مسیر سونوشیمیایی سبز برای تولید نانوذرات نقره
نانوذرات نقره (AgNPs) به‌دلیل خواص ضدمیکروبی، خواص نوری و رسانایی الکتریکی بالای خود، از نانومواد پرکاربرد هستند. مسیر سونوشیمیایی با استفاده از کاپا کاراگینان، روشی ساده، آسان و سازگار با محیط‌زیست برای سنتز نانوذرات نقره است. κ-کاراگینان به‌عنوان پایدارکننده‌ای طبیعی و سازگار با محیط‌زیست استفاده می‌شود، درحالی‌که فراصوت پرتوان نقش عامل کاهندهٔ سبز را ایفا می‌کند.
شیمی سبز به کنترل دقیق پارامترها نیاز دارد. مهندسان نانومواد ما به شما کمک می‌کنند سونوتْرود، هندسهٔ راکتور و تنظیمات توان مناسب را انتخاب کنید تا بازده را به حداکثر برسانید، ریخت‌شناسی ذرات را کنترل کنید و از انطباق کامل با اصول شیمی سبز اطمینان یابید.
Ag+/κ-کاراگینان (چپ) و Ag/κ-کاراگینان فراصوت‌دهی‌شده (راست). فراصوت‌دهی با UP400S به‌مدت 90min انجام شد.
[Elsupikhe et al. 2015]
سنتز سبز نانوذرات نقره با فراصوت
Elsupikhe et al. (2015) مسیری سبز برای سنتز نانوذرات نقره (AgNPs) به کمک فراصوت توسعه داده‌اند. سونوشیمی به‌دلیل تسهیل بسیاری از واکنش‌های شیمیایی در محیط مایع شناخته شده است. فراصوت‌دهی امکان سنتز AgNPs را با استفاده از κ-کاراگینان به‌عنوان پایدارکنندهٔ طبیعی فراهم می‌کند. واکنش در دمای اتاق انجام می‌شود و نانوذرات نقره با ساختار بلوری مکعبی وجوه‌مرکزدار (fcc)، بدون هیچ‌گونه ناخالصی، تولید می‌کند. غلظت κ-کاراگینان می‌تواند بر توزیع اندازهٔ ذرات AgNPs تأثیر بگذارد.
طرح برهم‌کنش میان گروه‌های باردار Ag-NPs که در حین فراصوت‌دهی با κ-کاراگینان پوشش داده شده‌اند. [Elsupikhe et al. 2015]
روش اجرا: سنتز پایدار نانوذرات نقره
- Ag-NPs از طریق کاهش AgNO3 با استفاده از فراصوت‌دهی در حضور κ-کاراگینان سنتز شدند. برای به‌دست‌آوردن نمونه‌های مختلف، پنج سوسپانسیون با افزودن 10 mL از محلول 0٫1 M از AgNO3 به 40-mL κ-کاراگینان تهیه شد. غلظت محلول‌های κ-کاراگینان مورداستفاده به‌ترتیب 0٫1، 0٫15، 0٫20، 0٫25 و 0٫3 wt% بود.
- محلول‌ها به‌مدت 1h هم زده شدند تا ترکیب زیر به دست آید: AgNO3/κ-کاراگینان.
- سپس نمونه‌ها در معرض تابش شدید فراصوت قرار گرفتند: دامنهٔ نوسان دستگاه فراصوت UP400S (400W, 24kHz) روی 50% تنظیم شد. فراصوت‌دهی به‌مدت 90min در دمای اتاق انجام شد. سونوتْرود پردازشگرهای فراصوتی مایعات UP400S مستقیماً در محلول واکنش غوطه‌ور شد.
- پس از فراصوت‌دهی، سوسپانسیون‌ها به‌مدت 15min سانتریفیوژ شدند و چهار بار با آب دوبار تقطیر شسته شدند تا یون‌های نقرهٔ باقی‌مانده حذف شوند. نانوذرات رسوب‌کرده در دمای 40°C تحت خلأ، در طول شب خشک شدند تا Ag-NPs به دست آیند.
