Πράσινη Sonochemical διαδρομή προς νανοσωματίδια αργύρου
Τα νανοσωματίδια αργύρου (AgNPs) χρησιμοποιούνται συχνά νανοϋλικά λόγω των αντιμικροβιακών ιδιοτήτων τους, των οπτικών ιδιοτήτων τους και της υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητάς τους. Η sonochemical οδός χρησιμοποιώντας kappa carrageenan είναι μια απλή, βολική και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος σύνθεσης για την παρασκευή νανοσωματιδίων αργύρου. Η κ-καραγενάνη χρησιμοποιείται ως φυσικός φιλικός προς το περιβάλλον σταθεροποιητής, ενώ ο υπέρηχος ισχύος δρα ως πράσινος αναγωγικός παράγοντας.
Η πράσινη χημεία απαιτεί ακριβή έλεγχο των παραμέτρων. Οι μηχανικοί μας ειδικοί στα νανοϋλικά θα σας βοηθήσουν να επιλέξετε το κατάλληλο σονοτρόδιο, τη γεωμετρία του αντιδραστήρα και τις ρυθμίσεις ισχύος, ώστε να μεγιστοποιήσετε την απόδοση, να ελέγξετε τη μορφολογία των σωματιδίων και να διασφαλίσετε την πλήρη συμμόρφωση με τις αρχές της πράσινης χημείας.
Ag+/κ-καραγενάνη (αριστερά) και Ag/κ-καραγενάνη που υποβλήθηκε σε υπερηχητική επεξεργασία (δεξιά). Η υπερηχητική επεξεργασία πραγματοποιήθηκε με το UP400S για 90 λεπτά.
[Elsupikhe κ.ά. 2015]
Πράσινη υπερηχητική σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου
Elsupikhe et al. (2015) έχουν αναπτύξει μια πράσινη υπερηχητικά υποβοηθούμενη διαδρομή σύνθεσης για την παρασκευή νανοσωματιδίων αργύρου (AgNPs). Η ηχοχημεία είναι γνωστό ότι προάγει πολλές υγρές χημικές αντιδράσεις. Κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει τη σύνθεση AgNPs με κ-καραγενάνη ως φυσικό σταθεροποιητή. Η αντίδραση λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου και παράγει νανοσωματίδια αργύρου με κρυσταλλική δομή fcc χωρίς ακαθαρσίες. Η κατανομή μεγέθους σωματιδίων των AgNPs μπορεί να επηρεαστεί από τη συγκέντρωση της κ-καραγενάνης.
Σχήμα αλληλεπίδρασης μεταξύ των ομάδων που χρεώνονται Ag-NPs που καλύπτονται με κ-καραγενάνη υπό υπερήχους. [Elsupikhe et al. 2015]
Διαδικασία: Βιώσιμη σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου
- Τα Ag-NPs συντέθηκαν μειώνοντας το AgNO3 Χρησιμοποιώντας υπερήχους παρουσία κ-καραγενάνης. Για τη λήψη διαφορετικών δειγμάτων, παρασκευάστηκαν πέντε εναιωρήματα, με την προσθήκη 10 ml 0,1 M AgNO3 έως 40-mL κ-καραγενάνη. Τα διαλύματα κ-καραγενάνης που χρησιμοποιήθηκαν ήταν 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 και 0,3 wt%, αντίστοιχα.
- Τα διαλύματα αναδεύτηκαν για 1 ώρα για να ληφθεί AgNO3/κ-καραγενάνη.
- Στη συνέχεια, τα δείγματα εκτέθηκαν σε έντονη υπερηχητική ακτινοβολία: Το πλάτος της συσκευής υπερήχων UP400S (400W, 24kHz) ρυθμίστηκε στο 50%. Κατεργασία με υπερήχους εφαρμόστηκε για 90 λεπτά σε θερμοκρασία δωματίου. Το sonotrode των υπερήχων υγρών επεξεργαστών UP400S βυθίστηκε απευθείας στο διάλυμα αντίδρασης.
- Μετά από κατεργασία με υπερήχους, τα εναιωρήματα φυγοκεντρήθηκαν για 15 λεπτά και πλύθηκαν με διπλό απεσταγμένο νερό τέσσερις φορές για να αφαιρεθεί το υπόλειμμα ιόντων αργύρου. Τα κατακρημνισμένα νανοσωματίδια ξηράνθηκαν στους 40 ° C υπό κενό κατά τη διάρκεια της νύχτας για να ληφθούν τα Ag-NPs.
