शहद और अल्ट्रासोनिक्स से नैनो-सिल्वर का संश्लेषण
नैनो-सिल्वर के जीवाणुरोधी गुणों के कारण इसका उपयोग चिकित्सा और पदार्थ विज्ञान में सामग्रियों को सुदृढ़ करने के लिए किया जाता है। अल्ट्रासोनिकेशन से पानी में गोलाकार सिल्वर नैनोकणों का तीव्र, प्रभावी, सुरक्षित और पर्यावरण-अनुकूल संश्लेषण संभव होता है। नैनोकणों के अल्ट्रासोनिक संश्लेषण को छोटे पैमाने के उत्पादन से बड़े पैमाने के उत्पादन तक आसानी से बढ़ाया जा सकता है।
कोलॉइडी नैनो-सिल्वर का अल्ट्रासोनिक-सहायता प्राप्त संश्लेषण
सोनोकेमिकल संश्लेषण, जिसका अर्थ अल्ट्रासोनिक विकिरण की सहायता से होने वाली रासायनिक अभिक्रियाओं से है, नैनोकणों के उत्पादन के लिए व्यापक रूप से प्रयुक्त विधि है। इनमें सिल्वर, स्वर्ण, मैग्नेटाइट, हाइड्रॉक्सीएपेटाइट, पेरोव्स्काइट, लेटेक्स और कई अन्य नैनोपदार्थ शामिल हैं।
अल्ट्रासोनिक आर्द्र-रासायनिक संश्लेषण
सिल्वर नैनोकणों के उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक-सहायता प्राप्त संश्लेषण के कई मार्ग विकसित किए गए हैं। एक उल्लेखनीय विधि में शहद का उपयोग अपचायक और कैपिंग एजेंट, दोनों के रूप में किया जाता है। शहद में मौजूद ग्लूकोज़ और फ्रक्टोज़ जैसे घटक संश्लेषण प्रक्रिया के दौरान इन भूमिकाओं में सहक्रियात्मक रूप से कार्य करते हैं।
नैनोकण संश्लेषण की कई अन्य तकनीकों की तरह, अल्ट्रासोनिक नैनो-सिल्वर संश्लेषण भी आर्द्र रसायन की श्रेणी में आता है। यह प्रक्रिया विलयन में सिल्वर नैनोकणों के नाभिकन से शुरू होती है। सोनिकेशन के दौरान, कोलॉइडी सिल्वर बनाने के लिए सिल्वर के किसी पूर्वगामी पदार्थ (जैसे, सिल्वर नाइट्रेट (AgNO3), या सिल्वर परक्लोरेट (AgClO4)) को शहद जैसे अपचायक की उपस्थिति में अपचयित किया जाता है।
अल्ट्रासोनिक सिल्वर नाभिकन और वृद्धि की क्रियाविधि
प्रारंभिक नाभिकन चरण: जैसे-जैसे घुले हुए सिल्वर आयनों की सांद्रता बढ़ती है, धात्विक सिल्वर आयन आपस में जुड़कर छोटे समूह बनाने लगते हैं। इस अवस्था में, ऋणात्मक ऊर्जा संतुलन के कारण ये समूह ऊर्जात्मक रूप से अस्थिर होते हैं। नई सतहें बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा, घुले हुए सिल्वर की सांद्रता घटने से प्राप्त ऊर्जा से अधिक होती है।
- क्रांतिक त्रिज्या: जब कोई समूह एक विशिष्ट आकार (क्रांतिक त्रिज्या) तक पहुँचता है, तो प्रक्रिया ऊर्जात्मक रूप से अनुकूल हो जाती है, जिससे समूह स्थिर हो जाता है। यह स्थिरता समूह को आगे की वृद्धि के लिए नाभिक के रूप में कार्य करने देती है।
- वृद्धि चरण: वृद्धि के दौरान, अतिरिक्त सिल्वर परमाणु विलयन में विसरित होते हैं और बढ़ते हुए नैनोकण की सतह से जुड़ जाते हैं। वृद्धि तब तक जारी रहती है जब तक घुले हुए सिल्वर की सांद्रता नाभिकन की सीमा से नीचे नहीं गिर जाती, जिससे नए नाभिकों का निर्माण रुक जाता है।
- विसरण और समापन: शेष घुला हुआ सिल्वर मौजूदा नैनोकणों में समाहित हो जाता है, जिससे प्रक्रिया पूरी हो जाती है।
