Syntetisering af nano-sølv med honning og ultralyd

Nano-sølv bruges for sine antibakterielle egenskaber til at forstærke materialer inden for medicin og materialevidenskab. Ultralydbehandling giver mulighed for en hurtig, effektiv, sikker og miljøvenlig syntese af sfæriske sølv nanopartikler i vand. Ultralyd nanopartikelsyntese kan let skaleres fra lille til stor produktion.

Ultralydassisteret syntese af kolloid nano-sølv

Sonokemisk syntese, som refererer til kemiske reaktioner lettet af ultralydsbestråling, er en meget anvendt metode til fremstilling af nanopartikler. Disse omfatter sølv, guld, magnetit, hydroxyapatit, klorokin, perovskit, latex og mange andre nanomaterialer.

Ultralyd vådkemisk syntese

Flere ultralydsassisterede synteseruter er blevet udviklet til fremstilling af sølvnanopartikler. En bemærkelsesværdig metode anvender honning som både reduktions- og afdækningsmiddel. Komponenter i honning, såsom glukose og fruktose, virker synergistisk i disse roller under synteseprocessen.
I lighed med mange nanopartikelsynteseteknikker falder ultralyds nano-sølvsyntese ind under kategorien våd kemi. Processen begynder med kimdannelse af sølvnanopartikler i en opløsning. Under sonikering er en sølvforløber (f.eks. Sølvnitrat (AgNO₃) eller sølvperchlorat (AgClO₄)) reduceres i nærvær af et reduktionsmiddel, såsom honning, for at producere kolloidt sølv.

Mekanisme for ultralydssølvkernedannelse og vækst

Indledende kernedannelsesfase: Efterhånden som koncentrationen af opløste sølvioner stiger, begynder metalliske sølvioner at binde sig og danne små klynger. På dette stadium er disse klynger energimæssigt ustabile på grund af en negativ energibalance. Den energi, der kræves for at skabe nye overflader, overstiger den energi, der opnås ved at reducere koncentrationen af opløst sølv.

• Kritisk radius: Når en klynge når en bestemt størrelse (den kritiske radius), bliver processen energimæssigt gunstig, hvilket stabiliserer klyngen. Denne stabilitet gør det muligt for klyngen at fungere som en kerne for yderligere vækst.
• Vækstfase: Under vækst diffunderer yderligere sølvatomer gennem opløsningen og binder sig til den voksende nanopartikeloverflade. Væksten fortsætter, indtil koncentrationen af opløst sølv falder under kimdannelsestærsklen, hvilket standser dannelsen af nye kerner.
• Diffusion og færdiggørelse: Det resterende opløste sølv inkorporeres i eksisterende nanopartikler, hvilket fuldender processen.

Sonikering fremskynder masseoverførsel, især befugtnings- og diffusionsprocesserne, hvilket fører til hurtigere kimdannelse og kontrolleret vækst. Ved præcist at justere sonikeringsparametre, såsom intensitet og varighed, kan nanopartiklernes størrelse, væksthastighed og form finjusteres. Denne præcise kontrol sikrer ensartede nanopartikelstrukturer, der er skræddersyet til specifikke applikationer.

Ultralydassisteret syntese skiller sig ud som en effektiv, skalerbar og grøn kemi tilgang til fremstilling af nano-sølv med veldefinerede egenskaber, hvilket giver betydelige fordele for forskellige anvendelser inden for forskning og industri.

Klik her for at læse mere om en anden grøn metode til ultralydsyntetisering af nano-sølv ved hjælp af carrageenan!

Sonikering letter den hurtige, grønne syntese af små sølv nanopartikler med en smal størrelsesfordeling.

Casestudie af ultralyd nano-sølvsyntese

Undersøgelsen med titlen “Honningbaseret og ultralydassisteret syntese af sølvnanopartikler og deres antibakterielle aktiviteter” af Oskuee et al. (2016) udforsker en enkel og miljøvenlig metode til syntetisering af sølvnanopartikler (Ag-NP'er) ved hjælp af naturlig honning som både et reducerende og stabiliserende middel. Processen, der involverer reduktion af sølvnitrat (AgNO₃) under ultralydsbestråling, er kendetegnet ved forskellige parametre, herunder sølvionkoncentration, honningkoncentration og sonikeringstid. De resulterende Ag-NP'er har en gennemsnitlig størrelse på omkring 11,8 nm og udviser antibakterielle egenskaber mod patogene bakterier som Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa og E. coli.
Undersøgelsen fremhæver fordelene ved at bruge honning i nanopartikelsyntese og understreger dens grønne, billige og ikke-giftige natur. Forfatterne demonstrerer, at størrelsen og udbyttet af Ag-NP'er kan kontrolleres ved at justere reaktionsparametre såsom sølvkoncentration, honningindhold og sonikeringsvarighed. De syntetiserede Ag-NP'er viste sig at have effektiv antibakteriel aktivitet, især mod E. coli og S. aureus, med minimale hæmmende koncentrationer (MIC) på ca. 19,46 ppm. Denne metode præsenterer en potentiel anvendelse for Ag-NP'er inden for medicinske områder, herunder sårheling og infektionskontrol.

