Zeleni sonokemijski put do nanočestica srebra
Nanočestice srebra (AgNP) često su korišteni nanomaterijali zbog svojih antimikrobnih svojstava, optičkih svojstava i visoke električne vodljivosti. Sonokemijski put pomoću kapa karagenana jednostavna je, praktična i ekološki prihvatljiva metoda sinteze za pripremu nano čestica srebra. κ-karagenan se koristi kao prirodni ekološki stabilizator, dok ultrazvuk djeluje kao zeleni redukcijski agens.
Zelena kemija zahtijeva preciznu kontrolu parametara. Naši inženjeri za nanomaterijale pomoći će vam u odabiru odgovarajuće sonotrode, geometrije reaktora i postavki snage kako bi se maksimizirao prinos, kontrolirala morfologija čestica i osigurala potpuna usklađenost s načelima zelene kemije.
Ag+/κ-karagenan (lijevo) i sonicirani Ag/κ-karagenan (desno). Sonikacija je izvršena s UP400S uređajem 90 minuta.
[Elsupikhe i sur., 2015]
Zelena ultrazvučna sinteza nanočestica srebra
Elsupikhe i sur. (2015) razvili su zeleni ultrazvučni potpomognuti sintezni put za pripremu nanočestica srebra (AgNP). Dobro je poznato da sonokemija potiče mnoge mokre kemijske reakcije. Sonikacija omogućuje sintetiziranje AgNP s κ-karagenanom kao prirodnim stabilizatorom. Reakcija teče na sobnoj temperaturi i proizvodi nanočestice srebra s fcc kristalnom strukturom bez ikakvih nečistoća. Na raspodjelu veličine čestica AgNP može utjecati koncentracija κ-karagenana.
Shema interakcije između Ag-NPs nabijenih skupina koje su zatvorene s κ-karagenanom pod sonikacijom. [Elsupikhe et al. 2015.]
Postupak: Održiva sinteza srebrnih nanočestica
- Ag-NP su sintetizirani redukcijom AgNO3 pomoću ultrazvučne obrade u prisutnosti κ-karagenana. Za dobivanje različitih uzoraka pripremljeno je pet suspenzija, dodavanjem 10 mL 0,1 M AgNO3 na 40 ml κ-karagenana. Upotrijebljene otopine κ-karagenana bile su 0,1, 0,15, 0,20, 0,25, odnosno 0,3 tež.%.
- Otopine su miješane 1 sat da se dobije AgNO3/κ-karagenan.
- Zatim su uzorci bili izloženi intenzivnom ultrazvučnom zračenju: Amplituda ultrazvučnog uređaja UP400S (400 W, 24 kHz) postavljeno je na 50%. Sonikacija je primijenjena 90 minuta na sobnoj temperaturi. Sonotroda ultrazvučnih tekućinskih procesora UP400S je uronjen izravno u reakcijsku otopinu.
- Nakon sonikacije, suspenzije su centrifugirane 15 minuta i isprane dvostruko destiliranom vodom četiri puta kako bi se uklonio ostatak iona srebra. Istaložene nanočestice sušene su na 40°C pod vakuumom preko noći kako bi se dobile Ag-NP.
Jednadžba
- nH₂O —sonikacija–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidroliza–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –smanjenja–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analiza i rezultati: Ultrazvučno sintetizirane srebrne nanočestice
Za procjenu rezultata uzorci su analizirani UV-vidljivom spektroskopskom analizom, rendgenskom difrakcijom, FT-IR kemijskom analizom, TEM i SEM slikama.
The number of Ag-NPs increased with increasing κ-carrageenan concentrations. The formation of Ag/κ-carrageenan was determined by UV-visible spectroscopy where the surface plasmon absorption maximum was observed at 402 to 420nm. The X-ray diffraction (XRD) analysis showed that the Ag-NPs are of a face-centered cubic structure. The Fourier transform infrared (FT-IR) spectrum indicated the presence of Ag-NPs in κ-carrageenan. Transmission electron microscopy (TEM) image for the highest concentration of κ-carrageenan showed the distribution of Ag-NPs with an average particle size near to 4.21nm. Scan electron microscopy (SEM) images illustrated the spherical shape of the Ag-NPs. The SEM analysis shows that with increasing κ-carrageenan concentration, changes in the surface of Ag/κ-carrageenan occurred, so that small-sized Ag-NPs with spherical shape were obtained.