सोनिकेशन द्रव्यमान स्थानांतरण, विशेष रूप से गीला होने और विसरण की प्रक्रियाओं को तेज करता है, जिससे अधिक तीव्र नाभिकन और नियंत्रित वृद्धि होती है। तीव्रता और अवधि जैसे सोनिकेशन मापदंडों को सटीक रूप से समायोजित करके नैनोकणों के आकार, वृद्धि दर और आकृति का सूक्ष्म समायोजन किया जा सकता है। यह सटीक नियंत्रण विशिष्ट अनुप्रयोगों के अनुरूप एकसमान नैनोकण संरचनाएँ सुनिश्चित करता है।
अल्ट्रासोनिक-सहायता प्राप्त संश्लेषण, सुपरिभाषित गुणों वाले नैनो-सिल्वर के उत्पादन के लिए एक प्रभावी, विस्तार योग्य और हरित रसायन पद्धति के रूप में विशिष्ट स्थान रखता है, जो अनुसंधान और उद्योग में विविध अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है।
सोनिकेशन संकीर्ण आकार वितरण वाले छोटे सिल्वर नैनोकणों के तीव्र, हरित संश्लेषण को सुगम बनाता है।
- एक ही पात्र में होने वाली सरल अभिक्रिया
- सुरक्षित
- तीव्र प्रक्रिया
- कम लागत
- पैमाने में रैखिक विस्तार की क्षमता
- पर्यावरण-अनुकूल, हरित रसायन
UP400St – नैनोकणों के सोनोकेमिकल संश्लेषण के लिए 400 वाट का शक्तिशाली अल्ट्रासोनिकेटर
अल्ट्रासोनिक नैनो-सिल्वर संश्लेषण का प्रकरण अध्ययन
Oskuee et al. (2016) का अध्ययन, जिसका शीर्षक है “शहद-आधारित और अल्ट्रासोनिक-सहायित सिल्वर नैनोकणों का संश्लेषण और उनकी जीवाणुरोधी गतिविधियाँ”, प्राकृतिक शहद को अपचायक और स्थिरीकारक, दोनों के रूप में उपयोग करके सिल्वर नैनोकणों (Ag-NPs) के संश्लेषण की एक सरल और पर्यावरण-अनुकूल विधि की पड़ताल करता है। इस प्रक्रिया में अल्ट्रासोनिक विकिरण के अंतर्गत सिल्वर नाइट्रेट (AgNO₃) का अपचयन होता है और इसे सिल्वर आयन की सांद्रता, शहद की सांद्रता और सोनिकेशन समय सहित विभिन्न मापदंडों से अभिलक्षित किया जाता है। प्राप्त Ag-NPs का औसत आकार लगभग 11.8 nm होता है और वे Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa और E. coli जैसे रोगजनक जीवाणुओं के विरुद्ध जीवाणुरोधी गुण प्रदर्शित करते हैं।
यह अध्ययन नैनोकणों के संश्लेषण में शहद के उपयोग के लाभों को उजागर करता है और इसकी पर्यावरण-अनुकूल, कम लागत वाली तथा गैर-विषैली प्रकृति पर ज़ोर देता है। लेखक दर्शाते हैं कि सिल्वर की सांद्रता, शहद की मात्रा और सोनिकेशन की अवधि जैसे अभिक्रिया मापदंडों को समायोजित करके Ag-NPs के आकार और प्राप्ति को नियंत्रित किया जा सकता है। संश्लेषित Ag-NPs में, विशेष रूप से E. coli और S. aureus के विरुद्ध, प्रभावी जीवाणुरोधी गतिविधि पाई गई, जिसकी न्यूनतम निरोधात्मक सांद्रताएँ (MIC) लगभग 19.46 ppm थीं। यह विधि घाव भरने और संक्रमण नियंत्रण सहित चिकित्सा क्षेत्रों में Ag-NPs के संभावित अनुप्रयोग को प्रस्तुत करती है।
- सामग्री: सिल्वर नाइट्रेट (AgNO3) सिल्वर के पूर्वगामी के रूप में; शहद कैपिंग / अपचायक एजेंट के रूप में; पानी
- अल्ट्रासोनिक उपकरण: प्रोब-प्रकार सोनिकेटर UP400St
अल्ट्रासोनिक संश्लेषण प्रोटोकॉल
कोलॉइडल सिल्वर नैनोकणों के संश्लेषण के लिए सर्वोत्तम परिस्थितियाँ निम्नलिखित पाई गईं: प्राकृतिक शहद की मध्यस्थता में अल्ट्रासोनिकेशन के अंतर्गत सिल्वर नाइट्रेट का अपचयन। संक्षेप में, शहद (20 wt%) युक्त सिल्वर नाइट्रेट विलयन (0.3 M) के 20 ml को परिवेशी परिस्थितियों में 30 min तक उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड विकिरण के संपर्क में रखा गया। अल्ट्रासोनिकेशन प्रोब-प्रकार अल्ट्रासोनिकेटर UP400S (400W, 24 kHz) से किया गया, जिसे सीधे अभिक्रिया विलयन में डुबोया गया था।