معادله
- nH₂O —فراصوت‌دهی–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–هیدرولیز–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –کاهش‌ها–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
آنالیز و نتایج: نانوذرات نقرهٔ سنتزشده با فراصوت
برای ارزیابی نتایج، نمونه‌ها با استفاده از طیف‌سنجی فرابنفش–مرئی، پراش پرتو ایکس، آنالیز شیمیایی FT-IR و تصاویر TEM و SEM بررسی شدند.
با افزایش غلظت κ-کاراگینان، تعداد Ag-NPs افزایش یافت. تشکیل Ag/κ-کاراگینان با طیف‌سنجی فرابنفش–مرئی مشخص شد؛ در این بررسی، بیشینهٔ جذب پلاسمون سطحی در محدودهٔ 402 تا 420nm مشاهده شد. آنالیز پراش پرتو ایکس (XRD) نشان داد که Ag-NPs ساختار مکعبی وجوه‌مرکزدار دارند. طیف فروسرخ تبدیل فوریه (FT-IR) حضور Ag-NPs را در κ-کاراگینان نشان داد. تصویر میکروسکوپی الکترونی عبوری (TEM) در بالاترین غلظت κ-کاراگینان، توزیع Ag-NPs را با میانگین اندازهٔ ذرات نزدیک به 4٫21nm نشان داد. تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM) شکل کروی Ag-NPs را نشان دادند. آنالیز SEM نشان می‌دهد که با افزایش غلظت κ-کاراگینان، تغییراتی در سطح Ag/κ-کاراگینان رخ داد، به‌طوری‌که Ag-NPs کوچک با شکل کروی به دست آمدند.
تصاویر TEM و توزیع‌های اندازهٔ متناظر برای Ag/κ-کاراگینان سنتزشده به روش سونوشیمیایی در غلظت‌های مختلف κ-کاراگینان. [0٫1%، 0٫2% و 0٫3%، به‌ترتیب (a, b, c)].
UP400S – دستگاه فراصوت مورداستفاده برای سنتز سونوشیمیایی نانوذرات Ag
منابع و مراجع
- 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.
پرسش‌های متداول: سنتز سونوشیمیایی سبز نانوذرات نقره
فراصوت چگونه سنتز سبز نانوذرات نقره را بهبود می‌دهد؟
فراصوت موجب کاویتاسیون آکوستیکی می‌شود و نقاط داغ موضعی ایجاد می‌کند که با استفاده از عوامل سازگار با محیط‌زیست، یون‌های نقره را به‌سرعت کاهش می‌دهند. این فرایند سونوشیمیایی سینتیک واکنش را تسریع می‌کند، هسته‌زایی یکنواخت را تقویت می‌کند و امکان کنترل دقیق اندازه و شکل ذرات را فراهم می‌آورد – همهٔ این‌ها بدون مواد شیمیایی خشن یا انرژی حرارتی زیاد.
مزایای اصلی مسیر سونوشیمیایی سبز برای AgNPs چیست؟
سنتز سونوشیمیایی سبز، فراصوت را با عوامل کاهنده و پوشانندهٔ سطح زیست‌سازگار (مانند عصاره‌های گیاهی، قندها یا پلیمرها) ترکیب می‌کند تا نانوذرات نقرهٔ غیرسمی و بی‌ضرر برای محیط‌زیست تولید کند. این روش مصرف انرژی را کاهش می‌دهد، زمان سنتز را کوتاه می‌کند، محصولات جانبی خطرناک را حذف می‌کند و نانوذراتی با پایداری بسیار بالا و توزیع اندازهٔ یکسان تولید می‌کند.
آیا فراصوت می‌تواند اندازه و ریخت‌شناسی نانوذرات نقره را کنترل کند؟
بله. تولیدکنندگان با تنظیم دامنهٔ نوسان فراصوت، فرکانس، چگالی توان و زمان فراصوت‌دهی می‌توانند سرعت هسته‌زایی و رشد را با دقت تنظیم کنند. این قابلیت، تولید تکرارپذیر AgNPs در محدودهٔ 5–100 nm را با شکل‌های مختلف (کره، مکعب و صفحات مثلثی)، متناسب با کاربردهای مشخص زیست‌پزشکی، الکترونیکی یا صنعتی امکان‌پذیر می‌کند.
