Roheline sonokeemiline meetod hõbenanoosakeste valmistamiseks
Hõbenanoosakesed (AgNPs) on sageli kasutatavad nanomaterjalid tänu oma antimikroobsetele omadustele, optilistele omadustele ja kõrgele elektrijuhtivusele. Kappa-karragenaani kasutav sonokeemiline meetod on lihtne, mugav ja keskkonnasõbralik süntees hõbenanoosakeste valmistamiseks. κ-karragenaani kasutatakse looduliku keskkonnasõbraliku stabilisaatorina, samal ajal kui võimsusultraheli toimib rohelise redutseerijana.
Roheline keemia nõuab parameetrite täpset kontrolli. Meie nanomaterjalide insenerid aitavad teil valida sobiva sonotroodi, reaktori geomeetria ja võimsusseaded, et maksimeerida saagist, kontrollida osakeste morfoloogiat ja tagada täielik vastavus rohelise keemia põhimõtetele.
Ag+/κ-karragenaan (vasakul) ja ultrahelitöödeldud Ag/κ-karragenaan (paremal). Ultraheli töötlus (sonikeerimine) tehti seadmega UP400S 90min jooksul.
[Elsupikhe et al. 2015]
Hõbenanoosakeste roheline ultrahelisüntees
Elsupikhe jt (2015) on välja töötanud rohelise ultraheliga toetatud sünteesimeetodi hõbenanoosakeste (AgNPs) valmistamiseks. Sonokeemia soodustab tuntud viisil paljusid märgkeemilisi reaktsioone. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) võimaldab sünteesida AgNPs-e, kasutades looduliku stabilisaatorina κ-karragenaani. Reaktsioon kulgeb toatemperatuuril ja annab fcc-kristallstruktuuriga hõbenanoosakesi ilma ühegi lisandita. AgNPs-ide osakeste suuruse jaotust saab mõjutada κ-karragenaani kontsentratsiooniga.
Ag-NPs laetud rühmade vastasmõju skeem, mis on ultraheli töötluse (sonikeerimise) käigus kaetud κ-karragenaaniga. [Elsupikhe et al. 2015]
Protseduur: hõbenanoosakeste jätkusuutlik süntees
- Ag-NPs sünteesiti AgNO3 redutseerimisel ultraheli töötlusega (sonikeerimisega) κ-karragenaani juuresolekul. Erinevate proovide saamiseks valmistati viis suspensiooni, lisades 10 mL 0,1 M AgNO3 40 mL-le κ-karragenaanile. Kasutatud κ-karragenaani lahused olid vastavalt 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 ja 0,3 wt%.
- Lahuseid segati 1h, et saada AgNO3/κ-karragenaan.
- Seejärel allutati proovid intensiivsele ultrahelikiiritusele: ultraheliseadme UP400S (400W, 24kHz) amplituudiks seati 50%. Ultraheli töötlust (sonikeerimist) rakendati 90min toatemperatuuril. Ultraheli vedelikuprotsessori UP400S sonotrood sukeldati otse reaktsioonilahusesse.
- Pärast ultraheli töötlust (sonikeerimist) tsentrifuugiti suspensioone 15min ja pesti neid neli korda kaksikdestilleeritud veega, et eemaldada hõbeioonide jäägid. Sadestunud nanoosakesed kuivatati 40°C juures vaakumis üleöö, et saada Ag-NPs.
Võrrand
- nH₂O —sonikeerimine–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hüdrolüüs–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –redutseerimine–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analüüs ja tulemused: ultraheliga sünteesitud hõbenanoosakesed
Tulemuste hindamiseks analüüsiti proove UV-nähtava spektroskoopilise analüüsi, röntgendifraktsiooni, FT-IR keemilise analüüsi ning TEM- ja SEM-piltide abil.
Ag-NPs-ide arv suurenes κ-karragenaani kontsentratsiooni suurenedes. Ag/κ-karragenaani teket tuvastati UV-nähtava spektroskoopiaga, kus pinnaplasmoni neeldumismaksimum täheldati 402 kuni 420nm juures. Röntgendifraktsiooni (XRD) analüüs näitas, et Ag-NPs on pindtsentreeritud kuupstruktuuriga. Fourier’ teisendusega infrapunaspektrid (FT-IR) näitasid Ag-NPs olemasolu κ-karragenaanis. Läbivalgustav elektronmikroskoopia (TEM) pilt κ-karragenaani kõrgeima kontsentratsiooni korral näitas Ag-NPs jaotust keskmise osakeste suurusega ligikaudu 4,21nm. Skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) pildid näitasid Ag-NPs sfäärilist kuju. SEM-analüüs näitab, et κ-karragenaani kontsentratsiooni suurenedes toimusid Ag/κ-karragenaani pinnal muutused, mille tulemusel saadi väikese suurusega sfäärilise kujuga Ag-NPs.
