מסלול סונוכימי ירוק לננו-חלקיקי כסף
ננו-חלקיקי כסף (AgNPs) משמשים לעתים קרובות ננו-חומרים בשל תכונותיהם האנטי-מיקרוביאליות, תכונותיהם האופטיות והמוליכות החשמלית הגבוהה שלהם. המסלול הסונוכימי באמצעות קאפה קרגינן הוא שיטת סינתזה פשוטה, נוחה וידידותית לסביבה להכנת ננו חלקיקי כסף. κ-Carrageenan משמש כמייצב טבעי ידידותי לסביבה, בעוד אולטרסאונד כוח פועל כחומר מקטין ירוק.
כימיה ירוקה מחייבת בקרה מדויקת על הפרמטרים. מהנדסי הננו-חומרים שלנו יסייעו לכם לבחור את הסונוטרוד המתאים, את צורת הכור ואת הגדרות ההספק הנכונות, כדי למקסם את התפוקה, לשלוט במורפולוגיה של החלקיקים ולהבטיח עמידה מלאה בעקרונות הכימיה הירוקה.
Ag+/κ-קראג'ין (משמאל) ו-Ag/κ-קראג'ין שעבר טיפול באולטרסאונד (מימין). הטיפול באולטרסאונד בוצע באמצעות מכשיר UP400S למשך 90 דקות.
[Elsupikhe et al. 2015]
סינתזה על-קולית ירוקה של ננו-חלקיקי כסף
Elsupikhe et al. (2015) פיתחו מסלול סינתזה ירוק בסיוע אולטרה-סאונד להכנת ננו-חלקיקי כסף (AgNPs). סונוכימיה ידועה כמקדמת תגובות כימיות רטובות רבות. סוניקציה מאפשרת לסנתז AgNPs עם κ-carrageenan כמייצב טבעי. התגובה פועלת בטמפרטורת החדר ומייצרת ננו-חלקיקי כסף בעלי מבנה גבישי fcc ללא זיהומים. התפלגות גודל החלקיקים של AgNPs יכולה להיות מושפעת מריכוז κ-carrageenan.
סכמת אינטראקציה בין קבוצות טעונות Ag-NPs המכוסים κ-carrageenan תחת סוניקציה. [Elsupikhe et al. 2015]
תהליך: סינתזה בת-קיימא של חלקיקי כסף ננומטריים
- Ag-NPs סונתזו על ידי הפחתת AgNO3 באמצעות ultrasonication בנוכחות κ-carrageenan. כדי לקבל דגימות שונות, הוכנו חמישה מתלים, על ידי הוספת 10 מ"ל של 0.1 M AgNO3 ל 40-מ"ל κ-carrageenan. תמיסות κ-קרגינן ששימשו היו 0.1, 0.15, 0.20, 0.25 ו-0.3 wt%, בהתאמה.
- הפתרונות עוררו במשך שעה אחת כדי להשיג AgNO3/κ-carrageenan.
- לאחר מכן, הדגימות נחשפו לקרינה קולית אינטנסיבית: המשרעת של המכשיר העל-קולי UP400S (400W, 24kHz) הוגדר ל-50%. הסוניקציה יושמה במשך 90 דקות בטמפרטורת החדר. הסונוטרוד של מעבדי הנוזל האולטרסוניים UP400S היה שקוע ישירות בתמיסת התגובה.
- לאחר הסוניקציה, המתלים עברו צנטריפוגה למשך 15 דקות ונשטפו במים מזוקקים פעמיים ארבע פעמים כדי להסיר את שאריות היונים הכסופות. הננו-חלקיקים המושקעים יובשו בטמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס תחת ואקום במהלך הלילה כדי להשיג את ה-Ag-NPs.
משוואה
- אין מים —סוניקציה–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–הידרוליזה–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + ח+
- אג+ + ח –הפחתות–> Ag°
- אג+ + ח2O —> Ag° + OH + H+
ניתוח ותוצאות: חלקיקי כסף ננומטריים שנוצרו באמצעות אולטרסאונד
כדי להעריך את התוצאות, הדגימות נותחו על ידי ניתוח ספקטרוסקופי UV-נראה, עקיפה של קרני רנטגן, ניתוח כימי FT-IR, תמונות TEM ו- SEM.
מספר חלקיקי הכסף (Ag-NPs) עלה עם העלייה בריכוזי ה-κ-קראג'ין. היווצרות ה-Ag/κ-קרגינן נקבעה באמצעות ספקטרוסקופיית UV-visible, שבה נצפה שיא ספיגת הפלזמון השטחי בטווח של 402 עד 420 ננומטר. ניתוח דיפרקציית קרני רנטגן (XRD) הראה כי חלקיקי ה-Ag-NPs הם בעלי מבנה קובייתי עם מרכז פנים. ספקטרום האינפרא-אדום של פורייה (FT-IR) הצביע על נוכחות חלקיקי Ag-NPs ב-κ-קרגינן. תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) עבור הריכוז הגבוה ביותר של κ-קרגינן הראתה את התפלגות חלקיקי ה-Ag-NPs בגודל חלקיק ממוצע הקרוב ל-4.21 ננומטר. תמונות במיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM) הדגימו את הצורה הכדורית של חלקיקי הכסף. ניתוח ה-SEM מראה כי עם עליית ריכוז ה-κ-קראג'ין, חלו שינויים במשטח ה-Ag/κ-קראג'ין, כך שהתקבלו חלקיקי כסף קטנים בעלי צורה כדורית.
