Roheline sonokeemiline tee hõbeda nanoosakesteni
Hõbeda nanoosakesi (AgNP) kasutatakse sageli nanomaterjalidena nende mikroobivastaste omaduste, optiliste omaduste ja kõrge elektrijuhtivuse tõttu. Kappa karrageeni kasutav sonokeemiline tee on lihtne, mugav ja keskkonnasõbralik sünteesimeetod hõbeda nanoosakeste valmistamiseks. κ-karrageeni kasutatakse loodusliku keskkonnasõbraliku stabilisaatorina, samas kui võimsuse ultraheli toimib rohelise redutseerijana.
Roheline keemia nõuab parameetrite täpset reguleerimist. Meie nanomaterjalide insenerid aitavad teil valida sobiva sonotroodi, reaktori geomeetria ja võimsusseaded, et maksimeerida saagikust, reguleerida osakeste morfoloogiat ja tagada rohelise keemia põhimõtete täielik järgimine.
Ag+/κ-karrageen (vasakul) ja ultraheliga töödeldud Ag/κ-karrageen (paremal). Ultrahelitöötlus viidi läbi seadmega UP400S 90 minuti jooksul.
[Elsupikhe jt. 2015]
Hõbeda nanoosakeste roheline ultraheli süntees
(2015) on välja töötanud rohelise ultraheli abil sünteesitee hõbeda nanoosakeste (AgNP) valmistamiseks. Sonochemistry soodustab teadaolevalt paljusid märg-keemilisi reaktsioone. Sonikatsioon võimaldab sünteesida AgNP-sid κ-karrageeniga loodusliku stabilisaatorina. Reaktsioon kulgeb toatemperatuuril ja tekitab hõbeda nanoosakesi, millel on fcc kristallstruktuur ilma lisanditeta. AgNP-de osakeste suuruse jaotust võib mõjutada κ-karrageeni kontsentratsioon.
Ag-NP-de laetud rühmade vahelise koostoime skeem, mis on ultrahelitöötluse ajal piiratud κ-karrageeniga. [Elsupikhe et al. 2015]
Menetlus: hõbedananoosakeste säästev süntees
- Ag-NP-d sünteesiti AgNO redutseerimise teel3 kasutades ultraheli κ-karrageeni juuresolekul. Erinevate proovide saamiseks valmistati viis suspensiooni, lisades 10 ml 0,1 M AgNO-d3 kuni 40 ml κ-karrageeni. Kasutatud κ-karrageeni lahused olid vastavalt 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 ja 0,3 massiprotsenti.
- Lahuseid segati AgNO saamiseks 1 tund3/κ-karrageen.
- Seejärel puutusid proovid kokku intensiivse ultraheli kiiritusega: Ultraheli seadme amplituud UP400S (400W, 24kHz) oli seatud 50% peale. Sonikatsiooni rakendati toatemperatuuril 90 minutit. Ultraheli vedelate protsessorite sonotrode UP400S kasteti otse reaktsioonilahusesse.
- Pärast ultrahelitöötlust tsentrifuugiti suspensioone 15 minutit ja pesti neli korda destilleeritud veega, et eemaldada hõbedaioonide jääk. Sadestunud nanoosakesed kuivatati 40 °C juures vaakumis üleöö, et saada Ag-NP-d.
Võrrand
- ei ole vett —ultrahelitöötlus–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–Hüdrolüüs–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –Vähendamise–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analüüs ja tulemused: ultraheliga sünteesitud hõbedast nanopartiklid
Tulemuste hindamiseks analüüsiti proove UV-nähtava spektroskoopilise analüüsi, röntgendifraktsiooni, FT-IR keemilise analüüsi, TEM- ja SEM-piltide abil.
Ag-NP-de arv suurenes κ-karrageeniini kontsentratsiooni tõusuga. Ag/κ-karrageeni moodustumist määrati UV-nähtava spektroskoopia abil, kus pindplasmoni neeldumise maksimum täheldati vahemikus 402–420 nm. Röntgendifraktsioonianalüüs (XRD) näitas, et Ag-NP-del on tahkekeskne kuupstruktuur. Fourier'i teisenduse infrapunaspektri (FT-IR) spekter näitas Ag-NP-de olemasolu κ-karrageenis. Kõrgeima κ-karrageeni kontsentratsiooni puhul tehtud transmissioonielektronmikroskoopia (TEM) pilt näitas Ag-NP-de jaotust, mille keskmine osakese suurus oli ligikaudu 4,21 nm. Skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) pildid illustreerisid Ag-NP-de sfäärilist kuju. SEM-analüüs näitab, et κ-karrageeni kontsentratsiooni suurenemisel toimusid muutused Ag/κ-karrageeni pinnal, mille tulemusena saadi väikese suurusega sfäärilise kujuga Ag-NP-d.
