Zeleni sonokemijski put do nanočestica srebra
Nanočestice srebra (AgNPs) često su korišteni nanomaterijali zbog svojih antimikrobnih svojstava, optičkih svojstava i visoke električne vodljivosti. Sonokemijski put uz uporabu kapa-karagenana jednostavna je, praktična i ekološki prihvatljiva metoda sinteze za pripremu nanočestica srebra. κ-karagenan koristi se kao prirodni, ekološki prihvatljiv stabilizator, dok ultrazvuk velike snage djeluje kao zeleno redukcijsko sredstvo.
Zelena kemija zahtijeva preciznu kontrolu parametara. Naši inženjeri za nanomaterijale pomoći će vam odabrati odgovarajuću sonotrodu, geometriju reaktora i postavke snage kako biste maksimalno povećali prinos, kontrolirali morfologiju čestica i osigurali potpunu usklađenost s načelima zelene kemije.
Ag+/κ-karagenan (lijevo) i sonikirani Ag/κ-karagenan (desno). Sonikacija je provedena uređajem UP400S tijekom 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Zelena ultrazvučna sinteza nanočestica srebra
Elsupikhe i sur. (2015) razvili su zeleni put sinteze potpomognute ultrazvukom za pripremu nanočestica srebra (AgNPs). Poznato je da sonokemija potiče mnoge mokre kemijske reakcije. Sonikacija omogućuje sintezu AgNPs uz κ-karagenan kao prirodni stabilizator. Reakcija se odvija pri sobnoj temperaturi i daje nanočestice srebra s plošno centriranom kubičnom (fcc) kristalnom strukturom bez ikakvih nečistoća. Na raspodjelu veličine čestica AgNPs može se utjecati koncentracijom κ-karagenana.
Shema međudjelovanja nabijenih skupina Ag-NPs obloženih κ-karagenanom tijekom sonikacije. [Elsupikhe et al. 2015]
Postupak: održiva sinteza nanočestica srebra
- Ag-NPs sintetizirane su redukcijom AgNO3 primjenom ultrazvuka u prisutnosti κ-karagenana. Kako bi se dobili različiti uzorci, pripremljeno je pet suspenzija dodavanjem 10 mL 0,1 M AgNO3 u 40 mL κ-karagenana. Upotrijebljene otopine κ-karagenana imale su redom koncentracije od 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 i 0,3 wt%.
- Otopine su miješane 1h kako bi se dobio AgNO3/κ-karagenan.
- Zatim su uzorci izloženi intenzivnom ultrazvučnom zračenju: amplituda ultrazvučnog uređaja UP400S (400W, 24kHz) postavljena je na 50%. Sonikacija je primjenjivana tijekom 90min pri sobnoj temperaturi. Sonotroda ultrazvučnog procesora za tekućine UP400S bila je uronjena izravno u reakcijsku otopinu.
- Nakon sonikacije suspenzije su centrifugirane 15min i četiri puta isprane dvostruko destiliranom vodom kako bi se uklonili zaostali ioni srebra. Istaložene nanočestice sušene su preko noći pri 40°C u vakuumu kako bi se dobile Ag-NPs.
Jednadžba
- nH₂O —sonikacija–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidroliza–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –redukcije–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analiza i rezultati: ultrazvučno sintetizirane nanočestice srebra
Kako bi se procijenili rezultati, uzorci su analizirani UV-vidljivom spektroskopskom analizom, rendgenskom difrakcijom, FT-IR kemijskom analizom te TEM i SEM snimkama.
Broj Ag-NPs povećavao se s porastom koncentracije κ-karagenana. Nastanak Ag/κ-karagenana utvrđen je UV-vidljivom spektroskopijom, pri čemu je maksimum apsorpcije površinskog plazmona opažen pri 402 do 420nm. Analiza rendgenskom difrakcijom (XRD) pokazala je da Ag-NPs imaju plošno centriranu kubičnu strukturu. Infracrveni spektar s Fourierovom transformacijom (FT-IR) ukazao je na prisutnost Ag-NPs u κ-karagenanu. Snimka dobivena transmisijskom elektronskom mikroskopijom (TEM) za najvišu koncentraciju κ-karagenana pokazala je raspodjelu Ag-NPs s prosječnom veličinom čestica približno 4,21nm. Snimke dobivene pretražnom elektronskom mikroskopijom (SEM) prikazale su kuglasti oblik Ag-NPs. SEM analiza pokazuje da su s porastom koncentracije κ-karagenana nastale promjene na površini Ag/κ-karagenana, tako da su dobivene Ag-NPs male veličine i kuglastog oblika.
TEM snimke i odgovarajuće raspodjele veličine čestica za sonokemijski sintetizirani Ag/κ-karagenan pri različitim koncentracijama κ-karagenana. [0,1%, 0,2% i 0,3%, redom (a, b, c)].
UP400S – ultrazvučni uređaj korišten 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 nanočestica srebra
Kako ultrazvuk poboljšava zelenu sintezu nanočestica srebra?
Ultrazvuk potiče akustičnu kavitaciju, stvarajući lokalizirana žarišta koja brzo reduciraju ione srebra uz pomoć ekološki prihvatljivih sredstava. Ovaj sonokemijski proces ubrzava kinetiku reakcije, potiče ravnomjernu nukleaciju i omogućuje preciznu kontrolu veličine i oblika čestica – sve to bez agresivnih kemikalija ili velike količine toplinske energije.
Koje su glavne prednosti zelenog sonokemijskog postupka za AgNPs?