खाद्य-ग्रेड शहद का उपयोग कैपिंग / स्थिरीकारक और अपचायक एजेंट के रूप में किया जाता है, जिससे जलीय नाभिकन विलयन और अवक्षेपित नैनोकण विविध अनुप्रयोगों के लिए स्वच्छ और सुरक्षित बनते हैं।
अल्ट्रासोनिकेशन का समय बढ़ने के साथ सिल्वर नैनोकण छोटे होते जाते हैं और उनकी सांद्रता बढ़ती है।
शहद के जलीय विलयन में अल्ट्रासोनिकेशन एक प्रमुख कारक है, जो सिल्वर नैनोकणों के निर्माण को प्रभावित करता है। आयाम, समय और सतत बनाम स्पंदित अल्ट्रासाउंड जैसे सोनिकेशन मापदंड प्रमुख कारक हैं, जो सिल्वर नैनोकणों के आकार और मात्रा को नियंत्रित करने में सक्षम बनाते हैं।
इष्टतम परिस्थितियों में संश्लेषित Ag-NPs का कण आकार वितरण; सिल्वर की सांद्रताएँ (0.3 M), शहद की सांद्रताएँ (20 wt%) और अल्ट्रासोनिक विकिरण के समय (30 min)
चित्र स्रोत: ©Oskuee et al. 2016
सिल्वर नैनोकणों के अल्ट्रासोनिक संश्लेषण का परिणाम
सोनिकेटर UP400St से अल्ट्रासोनिक रूप से संवर्धित, शहद-मध्यस्थित संश्लेषण के परिणामस्वरूप लगभग 11.8nm औसत कण आकार वाले गोलाकार सिल्वर नैनोकण (Ag-NPs) प्राप्त हुए। सिल्वर नैनोकणों का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण एक सरल और तीव्र एक-पात्रीय विधि है। सामग्री के रूप में पानी और शहद का उपयोग अभिक्रिया को किफायती और असाधारण रूप से पर्यावरण-अनुकूल बनाता है।
शहद को अपचायक और कैपिंग एजेंट के रूप में उपयोग करने वाली अल्ट्रासोनिक संश्लेषण की प्रस्तुत तकनीक को सोना, पैलेडियम और ताँबा जैसी अन्य उत्कृष्ट धातुओं तक विस्तारित किया जा सकता है, जिससे चिकित्सा से लेकर उद्योग तक विभिन्न अतिरिक्त अनुप्रयोग संभव होते हैं।
इष्टतम परिस्थितियों में संश्लेषित Ag-NPs का कण आकार वितरण; सिल्वर की सांद्रताएँ (0.3 M), शहद की सांद्रताएँ (20 wt%) और अल्ट्रासोनिक विकिरण का समय (30 min)
अध्ययन और चित्र: ©Oskuee et al. 2016
सोनिकेशन द्वारा नाभिकन और कण आकार को प्रभावित करना
अल्ट्रासाउंड आवश्यकताओं के अनुरूप सिल्वर नैनोकणों जैसे नैनोकणों का उत्पादन संभव बनाता है। सोनिकेशन के तीन सामान्य विकल्पों का प्राप्त उत्पाद पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है:
प्रारंभिक सोनिकेशन: अतिसंतृप्त विलयन पर थोड़े समय के लिए अल्ट्रासाउंड तरंगें लागू करने से बीजन और नाभिकों का निर्माण शुरू हो सकता है। चूँकि सोनिकेशन केवल प्रारंभिक चरण के दौरान किया जाता है, इसलिए बाद में क्रिस्टल की वृद्धि बिना किसी बाधा के होती है, जिससे बड़े क्रिस्टल बनते हैं।
निरंतर सोनिकेशन: अतिसंतृप्त विलयन के निरंतर विकिरण से छोटे क्रिस्टल बनते हैं, क्योंकि बिना रुके किया जाने वाला अल्ट्रासोनिकेशन बड़ी संख्या में नाभिक बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप अनेक छोटे क्रिस्टल विकसित होते हैं।
