Grüner sonochemischer Syntheseweg zu Silbernanopartikeln
Silbernanopartikel (AgNPs) sind aufgrund ihrer antimikrobiellen Eigenschaften, ihrer optischen Eigenschaften und ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit häufig eingesetzte Nanomaterialien. Der sonochemische Syntheseweg mit Kappa-Carrageen ist eine einfache, praktische und umweltfreundliche Methode zur Herstellung von Silbernanopartikeln. κ-Carrageen wird als natürlicher, umweltfreundlicher Stabilisator eingesetzt, während Leistungsultraschall als grünes Reduktionsmittel wirkt.
Grüne Chemie erfordert eine präzise Kontrolle der Parameter. Unsere Ingenieure für Nanomaterialien unterstützen Sie bei der Auswahl der geeigneten Sonotrode, Reaktorgeometrie und Leistungseinstellungen, um die Ausbeute zu maximieren, die Partikelmorphologie zu kontrollieren und die vollständige Einhaltung der Prinzipien der grünen Chemie sicherzustellen.
Ag+/κ-Carrageen (links) und ultraschallbehandeltes Ag/κ-Carrageen (rechts). Die Beschallung erfolgte mit dem UP400S für 90 min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Grüne Ultraschallsynthese von Silbernanopartikeln
Elsupikhe et al. (2015) entwickelten einen grünen ultraschallgestützten Syntheseweg zur Herstellung von Silbernanopartikeln (AgNPs). Die Sonochemie ist dafür bekannt, zahlreiche nasschemische Reaktionen zu fördern. Die Beschallung ermöglicht die Synthese von AgNPs mit κ-Carrageen als natürlichem Stabilisator. Die Reaktion läuft bei Raumtemperatur ab und erzeugt Silbernanopartikel mit kubisch flächenzentrierter Kristallstruktur (fcc) ohne jegliche Verunreinigungen. Die Partikelgrößenverteilung der AgNPs lässt sich durch die Konzentration von κ-Carrageen beeinflussen.
Schema der Wechselwirkung zwischen den mit κ-Carrageen bedeckten geladenen Gruppen der Ag-NPs unter Beschallung. [Elsupikhe et al. 2015]
Vorgehensweise: Nachhaltige Synthese von Silbernanopartikeln
- Die Ag-NPs wurden durch Reduktion von AgNO3 mittels Ultraschall in Gegenwart von κ-Carrageen synthetisiert. Um unterschiedliche Proben zu erhalten, wurden fünf Suspensionen hergestellt, indem 10 mL einer 0,1 M Lösung von AgNO3 zu 40 mL κ-Carrageen-Lösung gegeben wurden. Die verwendeten κ-Carrageen-Lösungen hatten Konzentrationen von 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 bzw. 0,3 wt%.
- Die Lösungen wurden 1 h lang gerührt, um AgNO3/κ-Carrageen zu erhalten.
- Anschließend wurden die Proben intensiv beschallt: Die Amplitude des Ultraschallgeräts UP400S (400 W, 24 kHz) wurde auf 50 % eingestellt. Die Beschallung erfolgte 90 min lang bei Raumtemperatur. Die Sonotrode des Ultraschallprozessors UP400S wurde direkt in die Reaktionslösung eingetaucht.
- Nach der Beschallung wurden die Suspensionen 15 min lang zentrifugiert und viermal mit bidestilliertem Wasser gewaschen, um die verbleibenden Silberionen zu entfernen. Die ausgefällten Nanopartikel wurden über Nacht bei 40 °C unter Vakuum getrocknet, um die Ag-NPs zu erhalten.
Reaktionsgleichung
- nH₂O —Beschallung→ +H + OH
- OH + RH → R + H₂O
- AgNo₃ –Hydrolyse→ Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ → Ag° + R‘ + H+
- Ag+ + H –Reduktion→ Ag°
- Ag+ + H2O → Ag° + OH + H+
Analyse und Ergebnisse: Mittels Ultraschall synthetisierte Silbernanopartikel
Zur Auswertung der Ergebnisse wurden die Proben mittels UV/Vis-Spektroskopie, Röntgenbeugung, chemischer FT-IR-Analyse sowie TEM- und REM-Aufnahmen untersucht.
