ચાંદીના નેનોકણો માટેનો હરિત સોનોકેમિકલ માર્ગ
ચાંદીના નેનોકણો (AgNPs) તેમના સૂક્ષ્મજીવવિરોધી ગુણધર્મો, પ્રકાશીય ગુણધર્મો અને ઉચ્ચ વિદ્યુત વાહકતાને કારણે વારંવાર ઉપયોગમાં લેવાતી નેનોસામગ્રીઓ છે. કપ્પા કેરાજીનનનો ઉપયોગ કરતો સોનોકેમિકલ માર્ગ ચાંદીના નેનોકણો તૈયાર કરવા માટેની એક સરળ, સુવિધાજનક અને પર્યાવરણને અનુકૂળ સંશ્લેષણ પદ્ધતિ છે. κ-કેરાજીનનનો ઉપયોગ કુદરતી, પર્યાવરણને અનુકૂળ સ્થિરીકારક તરીકે થાય છે, જ્યારે ઉચ્ચ શક્તિવાળું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ હરિત અપચાયક તરીકે કાર્ય કરે છે.
હરિત રસાયણશાસ્ત્રમાં પરિમાણોનું ચોકસાઈપૂર્વક નિયંત્રણ જરૂરી છે. અમારા નેનોસામગ્રી ઇજનેરો ઉપજને મહત્તમ કરવા, કણોની આકારરચનાને નિયંત્રિત કરવા અને હરિત રસાયણશાસ્ત્રના સિદ્ધાંતોનું સંપૂર્ણ પાલન સુનિશ્ચિત કરવા માટે યોગ્ય સોનોટ્રોડ, રિએક્ટરની ભૂમિતિ અને શક્તિનાં સેટિંગ્સ પસંદ કરવામાં તમને મદદ કરશે.
Ag+/κ-કેરાજીનન (ડાબે) અને સોનિકેશન કરેલું Ag/κ-કેરાજીનન (જમણે). UP400S વડે 90min સુધી સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું.
[Elsupikhe et al. 2015]
ચાંદીના નેનોકણોનું હરિત અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ
Elsupikhe et al. (2015)એ ચાંદીના નેનોકણો (AgNPs) તૈયાર કરવા માટે હરિત, અલ્ટ્રાસાઉન્ડની સહાયથી થતો સંશ્લેષણ માર્ગ વિકસાવ્યો છે. સોનોકેમિસ્ટ્રી ઘણી દ્રાવણ આધારિત રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને પ્રોત્સાહન આપવા માટે જાણીતી છે. સોનિકેશન દ્વારા કુદરતી સ્થિરીકારક તરીકે κ-કેરાજીનનનો ઉપયોગ કરીને AgNPsનું સંશ્લેષણ કરી શકાય છે. પ્રતિક્રિયા ઓરડાના તાપમાને ચાલે છે અને કોઈપણ અશુદ્ધિ વિના fcc સ્ફટિક સંરચના ધરાવતા ચાંદીના નેનોકણો ઉત્પન્ન કરે છે. κ-કેરાજીનનની સાંદ્રતા દ્વારા AgNPsના કણકદના વિતરણને પ્રભાવિત કરી શકાય છે.
સોનિકેશન દરમિયાન κ-કેરાજીનનથી આવરિત Ag-NPsના વિદ્યુતભારિત સમૂહો વચ્ચેની આંતરક્રિયાનું યોજનાત્મક નિરૂપણ. [Elsupikhe et al. 2015]
પ્રક્રિયા: ચાંદીના નેનોકણોનું ટકાઉ સંશ્લેષણ
- κ-કેરાજીનનની હાજરીમાં અલ્ટ્રાસોનિકેશનનો ઉપયોગ કરીને AgNO3 નું અપચય કરીને Ag-NPsનું સંશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. અલગ અલગ નમૂનાઓ મેળવવા માટે, 10 mL જેટલું 0.1 M AgNO3 40-mL κ-કેરાજીનનમાં ઉમેરીને પાંચ નિલંબનો તૈયાર કરવામાં આવ્યાં હતાં. ઉપયોગમાં લેવાયેલાં κ-કેરાજીનનનાં દ્રાવણો અનુક્રમે 0.1, 0.15, 0.20, 0.25 અને 0.3 wt% હતાં.
