Πράσινη ηχοχημική οδός για την παρασκευή νανοσωματιδίων αργύρου
Τα νανοσωματίδια αργύρου (AgNPs) είναι νανοϋλικά που χρησιμοποιούνται συχνά λόγω των αντιμικροβιακών ιδιοτήτων τους, των οπτικών ιδιοτήτων τους και της υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητάς τους. Η ηχοχημική οδός με χρήση κάππα καραγενάνης είναι μια απλή, εύχρηστη και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος σύνθεσης για την παρασκευή νανοσωματιδίων αργύρου. Η κ-καραγενάνη χρησιμοποιείται ως φυσικός, φιλικός προς το περιβάλλον σταθεροποιητής, ενώ οι υπέρηχοι ισχύος δρουν ως πράσινο αναγωγικό μέσο.
Η πράσινη χημεία απαιτεί ακριβή έλεγχο των παραμέτρων. Οι μηχανικοί νανοϋλικών μας θα σας βοηθήσουν να επιλέξετε το κατάλληλο ηχοτρόδιο, 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 μετά από κατεργασία με υπερήχους (δεξιά). Η κατεργασία με υπερήχους πραγματοποιήθηκε με το UP400S για 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Πράσινη σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου με υπερήχους
Οι Elsupikhe et al. (2015) ανέπτυξαν μια πράσινη οδό σύνθεσης υποβοηθούμενης από υπερήχους για την παρασκευή νανοσωματιδίων αργύρου (AgNPs). Η ηχοχημεία είναι ευρέως γνωστό ότι προάγει πολλές αντιδράσεις υγρής χημείας. Η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει τη σύνθεση AgNPs με κ-καραγενάνη ως φυσικό σταθεροποιητή. Η αντίδραση πραγματοποιείται σε θερμοκρασία δωματίου και παράγει νανοσωματίδια αργύρου με εδροκεντρωμένη κυβική κρυσταλλική δομή (fcc), χωρίς καθόλου προσμείξεις. Η κατανομή μεγέθους των σωματιδίων των AgNPs μπορεί να επηρεαστεί από τη συγκέντρωση της κ-καραγενάνης.
Σχηματική απεικόνιση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των φορτισμένων ομάδων των Ag-NPs που επικαλύπτονται με κ-καραγενάνη κατά την κατεργασία με υπερήχους. [Elsupikhe et al. 2015]
Διαδικασία: Βιώσιμη σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου
- Τα Ag-NPs συντέθηκαν με αναγωγή του AgNO3 με χρήση υπερήχων παρουσία κ-καραγενάνης. Για τη λήψη διαφορετικών δειγμάτων, παρασκευάστηκαν πέντε αιωρήματα με προσθήκη 10 mL διαλύματος 0,1 M AgNO3 σε 40 mL κ-καραγενάνης. Τα διαλύματα κ-καραγενάνης που χρησιμοποιήθηκαν είχαν συγκεντρώσεις 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 και 0,3 wt%, αντίστοιχα.
- Τα διαλύματα αναδεύτηκαν για 1h ώστε να ληφθεί AgNO3/κ-καραγενάνη.
- Στη συνέχεια, τα δείγματα εκτέθηκαν σε έντονη υπερηχητική ακτινοβόληση: Το πλάτος ταλάντωσης της συσκευής υπερήχων UP400S (400W, 24kHz) ρυθμίστηκε στο 50%. Η κατεργασία με υπερήχους εφαρμόστηκε για 90min σε θερμοκρασία δωματίου. Το ηχοτρόδιο του επεξεργαστή υγρών με υπερήχους UP400S βυθίστηκε απευθείας στο διάλυμα της αντίδρασης.
- Μετά την κατεργασία με υπερήχους, τα αιωρήματα φυγοκεντρήθηκαν για 15min και πλύθηκαν τέσσερις φορές με δις απεσταγμένο νερό, ώστε να απομακρυνθούν τα υπολείμματα ιόντων αργύρου. Τα νανοσωματίδια που καταβυθίστηκαν ξηράνθηκαν στους 40°C υπό κενό κατά τη διάρκεια της νύχτας, ώστε να ληφθούν τα Ag-NPs.