Εξίσωση
- χωρίς νερό —Υπερήχηση–> +H + OH
- Ω + RH –> R + H₂O
- No₃–υδρόλυση–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- Ε + Αγ+ —> Ag° + R’ + Η+
- Αγ+ + Η –Μειώσεις–> Ag°
- Αγ+ + Η2O —> Ag° + OH + H+
Ανάλυση και αποτελέσματα: Νανοσωματίδια αργύρου που συντέθηκαν με υπερήχους
Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, τα δείγματα αναλύθηκαν με φασματοσκοπική ανάλυση ορατή με υπεριώδη ακτινοβολία, περίθλαση ακτίνων Χ, χημική ανάλυση FT-IR, εικόνες TEM και SEM.
Ο αριθμός των Ag-NPs αυξήθηκε με την αύξηση των συγκεντρώσεων κ-καραγενάνης. Ο σχηματισμός του Ag/κ-καραγενάνου προσδιορίστηκε με φασματοσκοπία UV-ορατού φάσματος, όπου το μέγιστο απορρόφησης του επιφανειακού πλασμονίου παρατηρήθηκε στα 402 έως 420 nm. Η ανάλυση με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) έδειξε ότι τα Ag-NPs έχουν κυβική δομή με κέντρο την επιφάνεια. Το φάσμα υπέρυθρης μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) έδειξε την παρουσία Ag-NPs στο κ-καραγενάνη. Η εικόνα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης (TEM) για την υψηλότερη συγκέντρωση κ-καραγενάνης έδειξε την κατανομή των Ag-NPs με μέσο μέγεθος σωματιδίου κοντά στα 4,21 nm. Οι εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) απεικόνισαν το σφαιρικό σχήμα των Ag-NPs. Η ανάλυση SEM δείχνει ότι με την αύξηση της συγκέντρωσης του κ-καραγενάνου, σημειώθηκαν αλλαγές στην επιφάνεια του Ag/κ-καραγενάνου, με αποτέλεσμα να ληφθούν Ag-NPs μικρού μεγέθους με σφαιρικό σχήμα.
Εικόνες TEM και αντίστοιχες κατανομές μεγέθους για sonoχημικά συντιθέμενη Ag/κ-καραγενάνη σε διαφορετικές συγκεντρώσεις κ-καραγενάνης. [0,1%, 0,2% και 0,3%, αντίστοιχα (α, β, γ)].
UP400S – η συσκευή υπερήχων που χρησιμοποιείται για τη sonochemical σύνθεση νανοσωματιδίων Ag
Βιβλιογραφία/Αναφορές
- 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.
Συχνές ερωτήσεις: Οικολογική ηχοχημική σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου
Πώς συμβάλλει ο υπέρηχος στη βιολογική σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου;
Οι υπερήχοι προκαλούν ακουστική σπηλαίωση, δημιουργώντας τοπικά σημεία υψηλής συγκέντρωσης όπου τα ιόντα αργύρου μειώνονται ταχέως με τη χρήση φιλικών προς το περιβάλλον παραγόντων. Αυτή η ηχοχημική διαδικασία επιταχύνει την κινητική της αντίδρασης, ευνοεί την ομοιόμορφη πυρήνωση και επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο του μεγέθους και του σχήματος των σωματιδίων – όλα αυτά χωρίς τη χρήση ισχυρών χημικών ουσιών ή υψηλής θερμικής ενέργειας.
Ποια είναι τα κύρια πλεονεκτήματα μιας οικολογικής σονοχημικής μεθόδου για την παραγωγή νανοσωματιδίων αργύρου (AgNPs);
Η «πράσινη» ηχοχημική σύνθεση συνδυάζει τον υπέρηχο με βιοσυμβατά αναγωγικά και καλυπτικά μέσα (όπως φυτικά εκχυλίσματα, σάκχαρα ή πολυμερή) για την παραγωγή μη τοξικών, φιλικών προς το περιβάλλον νανοσωματιδίων αργύρου. Η μέθοδος αυτή μειώνει την κατανάλωση ενέργειας, συντομεύει τον χρόνο σύνθεσης, εξαλείφει τα επικίνδυνα παραπροϊόντα και παράγει εξαιρετικά σταθερά νανοσωματίδια με ομοιόμορφη κατανομή μεγέθους.