آیا سنتز سبز فراصوتی برای تولید صنعتی AgNP مقیاس‌پذیر است؟
قطعاً. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی از راکتورهای جریان عبوری پیوسته پشتیبانی می‌کنند که به‌راحتی از بچ‌های آزمایشگاهی به تولید در مقیاس کامل ارتقا می‌یابند. فراصوت‌دهی درون‌خطی، توزیع یکنواخت کاویتاسیون، پایش بلادرنگ فرایند و یکنواختی بین بچ‌ها را تضمین می‌کند و ازاین‌رو برای تولید پرحجم و سازگار با محیط‌زیست AgNP ایدئال است.
کدام عوامل کاهندهٔ سبز در سنتز فراصوتی نانوذرات نقره بهترین عملکرد را دارند؟
عوامل مؤثر و سازگار با محیط‌زیست شامل عصاره‌های گیاهی (مانند آلوئه، چای سبز و پوست مرکبات)، کربوهیدرات‌ها، اسیدهای آمینه، پروتئین‌ها و پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر هستند. فراصوت کارایی کاهندگی و پایدارکنندگی آن‌ها را افزایش می‌دهد و امکان جایگزینی کامل مواد شیمیایی سنتزی را، همراه با حفظ بازده بالا، پایداری کلوئیدی و عملکرد کاربردی، فراهم می‌کند.
سنتز سونوشیمیایی در مقایسه با روش‌های شیمیایی سنتی تولید AgNPs چگونه است؟
مسیرهای شیمیایی متداول اغلب بر کاهنده‌های سمی (مانند سدیم بوروهیدرید) و pH بسیار بالا یا بسیار پایین متکی هستند و پسماندهای خطرناک تولید می‌کنند. سنتز سونوشیمیایی سبز از مواد ایمن و تجدیدپذیر استفاده می‌کند، در دمای محیط یا دماهای ملایم انجام می‌شود، زمان پردازش را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد و نانوذراتی پاک‌تر و زیست‌سازگارتر با پراکندگی و ماندگاری بهتر تولید می‌کند.
کدام صنایع از نانوذرات نقرهٔ تولیدشده با فراصوت سبز بهره می‌برند؟
AgNPs سنتزشده با روش‌های سونوشیمیایی سبز به‌طور گسترده در پوشش‌های ضدمیکروبی، تجهیزات پزشکی، مراقبت از زخم، فیلتراسیون آب، الکترونیک انعطاف‌پذیر و بسته‌بندی پایدار استفاده می‌شوند. تولید سازگار با محیط‌زیست آن‌ها، ضمن ارائهٔ عملکرد بالا و کسب پذیرش نهادهای نظارتی، انطباق با استانداردهای سخت‌گیرانهٔ زیست‌محیطی و ایمنی را تضمین می‌کند.
نانوذرات نقره چیستند؟
نانوذرات نقره با اندازه‌ای بین 1nm و 100nm مشخص می‌شوند. اگرچه اغلب «نقره» نامیده می‌شوند، برخی از آن‌ها به‌دلیل نسبت بالای اتم‌های نقرهٔ سطحی به اتم‌های نقرهٔ درون حجم ذره، از درصد زیادی اکسید نقره تشکیل شده‌اند. نانوذرات نقره می‌توانند ساختارهای مختلفی داشته باشند. نانوذرات نقرهٔ کروی بیش از سایر شکل‌ها سنتز می‌شوند، اما شکل‌های لوزی، هشت‌ضلعی و ورقه‌های نازک نیز استفاده می‌شوند.
نانوذرات نقره در کاربردهای پزشکی بسیار پرکاربرد هستند. یون‌های نقره زیست‌فعال‌اند و اثرات ضدمیکروبی و میکروب‌کشی قوی دارند. مساحت سطح بسیار زیاد آن‌ها امکان برقراری پیوند کوئوردیناسیونی با لیگاندهای متعدد را فراهم می‌کند. رسانایی و خواص نوری منحصربه‌فرد نیز از دیگر ویژگی‌های مهم آن‌ها هستند.
