på 4,21nm. Billeder fra scanningelektronmikroskopi (SEM) illustrerede Ag-NPs’ kugleform. SEM-analysen viser, at der med stigende κ-carrageenankoncentration skete ændringer i overfladen af Ag/κ-carrageenan, således at der blev opnået små Ag-NPs med kugleform.
TEM-billeder og tilsvarende størrelsesfordelinger for sonokemisk syntetiseret Ag/κ-carrageenan ved forskellige koncentrationer af κ-carrageenan. [0,1%, 0,2% og 0,3% for henholdsvis (a, b, c)].
UP400S – ultralydsapparatet, der blev anvendt til den sonokemiske syntese af Ag-nanopartikler
Litteratur/referencer
- 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.
Ofte stillede spørgsmål: Grøn sonokemisk syntese af sølvnanopartikler
Hvordan forbedrer ultralyd den grønne syntese af sølvnanopartikler?
Ultralyd driver akustisk kavitation, hvilket skaber lokale områder med meget høj temperatur, som hurtigt reducerer sølvioner ved hjælp af miljøvenlige midler. Denne sonokemiske proces accelererer reaktionskinetikken, fremmer ensartet kernedannelse og muliggør præcis styring af partikelstørrelse og -form – alt sammen uden aggressive kemikalier eller høj termisk energi.
Hvad er de vigtigste fordele ved en grøn sonokemisk metode til fremstilling af AgNPs?
Grøn sonokemisk syntese kombinerer ultralyd med biokompatible reduktions- og belægningsmidler (såsom planteekstrakter, sukkerarter eller polymerer) for at fremstille ugiftige, miljøskånsomme sølvnanopartikler. Metoden reducerer energiforbruget, forkorter syntesetiden, eliminerer farlige biprodukter og giver meget stabile nanopartikler med en ensartet størrelsesfordeling.
Kan ultralyd styre sølvnanopartiklers størrelse og morfologi?
Ja. Ved at justere ultralydsamplitude, frekvens, effekttæthed og sonikeringstid kan producenter finjustere hastighederne for kernedannelse og vækst. Dette muliggør reproducerbar fremstilling af AgNPs på 5–100 nm i forskellige former (kugler, terninger, trekantede plader), som er tilpasset specifikke biomedicinske, elektroniske eller industrielle anvendelser.
Kan grøn ultralydssyntese opskaleres til industriel produktion af AgNPs?
Absolut. Industrielle ultralydsprocessorer understøtter kontinuerlige gennemstrømningsreaktorer , som problemfrit kan opskaleres fra laboratoriebatcher til fuld produktion. Inline-sonikering sikrer en ensartet kavitationsfordeling, procesovervågning i realtid og ensartethed fra batch til batch, hvilket gør den ideel til miljøvenlig fremstilling af AgNPs i store mængder.
Hvilke grønne reduktionsmidler fungerer bedst ved ultralydssyntese af sølvnanopartikler?
Effektive miljøvenlige midler omfatter planteekstrakter (f.eks. aloe, grøn te og citrusskaller), kulhydrater, aminosyrer, proteiner og biologisk nedbrydelige polymerer. Ultralyd forbedrer deres effektivitet som reduktionsmidler og stabilisatorer, hvilket muliggør fuldstændig erstatning af syntetiske kemikalier, samtidig med at et højt udbytte, kolloidal stabilitet og funktionel ydeevne opretholdes.
Hvordan adskiller sonokemisk syntese sig fra traditionelle kemiske metoder til fremstilling af AgNPs?
Konventionelle kemiske metoder er ofte afhængige af giftige reduktionsmidler (f.eks. natriumborhydrid) og ekstreme pH-værdier og genererer farligt affald. Grøn sonokemisk syntese anvender sikre, fornybare materialer, foregår ved omgivelsestemperatur eller milde temperaturer, reducerer behandlingstiden betydeligt og producerer renere, mere biokompatible nanopartikler med bedre dispersion og længere holdbarhed.