- દ્રાવણોને 1h સુધી હલાવીને AgNO3/κ-કેરાજીનન મેળવવામાં આવ્યું હતું.
- ત્યારબાદ, નમૂનાઓને તીવ્ર અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણ હેઠળ મૂકવામાં આવ્યા હતા: અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણ UP400S (400W, 24kHz)નો કંપવિસ્તાર 50% પર સેટ કરવામાં આવ્યો હતો. ઓરડાના તાપમાને 90min સુધી સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું. અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી પ્રોસેસર UP400S ના સોનોટ્રોડને સીધો પ્રતિક્રિયા દ્રાવણમાં ડુબાડવામાં આવ્યો હતો.
- સોનિકેશન પછી, ચાંદીના આયનોના અવશેષો દૂર કરવા માટે નિલંબનોને 15min સુધી અપકેન્દ્રિત કરવામાં આવ્યાં હતાં અને બે વાર નિસ્યંદિત કરેલા પાણીથી ચાર વખત ધોવામાં આવ્યાં હતાં. Ag-NPs મેળવવા માટે અવક્ષેપિત નેનોકણોને 40°C પર નિર્વાત હેઠળ આખી રાત સૂકવવામાં આવ્યા હતા.
સમીકરણ
- nH₂O —સોનિકેશન–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–જલવિભાજન–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –અપચય પ્રતિક્રિયાઓ–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
વિશ્લેષણ અને પરિણામો: અલ્ટ્રાસાઉન્ડ વડે સંશ્લેષિત ચાંદીના નેનોકણો
પરિણામોનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે, નમૂનાઓનું UV-દૃશ્ય વર્ણપટદર્શકીય વિશ્લેષણ, X-કિરણ વિવર્તન, FT-IR રાસાયણિક વિશ્લેષણ તથા TEM અને SEM પ્રતિમાઓ દ્વારા વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું.
κ-કેરાજીનનની સાંદ્રતા વધવાની સાથે Ag-NPsની સંખ્યા વધી હતી. Ag/κ-કેરાજીનનની રચના UV-દૃશ્ય વર્ણપટદર્શન દ્વારા નિર્ધારિત કરવામાં આવી હતી, જેમાં સપાટી પ્લાઝ્મોન શોષણની મહત્તમ તીવ્રતા 402 થી 420nm પર જોવા મળી હતી. X-કિરણ વિવર્તન (XRD) વિશ્લેષણ દર્શાવતું હતું કે Ag-NPs ફલકકેન્દ્રિત ઘન સંરચના ધરાવે છે. ફૂરિયે રૂપાંતરણ અવરક્ત (FT-IR) વર્ણપટે κ-કેરાજીનનમાં Ag-NPsની હાજરી સૂચવી હતી. κ-કેરાજીનનની સૌથી વધુ સાંદ્રતા માટેની ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (TEM) પ્રતિમાએ લગભગ 4.21nmના સરેરાશ કણકદવાળા Ag-NPsનું વિતરણ દર્શાવ્યું હતું. સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (SEM) પ્રતિમાઓએ Ag-NPsનો ગોળાકાર આકાર દર્શાવ્યો હતો. SEM વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે κ-કેરાજીનનની સાંદ્રતા વધવાની સાથે Ag/κ-કેરાજીનનની સપાટીમાં ફેરફારો થયા હતા, જેથી ગોળાકાર આકારવાળા નાના કદના Ag-NPs મેળવવામાં આવ્યા હતા.
κ-કેરાજીનનની અલગ અલગ સાંદ્રતાઓ પર સોનોકેમિકલ રીતે સંશ્લેષિત Ag/κ-કેરાજીનનની TEM પ્રતિમાઓ અને અનુરૂપ કદ વિતરણો. [અનુક્રમે 0.1%, 0.2% અને 0.3% (a, b, c)].
UP400S – Ag નેનોકણોના સોનોકેમિકલ સંશ્લેષણ માટે વપરાતું અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણ
સાહિત્ય/સંદર્ભો
- 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.
વારંવાર પૂછાતા પ્રશ્નો: ચાંદીના નેનોકણોનું હરિત સોનોકેમિકલ સંશ્લેષણ
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ચાંદીના નેનોકણોના હરિત સંશ્લેષણને કેવી રીતે સુધારે છે?
