Ruta sonoquímica para la producción verde de nanopartículas de plata

Las nanopartículas de plata (AgNPs) son nanomateriales frecuentemente utilizados por sus propiedades antimicrobianas, ópticas y su elevada conductividad eléctrica. La ruta sonoquímica empleando kappa-carragenina es un método de síntesis sencillo, cómodo y respetuoso con el medio ambiente para la preparación de nanopartículas de plata. La κ-carragenina se utiliza como estabilizador natural respetuoso con el medio ambiente, mientras que el ultrasonido de potencia actúa como agente reductor ecológico.

Síntesis ultrasónica ecológica de nanopartículas de plata

Elsupikhe et al. (2015) han desarrollado una ruta de síntesis ecológica asistida por ultrasonidos para la preparación de nanopartículas de plata (AgNPs). La sonoquímica es bien conocida por promover muchas reacciones de química húmeda. La sonicación permite sintetizar AgNPs con κ-carragenano como estabilizador natural. La reacción se lleva a cabo a temperatura ambiente y produce nanopartículas de plata con estructura cristalina fcc sin impurezas. La distribución del tamaño de partícula de las AgNPs puede verse influida por la concentración de κ-carragenano.

Síntesis sonoquímica verde de NPs de plata. (¡Haga clic para ampliar!)

Esquema de interacción entre los grupos cargados de las Ag-NPs que están recubiertas con κ-carragenano bajo sonicación. [Elsupikhe et al. 2015].

Procedimiento

    Las Ag-NPs se sintetizaron reduciendo AgNO3 utilizando ultrasonidos en presencia de κ-carragenano. Para obtener diferentes muestras, se prepararon cinco suspensiones, añadiendo 10 mL de AgNO3 a 40 ml de κ-carragenano. Las soluciones de κ-carragenano utilizadas fueron de 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 y 0,3% en peso, respectivamente.
    Las soluciones se agitaron durante 1h para obtener AgNO3/κ-carrageenan.
    A continuación, las muestras se expusieron a una intensa irradiación ultrasónica: La amplitud del dispositivo ultrasónico UP400S (400W, 24kHz) se ajustó al 50%. La sonicación se aplicó durante 90 minutos a temperatura ambiente. El sonotrodo de los procesadores ultrasónicos de líquidos UP400S se sumergió directamente en la solución de reacción.
    Tras la sonicación, las suspensiones se centrifugaron durante 15 minutos y se lavaron con agua bidestilada cuatro veces para eliminar los residuos de iones de plata. Las nanopartículas precipitadas se secaron a 40 °C al vacío durante toda la noche para obtener las Ag-NPs.

Ecuación

  1. nH2O —Sonicación> +H + OH
  2. OH + RH –> R + H2O
  3. AgNo3–hidrólisis–> Ag+ + NO3
  4. R + Ag+> Ag° + R’ + H+
  5. Ag+ + H –reducciones–> Ag°
  6. Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+

Análisis y resultados

Para evaluar los resultados, las muestras se analizaron mediante análisis espectroscópico UV-visible, difracción de rayos X, análisis químico FT-IR e imágenes TEM y SEM.
El número de Ag-NPs aumentó con el incremento de las concentraciones de κ-carragenano. La formación de Ag/κ-carragenano se determinó mediante espectroscopia UV-visible en la que se observó el máximo de absorción del plasmón superficial entre 402 y 420 nm. El análisis de difracción de rayos X (XRD) mostró que las Ag-NPs tienen una estructura cúbica centrada en la cara. El espectro infrarrojo transformado de Fourier (FT-IR) indicó la presencia de Ag-NPs en κ-carragenano. La imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para la concentración más alta de κ-carragenano mostró la distribución de Ag-NPs con un tamaño medio de partícula cercano a 4,21nm. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) ilustraron la forma esférica de las Ag-NPs. El análisis SEM muestra que con el aumento de la concentración de κ-carragenano, se produjeron cambios en la superficie de Ag/κ-carragenano, de modo que Ag-NPs de pequeño tamaño y forma esférica se obtuvieron.

Imágenes TEM de Ag/κ-carragenano sintetizado sonoquímicamente. (¡Clic para ampliar!)

Imágenes TEM y distribuciones de tamaño correspondientes para Ag/κ-carragenano sintetizado sonoquímicamente a diferentes concentraciones de κ-carragenano. [0,1%, 0,2% y 0,3%, respectivamente (a, b, c)].