Die Anzahl der Ag-NPs nahm mit steigender κ-Carrageen-Konzentration zu. Die Bildung von Ag/κ-Carrageen wurde mittels UV/Vis-Spektroskopie nachgewiesen, wobei das Absorptionsmaximum der Oberflächenplasmonen bei 402 bis 420 nm beobachtet wurde. Die Röntgenbeugungsanalyse (XRD) zeigte, dass die Ag-NPs eine kubisch flächenzentrierte Struktur aufweisen. Das Fourier-Transform-Infrarotspektrum (FT-IR) wies auf das Vorhandensein von Ag-NPs in κ-Carrageen hin. Die transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme (TEM) für die höchste κ-Carrageen-Konzentration zeigte die Verteilung der Ag-NPs mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 4,21 nm. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) veranschaulichten die kugelförmige Gestalt der Ag-NPs. Die REM-Analyse zeigt, dass mit steigender κ-Carrageen-Konzentration Veränderungen an der Oberfläche von Ag/κ-Carrageen auftraten, sodass kleine, kugelförmige Ag-NPs erhalten wurden.
TEM-Aufnahmen und zugehörige Größenverteilungen von sonochemisch synthetisiertem Ag/κ-Carrageen bei unterschiedlichen κ-Carrageen-Konzentrationen. [0,1 %, 0,2 % bzw. 0,3 % (a, b, c)].
UP400S – das für die sonochemische Synthese von Ag-Nanopartikeln verwendete Ultraschallgerät
Literatur/Quellen
- 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.
Häufig gestellte Fragen: Grüne sonochemische Synthese von Silbernanopartikeln
Wie verbessert Ultraschall die grüne Synthese von Silbernanopartikeln?
Ultraschall erzeugt akustische Kavitation, wodurch lokal begrenzte Bereiche mit sehr hohen Temperaturen entstehen, in denen Silberionen mithilfe umweltfreundlicher Mittel rasch reduziert werden. Dieser sonochemische Prozess beschleunigt die Reaktionskinetik, fördert eine gleichmäßige Keimbildung und ermöglicht eine präzise Kontrolle von Partikelgröße und -form – ganz ohne aggressive Chemikalien oder einen hohen Einsatz thermischer Energie.
Welche wesentlichen Vorteile bietet ein grüner sonochemischer Syntheseweg für AgNPs?
Die grüne sonochemische Synthese kombiniert Ultraschall mit biokompatiblen Reduktions- und Oberflächenstabilisierungsmitteln wie Pflanzenextrakten, Zuckern oder Polymeren, um ungiftige, umweltverträgliche Silbernanopartikel herzustellen. Die Methode senkt den Energieverbrauch, verkürzt die Synthesezeit, vermeidet gefährliche Nebenprodukte und liefert hochstabile Nanopartikel mit gleichbleibender Größenverteilung.
Kann Ultraschall die Größe und Morphologie von Silbernanopartikeln kontrollieren?
Ja. Durch Anpassung von Ultraschallamplitude, Frequenz, Leistungsdichte und Beschallungsdauer können Hersteller die Keimbildungs- und Wachstumsraten präzise einstellen. Dies ermöglicht die reproduzierbare Herstellung von AgNPs mit Größen von 5–100 nm in verschiedenen Formen (Kugeln, Würfel, dreieckige Plättchen), abgestimmt auf spezifische biomedizinische, elektronische oder industrielle Anwendungen.
Lässt sich die grüne Ultraschallsynthese für die industrielle AgNP-Produktion skalieren?
Ja, uneingeschränkt. Industrielle Ultraschallprozessoren ermöglichen den Einsatz kontinuierlich betriebener Durchflussreaktoren, mit denen sich der Prozess nahtlos von Laborchargen auf die vollständige industrielle Fertigung skalieren lässt. Die Inline-Beschallung gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung der Kavitation, eine Prozessüberwachung in Echtzeit und gleichbleibende Ergebnisse von Charge zu Charge. Damit eignet sie sich ideal für die umweltfreundliche Herstellung von AgNPs in großen Mengen.
Welche grünen Reduktionsmittel eignen sich am besten für die Ultraschallsynthese von Silbernanopartikeln?
Zu den wirksamen umweltfreundlichen Mitteln zählen Pflanzenextrakte (z. B. Aloe, grüner Tee, Zitrusschalen), Kohlenhydrate, Aminosäuren, Proteine und biologisch abbaubare Polymere. Ultraschall verbessert ihre reduzierende und stabilisierende Wirkung und ermöglicht so den vollständigen Ersatz synthetischer Chemikalien bei gleichzeitig hoher Ausbeute, kolloidaler Stabilität und funktioneller Leistungsfähigkeit.
Wie schneidet die sonochemische Synthese im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Verfahren für AgNPs ab?
Herkömmliche chemische Synthesewege beruhen häufig auf toxischen Reduktionsmitteln (z. B. Natriumborhydrid) und extremen pH-Werten und erzeugen gefährliche Abfälle. Die grüne sonochemische Synthese verwendet sichere, nachwachsende Rohstoffe, läuft bei Umgebungstemperatur oder milden Temperaturen ab, verkürzt die Verarbeitungszeit erheblich und erzeugt reinere, biokompatiblere Nanopartikel mit besserer Dispersion und längerer Lagerstabilität.