स्पंदित सोनिकेशन: स्पंदित अल्ट्रासाउंड का अर्थ है निर्धारित अंतरालों पर अल्ट्रासाउंड लागू करना। अल्ट्रासोनिक ऊर्जा का सटीक रूप से नियंत्रित निवेश क्रिस्टल की वृद्धि को प्रभावित करने की सुविधा देता है, जिससे आवश्यकतानुसार क्रिस्टल आकार प्राप्त किया जा सकता है।
नैनोकण संश्लेषण के लिए उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिकेटर
Hielscher Ultrasonics उच्च शक्ति वाले, विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर प्रदान करता है, जिन्हें सोनो-संश्लेषण और सोनो-उत्प्रेरण सहित उन्नत सोनोकेमिकल अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन किया गया है। अल्ट्रासोनिक मिश्रण और परिक्षेपण द्रव्यमान स्थानांतरण को उल्लेखनीय रूप से बढ़ाते हैं, परमाणुओं के समूहों को भिगोने में सहायता करते हैं और उनके बाद के नाभिकीयन को सुगम बनाते हैं, जिससे नैनोकणों का कुशल अवक्षेपण होता है। अल्ट्रासोनिक संश्लेषण को उच्च गुणवत्ता वाले नैनोपदार्थों के उत्पादन की एक सरल, किफायती, जैवसंगत, पुनरुत्पादनीय, तीव्र और सुरक्षित विधि के रूप में मान्यता प्राप्त है। (पेरोव्स्काइट के सोनोकेमिकल संश्लेषण और ZnO नैनोसंरचनाओं के बारे में अधिक पढ़ें!)
Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर सटीक नियंत्रण के लिए अभिकल्पित हैं, जिससे नैनोपदार्थों के नाभिकीयन और वृद्धि के लिए इष्टतम परिस्थितियाँ प्राप्त होती हैं। इन डिजिटल उपकरणों में सुरक्षित और उपयोगकर्ता के अनुकूल संचालन के लिए बुद्धिमान सॉफ़्टवेयर, रंगीन टच डिस्प्ले और सहज मेनू उपलब्ध हैं। इसके अतिरिक्त, इनमें अंतर्निर्मित SD कार्ड पर स्वचालित डेटा रिकॉर्डिंग की सुविधा है, जो प्रक्रिया का निर्बाध दस्तावेज़ीकरण सुनिश्चित करती है।
प्रणालियों की व्यापक शृंखला के साथ – प्रयोगशाला उपयोग के लिए कॉम्पैक्ट 50-वाट के हाथ में पकड़े जाने वाले अल्ट्रासोनिकेटरों से लेकर मज़बूत 16,000-वाट की औद्योगिक प्रणालियों तक – Hielscher हर अनुप्रयोग के लिए आदर्श अल्ट्रासोनिक समाधान प्रदान करता है। टिकाऊपन के लिए डिज़ाइन किए गए Hielscher अल्ट्रासोनिक उपकरण कठिन परिवेश में भी भारी कार्यभार की परिस्थितियों में लगातार काम करने के लिए बनाए गए हैं, जिससे 24/7 विश्वसनीय प्रदर्शन सुनिश्चित होता है।
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 1 से 500mL | 10 से 200mL/min | UP100H |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | इससे अधिक | इन उपकरणों का समूह: UIP16000 |
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नैनोकण संश्लेषण की पारंपरिक विधियों और हरित संश्लेषण विधियों की तुलना।
औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर UIP16000 (16kW) चाँदी के नैनोकणों के बड़े पैमाने पर संश्लेषण के लिए।
साहित्य/संदर्भ
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, 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.
- Eranga Roshan Balasooriya et al. (2017): Honey Mediated Green Synthesis of Nanoparticles: New Era of Safe Nanotechnology. Journal of Nanomaterials Volume 2017.