Εξίσωση
- nH₂O —κατεργασία με υπερήχους–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–υδρόλυση–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –αναγωγές–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Ανάλυση και αποτελέσματα: Νανοσωματίδια αργύρου που συντέθηκαν με υπερήχους
Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, τα δείγματα αναλύθηκαν με φασματοσκοπική ανάλυση υπεριώδους–ορατού, περίθλαση ακτίνων Χ, χημική ανάλυση FT-IR και εικόνες TEM και SEM.
Ο αριθμός των Ag-NPs αυξήθηκε με την αύξηση της συγκέντρωσης της κ-καραγενάνης. Ο σχηματισμός Ag/κ-καραγενάνης προσδιορίστηκε με φασματοσκοπία υπεριώδους–ορατού, όπου το μέγιστο απορρόφησης των επιφανειακών πλασμονίων παρατηρήθηκε από 402 έως 420nm. Η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) έδειξε ότι τα Ag-NPs έχουν εδροκεντρωμένη κυβική δομή. Το υπέρυθρο φάσμα μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) έδειξε την παρουσία Ag-NPs στην κ-καραγενάνη. Η εικόνα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (TEM) για την υψηλότερη συγκέντρωση κ-καραγενάνης έδειξε την κατανομή των Ag-NPs με μέσο μέγεθος σωματιδίων κοντά στα 4,21nm. Οι εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) απεικόνισαν το σφαιρικό σχήμα των Ag-NPs. Η ανάλυση SEM δείχνει ότι, με την αύξηση της συγκέντρωσης της κ-καραγενάνης, σημειώθηκαν αλλαγές στην επιφάνεια του Ag/κ-καραγενάνης, με αποτέλεσμα να ληφθούν Ag-NPs μικρού μεγέθους με σφαιρικό σχήμα.
Εικόνες TEM και αντίστοιχες κατανομές μεγέθους για Ag/κ-καραγενάνη που συντέθηκε ηχοχημικά σε διαφορετικές συγκεντρώσεις κ-καραγενάνης. [0,1%, 0,2% και 0,3%, αντίστοιχα (a, b, c)].
UP400S – η συσκευή υπερήχων που χρησιμοποιήθηκε για την ηχοχημική 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: Πράσινη ηχοχημική σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου
Πώς βελτιώνουν οι υπέρηχοι την πράσινη σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου;
Οι υπέρηχοι προκαλούν ακουστική σπηλαίωση, δημιουργώντας εντοπισμένες θερμές εστίες που ανάγουν ταχέως τα ιόντα αργύρου με τη χρήση φιλικών προς το περιβάλλον παραγόντων. Αυτή η ηχοχημική διεργασία επιταχύνει την κινητική της αντίδρασης, προάγει την ομοιόμορφη πυρήνωση και επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο του μεγέθους και του σχήματος των σωματιδίων – όλα αυτά χωρίς δραστικές χημικές ουσίες ή υψηλή θερμική ενέργεια.
Ποια είναι τα κύρια πλεονεκτήματα μιας πράσινης ηχοχημικής οδού για τα AgNPs;
Η πράσινη ηχοχημική σύνθεση συνδυάζει τους υπερήχους με βιοσυμβατούς αναγωγικούς παράγοντες και παράγοντες επικάλυψης (όπως φυτικά εκχυλίσματα, σάκχαρα ή πολυμερή) για την παραγωγή μη τοξικών, περιβαλλοντικά αβλαβών νανοσωματιδίων αργύρου. Η μέθοδος μειώνει την κατανάλωση ενέργειας, συντομεύει τον χρόνο σύνθεσης, εξαλείφει τα επικίνδυνα παραπροϊόντα και αποδίδει εξαιρετικά σταθερά νανοσωματίδια με σταθερή κατανομή μεγέθους.
Μπορούν οι υπέρηχοι να ελέγξουν το μέγεθος και τη μορφολογία των νανοσωματιδίων αργύρου;
Ναι. Ρυθμίζοντας το πλάτος ταλάντωσης των υπερήχων, τη συχνότητα, την πυκνότητα ισχύος και τον χρόνο κατεργασίας με υπερήχους, οι κατασκευαστές μπορούν να ρυθμίζουν με ακρίβεια τους ρυθμούς πυρήνωσης και ανάπτυξης. Αυτό επιτρέπει την αναπαραγώγιμη παραγωγή AgNPs μεγέθους 5–100 nm σε διάφορα σχήματα (σφαίρες, κύβους, τριγωνικά πλακίδια), προσαρμοσμένων σε συγκεκριμένες βιοϊατρικές, ηλεκτρονικές ή βιομηχανικές εφαρμογές.