TEM slike i odgovarajuće distribucije veličina za sonokemijski sintetiziran Ag/κ-karagenan pri različitim koncentracijama κ-karagenana. [0,1%, 0,2%, odnosno 0,3% (a, b, c)].
UP400S – ultrazvučni uređaj koji se koristi za sonokemijsku sintezu nanočestica Ag
Literatura/Reference
- 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.
Često postavljana pitanja: Zelena sonokemijska sinteza srebrnih nanočestica
Kako ultrazvuk poboljšava zelenu sintezu srebrnih nanočestica?
Ultrazvuk pokreće akustičnu kavitaciju, stvarajući lokalizirana žarišta koja brzo reduciraju ione srebra uz korištenje ekoloških sredstava. Ovaj sonokemijski proces ubrzava kinetiku reakcije, promiče ujednačenu nukleaciju i omogućuje preciznu kontrolu veličine i oblika čestica – sve bez upotrebe oštrih kemikalija ili visoke toplinske energije.
Koje su glavne prednosti zelene sonokemijske metode za AgNP-ove?
Zelena sonokemijska sinteza kombinira ultrazvuk s biokompatibilnim sredstvima za redukciju i prevlake (kao što su biljni ekstrakti, šećeri ili polimeri) kako bi proizvela netoksične, ekološki prihvatljive čestice srebra. Ova metoda smanjuje potrošnju energije, skraćuje vrijeme sinteze, uklanja opasne nusproizvode i daje vrlo stabilne čestice s ujednačenom distribucijom veličine.
Može li ultrazvuk kontrolirati veličinu i morfologiju čestica srebra?
Da. Prilagođavanjem ultrazvučne amplitude, frekvencije, gustoće snage i vremena sonikacije, proizvođači mogu precizno podešavati brzinu nukleacije i rasta. Ovo omogućuje reproducibilnu proizvodnju AgNP-a veličine od 5–100 nm u raznim oblicima (sfere, kocke, trokutaste ploče), prilagođenu specifičnim biomedicinskim, elektroničkim ili industrijskim primjenama.
Je li ultrazvučna zelena sinteza skalabilna za industrijsku proizvodnju AgNP-a?
Apsolutno. Industrijski ultrazvučni procesori podržavaju reaktore s kontinuiranim protokom that seamlessly scale from lab batches to full manufacturing. Inline sonication ensures uniform cavitation distribution, real-time process monitoring, and batch-to-batch consistency, making it ideal for high-volume, eco-friendly AgNP manufacturing.
Koji zeleni redukcijski agensi najbolje djeluju u sintezi ultrazvučnih srebrnih nanočestica?
Učinkoviti ekološki prihvatljivi agensi uključuju biljne ekstrakte (npr. aloe, zeleni čaj, koru citrusa), ugljikohidrate, aminokiseline, proteine i biorazgradive polimere. Ultrazvuk povećava njihovu učinkovitost u redukciji i stabilizaciji, omogućujući potpuno zamjenjivanje sintetičkih kemikalija uz održavanje visokog prinosa, koloidne stabilnosti i funkcionalnih svojstava.
Kako se sonokemijska sinteza uspoređuje s tradicionalnim kemijskim metodama za AgNP-ove?
Konvencionalne kemijske metode često se oslanjaju na otrovne reduktore (npr. natrijev borohidrid), ekstremne pH uvjete i proizvode opasan otpad. Zelena sonokemijska sinteza koristi sigurne, obnovljive materijale, djeluje na sobnoj ili blagoj temperaturi, značajno skraćuje vrijeme obrade i proizvodi čišće, biokompatibilnije nanoparticles s boljom disperzijom i vijekom trajanja.