- D. Madhesh, S. Kalaiselvam (2014): Experimental Analysis of Hybrid Nanofluid as a Coolant. Procedia Engineering, Volume 97, 2014. 1667-1675.
जानने योग्य तथ्य
चाँदी के नैनोकण क्या हैं?
चाँदी के नैनोकण चाँदी के ऐसे कण हैं जिनका आकार 1nm और 100nm के बीच होता है। चाँदी के नैनोकणों का पृष्ठीय क्षेत्रफल अत्यंत बड़ा होता है, जिससे बहुत बड़ी संख्या में लिगैंडों का समन्वय संभव होता है।
चाँदी के नैनोकण अद्वितीय प्रकाशीय, विद्युत और तापीय गुण प्रदान करते हैं, जो उन्हें पदार्थ विज्ञान और उत्पाद विकास, जैसे कि फोटोवोल्टाइक्स, इलेक्ट्रॉनिक्स, चालक स्याहियों और जैविक / रासायनिक सेंसरों के लिए अत्यधिक मूल्यवान बनाते हैं।
एक अन्य अनुप्रयोग, जो पहले ही व्यापक रूप से स्थापित हो चुका है, रोगाणुरोधी लेपों में चाँदी के नैनोकणों का उपयोग है। अब कई वस्त्रों, कीबोर्डों, घाव की ड्रेसिंग और जैवचिकित्सीय उपकरणों में चाँदी के नैनोकण होते हैं, जो जीवाणुओं से सुरक्षा प्रदान करने के लिए लगातार थोड़ी मात्रा में चाँदी के आयन छोड़ते रहते हैं।
वस्त्रों में नैनो-सिल्वर का उपयोग कैसे किया जाता है?
चाँदी के नैनोकणों का उपयोग वस्त्र निर्माण में किया जाता है, जहाँ Ag-NPs का उपयोग ऐसे सूती कपड़े बनाने के लिए होता है जिनमें समायोज्य रंग, जीवाणुरोधी क्षमताएँ और स्वतः मरम्मत करने वाले अतिजलविरागी गुण होते हैं। चाँदी के नैनोकणों का जीवाणुरोधी गुण ऐसे कपड़ों का निर्माण संभव बनाता है, जो जीवाणुओं से उत्पन्न गंध (जैसे, पसीने की दुर्गंध) का विघटन करते हैं।
चिकित्सा और चिकित्सा सामग्री के लिए जीवाणुरोधी कोटिंग क्या है?
चाँदी के नैनोकणों में जीवाणुरोधी, कवकरोधी और प्रतिऑक्सीकारक गुण होते हैं, जिसके कारण वे औषधीय और चिकित्सीय अनुप्रयोगों, जैसे दंत चिकित्सा, शल्य चिकित्सा, घाव भरने के उपचार और जैवचिकित्सीय उपकरणों के लिए रुचिकर हैं। शोध से पता चला है कि चाँदी के नैनोकण (Ag-nPs) विभिन्न जीवाणु उपभेदों, जैसे Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Citrobacter koseri, Salmonella typhii, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Vibrio parahaemolyticus और कवक Candida albicans की वृद्धि और गुणन को रोकते हैं। जीवाणुरोधी / कवकरोधी प्रभाव चाँदी के नैनोकणों के कोशिकाओं में विसरित होने और सूक्ष्मजीवी कोशिकाओं के जैवअणुओं से Ag/Ag+ आयनों के बंधने से उत्पन्न होता है, जिससे इन जैवअणुओं का कार्य बाधित होता है।
MIC परीक्षण क्या है?
MIC (न्यूनतम निरोधात्मक सांद्रता) परीक्षण किसी पदार्थ, जैसे किसी रोगाणुरोधी एजेंट, की वह न्यूनतम सांद्रता निर्धारित करता है जो इन विट्रो किसी सूक्ष्मजीव की दृश्यमान वृद्धि को रोकने के लिए आवश्यक होती है। यह परीक्षण सामान्यतः तरल संवर्धन माध्यम में क्रमिक तनुकरण करके और ऊष्मायन के बाद जीवाणुओं की वृद्धि को मापकर किया जाता है। सोनिकेशन किस प्रकार उच्च नमूना प्रसंस्करण क्षमता वाले MIC परीक्षणों को सुगम बनाता है, इसके बारे में और पढ़ें!