Μπορεί ο υπέρηχος να ρυθμίσει το μέγεθος και τη μορφολογία των νανοσωματιδίων αργύρου;
Ναι. Ρυθμίζοντας το πλάτος, τη συχνότητα, την πυκνότητα ισχύος και τη διάρκεια της υπερηχητικής επεξεργασίας, οι κατασκευαστές μπορούν να ρυθμίσουν με ακρίβεια τους ρυθμούς πυρήνωσης και ανάπτυξης. Αυτό επιτρέπει την αναπαραγώγιμη παραγωγή νανοσωματιδίων αργύρου (AgNPs) μεγέθους 5–100 nm σε διάφορα σχήματα (σφαίρες, κύβοι, τριγωνικές πλάκες), προσαρμοσμένων σε συγκεκριμένες βιοϊατρικές, ηλεκτρονικές ή βιομηχανικές εφαρμογές.
Είναι η «πράσινη» σύνθεση με υπερήχους επεκτάσιμη για τη βιομηχανική παραγωγή AgNP;
Απολύτως. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων υποστηρίζουν αντιδραστήρες συνεχούς ροής που προσαρμόζονται απρόσκοπτα από τις εργαστηριακές παρτίδες στην πλήρη βιομηχανική παραγωγή. Η ενσωματωμένη υπερηχητική επεξεργασία εξασφαλίζει ομοιόμορφη κατανομή της σπηλαίωσης, παρακολούθηση της διαδικασίας σε πραγματικό χρόνο και συνέπεια μεταξύ των παρτίδων, καθιστώντας τη μέθοδο ιδανική για την παραγωγή AgNP μεγάλου όγκου με φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο.
Ποια πράσινα αναγωγικά μέσα αποδίδουν καλύτερα στη σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου με υπερήχους;
Μεταξύ των αποτελεσματικών φιλικών προς το περιβάλλον παραγόντων συγκαταλέγονται τα φυτικά εκχυλίσματα (π.χ. αλόη, πράσινο τσάι, φλούδες εσπεριδοειδών), οι υδατάνθρακες, τα αμινοξέα, οι πρωτεΐνες και τα βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή. Οι υπερήχοι ενισχύουν την αναγωγική και σταθεροποιητική τους αποτελεσματικότητα, επιτρέποντας την πλήρη αντικατάσταση των συνθετικών χημικών ουσιών, διατηρώντας παράλληλα την υψηλή απόδοση, την κολλοειδή σταθερότητα και τη λειτουργική απόδοση.
Πώς συγκρίνεται η υπερηχοχημική σύνθεση με τις παραδοσιακές χημικές μεθόδους παραγωγής AgNPs;
Οι συμβατικές χημικές μέθοδοι βασίζονται συχνά σε τοξικά αναγωγικά μέσα (π.χ. βοροϋδρίδιο του νατρίου), σε ακραίες τιμές pH και παράγουν επικίνδυνα απόβλητα. Η «πράσινη» υπερηχοχημική σύνθεση χρησιμοποιεί ασφαλή, ανανεώσιμα υλικά, λειτουργεί σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος ή ήπιες θερμοκρασίες, μειώνει σημαντικά τον χρόνο επεξεργασίας και παράγει καθαρότερα, πιο βιοσυμβατά νανοσωματίδια με ανώτερη διασπορά και διάρκεια ζωής.
Ποιοι κλάδοι επωφελούνται από τα οικολογικά νανοσωματίδια αργύρου που παράγονται με υπερήχους;
Τα AgNPs που συντίθενται μέσω «πράσινων» ηχοχημικών μεθόδων χρησιμοποιούνται ευρέως σε αντιμικροβιακές επικαλύψεις, ιατρικές συσκευές, φροντίδα τραυμάτων, διήθηση νερού, ευέλικτα ηλεκτρονικά συστήματα και βιώσιμες συσκευασίες. Η φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή τους εξασφαλίζει τη συμμόρφωση με αυστηρά περιβαλλοντικά πρότυπα και πρότυπα ασφάλειας, προσφέροντας παράλληλα υψηλή απόδοση και κανονιστική αποδοχή.
Τι είναι τα νανοσωματίδια αργύρου;
Τα νανοσωματίδια αργύρου χαρακτηρίζονται από μέγεθος μεταξύ 1nm και 100nm. Ενώ συχνά περιγράφεται ως «ασήμι»’ Μερικά αποτελούνται από ένα μεγάλο ποσοστό οξειδίου του αργύρου λόγω της μεγάλης αναλογίας επιφανειακών προς χύδην ατόμων αργύρου. Τα νανοσωματίδια αργύρου μπορούν να εμφανιστούν με διαφορετικές δομές. Συνηθέστερα, συντίθενται σφαιρικά νανοσωματίδια αργύρου, αλλά χρησιμοποιούνται επίσης διαμάντια, οκταγωνικά και λεπτά φύλλα.