TEM-pildid ja vastavad suuruse jaotused sonokeemiliselt sünteesitud Ag/κ-karragenaanile κ-karragenaani erinevatel kontsentratsioonidel. [0,1%, 0,2% ja 0,3% vastavalt (a, b, c)].
UP400S – Ag nanoosakeste sonokeemiliseks sünteesiks kasutatud ultraheliseade
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: hõbenanoosakeste roheline sonokeemiline süntees
Kuidas ultraheli parandab hõbenanoosakeste rohelist sünteesi?
Ultraheli tekitab akustilist kavitatsiooni, mis loob lokaalseid kuumpunkte, kus hõbeioonid redutseeritakse kiiresti keskkonnasõbralike ainete abil. See sonokeemiline protsess kiirendab reaktsioonikineetikat, soodustab ühtlast nukleatsiooni ning võimaldab täpselt kontrollida osakeste suurust ja kuju – kõike seda ilma karmide kemikaalideta või suure soojusenergiata.
Millised on AgNP-de rohelise sonokeemilise meetodi peamised eelised?
Roheline sonokeemiline süntees ühendab ultraheli biosobivate redutseerivate ja stabiliseerivate ainetega (nagu taimeekstraktid, suhkrud või polümeerid), et valmistada mittetoksilisi, keskkonnasõbralikke hõbenanoosakesi. Meetod vähendab energiatarbimist, lühendab sünteesiaega, kõrvaldab ohtlikud kõrvalsaadused ja annab väga stabiilseid nanoosakesi ühtlase suurusjaotusega.
Kas ultraheliga saab kontrollida hõbenanoosakeste suurust ja morfoloogiat?
Jah. Ultraheli amplituudi, sagedust, võimsustihedust ja ultraheli töötluse (sonikeerimise) kestust reguleerides saavad tootjad nukleatsiooni- ja kasvukiirust täpselt häälestada. See võimaldab reprodutseeritavalt toota AgNP-sid suurusega 5–100 nm erinevates vormides (sfäärid, kuubid, kolmnurksed plaadid), kohandatuna konkreetsetele biomeditsiinilistele, elektroonilistele või tööstuslikele rakendustele.
Kas ultraheliga roheline süntees on tööstuslikuks AgNP-de tootmiseks skaleeritav?
Kindlasti. Tööstuslikud ultraheliprotsessorid toetavad pidevat läbivoolureaktorit, mis skaleerub sujuvalt laborikoguste partiidelt täismahulisele tootmisele. Inline-sonikeerimine tagab kavitatsiooni ühtlase jaotumise, protsessi reaalajas jälgimise ja partiidevahelise järjepidevuse, mistõttu sobib see ideaalselt suuremahuliseks keskkonnasõbralikuks AgNP-de tootmiseks.
Millised rohelised redutseerijad sobivad ultraheliga hõbenanoosakeste sünteesiks kõige paremini?
Tõhusate keskkonnasõbralike ainete hulka kuuluvad taimeekstraktid (nt aloe, roheline tee, tsitrusviljade koored), süsivesikud, aminohapped, valgud ja biolagunevad polümeerid. Ultraheli tõhustab nende redutseerivat ja stabiliseerivat toimet, võimaldades sünteetilised kemikaalid täielikult asendada, säilitades samal ajal kõrge saagise, kolloidse stabiilsuse ja funktsionaalse jõudluse.
Kuidas sonokeemiline süntees võrdub AgNP-de traditsiooniliste keemiliste meetoditega?
Tavapärased keemilised meetodid tuginevad sageli toksilistele redutseerijatele (nt naatriumboorhüdriid), äärmuslikule pH-le ning tekitavad ohtlikke jäätmeid. Roheline sonokeemiline süntees kasutab ohutuid, taastuvaid materjale, töötab ümbritseva või mõõduka temperatuuri juures, lühendab töötlusaega oluliselt ning annab puhtamaid, biosobivamaid nanoosakesi parema dispersiooni ja säilivusajaga.
Millised tööstusharud saavad kasu roheliste ultraheliga valmistatud hõbenanoosakeste kasutamisest?