Hvilke brancher har gavn af grønne, ultralydsfremstillede sølvnanopartikler?
AgNPs syntetiseret ved hjælp af grønne sonokemiske metoder anvendes i vid udstrækning i antimikrobielle belægninger, medicinsk udstyr, sårpleje, vandfiltrering, fleksibel elektronik og bæredygtig emballage. Deres miljøvenlige produktion sikrer overholdelse af strenge miljø- og sikkerhedsstandarder og giver samtidig høj ydeevne og accept fra myndighederne.
Hvad er sølvnanopartikler?
Sølvnanopartikler er kendetegnet ved en størrelse på mellem 1nm og 100nm. Selvom de ofte beskrives som ‘sølv’, består nogle af en stor andel sølvoxid på grund af deres høje forhold mellem sølvatomer på overfladen og i partiklens indre. Sølvnanopartikler kan forekomme med forskellige strukturer. Oftest syntetiseres kugleformede sølvnanopartikler, men der anvendes også rombeformede og ottekantede partikler samt tynde plader.
Sølvnanopartikler anvendes meget ofte til medicinske formål. Sølvionerne er bioaktive og har stærke antimikrobielle og bakteriedræbende virkninger. Deres ekstremt store overfladeareal muliggør koordinering af talrige ligander. Andre vigtige egenskaber er ledningsevne og unikke optiske egenskaber.
På grund af deres ledende egenskaber indarbejdes sølvnanopartikler ofte i kompositter, plast, epoxymaterialer og klæbemidler. Sølvpartiklerne øger den elektriske ledningsevne; derfor anvendes sølvpastaer og -blæk ofte i fremstillingen af elektronik. Da sølvnanopartikler understøtter overfladeplasmoner, har AgNPs fremragende optiske egenskaber. Plasmoniske sølvnanopartikler anvendes til sensorer, detektorer og analyseudstyr såsom overfladeforstærket Ramanspektroskopi (SERS) og overfladeplasmonfeltforstærket fluorescensspektroskopi (SPFS).
Hvad er carrageenan?
Carrageenan er en billig, naturlig polymer, som findes i forskellige arter af rødalger. Carrageenaner er lineære, sulfaterede polysaccharider, der anvendes i vid udstrækning i fødevareindustrien på grund af deres geldannende, fortykkende og stabiliserende egenskaber. Deres primære anvendelse er i mejeri- og kødprodukter på grund af deres stærke binding til fødevareproteiner. Der findes tre hovedtyper af carrageenan, som adskiller sig i deres sulfateringsgrad. Kappa-carrageenan har én sulfatgruppe pr. disaccharid. Iota-carrageenan (ι-carrageenan) har to sulfatgrupper pr. disaccharid. Lambda-carrageenan (λ-carrageenan) har tre sulfatgrupper pr. disaccharid.
Kappa-carrageenan (κ-carrageenan) har en lineær struktur af sulfateret polysaccharid bestående af D-galactose og 3,6-anhydro-D-galactose.
κ-carrageenan anvendes i vid udstrækning i fødevareindustrien, f.eks. som geleringsmiddel og til at ændre teksturen. Det kan findes som tilsætningsstof i is, fløde, hytteost, milkshakes, salatdressinger, sødet kondenseret mælk, sojamælk og andre plantedrikke samt saucer for at øge produktets viskositet.
Desuden kan κ-carrageenan findes i andre produkter end fødevarer, f.eks. som fortykningsmiddel i shampoo og kosmetiske cremer, i tandpasta (som stabilisator for at forhindre, at bestanddelene adskilles), i brandslukningsskum (som fortykningsmiddel for at gøre skummet klæbrigt), i luftfriskergeler, i skocreme (for at øge viskositeten), i bioteknologi til immobilisering af celler/enzymer, i lægemidler (som et inaktivt hjælpestof i piller/tabletter), i foder til kæledyr osv.
SEM-billeder af Ag/κ-carrageenan ved forskellige koncentrationer af κ-carrageenan. [0,1%, 0,2% og 0,3 % for henholdsvis (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]