תמונות TEM והתפלגויות גודל תואמות עבור Ag/κ-carrageenan מסונתז סונוכימית בריכוזים שונים של κ-carrageenan. [0.1%, 0.2% ו-0.3%, בהתאמה (a, b, c)].
UP400S – המכשיר העל-קולי המשמש לסינתזה סונוכימית של ננו-חלקיקי Ag
ספרות/מקורות
- 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.
שאלות נפוצות: סינתזה סונוכימית ירוקה של חלקיקי כסף ננומטריים
כיצד משפר האולטרסאונד את הסינתזה הירוקה של חלקיקי כסף ננומטריים?
אולטרסאונד גורם לקוויטציה אקוסטית, ויוצר מוקדים מקומיים שבהם יוני הכסף מתפרקים במהירות באמצעות חומרים ידידותיים לסביבה. תהליך סונו-כימי זה מאיץ את קינטיקת התגובה, מעודד גרעינות אחידה ומאפשר שליטה מדויקת בגודל ובצורת החלקיקים – והכל ללא שימוש בכימיקלים חזקים או באנרגיה תרמית גבוהה.
מהם היתרונות העיקריים של שיטה סונוכימית ירוקה לייצור חלקיקי כסף (AgNPs)?
הסינתזה הסונוכימית הירוקה משלבת אולטרסאונד עם חומרים מחזרים ומכסים בעלי תאימות ביולוגית (כגון תמציות צמחיות, סוכרים או פולימרים) ליצירת חלקיקי כסף ננומטריים שאינם רעילים ואינם מזיקים לסביבה. השיטה מפחיתה את צריכת האנרגיה, מקצרת את משך הסינתזה, מבטלת תוצרי לוואי מסוכנים ומניבה חלקיקים ננומטריים יציבים ביותר בעלי התפלגות גודל אחידה.
האם ניתן לשלוט בגודל ובמבנה של חלקיקי כסף ננומטריים באמצעות אולטרסאונד?
כן. באמצעות התאמת משרעת הקול האולטראסוני, התדר, צפיפות ההספק ומשך הטיפול האולטראסוני, היצרנים יכולים לכוונן במדויק את קצב היווצרות הגרעינים וקצב צמיחתם. הדבר מאפשר ייצור חוזר של חלקיקי כסף ננומטריים (AgNPs) בגדלים שבין 5 ל-100 ננומטר ובצורות שונות (כדורים, קוביות, לוחות משולשים), המותאמים ליישומים ביו-רפואיים, אלקטרוניים או תעשייתיים ספציפיים.
האם ניתן להגדיל את היקף הסינתזה הירוקה באמצעות אולטרה-סאונד לייצור תעשייתי של חלקיקי כסף (AgNP)?
בהחלט. מעבדים תעשייתיים הפועלים בטכנולוגיית אולטרה-סאונד תומכים כורים בעלי זרימה רציפה המתאימות בצורה חלקה למעבר מאצוות מעבדה לייצור מלא. השימוש באולטרסאונד מובנה בתהליך מבטיח פיזור אחיד של הקוויטציה, ניטור התהליך בזמן אמת ועקביות בין אצווה לאצווה, מה שהופך אותו לאידיאלי לייצור AgNP בהיקפים גדולים ובאופן ידידותי לסביבה.
אילו חומרים מחזרים ירוקים מתאימים ביותר לסינתזה אולטראסונית של חלקיקי כסף ננומטריים?
חומרים יעילים וידידותיים לסביבה כוללים תמציות צמחיות (כגון אלוורה, תה ירוק, קליפות הדרים), פחמימות, חומצות אמינו, חלבונים ופולימרים מתכלים ביולוגית. גלי קול משפרים את יעילותם בהפחתת חמצון ובייצוב, ומאפשרים החלפה מלאה של חומרים כימיים סינתטיים תוך שמירה על תפוקה גבוהה, יציבות קולואידית וביצועים תפקודיים.
כיצד ניתן להשוות את הסינתזה הסונוכימית לשיטות הכימיות המסורתיות לייצור חלקיקי כסף (AgNPs)?
תהליכים כימיים קונבנציונליים מסתמכים לעתים קרובות על חומרים מחזרים רעילים (כגון בורוהידריד נתרן), ערכי pH קיצוניים, ומייצרים פסולת מסוכנת. הסינתזה הסונו-כימית הירוקה משתמשת בחומרים בטוחים ומתחדשים, פועלת בטמפרטורת הסביבה או בטמפרטורות מתונות, מקצרת באופן משמעותי את זמן העיבוד, ומייצרת ננו-חלקיקים נקיים יותר ובעלי תאימות ביולוגית גבוהה יותר, עם פיזור וחיי מדף מעולים.