Koje industrije imaju koristi od zelenih ultrazvučnih srebrnih nanoparticles?
AgNPs sintetizirani putem zelenih sonokemijskih metoda široko se koriste u antimikrobnim premazima, medicinskim uređajima, njezi rana, filtraciji vode, fleksibilnoj elektronici i održivoj ambalaži. Njihova ekološki prihvatljiva proizvodnja osigurava usklađenost sa strogim standardima zaštite okoliša i sigurnosti, istovremeno pružajući visoke performanse i regulatorno prihvaćanje.
Što su srebrni nanoparticles?
Nanočestice srebra karakterizira veličina između 1 nm i 100 nm. Iako se često opisuje kao "srebro".’ neki se sastoje od velikog postotka srebrnog oksida zbog velikog omjera površinskih i skupnih atoma srebra. Nanočestice srebra mogu se pojaviti s različitim strukturama. Najčešće se sintetiziraju sferne nanočestice srebra, no koriste se i dijamantni, osmerokutni i tanki listovi.
Nanočestice srebra vrlo su česte u medicinskim primjenama. Ioni srebra su bioaktivni i imaju snažno antimikrobno i germicidno djelovanje. Njihova iznimno velika površina omogućuje koordinaciju brojnih liganada. Druge važne karakteristike su vodljivost i jedinstvena optička svojstva.
Zbog svojih vodljivih svojstava, nanočestice srebra često se ugrađuju u kompozite, plastiku, epokside i ljepila. Čestice srebra povećavaju električnu vodljivost; stoga se srebrne paste i tinte često koriste u proizvodnji elektronike. Budući da nanočestice srebra podržavaju površinske plazmone, AgNP imaju izvanredna optička svojstva. Plazmonične nanočestice srebra koriste se za senzore, detektore i analitičku opremu kao što je Ramanova spektroskopija s površinskim pojačanjem (SERS) i fluorescentna spektroskopija s pojačanim poljem površinskog plazmona (SPFS).
Što je karagenan?
Karagenan je jeftin prirodni polimer koji se nalazi u raznim vrstama crvenih morskih algi. Karagenani su linearni sulfatni polisaharidi koji se naširoko koriste u prehrambenoj industriji zbog svojih svojstava želiranja, zgušnjavanja i stabilizacije. Glavna im je primjena u mliječnim i mesnim proizvodima, zbog snažnog vezanja na proteine hrane. Postoje tri glavne vrste karagenana, koje se razlikuju po stupnju sulfatizacije. Kapa-karagenan ima jednu sulfatnu grupu po disaharidu. Jota-karagenan (ι-carrageenen) ima dva sulfata po disaharidu. Lambda karagenan (λ-karagenen) ima tri sulfata po disaharidu.
Kapa karagenan (κ-karagenan) ima linearnu strukturu sulfatiranog polisaharida D-galaktoze i 3,6-anhidro-D-galaktoze.
κ- karagenan se široko koristi u prehrambenoj industriji, npr. kao sredstvo za želiranje i za modificiranje teksture. Može se naći kao dodatak sladoledu, vrhnju, svježem siru, milkshakeovima, preljevima za salate, zaslađenom kondenziranom mlijeku, sojinom mlijeku & ostala biljna mlijeka i umaci za povećanje viskoznosti proizvoda.
Nadalje, κ-karagenan se može naći u neprehrambenim proizvodima poput zgušnjivača u šamponima i kozmetičkim kremama, u pasti za zube (kao stabilizator za sprječavanje odvajanja sastojaka), pjeni za gašenje požara (kao zgušnjivač koji uzrokuje ljepljivost pjene), gelovima za osvježenje zraka , lak za cipele (za povećanje viskoznosti), u biotehnologiji za imobilizaciju stanica/enzima, u farmaceutici (kao neaktivni ekscipijent u pilulama/tabletama), u hrani za kućne ljubimce itd.
SEM slike za Ag/κ-karagenan pri različitim koncentracijama κ-karagenana. [0,1 %, 0,2 %, odnosno 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015.]