Welche Branchen profitieren von Silbernanopartikeln aus grüner sonochemischer Synthese?
Mit grünen sonochemischen Verfahren synthetisierte AgNPs werden häufig in antimikrobiellen Beschichtungen, Medizinprodukten, der Wundversorgung, der Wasserfiltration, flexibler Elektronik und nachhaltigen Verpackungen eingesetzt. Ihre umweltfreundliche Herstellung gewährleistet die Einhaltung strenger Umwelt- und Sicherheitsstandards und bietet zugleich hohe Leistungsfähigkeit und regulatorische Akzeptanz.
Was sind Silbernanopartikel?
Silbernanopartikel zeichnen sich durch eine Größe zwischen 1 nm und 100 nm aus. Obwohl sie häufig als „Silber“ bezeichnet werden, bestehen einige aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Silberatomen an der Oberfläche zu Silberatomen im Partikelinneren zu einem großen Anteil aus Silberoxid. Silbernanopartikel können unterschiedliche Strukturen aufweisen. Am häufigsten werden kugelförmige Silbernanopartikel synthetisiert, aber auch rautenförmige und achteckige Partikel sowie dünne Plättchen werden verwendet.
Silbernanopartikel werden sehr häufig in medizinischen Anwendungen eingesetzt. Die Silberionen sind bioaktiv und wirken stark antimikrobiell und keimtötend. Die extrem große Oberfläche der Silbernanopartikel ermöglicht die Koordination zahlreicher Liganden. Weitere wichtige Merkmale sind ihre Leitfähigkeit und ihre einzigartigen optischen Eigenschaften.
Aufgrund ihrer Leitfähigkeit werden Silbernanopartikel häufig in Verbundwerkstoffe, Kunststoffe, Epoxidharze und Klebstoffe eingearbeitet. Die Silberpartikel erhöhen die elektrische Leitfähigkeit; daher werden Silberpasten und -tinten häufig in der Elektronikfertigung eingesetzt. Da in Silbernanopartikeln Oberflächenplasmonen angeregt werden können, besitzen AgNPs herausragende optische Eigenschaften. Plasmonische Silbernanopartikel werden für Sensoren, Detektoren und Analysegeräte eingesetzt, etwa für die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) und die oberflächenplasmonenfeldverstärkte Fluoreszenzspektroskopie (SPFS).
Was ist Carrageen?
Carrageen ist ein kostengünstiges natürliches Polymer, das in verschiedenen Rotalgenarten vorkommt. Carrageene sind lineare sulfatierte Polysaccharide, die aufgrund ihrer gelierenden, verdickenden und stabilisierenden Eigenschaften in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet sind. Aufgrund ihrer starken Bindung an Lebensmittelproteine werden sie hauptsächlich in Milch- und Fleischprodukten eingesetzt. Es gibt drei Hauptarten von Carrageen, die sich in ihrem Sulfatierungsgrad unterscheiden. Kappa-Carrageen besitzt eine Sulfatgruppe pro Disaccharid. Iota-Carrageen (ι-Carrageen) besitzt zwei Sulfatgruppen pro Disaccharid. Lambda-Carrageen (λ-Carrageen) besitzt drei Sulfatgruppen pro Disaccharid.
Kappa-Carrageen (κ-Carrageen) ist ein sulfatiertes Polysaccharid mit linearer Struktur aus D-Galactose und 3,6-Anhydro-D-Galactose.
κ-Carrageen wird in der Lebensmittelindustrie häufig eingesetzt, z. B. als Geliermittel und zur Veränderung der Textur. Es ist als Zusatzstoff in Speiseeis, Sahne, Hüttenkäse, Milchshakes, Salatdressings, gesüßter Kondensmilch, Sojamilch und anderen Pflanzenmilchsorten sowie Saucen enthalten, um die Produktviskosität zu erhöhen.
Darüber hinaus findet sich κ-Carrageen in Produkten außerhalb des Lebensmittelbereichs, etwa als Verdickungsmittel in Shampoos und kosmetischen Cremes, in Zahnpasta (als Stabilisator zur Verhinderung der Entmischung der Bestandteile), in Feuerlöschschaum (als Verdickungsmittel, das den Schaum haftfähig macht), in Lufterfrischergelen, in Schuhcreme (zur Erhöhung der Viskosität), in der Biotechnologie zur Immobilisierung von Zellen/Enzymen, in Arzneimitteln (als inaktiver Hilfsstoff in Pillen/Tabletten), in Heimtierfutter usw.
REM-Aufnahmen von Ag/κ-Carrageen bei unterschiedlichen κ-Carrageen-Konzentrationen. [0,1 %, 0,2 % bzw. 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]