Vihreä sonokemiallinen reitti hopean nanohiukkasiin
Hopean nanohiukkasia (AgNP) käytetään usein nanomateriaaleina niiden antimikrobisten ominaisuuksien, optisten ominaisuuksien ja korkean sähkönjohtavuuden vuoksi. Kappa-karrageenia käyttävä sonokemiallinen reitti on yksinkertainen, kätevä ja ympäristöystävällinen synteesimenetelmä hopean nanohiukkasten valmistamiseksi. κ-karrageenia käytetään luonnollisena ympäristöystävällisenä stabilointiaineena, kun taas tehon ultraääni toimii vihreänä pelkistävänä aineena.
Vihreä kemia edellyttää parametrien tarkkaa hallintaa. Nanomateriaali-insinöörimme auttavat sinua valitsemaan sopivan sonotrodin, reaktorin geometrian ja tehoasetukset, jotta saanto voidaan maksimoida, hiukkasten morfologiaa hallita ja varmistaa vihreän kemian periaatteiden täysi noudattaminen.
Ag+/κ-karrageeni (vasemmalla) ja ultraäänikäsitelty Ag/κ-karrageeni (oikealla). Ultraäänikäsittely suoritettiin UP400S-laitteella 90 minuutin ajan.
[Elsupikhe ym. 2015]
Hopean nanohiukkasten vihreä ultraäänisynteesi
(2015) ovat kehittäneet vihreän ultraäänellä avustetun synteesireitin hopean nanohiukkasten (AgNP) valmistamiseksi. Sonokemian tiedetään edistävän monia märkäkemiallisia reaktioita. Sonikaatio mahdollistaa AgNP: iden syntetisoimisen κ-karrageenilla luonnollisena stabilointiaineena. Reaktio toimii huoneenlämpötilassa ja tuottaa hopean nanohiukkasia, joilla on fcc-kiderakenne ilman epäpuhtauksia. AgNP: iden hiukkaskokojakaumaan voi vaikuttaa κ-karrageenin pitoisuus.
Ag-NP: n ladattujen ryhmien välinen vuorovaikutuskaavio, jotka on rajattu κ-karrageenilla sonikaatiossa. [Elsupikhe et ai., 2015]
Menetelmä: Hopeananopartikkelien kestävä synteesi
- Ag-NP: t syntetisoitiin pelkistämällä AgNO: ta3 käyttämällä ultrasonicationia κ-karrageenin läsnä ollessa. Eri näytteiden saamiseksi valmistettiin viisi suspensiota lisäämällä 10 ml 0,1 M AgNO: ta3 kunnes 40 ml κ-karrageenia. Käytetyt κ-karrageeniliuokset olivat vastaavasti 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 ja 0,3 paino-%.
- Liuoksia sekoitettiin 1 tunnin ajan AgNO:n saamiseksi3/κ-karrageeni.
- Sitten näytteet altistettiin voimakkaalle ultraäänisäteilylle: Ultraäänilaitteen amplitudi UP400S (400W, 24kHz) asetettiin 50%: iin. Sonikaatiota käytettiin 90 minuutin ajan huoneenlämpötilassa. Ultraääninesteprosessorien sonotrode UP400S upotettiin suoraan reaktioliuokseen.
- Sonikoinnin jälkeen suspensiot sentrifugoitiin 15 minuutin ajan ja pestiin kaksinkertaisella tislatulla vedellä neljä kertaa hopeaionijäännöksen poistamiseksi. Saostuneet nanohiukkaset kuivattiin 40 °C:ssa tyhjiössä yön yli Ag-NP:iden saamiseksi.
Yhtälö
- ei vettä —Ultraäänellä–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–hydrolyysi–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –Vähennykset–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analyysi ja tulokset: Ultraäänellä syntetisoidut hopeananopartikkelit
Tulosten arvioimiseksi näytteet analysoitiin UV-näkyvällä spektroskooppisella analyysillä, röntgendiffraktiolla, FT-IR-kemiallisella analyysillä, TEM- ja SEM-kuvilla.
Ag-NP:iden määrä kasvoi κ-karrageenipitoisuuksien kasvaessa. Ag/κ-karrageenin muodostuminen määritettiin UV-näkyvän valon spektroskopialla, jossa pintaplasmonin absorptiomaksimi havaittiin aallonpituusalueella 402–420 nm. Röntgendiffraktioanalyysi (XRD) osoitti, että Ag-nanopartikkelit ovat pintakeskeisessä kuutiollisessa rakenteessa. Fourier-muunnettu infrapunaspektri (FT-IR) osoitti Ag-nanopartikkelien läsnäolon κ-karrageenissa. Transmissioelektronimikroskopia (TEM) -kuva, joka otettiin korkeimmalla κ-karrageenipitoisuudella, osoitti Ag-nanopartikkelien jakautumisen, ja niiden keskimääräinen partikkelikoko oli lähellä 4,21 nm. Pyyhkäisyelektronimikroskopia (SEM) -kuvat osoittivat Ag-nanopartikkelien pallomaisen muodon. SEM-analyysi osoittaa, että κ-karrageenipitoisuuden kasvaessa Ag/κ-karrageenin pinnassa tapahtui muutoksia, minkä seurauksena saatiin pienikokoisia, pallomaisia Ag-nanopartikkeleita.