Rohelise sonokeemilise meetodiga sünteesitud AgNP-sid kasutatakse laialdaselt antimikroobsetes pindades, meditsiiniseadmetes, haavaravis, veefiltrimisel, painduvas elektroonikas ja jätkusuutlikes pakendites. Nende keskkonnasõbralik tootmine tagab vastavuse rangetele keskkonna- ja ohutusstandarditele, pakkudes samal ajal kõrget jõudlust ja regulatiivset aktsepteerimist.
Mis on hõbenanoosakesed?
Hõbeda nanoosakesi iseloomustab suurus vahemikus 1 nm kuni 100 nm. Kuigi neid kirjeldatakse sageli „hõbedana“, koosneb osa neist hõbeda ja ruumala suhtelise suure pinna- ja massiaatomite suhte tõttu suures osas hõbeoksiidist. Hõbeda nanoosakesed võivad esineda erineva struktuuriga. Kõige sagedamini sünteesitakse sfäärilisi hõbeda nanoosakesi, kuid kasutatakse ka rombikujulisi, kaheksanurkseid ja õhukesi lehtjaid osakesi.
Hõbeda nanoosakesi kasutatakse väga sageli meditsiinilistes rakendustes. Hõbedaioonid on bioaktiivsed ning neil on tugev antimikroobne ja bakteritsiidne toime. Nende äärmiselt suur eripind võimaldab koordineerida arvukalt ligande. Teised olulised omadused on juhtivus ja ainulaadsed optilised omadused.
Juhtivate omaduste tõttu lisatakse hõbeda nanoosakesi sageli komposiitidesse, plastidesse, epoksiididesse ja liimidesse. Hõbedaosakesed suurendavad elektrijuhtivust; seetõttu kasutatakse hõbedapasta ja -tinte sageli elektroonikatoodete valmistamisel. Kuna hõbeda nanoosakesed toetavad pinnaplasmone, on hõbeda nanoosakestel (AgNP) silmapaistvad optilised omadused. Plasmoonseid hõbeda nanoosakesi kasutatakse sensorites, detektorites ja analüütilistes seadmetes, nagu pindvõimendatud Ramani spektroskoopia (SERS) ja pinnaplasmoni väljaga võimendatud fluorestsentsspektroskoopia (SPFS).
Mis on karrageen?
Karrageen on odav looduslik polümeer, mida leidub erinevates punavetikaliikides. Karrageenid on lineaarsed sulfateeritud polüsahhariidid, mida kasutatakse toidutööstuses laialdaselt nende geelistavate, paksendavate ja stabiliseerivate omaduste tõttu. Nende peamine kasutusala on piima- ja lihatooted, kuna need seonduvad tugevalt toidu valkudega. Karrageeni on kolm peamist varianti, mis erinevad sulfateerituse astme poolest. Kappa-karrageenil on üks sulfaatrühm disahhariidi kohta. Ioota-karrageenil (ι-carrageenen) on kaks sulfaati disahhariidi kohta. Lambda-karrageenil (λ-carrageenen) on kolm sulfaati disahhariidi kohta.
Kappa-karrageenil (κ-karrageen) on D-galaktoosi ja 3,6-anhüdro-D-galaktoosi lineaarne sulfateeritud polüsahhariidi struktuur.
κ-karrageeni kasutatakse toidutööstuses laialdaselt, nt geelistava ainena ja tekstuuri muutmiseks. Seda võib leida lisandina jäätises, koores, kodujuustus, piimakokteilides, salatikastmetes, magustatud kondenspiimas, sojapiimas ja muudes taimsetes piimades ning kastmetes toote viskoossuse suurendamiseks.
Lisaks võib κ-karrageeni leida mittetoidu toodetes, näiteks paksendajana šampoonis ja kosmeetilistes kreemides, hambapastas (stabilisaatorina, mis hoiab ära koostisosade lahutumise), tulekustutusvahus (paksendajana, mis muudab vahu kleepuvaks), õhuvärskendusgeelides, kingakreemis (viskoossuse suurendamiseks), biotehnoloogias rakkude/ensüümide immobiliseerimiseks, farmaatsiatoodetes (inaktiivse abiainena pillides/tablettides), lemmikloomatoidus jne.
SEM-kujutised Ag/κ-karrageeni kohta κ-karrageeni erinevatel kontsentratsioonidel. [0,1%, 0,2% ja 0,3 % vastavalt (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]