Μπορεί η πράσινη σύνθεση με υπερήχους να κλιμακωθεί για τη βιομηχανική παραγωγή AgNPs;
Απολύτως. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων υποστηρίζουν αντιδραστήρες συνεχούς διέλευσης που επιτρέπουν την απρόσκοπτη κλιμάκωση από εργαστηριακές παρτίδες έως την παραγωγή πλήρους κλίμακας. Η κατεργασία με υπερήχους εντός της γραμμής εξασφαλίζει ομοιόμορφη κατανομή της σπηλαίωσης, παρακολούθηση της διεργασίας σε πραγματικό χρόνο και σταθερότητα μεταξύ των παρτίδων, καθιστώντας την ιδανική για φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή AgNPs σε μεγάλες ποσότητες.
Ποιοι πράσινοι αναγωγικοί παράγοντες λειτουργούν καλύτερα στη σύνθεση νανοσωματιδίων αργύρου με υπερήχους;
Στους αποτελεσματικούς, φιλικούς προς το περιβάλλον παράγοντες περιλαμβάνονται φυτικά εκχυλίσματα (π.χ. αλόη, πράσινο τσάι, φλούδες εσπεριδοειδών), υδατάνθρακες, αμινοξέα, πρωτεΐνες και βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή. Οι υπέρηχοι ενισχύουν την αναγωγική και σταθεροποιητική τους αποτελεσματικότητα, επιτρέποντας την πλήρη αντικατάσταση των συνθετικών χημικών ουσιών, διατηρώντας παράλληλα την υψηλή απόδοση, την κολλοειδή σταθερότητα και τις λειτουργικές επιδόσεις.
Πώς συγκρίνεται η ηχοχημική σύνθεση με τις παραδοσιακές χημικές μεθόδους για τα AgNPs;
Οι συμβατικές χημικές οδοί συχνά βασίζονται σε τοξικούς αναγωγικούς παράγοντες (π.χ. βοριοϋδρίδιο του νατρίου), σε ακραίες τιμές pH και παράγουν επικίνδυνα απόβλητα. Η πράσινη ηχοχημική σύνθεση χρησιμοποιεί ασφαλή, ανανεώσιμα υλικά, πραγματοποιείται σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος ή σε ήπιες θερμοκρασίες, μειώνει σημαντικά τον χρόνο επεξεργασίας και παράγει καθαρότερα, περισσότερο βιοσυμβατά νανοσωματίδια με ανώτερη διασπορά και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής κατά την αποθήκευση.
Ποιοι κλάδοι ωφελούνται από τα πράσινα νανοσωματίδια αργύρου που παράγονται με υπερήχους;
Τα AgNPs που συντίθενται με πράσινες ηχοχημικές μεθόδους χρησιμοποιούνται ευρέως σε αντιμικροβιακές επιστρώσεις, ιατροτεχνολογικά προϊόντα, στη φροντίδα τραυμάτων, στη διήθηση νερού, σε εύκαμπτα ηλεκτρονικά και σε βιώσιμες συσκευασίες. Η φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή τους εξασφαλίζει τη συμμόρφωση με αυστηρά περιβαλλοντικά πρότυπα και πρότυπα ασφάλειας, παρέχοντας παράλληλα υψηλές επιδόσεις και αποδοχή από τις ρυθμιστικές αρχές.
Τι είναι τα νανοσωματίδια αργύρου;
Τα νανοσωματίδια αργύρου χαρακτηρίζονται από μέγεθος μεταξύ 1nm και 100nm. Παρότι συχνά περιγράφονται ως «αργυρά», ορισμένα αποτελούνται σε μεγάλο ποσοστό από οξείδιο του αργύρου λόγω της υψηλής αναλογίας ατόμων αργύρου στην επιφάνεια προς τα άτομα αργύρου στο εσωτερικό τους. Τα νανοσωματίδια αργύρου μπορούν να εμφανίζονται με διαφορετικές δομές. Συνήθως συντίθενται σφαιρικά νανοσωματίδια αργύρου, αλλά χρησιμοποιούνται επίσης ρομβοειδή, οκταγωνικά και λεπτά φύλλα.