TEM-kujutised ja vastavad suuruse jaotused sonokeemiliselt sünteesitud Ag/κ-karrageeni jaoks κ-karrageeni erinevates kontsentratsioonides. [vastavalt 0,1%, 0,2% ja 0,3% (a, b, c)].
UP400S – ultraheli seade, mida kasutatakse Ag nanoosakeste sonokeemiliseks sünteesiks
Kirjandus / viited
- 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.
Korduma kippuvad küsimused: hõbedananoosakeste keskkonnasõbralik sonokeemiline süntees
Kuidas parandab ultraheli hõbedananoosakeste rohelist sünteesi?
Ultraheli põhjustab akustilist kavitatsiooni, luues lokaalseid aktiivseid piirkondi, kus hõbeioone vähendatakse kiiresti keskkonnasõbralike ainete abil. See sono-keemiline protsess kiirendab reaktsiooni kineetikat, soodustab ühtlast tuumade teket ning võimaldab osakeste suurust ja kuju täpselt reguleerida – kõike seda ilma agressiivsete kemikaalide või suure soojusenergia kasutamiseta.
Millised on AgNP-de rohelise sonokeemilise tootmismeetodi peamised eelised?
Rohelise sonokeemilise sünteesi puhul kombineeritakse ultraheli biokompatibelsete redutseerijate ja katteainetega (nagu taimeekstraktid, suhkrud või polümeerid), et toota mittetoksilisi ja keskkonnasõbralikke hõbedananoosakesi. See meetod vähendab energiatarbimist, lühendab sünteesiaega, välistab ohtlike kõrvalsaaduste tekke ning annab tulemuseks väga stabiilsed nanoosakesed, millel on ühtlane suurusjaotus.
Kas ultraheli abil on võimalik mõjutada hõbedananoosakeste suurust ja morfoloogiat?
Jah. Reguleerides ultraheli amplituudi, sagedust, võimsustihedust ja sonikatsiooni kestust, saavad tootjad täpselt häälestada tuumade tekkimise ja kasvu kiirust. See võimaldab toota korratavalt 5–100 nm suuruseid AgNP-sid erinevates kujudes (kuulid, kuubikud, kolmnurkse kujuga plaadid), mis on kohandatud konkreetsetele biomeditsiinilistele, elektroonilistele või tööstuslikele rakendustele.
Kas ultrahelil põhinev roheline süntees on tööstuslikuks AgNP tootmiseks mastaapselt rakendatav?
Kindlasti. Tööstuslikud ultrahelikäsitlusseadmed toetavad pidevvooreaktorid mis on sujuvalt skaleeritavad laboripartiidest täismahulise tootmiseni. Protsessisisesed ultraheliseadmed tagavad kavitatsiooni ühtlase jaotumise, protsessi reaalajas jälgimise ning partiidevahelise ühtluse, mistõttu on need ideaalsed suuremahuliseks ja keskkonnasõbralikuks AgNP tootmiseks.
Millised rohelised redutseerijad sobivad kõige paremini hõbeda nanotükkide sünteesiks ultraheli abil?
Tõhusate keskkonnasõbralike toimeainete hulka kuuluvad taimeekstraktid (nt aloe, roheline tee, tsitrusviljade koored), süsivesikud, aminohapped, valgud ja biolagunevad polümeerid. Ultraheli suurendab nende redutseerivat ja stabiliseerivat toimet, võimaldades sünteetilisi kemikaale täielikult asendada, säilitades samal ajal kõrge saagikuse, kolloidse stabiilsuse ja funktsionaalse toimivuse.
Kuidas võrdub sonokeemiline süntees AgNP-de traditsiooniliste keemiliste meetoditega?
Tavapärased keemilised meetodid tuginevad sageli mürgistele redutseerijatele (nt naatriumborohüdriidile) ja äärmuslikele pH-väärtustele ning tekitavad ohtlikke jäätmeid. Roheline sonokeemiline süntees kasutab ohutuid, taastuvaid materjale, toimub ümbritseva õhu temperatuuril või madalal temperatuuril, lühendab töötlemisaega märkimisväärselt ning toodab puhtamaid ja bioloogiliselt sobivamaid nanokübemeid, millel on parem dispersioon ja pikem säilivusaeg.