نانوذرات نقره به‌دلیل ویژگی‌های رسانایی خود، اغلب در کامپوزیت‌ها، پلاستیک‌ها، اپوکسی‌ها و چسب‌ها به کار می‌روند. ذرات نقره رسانایی الکتریکی را افزایش می‌دهند؛ بنابراین خمیرها و جوهرهای نقره اغلب در ساخت قطعات الکترونیکی استفاده می‌شوند. ازآنجاکه نانوذرات نقره قابلیت پشتیبانی از پلاسمون‌های سطحی را دارند، AgNPs از خواص نوری برجسته‌ای برخوردارند. نانوذرات نقرهٔ پلاسمونیک در حسگرها، آشکارسازها و تجهیزات تحلیلی، مانند طیف‌سنجی رامان تقویت‌شدهٔ سطحی (SERS) و طیف‌سنجی فلورسانس تقویت‌شده با میدان پلاسمون سطحی (SPFS)، به کار می‌روند.
کاراگینان چیست؟
کاراگینان پلیمری طبیعی و ارزان است که در گونه‌های مختلف جلبک‌های دریایی قرمز یافت می‌شود. کاراگینان‌ها پلی‌ساکاریدهای سولفاتهٔ خطی هستند که به‌دلیل خواص ژل‌کنندگی، غلیظ‌کنندگی و پایدارکنندگی، در صنایع غذایی کاربرد گسترده‌ای دارند. کاربرد اصلی آن‌ها در محصولات لبنی و گوشتی است، زیرا به‌خوبی به پروتئین‌های مواد غذایی متصل می‌شوند. کاراگینان سه نوع اصلی دارد که از نظر درجهٔ سولفاته‌شدن با یکدیگر تفاوت دارند. کاپا کاراگینان به‌ازای هر دی‌ساکارید یک گروه سولفات دارد. یوتا کاراگینان (ι-کاراگینان) به‌ازای هر دی‌ساکارید دو گروه سولفات دارد. لامبدا کاراگینان (λ-کاراگینان) به‌ازای هر دی‌ساکارید سه گروه سولفات دارد.
کاپا کاراگینان (κ-کاراگینان) ساختار خطی پلی‌ساکارید سولفاته‌ای متشکل از D-گالاکتوز و 3,6-انهیدرو-D-گالاکتوز دارد.
κ-کاراگینان در صنایع غذایی کاربرد گسترده‌ای دارد؛ برای مثال، به‌عنوان عامل ژل‌کننده و برای اصلاح بافت استفاده می‌شود. این ماده به‌عنوان افزودنی در بستنی، خامه، پنیر کاتیج، میلک‌شیک، سس سالاد، شیر تغلیظ‌شدهٔ شیرین، شیر سویا و دیگر شیرهای گیاهی و سس‌ها برای افزایش گران‌روی محصول به کار می‌رود.
علاوه‌براین، κ-کاراگینان در محصولات غیرخوراکی نیز یافت می‌شود؛ برای نمونه، به‌عنوان غلیظ‌کننده در شامپو و کرم‌های آرایشی، در خمیردندان (به‌عنوان پایدارکننده برای جلوگیری از جداشدن اجزا)، در کف آتش‌نشانی (به‌عنوان غلیظ‌کننده برای چسبناک‌کردن کف)، در ژل‌های خوشبوکنندهٔ هوا، در واکس کفش (برای افزایش گران‌روی)، در زیست‌فناوری برای تثبیت سلول‌ها/آنزیم‌ها، در فرآورده‌های دارویی (به‌عنوان مادهٔ جانبی غیرفعال در حب‌ها/قرص‌ها)، در غذای حیوانات خانگی و موارد دیگر.
تصاویر SEM از Ag/κ-کاراگینان در غلظت‌های مختلف κ-کاراگینان. [0٫1%، 0٫2% و 0٫3 %، به‌ترتیب (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]