Τα νανοσωματίδια αργύρου χρησιμοποιούνται πολύ συχνά σε ιατρικές εφαρμογές. Τα ιόντα αργύρου είναι βιοδραστικά και έχουν ισχυρή αντιμικροβιακή και μικροβιοκτόνο δράση. Η εξαιρετικά μεγάλη επιφάνειά τους επιτρέπει τη συναρμογή πολυάριθμων υποκαταστατών. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά είναι η αγωγιμότητα και οι μοναδικές οπτικές ιδιότητες.
Λόγω των αγώγιμων ιδιοτήτων τους, τα νανοσωματίδια αργύρου ενσωματώνονται συχνά σε σύνθετα υλικά, πλαστικά, εποξειδικές ρητίνες και συγκολλητικές ουσίες. Τα σωματίδια αργύρου αυξάνουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα· επομένως, οι πάστες και τα μελάνια αργύρου χρησιμοποιούνται συχνά στην κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών. Καθώς τα νανοσωματίδια αργύρου υποστηρίζουν επιφανειακά πλασμόνια, τα AgNPs έχουν εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες. Τα πλασμονικά νανοσωματίδια αργύρου χρησιμοποιούνται σε αισθητήρες, ανιχνευτές και αναλυτικό εξοπλισμό, όπως στη φασματοσκοπία Raman ενισχυμένης επιφάνειας (SERS) και στη φασματοσκοπία φθορισμού ενισχυμένου από το πεδίο επιφανειακών πλασμονίων (SPFS).
Τι είναι η καραγενάνη;
Η καραγενάνη είναι ένα φθηνό φυσικό πολυμερές που απαντά σε διάφορα είδη ερυθρών φυκών. Οι καραγενάνες είναι γραμμικοί θειωμένοι πολυσακχαρίτες που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων για τις πηκτωματοποιητικές, παχυντικές και σταθεροποιητικές ιδιότητές τους. Η κύρια εφαρμογή τους είναι στα γαλακτοκομικά προϊόντα και στα προϊόντα κρέατος, λόγω της ισχυρής δέσμευσής τους στις πρωτεΐνες των τροφίμων. Υπάρχουν τρεις κύριες ποικιλίες καραγενάνης, οι οποίες διαφέρουν ως προς τον βαθμό θείωσής τους. Η κάππα-καραγενάνη έχει μία θειική ομάδα ανά δισακχαρίτη. Η γιώτα-καραγενάνη (ι-καραγενάνη) έχει δύο θειικές ομάδες ανά δισακχαρίτη. Η λάμδα-καραγενάνη (λ-καραγενάνη) έχει τρεις θειικές ομάδες ανά δισακχαρίτη.
Η κάππα-καραγενάνη (κ-καραγενάνη) έχει γραμμική δομή θειωμένου πολυσακχαρίτη από D-γαλακτόζη και 3,6-ανυδρο-D-γαλακτόζη.
Η κ-καραγενάνη χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων, π.χ. ως πηκτωματοποιητικός παράγοντας και για την τροποποίηση της υφής. Απαντά ως πρόσθετο σε παγωτά, κρέμα γάλακτος, τυρί κότατζ, μιλκσέικ, σάλτσες σαλάτας, ζαχαρούχα συμπυκνωμένα γάλατα, γάλα σόγιας και άλλα φυτικά γάλατα, καθώς και σε σάλτσες, για την αύξηση του ιξώδους του προϊόντος.
Επιπλέον, η κ-καραγενάνη απαντά σε προϊόντα εκτός τροφίμων, όπως ως παχυντικό σε σαμπουάν και καλλυντικές κρέμες, σε οδοντόκρεμες (ως σταθεροποιητής για την αποτροπή του διαχωρισμού των συστατικών), σε πυροσβεστικό αφρό (ως παχυντικό για να γίνεται ο αφρός κολλώδης), σε αποσμητικά χώρου σε μορφή γέλης, σε βερνίκια υποδημάτων (για την αύξηση του ιξώδους), στη βιοτεχνολογία για την ακινητοποίηση κυττάρων/ενζύμων, σε φαρμακευτικά προϊόντα (ως αδρανές έκδοχο σε χάπια/δισκία), σε τροφές κατοικίδιων κ.λπ.
Εικόνες SEM για Ag/κ-καραγενάνη σε διαφορετικές συγκεντρώσεις κ-καραγενάνης. [0,1%, 0,2% και 0,3 %, αντίστοιχα (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]