Millised tööstusharud saavad kasu rohelistest ultrahelil põhinevatest hõbeda nanokübemetest?
Roheliste sonokeemiliste meetoditega sünteesitud AgNP-sid kasutatakse laialdaselt antimikroobsete katete, meditsiiniseadmete, haavahoolduse, veefiltratsiooni, paindliku elektroonika ja keskkonnasäästlike pakendite valdkonnas. Nende keskkonnasõbralik tootmine tagab vastavuse rangetele keskkonna- ja ohutusstandarditele, pakkudes samal ajal kõrget jõudlust ja vastavust õigusaktidele.
Mis on hõbedast nanopartiklid?
Hõbeda nanoosakesi iseloomustab suurus vahemikus 1nm kuni 100nm. Kuigi sageli kirjeldatakse seda kui "hõbedat"’ Mõned koosnevad suurest osast hõbeoksiidist, kuna nende pinna ja lahtise hõbeda aatomite suhe on suur. Hõbeda nanoosakesed võivad ilmneda erinevate struktuuridega. Kõige sagedamini sünteesitakse sfäärilisi hõbeda nanoosakesi, kuid kasutatakse ka teemant-, kaheksanurkseid ja õhukesi lehti.
Hõbeda nanoosakesi kasutatakse meditsiinilistes rakendustes väga sageli. Hõbedaioonid on bioaktiivsed ja neil on tugev antimikroobne ja germitsiidne toime. Nende äärmiselt suur pindala võimaldab koordineerida arvukaid ligandeid. Muud olulised omadused on juhtivus ja unikaalsed optilised omadused.
Nende juhtivate omaduste tõttu on hõbeda nanoosakesed sageli lisatud komposiitidesse, plastidesse, epoksiididesse ja liimidesse. Hõbedaosakesed suurendavad elektrijuhtivust; Seetõttu kasutatakse elektroonika tootmisel sageli hõbedapastasid ja -tinte. Kuna hõbeda nanoosakesed toetavad pinnaplasmoneid, on AgNP-del silmapaistvad optilised omadused. Plasmoonilisi hõbeda nanoosakesi kasutatakse andurite, detektorite ja analüütiliste seadmete jaoks, nagu Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) ja Surface Plasmon Field-enhanced Fluorescence Spectroscopy (SPFS).
Mis on karrageen?
Karrageen on odav looduslik polümeer, mida leidub mitmesugustes punaste merevetikate liikides. Karrageenid on lineaarsed sulfaatpolüsahhariidid, mida kasutatakse toiduainetööstuses laialdaselt nende geelistavate, paksendavate ja stabiliseerivate omaduste jaoks. Nende peamine kasutusala on piimatoodetes ja lihatoodetes, kuna need seonduvad tugevalt toiduvalkudega. Karrageeni on kolm peamist sorti, mis erinevad sulfaatimisastme poolest. Kappa-karrageenil on disahhariidi kohta üks sulfaatrühm. Iota-karrageenil (ι-karrageenil) on disahhariidi kohta kaks sulfaati. Lambda karrageenil (λ-karrageenil) on disahhariidi kohta kolm sulfaati.
Kappa karrageenil (κ-karrageen) on D-galaktoosi ja 3,6-anhüdro-D-galaktoosi sulfaaditud polüsahhariidi lineaarne struktuur.
κ-karrageeni kasutatakse laialdaselt toiduainetööstuses, nt želeeriva ainena ja tekstuuri muutmiseks. Seda võib leida lisandina jäätises, koores, kodujuustus, piimakokteilides, salatikastmetes, magustatud kondenspiimades, sojapiimas & muud taimsed piimad ja kastmed toote viskoossuse suurendamiseks.
Lisaks võib κ-karrageeni leida toiduks mittekasutatavatest toodetest, nagu paksendaja šampoonis ja kosmeetilistes kreemides, hambapastas (stabilisaatorina, et vältida koostisosade eraldumist), tulekustutusvahus (paksendajana, et vaht kleepuvaks muutuks), õhuvärskendaja geelides, kingalakis (viskoossuse suurendamiseks), biotehnoloogias rakkude / ensüümide immobiliseerimiseks, ravimites (mitteaktiivse abiainena pillides / tablettides), lemmikloomatoidus jne.
SEM-pildid Ag/κ-karrageeni jaoks κ-karrageeni erinevates kontsentratsioonides. [vastavalt 0,1%, 0,2% ja 0,3% (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]