TEM-kuvat ja vastaavat kokojakaumat sonokemiallisesti syntetisoidulle Ag/κ-karrageenille κ-karrageenin eri pitoisuuksilla. [0,1 %, 0,2 % ja 0,3 % (a, b, c)].
UP400S – ultraäänilaite, jota käytetään Ag-nanohiukkasten sonokemialliseen synteesiin
Kirjallisuus/viitteet
- 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.
Usein kysytyt kysymykset: Hopeananohiukkasten ympäristöystävällinen sonokemiallinen synteesi
Miten ultraääni parantaa hopeananohiukkasten vihreää synteesiä?
Ultraääni aiheuttaa akustista kavitaatiota, jolloin syntyy paikallisia pisteitä, joissa hopeaioneja hajotetaan nopeasti ympäristöystävällisillä aineilla. Tämä sono-kemiallinen prosessi nopeuttaa reaktion kulkua, edistää tasalaatuista ydintymistä ja mahdollistaa hiukkaskokojen ja -muotojen tarkan hallinnan – ilman voimakkaita kemikaaleja tai suurta lämpöenergiaa.
Mitkä ovat AgNP:iden ympäristöystävällisen sonokemiallisen valmistusmenetelmän tärkeimmät edut?
Vihreässä sonokemiallisessa synteesissä yhdistetään ultraääni bioyhteensopiviin pelkistys- ja päällystysaineisiin (kuten kasviuutteisiin, sokereihin tai polymeereihin) myrkyttömien ja ympäristölle vaarattomien hopeananopartikkelien tuottamiseksi. Menetelmä vähentää energiankulutusta, lyhentää synteesiaikaa, eliminoi vaaralliset sivutuotteet ja tuottaa erittäin vakaita nanopartikkeleita, joiden kokojakauma on tasainen.
Voiko ultraäänellä säätää hopeananohiukkasten kokoa ja morfologiaa?
Kyllä. Säätämällä ultraäänen amplitudia, taajuutta, tehotiheyttä ja ultraäänikäsittelyaikaa valmistajat voivat hienosäätää ydinmuodostuksen ja kasvunopeuksia. Tämä mahdollistaa 5–100 nm:n kokoisia AgNP-hiukkasia sisältävän toistettavan tuotannon eri muodoissa (pallot, kuutiot, kolmiomaiset levyt), jotka on räätälöity tiettyihin biolääketieteellisiin, elektroniikka- tai teollisuussovelluksiin.
Voidaanko ultraäänipohjaista ympäristöystävällistä synteesiä laajentaa teolliseen AgNP-tuotantoon?
Totta kai. Teolliset ultraäänikäsittelylaitteet tukevat jatkuvatoimiset läpivirtausreaktorit jotka skaalautuvat saumattomasti laboratorioeristä täysimittaiseen tuotantoon. Linjassa tapahtuva ultraäänikäsittely takaa tasaisen kavitaation jakautumisen, prosessin reaaliaikaisen seurannan sekä erien välisen yhdenmukaisuuden, minkä ansiosta se sopii erinomaisesti suurivolyymiseen ja ympäristöystävälliseen AgNP-tuotantoon.
Mitkä vihreät pelkistimet toimivat parhaiten hopeananohiukkasten ultraäänisynteesissä?
Tehokkaita ympäristöystävällisiä aineita ovat kasviuutteet (esim. aloe, vihreä tee, sitrushedelmien kuoret), hiilihydraatit, aminohapot, proteiinit ja biohajoavat polymeerit. Ultraääni tehostaa niiden pelkistävää ja stabiloivaa vaikutusta, minkä ansiosta synteettiset kemikaalit voidaan korvata kokonaan samalla kun säilytetään korkea saanto, kolloidinen stabiilisuus ja toiminnallinen suorituskyky.
Miten sonokemiallinen synteesi eroaa perinteisistä kemiallisista menetelmistä AgNP:iden valmistuksessa?
Perinteisissä kemiallisissa menetelmissä käytetään usein myrkyllisiä pelkistimiä (kuten natriumborohydridiä) ja äärimmäisiä pH-arvoja, ja niissä syntyy vaarallista jätettä. Ympäristöystävällisessä sonokemiallisessa synteesissä käytetään turvallisia, uusiutuvia materiaaleja, ja se tapahtuu huoneenlämmössä tai lievissä lämpötiloissa. Menetelmä lyhentää prosessiaikaa merkittävästi ja tuottaa puhtaampia, biologisesti yhteensopivampia nanohiukkasia, joiden dispergoituvuus ja säilyvyys ovat erinomaiset.