אילו תעשיות נהנות משימוש בננו-חלקיקי כסף ירוקים המיוצרים בטכנולוגיית אולטרה-סאונד?
חלקיקי כסף ננומטריים (AgNPs) המסונתזים באמצעות שיטות סונוכימיות "ירוקות" נמצאים בשימוש נרחב בציפויים אנטי-מיקרוביאליים, במכשירים רפואיים, בטיפול בפצעים, בסינון מים, באלקטרוניקה גמישה ובאריזות בנות-קיימא. ייצורם הידידותי לסביבה מבטיח עמידה בתקני סביבה ובטיחות מחמירים, תוך מתן ביצועים גבוהים וקבלת אישור רגולטורי.
מהן חלקיקי כסף ננומטריים?
ננו-חלקיקי כסף מאופיינים בגודל של בין 1nm ל-100nm. בעוד שלעתים קרובות מתואר כ"כסף’ חלקם מורכבים מאחוז גדול של תחמוצת כסף בשל היחס הגדול שלהם של אטומי כסף משטח לצובר . ננו-חלקיקי כסף יכולים להופיע עם מבנים שונים. לרוב, ננו-חלקיקי כסף כדוריים מסונתזים, אך נעשה שימוש גם ביריעות יהלום, מתומן ודק.
ננו-חלקיקי כסף נפוצים מאוד ביישומים רפואיים. יוני הכסף הם ביו-אקטיביים ויש להם השפעות אנטי-מיקרוביאליות וחיידקיות חזקות. שטח הפנים הגדול מאוד שלהם מאפשר תיאום של ליגנדות רבות. מאפיינים חשובים נוספים הם מוליכות ותכונות אופטיות ייחודיות.
בשל תכונותיהם המוליכות, ננו-חלקיקי כסף משולבים לעתים קרובות בחומרים מרוכבים, פלסטיק, אפוקסי ודבקים. חלקיקי הכסף מגבירים את המוליכות החשמלית; לכן משחות כסף ודיו משמשים לעתים קרובות בייצור אלקטרוניקה. מכיוון שננו-חלקיקי כסף תומכים בפלזמונים על פני השטח, ל-AgNPs יש תכונות אופטיות יוצאות מן הכלל. ננו-חלקיקי כסף פלסמוני משמשים לחיישנים, גלאים וציוד אנליטי כגון ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת על פני השטח (SERS) וספקטרוסקופיית פלואורסצנטיות משופרת שדה פני השטח (SPFS).
מהו קראגינן?
קרגינן הוא פולימר טבעי זול, המצוי במינים שונים של אצות אדומות. קרגיננים הם פוליסכרידים גופריתיים ליניאריים הנמצאים בשימוש נרחב בתעשיית המזון, בשל תכונות הג'ל, העיבוי והייצוב שלהם. היישום העיקרי שלהם הוא מוצרי חלב ובשר, בשל מחייב חזק שלהם חלבונים מזון. ישנם שלושה סוגים עיקריים של carrageenan, אשר נבדלים במידת הגופרית שלהם. לקאפה-קרגינן יש קבוצת סולפט אחת לכל דו-סוכר. Iota-carrageenan (ι-carrageenen) יש שני סולפטים לכל disaccharide. Lambda carrageenan (λ-carrageenen) יש שלושה סולפטים לכל disaccharide.
Kappa carrageenan (κ-carrageenan) יש מבנה ליניארי של פוליסכריד סולפט של D-גלקטוז ו 3,6-anhydro-D-גלקטוז.
κ- קרגינן נמצא בשימוש נרחב בתעשיית המזון, למשל כסוכן ג'לינג ולשינוי מרקם. ניתן למצוא אותו כתוסף בגלידה, שמנת, גבינת קוטג ', מילקשייק, רטבים לסלט, חלב מרוכז ממותק, חלב סויה & חלב צמחי אחר, ורטבים כדי להגדיל את צמיגות המוצר.
יתר על כן, ניתן למצוא κ-קרגינן במוצרים שאינם מזון כגון מסמיך בשמפו וקרמים קוסמטיים, במשחת שיניים (כמייצב למניעת הפרדת מרכיבים), קצף כיבוי אש (כמסמיך הגורם לקצף להיות דביק), ג'ל מטהר אוויר, משחת נעליים (להגברת צמיגות), בביוטכנולוגיה לשיתוק תאים/אנזימים, בתרופות (כמעורר לא פעיל בכדורים/טבליות), במזון לחיות מחמד וכו'.
תמונות SEM עבור Ag/κ-carrageenan בריכוזים שונים של κ-carrageenan. [0.1%, 0.2% ו-0.3%, בהתאמה (A, B, C)]. [Elsupikhe et al. 2015]