Síntesis sonoquímica de nanopartículas de plata (AgNPs) con el ultrasonicador UP400S

Ag+/κ-carragenano (izquierda) y Ag/κ-carragenano sonicado (derecha). La sonicación se realizó con el UP400S durante 90 minutos. [Elsupikhe et al. 2015].

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Homogeneizador ultrasónico UP400S (clic para ampliar)

UP400S – el dispositivo ultrasónico utilizado para la síntesis sonoquímica de nanopartículas de Ag

Imágenes SEM de nanopartículas de plata sintetizadas por ultrasonidos (¡Clic para ampliar!)

Imágenes SEM para Ag/κ-carragenano a diferentes concentraciones de κ-carragenano. [0,1%, 0,2% y 0,3%, respectivamente (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015].

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Información básica

Sonoquímica

Cuando se aplican ultrasonidos potentes a reacciones químicas en disolución (estado líquido o lodo), proporcionan una energía de activación específica debido a un fenómeno físico, conocido como cavitación acústica. La cavitación crea fuerzas de cizallamiento elevadas y condiciones extremas, como temperaturas y velocidades de enfriamiento muy altas, presiones y chorros de líquido. Estas fuerzas intensas pueden iniciar reacciones y destruir las fuerzas de atracción de las moléculas en la fase líquida. Se sabe que numerosas reacciones se benefician de la irradiación ultrasónica, por ejemplo la sonólisis, ruta sol-gelsíntesis sonoquímica de paladio, látex, hidroxiapatita y muchas otras sustancias. Más información sonoquímica aquí!

Nanopartículas de plata

Las nanopartículas de plata se caracterizan por un tamaño de entre 1 nm y 100 nm. Aunque con frecuencia se describen como "plata’ Algunas están compuestas por un gran porcentaje de óxido de plata debido a su gran proporción de átomos de plata superficiales con respecto a la masa. Las nanopartículas de plata pueden aparecer con diferentes estructuras. Lo más habitual es sintetizar nanopartículas de plata esféricas, pero también se utilizan romboidales, octogonales y láminas finas.
Las nanopartículas de plata son muy frecuentes en aplicaciones médicas. Los iones de plata son bioactivos y tienen fuertes efectos antimicrobianos y germicidas. Su amplísima superficie permite la coordinación de numerosos ligandos. Otras características importantes son su conductividad y sus propiedades ópticas únicas.
Por sus características conductoras, las nanopartículas de plata se incorporan a menudo a compuestos, plásticos, epoxis y adhesivos. Las partículas de plata aumentan la conductividad eléctrica, por lo que las pastas y tintas de plata se utilizan con frecuencia en la fabricación de productos electrónicos. Dado que las nanopartículas de plata soportan plasmones superficiales, las AgNP tienen propiedades ópticas extraordinarias. Las nanopartículas de plata plasmónicas se utilizan para sensores, detectores y equipos analíticos como la espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) y la espectroscopia de fluorescencia mejorada en campo plasmónico superficial (SPFS).

carragenina

La carragenina es un polímero natural barato que se encuentra en varias especies de algas rojas. Los carragenanos son polisacáridos sulfatados lineales muy utilizados en la industria alimentaria por sus propiedades gelificantes, espesantes y estabilizantes. Su principal aplicación es en productos lácteos y cárnicos, debido a su fuerte unión a las proteínas alimentarias. Existen tres variedades principales de carragenina, que difieren en su grado de sulfatación. El kappa-carragenano tiene un grupo sulfato por disacárido. Iota-carragenano (ι-carragenano) tiene dos sulfatos por disacárido. La lambda-carragenina (λ-carragenina) posee tres sulfatos por disacárido.
La kappa carragenina (κ-carragenina) tiene una estructura lineal de polisacárido sulfatado de D-galactosa y 3,6-anhidro-D-galactosa.
La κ-carragenina se utiliza ampliamente en la industria alimentaria, por ejemplo como agente gelificante y para modificar la textura. Se puede encontrar como aditivo en helados, nata, requesón, batidos, aliños para ensaladas, leches condensadas azucaradas, leche de soja & otras leches vegetales y salsas para aumentar la viscosidad del producto.
Además, la κ-carragenina puede encontrarse en productos no alimentarios, como espesante en champús y cremas cosméticas, en dentífricos (como estabilizante para evitar que se separen los componentes), espumas contra incendios (como espesante para que la espuma se vuelva pegajosa), geles ambientadores, betún de zapatos (para aumentar la viscosidad), en biotecnología para inmovilizar células/enzimas, en productos farmacéuticos (como excipiente inactivo en píldoras/tabletas), en alimentos para mascotas, etc.

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