Mitkä toimialat hyötyvät ympäristöystävällisistä ultraäänitekniikalla valmistetuista hopeananohiukkasista?
Vihreillä sonokemiallisilla menetelmillä syntetisoidut AgNP:t ovat laajalti käytössä antimikrobisissa pinnoitteissa, lääkinnällisissä laitteissa, haavanhoidossa, veden suodatuksessa, joustavassa elektroniikassa ja kestävissä pakkauksissa. Niiden ympäristöystävällinen tuotanto takaa tiukkojen ympäristö- ja turvallisuusstandardien noudattamisen ja samalla tarjoaa korkean suorituskyvyn sekä viranomaishyväksynnän.
Mitä ovat hopeananopartikkelit?
Hopean nanohiukkasille on tunnusomaista koko välillä 1 nm - 100 nm. Vaikka sitä kuvataan usein "hopeaksi"’ Jotkut koostuvat suuresta prosenttiosuudesta hopeaoksidia, koska niiden pinta-irtotavarana olevien hopea-atomien suhde on suuri. Hopean nanohiukkaset voivat esiintyä eri rakenteilla. Yleisimmin syntetisoidaan pallomaisia hopean nanohiukkasia, mutta käytetään myös timantti-, kahdeksankulmaisia ja ohuita levyjä.
Hopean nanohiukkaset ovat erittäin yleisiä lääketieteellisissä sovelluksissa. Hopeaionit ovat bioaktiivisia ja niillä on voimakkaita antimikrobisia ja bakteereja tuhoavia vaikutuksia. Niiden erittäin suuri pinta-ala mahdollistaa lukuisten ligandien koordinoinnin. Muita tärkeitä ominaisuuksia ovat johtavuus ja ainutlaatuiset optiset ominaisuudet.
Johtavien ominaisuuksiensa vuoksi hopean nanohiukkaset sisältyvät usein komposiitteihin, muoveihin, epoksiin ja liimoihin. Hopeahiukkaset lisäävät sähkönjohtavuutta; Siksi hopeatahnoja ja musteita käytetään usein elektroniikan valmistuksessa. Koska hopean nanohiukkaset tukevat pintaplasmoneja, AgNP: llä on erinomaiset optiset ominaisuudet. Plasmonisia hopeananohiukkasia käytetään antureihin, ilmaisimiin ja analyysilaitteisiin, kuten pintaparannettuun Raman-spektroskopiaan (SERS) ja pintaplasmonikenttään tehostettuun fluoresenssispektroskopiaan (SPFS).
Mitä karrageeni on?
Karrageeni on halpa luonnollinen polymeeri, jota löytyy erilaisista punaisista merilevistä. Karrageenit ovat lineaarisia sulfatoituja polysakkarideja, joita käytetään laajalti elintarviketeollisuudessa niiden hyytelöimis-, sakeuttamis- ja stabilointiominaisuuksien vuoksi. Niiden pääasiallinen käyttö on maitotuotteissa ja lihatuotteissa, koska ne sitoutuvat voimakkaasti elintarvikeproteiineihin. Karrageenia on kolme pääasiallista lajiketta, jotka eroavat sulfaatioasteestaan. Kappa-karrageenilla on yksi sulfaattiryhmä disakkaridia kohti. Iota-karrageenissa (ι-karrageeni) on kaksi sulfaattia disakkaridia kohti. Lambdakarrageenissa (λ-karrageeni) on kolme sulfaattia disakkaridia kohti.
Kappa-karrageenilla (κ-karrageeni) on lineaarinen rakenne D-galaktoosin ja 3,6-anhydro-D-galaktoosin sulfatoidusta polysakkaridista.
κ-karrageenia käytetään laajalti elintarviketeollisuudessa, esimerkiksi hyytelöimisaineena ja tekstuurin muokkaamiseen. Sitä löytyy lisäaineena jäätelöstä, kermasta, raejuustosta, pirtelöistä, salaattikastikkeista, makeutetuista tiivistetyistä maidoista, soijamaidosta & muut kasvimaidot ja kastikkeet tuotteen viskositeetin lisäämiseksi.
Lisäksi κ-karrageenia löytyy muista kuin elintarvikkeista, kuten sakeutusaineesta shampoossa ja kosmeettisissa voiteissa, hammastahnasta (stabilointiaineena ainesosien erottumisen estämiseksi), sammutusvaahdosta (sakeuttamisaineena, joka aiheuttaa vaahdon tahmeutta), ilmanraikastingeeleistä, kenkäkiillokkeesta (viskositeetin lisäämiseksi), solujen / entsyymien immobilisointiin tarkoitetusta biotekniikasta, lääkkeistä (inaktiivisena apuaineena pillereissä/tableteissa), lemmikkieläinten ruoassa jne.
SEM-kuvat Ag/κ-karrageenille κ-karrageenin eri pitoisuuksina. [0,1 prosenttia, 0,2 prosenttia ja 0,3 prosenttia (a, b, c)]. [Elsupikhe et ai., 2015]