Τα νανοσωματίδια αργύρου είναι ιδιαίτερα συχνά σε ιατρικές εφαρμογές. Τα ιόντα αργύρου είναι βιοενεργά και έχουν ισχυρά αντιμικροβιακά και μικροβιοκτόνα αποτελέσματα. Η εξαιρετικά μεγάλη επιφάνειά τους επιτρέπει το συντονισμό πολλών συνδετήρων. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά είναι η αγωγιμότητα και οι μοναδικές οπτικές ιδιότητες.
Για τα αγώγιμα χαρακτηριστικά τους, τα νανοσωματίδια αργύρου συχνά ενσωματώνονται σε σύνθετα υλικά, πλαστικά, εποξικά και κόλλες. Τα σωματίδια αργύρου αυξάνουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ως εκ τούτου, οι πάστες αργύρου και τα μελάνια χρησιμοποιούνται συχνά στην κατασκευή ηλεκτρονικών. Δεδομένου ότι τα νανοσωματίδια αργύρου υποστηρίζουν επιφανειακά πλασμόνια, τα AgNPs έχουν εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες. Τα πλασμονικά νανοσωματίδια αργύρου χρησιμοποιούνται για αισθητήρες, ανιχνευτές και αναλυτικό εξοπλισμό όπως η φασματοσκοπία Raman ενισχυμένης επιφάνειας (SERS) και η φασματοσκοπία φθορισμού ενισχυμένη με επιφανειακό πλασμόνιο (SPFS).
Τι είναι η καραγενάνη;
Η καραγενάνη είναι ένα φτηνό φυσικό πολυμερές, το οποίο βρίσκεται σε διάφορα είδη κόκκινων φυκιών. Οι καραγενάνες είναι γραμμικοί θειωμένοι πολυσακχαρίτες που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων, για τις πηκτωματοποιητικές, πυκνωτικές και σταθεροποιητικές τους ιδιότητες. Η κύρια εφαρμογή τους είναι στα γαλακτοκομικά προϊόντα και τα προϊόντα κρέατος, λόγω της ισχυρής δέσμευσής τους στις πρωτεΐνες των τροφίμων. Υπάρχουν τρεις κύριες ποικιλίες καραγενάνης, οι οποίες διαφέρουν ως προς τον βαθμό θείωσης. Το Kappa-carrageenan έχει μία θειική ομάδα ανά δισακχαρίτη. Η Iota-carrageenan (ι-carrageenen) έχει δύο θειικά άλατα ανά δισακχαρίτη. Η καραγενάνη λάμδα (λ-καραγενένιο) έχει τρία θειικά άλατα ανά δισακχαρίτη.
Η καραγενάνη Kappa (κ-καραγενάνη) έχει γραμμική δομή θειωμένου πολυσακχαρίτη D-γαλακτόζης και 3,6-ανυδρο-D-γαλακτόζης.
Η κ- καραγενάνη χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων, π.χ. ως πηκτωματογόνος παράγοντας και για την τροποποίηση της υφής. Μπορεί να βρεθεί ως πρόσθετο σε παγωτό, κρέμα, τυρί cottage, μιλκσέικ, σάλτσες σαλάτας, ζαχαρούχα συμπυκνωμένα γάλατα, γάλα σόγιας & άλλα φυτικά γάλατα και σάλτσες για την αύξηση του ιξώδους του προϊόντος.
Επιπλέον, η κ-καραγενάνη μπορεί να βρεθεί σε μη εδώδιμα προϊόντα όπως πηκτικό σε σαμπουάν και καλλυντικές κρέμες, σε οδοντόκρεμες (ως σταθεροποιητής για την πρόληψη του διαχωρισμού των συστατικών), αφρός πυρόσβεσης (ως πηκτικό για να προκαλέσει κολλώδη αφρό), τζελ αποσμητικών χώρου, βερνίκι παπουτσιών (για αύξηση του ιξώδους), στη βιοτεχνολογία για την ακινητοποίηση κυττάρων/ενζύμων, σε φαρμακευτικά προϊόντα (ως ανενεργό έκδοχο σε χάπια/δισκία), σε τροφές για ζώα συντροφιάς κ.λπ.
Εικόνες SEM για Ag/κ-καραγενάνη σε διαφορετικές συγκεντρώσεις κ-καραγενάνης. [0,1%, 0,2% και 0,3%, αντίστοιχα (α, β, γ)]. [Elsupikhe et al. 2015]