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ધ્વનિક પોલાણ ઉત્પન્ન કરે છે, જેનાથી સ્થાનિક અતિઉષ્ણ વિસ્તારો સર્જાય છે, જ્યાં પર્યાવરણને અનુકૂળ કારકોની મદદથી ચાંદીના આયનોનું ઝડપથી અપચય થાય છે. આ સોનોકેમિકલ પ્રક્રિયા પ્રતિક્રિયાની ગતિ વધારે છે, એકસમાન નાભિકનને પ્રોત્સાહન આપે છે અને કણોના કદ તથા આકાર પર ચોક્કસ નિયંત્રણ શક્ય બનાવે છે – આ બધું આકરા રસાયણો કે ઊંચી ઉષ્મીય ઊર્જા વિના થાય છે.
AgNPs માટે હરિત સોનોકેમિકલ માર્ગના મુખ્ય ફાયદા કયા છે?
હરિત સોનોકેમિકલ સંશ્લેષણમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડને જૈવસુસંગત અપચાયક અને આવરણ બનાવતા કારકો (જેમ કે વનસ્પતિના અર્ક, શર્કરાઓ અથવા પોલિમરો) સાથે સંયોજિત કરીને બિનઝેરી અને પર્યાવરણને હાનિરહિત ચાંદીના નેનોકણો ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિ ઊર્જાનો વપરાશ ઘટાડે છે, સંશ્લેષણનો સમય ટૂંકાવે છે, જોખમી આડપેદાશોને દૂર કરે છે અને સાતત્યપૂર્ણ કદવિતરણ ધરાવતા અત્યંત સ્થિર નેનોકણો ઉત્પન્ન કરે છે.
શું અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ચાંદીના નેનોકણોના કદ અને આકારવિજ્ઞાનને નિયંત્રિત કરી શકે છે?
હા. અલ્ટ્રાસોનિક કંપવિસ્તાર, આવૃત્તિ, શક્તિ ઘનતા અને સોનિકેશનનો સમય સમાયોજિત કરીને ઉત્પાદકો નાભિકન અને વૃદ્ધિના દરોને સૂક્ષ્મ રીતે નિયંત્રિત કરી શકે છે. આનાથી વિશિષ્ટ જૈવતબીબી, ઇલેક્ટ્રોનિક અથવા ઔદ્યોગિક ઉપયોગોને અનુરૂપ વિવિધ આકારોમાં (ગોળાઓ, ઘનો, ત્રિકોણાકાર પાતળી પટ્ટિકાઓ) 5–100 nm કદના AgNPsનું પુનરુત્પાદનીય ઉત્પાદન શક્ય બને છે.
શું ઔદ્યોગિક AgNP ઉત્પાદન માટે અલ્ટ્રાસોનિક હરિત સંશ્લેષણનું પ્રમાણ વધારી શકાય છે?
નિશ્ચિતપણે. ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો સતત પ્રવાહવાળા રિએક્ટરોને સમર્થન આપે છે, જેમની ક્ષમતા પ્રયોગશાળાની બેચ પ્રક્રિયાઓથી પૂર્ણ ઉત્પાદન સુધી સરળતાથી વધારી શકાય છે. ઇનલાઇન સોનિકેશન એકસમાન પોલાણ વિતરણ, વાસ્તવિક સમયમાં પ્રક્રિયાનું નિરીક્ષણ અને બેચથી બેચ સાતત્ય સુનિશ્ચિત કરે છે, જે તેને મોટા જથ્થામાં પર્યાવરણને અનુકૂળ AgNP ઉત્પાદન માટે આદર્શ બનાવે છે.
ચાંદીના નેનોકણોના અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ સાથે કયા હરિત અપચાયક કારકો શ્રેષ્ઠ કાર્ય કરે છે?
અસરકારક પર્યાવરણને અનુકૂળ કારકોમાં વનસ્પતિના અર્ક (દા.ત., કુંવારપાઠું, લીલી ચા, ખાટાં ફળોની છાલ), કાર્બોહાઇડ્રેટ્સ, એમિનો એસિડ્સ, પ્રોટીનો અને જૈવવિઘટનક્ષમ પોલિમરોનો સમાવેશ થાય છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તેમની અપચયન અને સ્થિરીકરણ કાર્યક્ષમતા વધારે છે, જેથી ઊંચી ઉપજ, કોલોઇડલ સ્થિરતા અને કાર્યાત્મક કામગીરી જાળવી રાખીને કૃત્રિમ રસાયણોને સંપૂર્ણપણે બદલી શકાય છે.