• Materialer: sølvnitrat (AgNO₃) som sølvprækursor honning som afdæknings- / reduktionsmiddel; Vand
• Ultralyd enhed: Sonde-type soniker UP400St

Ultralyd syntese protokol

De bedste betingelser for at syntetisere kolloide sølv nanopartikler viste sig at være følgende: Reduktion af sølvnitrat under ultralydbehandling medieret af naturlig honning. Kort fortalt blev 20 ml sølvnitratopløsning (0,3 M) indeholdende honning (20 vægt%) udsat for ultralydsbestråling med høj intensitet under omgivende forhold i 30 minutter. Ultralydbehandling blev udført med sonde-type ultralydsapparat UP400S (400W, 24 kHz) nedsænket direkte i reaktionsopløsningen.
Fødevaregodkendt honning bruges som afdæknings-/stabiliserings- og reduktionsmiddel, hvilket gør den vandige kimdannelsesopløsning og de udfældede nanopartikler rene og sikre til mangfoldige applikationer.
Efterhånden som ultralydbehandlingstiden øges, bliver sølvnanopartiklerne mindre, og deres koncentration forbedres.
I den vandige honningopløsning er ultralydbehandling en nøglefaktor, der påvirker dannelsen af sølv nano-partikler. Sonikeringsparametre såsom amplitude, tid og kontinuerlig vs pulserende ultralyd er vigtige faktorer, der gør det muligt at kontrollere størrelsen og mængden af sølvnanopartiklerne.

Partikelstørrelsesfordeling af Ag-NP'er syntetiseret under optimale forhold; sølvkoncentrationer (0,3 M), honningkoncentrationer (20 vægte%) og ultralydsbestrålingstider (30 min)
Billedkilde: ©Oskuee et al. 2016

Resultat af ultralydsyntese af sølv nanopartikler

Den ultralydsfremmede, honningmedierede syntese med sonikeren UP400St resulterede i sfæriske sølvnanopartikler (Ag-NP'er) med en gennemsnitlig partikelstørrelse på ca. 11,8 nm. Ultralydssyntesen af sølv nanopartikler er en enkel og hurtig one-pot metode. Brugen af vand og honning som materialer gør reaktionen omkostningseffektiv og usædvanlig miljøvenlig.
Den præsenterede teknik til ultralydsyntese ved hjælp af honning som reduktions- og afdækningsmiddel kan udvides til andre ædelmetaller, såsom guld, palladium og kobber, som tilbyder forskellige yderligere anvendelser fra medicin til industri.

Partikelstørrelsesfordeling af Ag-NP'er syntetiseret under optimale forhold; sølvkoncentrationer (0,3 M), honningkoncentrationer (20 vægt%) og ultralydsbestrålingstid (30 min)
Studie og billede: ©Oskuee et al. 2016

Påvirkning af kimdannelse og partikelstørrelse ved sonikering

Ultralyd muliggør produktion af nanopartikler såsom sølvnanopartikler, der er skræddersyet til kravene. Tre generelle muligheder for sonikering har vigtige virkninger på outputtet:
Indledende sonikering: Den korte påføring af ultralydbølger på en overmættet opløsning kan starte såning og dannelse af kerner. Da sonikering kun anvendes i den indledende fase, fortsætter den efterfølgende krystalvækst uhindret, hvilket resulterer i større krystaller.
Kontinuerlig sonikering: Den kontinuerlige bestråling af den overmættede opløsning resulterer i små krystaller, da den ikke-pausede ultralydbehandling skaber en masse kerner, hvilket resulterer i væksten af mange små krystaller.
Pulserende sonikering: Pulserende ultralyd betyder anvendelse af ultralyd i bestemte intervaller. En præcist kontrolleret input af ultralydsenergi gør det muligt at påvirke krystalvæksten for at opnå en skræddersyet krystalstørrelse.

Højtydende ultralydapparater til nanopartikelsyntese

Hielscher Ultrasonics tilbyder højtydende, pålidelige ultralydsprocessorer designet til avancerede sonokemiske applikationer, herunder sono-syntese og sono-katalyse. Ultralydsblanding og dispergering forbedrer masseoverførslen betydeligt, fremmer befugtningen af atomklynger og letter deres efterfølgende kimdannelse, hvilket fører til effektiv udfældning af nanopartikler. Ultralydssyntese er anerkendt som en enkel, omkostningseffektiv, biokompatibel, reproducerbar, hurtig og sikker metode til fremstilling af nanomaterialer af høj kvalitet. (Læs mere om den sonokemiske syntese af Perovskit og ZnO nanostrukturer!)

Hielscher ultralydapparater er konstrueret til præcis kontrol, hvilket muliggør optimale betingelser for kimdannelse og vækst af nanomaterialer. Disse digitale enheder har intelligent software, en farveberøringsskærm og en intuitiv menu til sikker og brugervenlig betjening. Derudover kommer de med automatisk dataoptagelse på et indbygget SD-kort, hvilket sikrer problemfri procesdokumentation.

Med et omfattende udvalg af systemer - fra kompakte 50-watt håndholdte ultralydsapparater til laboratoriebrug til robuste 16.000 watt industrielle systemer - Hielscher giver den ideelle ultralydsløsning til enhver applikation. Hielscher ultralydsudstyr er designet til holdbarhed og er bygget til at fungere kontinuerligt under tunge forhold, selv i krævende miljøer, hvilket sikrer pålidelig ydeevne 24/7.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Sammenligning af konventionelle metoder og grønne syntesemetoder til nanopartikelsyntese.