AgNPs માટેની પરંપરાગત રાસાયણિક પદ્ધતિઓની સરખામણીમાં સોનોકેમિકલ સંશ્લેષણ કેવું છે?
પરંપરાગત રાસાયણિક માર્ગો ઘણીવાર ઝેરી અપચાયકો (દા.ત., સોડિયમ બોરોહાઇડ્રાઇડ) અને અત્યંત ઊંચા કે નીચા pH પર આધાર રાખે છે તથા જોખમી કચરો ઉત્પન્ન કરે છે. હરિત સોનોકેમિકલ સંશ્લેષણ સલામત, નવીનીકરણીય સામગ્રીનો ઉપયોગ કરે છે, આસપાસના અથવા હળવા તાપમાને કાર્ય કરે છે, પ્રક્રિયાનો સમય નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે અને વધુ સારું વિખેરણ તથા વધુ લાંબો સંગ્રહકાળ ધરાવતા વધુ સ્વચ્છ, વધુ જૈવસુસંગત નેનોકણો ઉત્પન્ન કરે છે.
હરિત અલ્ટ્રાસોનિક ચાંદીના નેનોકણોથી કયા ઉદ્યોગોને લાભ થાય છે?
હરિત સોનોકેમિકલ પદ્ધતિઓ દ્વારા સંશ્લેષિત AgNPsનો પ્રતિસૂક્ષ્મજીવી આવરણો, તબીબી ઉપકરણો, ઘાની સંભાળ, પાણીનું ગાળણ, લવચીક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને ટકાઉ પેકેજિંગમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. તેમનું પર્યાવરણને અનુકૂળ ઉત્પાદન ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા અને નિયમનકારી સ્વીકાર્યતા પ્રદાન કરવાની સાથે કડક પર્યાવરણીય અને સલામતી ધોરણોનું પાલન સુનિશ્ચિત કરે છે.
ચાંદીના નેનોકણો શું છે?
ચાંદીના નેનોકણોનું કદ 1nm અને 100nm વચ્ચે હોય છે. તેમને ઘણીવાર ‘ચાંદીના’ તરીકે વર્ણવવામાં આવે છે, છતાં કેટલાક કણોમાં સપાટી પરના ચાંદીના પરમાણુઓનું આંતરિક ભાગના ચાંદીના પરમાણુઓની સરખામણીએ ઊંચું પ્રમાણ હોવાથી સિલ્વર ઑક્સાઇડની મોટી ટકાવારી હોય છે. ચાંદીના નેનોકણો વિવિધ સંરચનાઓ ધરાવી શકે છે. સૌથી સામાન્ય રીતે ગોળાકાર ચાંદીના નેનોકણોનું સંશ્લેષણ કરવામાં આવે છે, પરંતુ સમચતુર્ભુજ આકારના, અષ્ટકોણીય અને પાતળી ચાદરો જેવા સ્વરૂપોનો પણ ઉપયોગ થાય છે.
ચાંદીના નેનોકણોનો તબીબી ઉપયોગોમાં ખૂબ વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. ચાંદીના આયનો જૈવસક્રિય હોય છે અને તેમની સૂક્ષ્મજીવવિરોધી તથા જંતુનાશક અસરો પ્રબળ હોય છે. તેમનું અત્યંત મોટું સપાટી ક્ષેત્રફળ અસંખ્ય લિગેન્ડ સાથે ઉપસહસંયોજનની શક્યતા આપે છે. વાહકતા અને અનન્ય પ્રકાશીય ગુણધર્મો તેમની અન્ય મહત્ત્વપૂર્ણ વિશેષતાઓ છે.
તેમના વાહક ગુણધર્મોને કારણે, ચાંદીના નેનોકણોને ઘણીવાર સંયુક્ત પદાર્થો, પ્લાસ્ટિક, ઇપોક્સી અને સંલગ્નકોમાં સામેલ કરવામાં આવે છે. ચાંદીના કણો વિદ્યુત વાહકતા વધારે છે; તેથી ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ઉત્પાદનમાં ચાંદીની પેસ્ટ અને શાહીનો વારંવાર ઉપયોગ થાય છે. ચાંદીના નેનોકણો સપાટી પ્લાઝ્મોનને આધાર આપતા હોવાથી, AgNPs ઉત્કૃષ્ટ પ્રકાશીય ગુણધર્મો ધરાવે છે. પ્લાઝ્મોનિક ચાંદીના નેનોકણોનો ઉપયોગ સેન્સર, શોધક અને સપાટી દ્વારા સંવર્ધિત રામન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (SERS) તથા સપાટી પ્લાઝ્મોન ક્ષેત્ર દ્વારા સંવર્ધિત ફ્લુઓરેસન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (SPFS) જેવાં વિશ્લેષણાત્મક ઉપકરણોમાં થાય છે.
કેરેજીનન શું છે?
કેરેજીનન એક સસ્તો કુદરતી પોલિમર છે, જે લાલ સમુદ્રી શેવાળની વિવિધ પ્રજાતિઓમાં જોવા મળે છે. કેરેજીનન રેખીય સલ્ફેટયુક્ત પોલિસૅકેરાઇડ છે, જેનો જેલ બનાવવાના, ઘટ્ટ કરવાના અને સ્થિરતા જાળવવાના ગુણધર્મોને કારણે ખાદ્ય ઉદ્યોગમાં વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. ખાદ્ય પ્રોટીન સાથે મજબૂત રીતે બંધાતા હોવાથી તેમનો મુખ્ય ઉપયોગ ડેરી અને માંસના ઉત્પાદનોમાં થાય છે. કેરેજીનનના ત્રણ મુખ્ય પ્રકારો છે, જે સલ્ફેટીકરણની માત્રામાં એકબીજાથી અલગ હોય છે. કપ્પા-કેરેજીનનમાં પ્રતિ ડાઇસૅકેરાઇડ એક સલ્ફેટ સમૂહ હોય છે. આયોટા-કેરેજીનન (ι-carrageenen)માં પ્રતિ ડાઇસૅકેરાઇડ બે સલ્ફેટ હોય છે. લૅમ્બડા કેરેજીનન (λ-carrageenen)માં પ્રતિ ડાઇસૅકેરાઇડ ત્રણ સલ્ફેટ હોય છે.
કપ્પા કેરેજીનન (κ-carrageenan) D-galactose અને 3,6-anhydro-D-galactoseના સલ્ફેટયુક્ત પોલિસૅકેરાઇડની રેખીય સંરચના ધરાવે છે.
κ-કેરેજીનનનો ખાદ્ય ઉદ્યોગમાં વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે, ઉદાહરણ તરીકે જેલ બનાવનાર પદાર્થ તરીકે અને બનावटમાં ફેરફાર કરવા માટે. ઉત્પાદનની શ્યાનતા વધારવા માટે તેને આઇસક્રીમ, ક્રીમ, કૉટેજ ચીઝ, મિલ્કશેક, સલાડ ડ્રેસિંગ, ખાંડયુક્ત ઘટ્ટ કરેલા દૂધ, સોયા દૂધ અને અન્ય વનસ્પતિજન્ય દૂધ તથા સૉસમાં ઉમેરણ તરીકે વાપરવામાં આવે છે.
આ ઉપરાંત, κ-કેરેજીનન બિનખાદ્ય ઉત્પાદનોમાં પણ જોવા મળે છે, જેમ કે શેમ્પૂ અને સૌંદર્યપ્રસાધન ક્રીમમાં ઘટ્ટકારક તરીકે, ટૂથપેસ્ટમાં ઘટકોને છૂટા પડતા અટકાવવા માટે સ્થિરતાકારક તરીકે, અગ્નિશામક ફીણમાં ફીણને ચીકણું બનાવવા માટે ઘટ્ટકારક તરીકે, હવા સુગંધિત કરતી જેલમાં, શૂ પૉલિશમાં શ્યાનતા વધારવા માટે, જૈવપ્રૌદ્યોગિકીમાં કોષો/ઉત્સેચકોને સ્થિર કરવા માટે, ઔષધિઓમાં ગોળીઓ/ટૅબ્લેટમાં નિષ્ક્રિય સહાયક પદાર્થ તરીકે, પાલતુ પ્રાણીઓના ખોરાકમાં વગેરે.
κ-કેરેજીનનની વિવિધ સાંદ્રતાઓ પર Ag/κ-carrageenan માટેની SEM છબીઓ. [અનુક્રમે 0.1%, 0.2%, અને 0.3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]