Zelena sonokemijska sinteza kombinira ultrazvuk s biokompatibilnim sredstvima za redukciju i površinsko oblaganje (poput biljnih ekstrakata, šećera ili polimera) kako bi se proizvele netoksične, za okoliš neškodljive nanočestice srebra. Metoda smanjuje potrošnju energije, skraćuje vrijeme sinteze, uklanja opasne nusproizvode i daje vrlo stabilne nanočestice s ujednačenom raspodjelom veličine.
Može li ultrazvuk kontrolirati veličinu i morfologiju nanočestica srebra?
Da. Podešavanjem amplitude ultrazvuka, frekvencije, gustoće snage i vremena sonikacije proizvođači mogu precizno prilagoditi brzine nukleacije i rasta. To omogućuje ponovljivu proizvodnju AgNPs veličine 5–100 nm u različitim oblicima (kugle, kocke, trokutaste pločice), prilagođenima specifičnim biomedicinskim, elektroničkim ili industrijskim primjenama.
Može li se zelena ultrazvučna sinteza skalirati za industrijsku proizvodnju AgNPs?
Apsolutno. Industrijski ultrazvučni procesori podržavaju reaktore s kontinuiranim protokom koji omogućuju nesmetano skaliranje od laboratorijskih šarži do pune proizvodnje. Sonikacija u liniji osigurava ravnomjernu raspodjelu kavitacije, praćenje procesa u stvarnom vremenu i ujednačenost među šaržama, što je čini idealnom za ekološki prihvatljivu proizvodnju AgNPs u velikim količinama.
Koja zelena redukcijska sredstva najbolje djeluju pri ultrazvučnoj sintezi nanočestica srebra?
Učinkovita ekološki prihvatljiva sredstva uključuju biljne ekstrakte (npr. aloju, zeleni čaj, kore agruma), ugljikohidrate, aminokiseline, proteine i biorazgradive polimere. Ultrazvuk povećava njihovu učinkovitost redukcije i stabilizacije, omogućujući potpunu zamjenu sintetskih kemikalija uz održavanje visokog prinosa, koloidne stabilnosti i funkcionalnih svojstava.
Kakva je sonokemijska sinteza u usporedbi s tradicionalnim kemijskim metodama za AgNPs?
Konvencionalni kemijski postupci često se oslanjaju na toksična redukcijska sredstva (npr. natrijev borohidrid), ekstremne vrijednosti pH i stvaraju opasan otpad. Zelena sonokemijska sinteza koristi sigurne, obnovljive materijale, odvija se pri temperaturi okoline ili blagim temperaturama, znatno skraćuje vrijeme obrade i proizvodi čišće, biokompatibilnije nanočestice s boljom dispergiranošću i duljim rokom trajanja.
Koje industrije imaju koristi od nanočestica srebra proizvedenih zelenim ultrazvučnim postupkom?
AgNPs sintetizirane zelenim sonokemijskim metodama široko se upotrebljavaju u antimikrobnim premazima, medicinskim proizvodima, njezi rana, filtraciji vode, fleksibilnoj elektronici i održivoj ambalaži. Njihova ekološki prihvatljiva proizvodnja osigurava usklađenost sa strogim okolišnim i sigurnosnim standardima uz visoka uporabna svojstva i regulatornu prihvaćenost.
Što su nanočestice srebra?
Nanočestice srebra odlikuju se veličinom između 1nm i 100nm. Iako se često opisuju kao „srebrne”, neke sadrže velik udio srebrova oksida zbog velikog omjera broja atoma srebra na površini i u unutrašnjosti čestice. Nanočestice srebra mogu imati različite strukture. Najčešće se sintetiziraju sferične nanočestice srebra, ali upotrebljavaju se i romboidni i osmerokutni oblici te tanki listići.
Nanočestice srebra vrlo se često upotrebljavaju u medicini. Ioni srebra bioaktivni su i imaju snažno antimikrobno i germicidno djelovanje. Njihova iznimno velika površina omogućuje koordinaciju brojnih liganada. Ostala važna svojstva su vodljivost i jedinstvena optička svojstva.
Zbog svojih vodljivih svojstava nanočestice srebra često se ugrađuju u kompozite, plastiku, epoksidne smole i ljepila. Čestice srebra povećavaju električnu vodljivost; stoga se srebrne paste i tinte često upotrebljavaju u proizvodnji elektronike. Budući da nanočestice srebra podržavaju površinske plazmone, AgNPs imaju izvanredna optička svojstva. Plazmonske nanočestice srebra upotrebljavaju se za senzore, detektore i analitičku opremu, primjerice za površinski pojačanu Ramanovu spektroskopiju (SERS) i fluorescencijsku spektroskopiju pojačanu površinskim plazmonskim poljem (SPFS).
Što je karagenan?
Karagenan je jeftin prirodni polimer koji se nalazi u različitim vrstama crvenih morskih algi. Karagenani su linearni sulfatirani polisaharidi koji se široko upotrebljavaju u prehrambenoj industriji zbog svojih svojstava želiranja, zgušnjavanja i stabilizacije. Glavnu primjenu imaju u mliječnim i mesnim proizvodima zbog snažnog vezanja na bjelančevine hrane. Postoje tri glavne vrste karagenana koje se razlikuju po stupnju sulfatacije. Kapa-karagenan ima jednu sulfatnu skupinu po disaharidu. Jota-karagenan (ι-carrageenen) ima dvije sulfatne skupine po disaharidu. Lambda-karagenan (λ-carrageenen) ima tri sulfatne skupine po disaharidu.
Kapa-karagenan (κ-carrageenan) ima linearnu strukturu sulfatiranog polisaharida sastavljenog od D-galaktoze i 3,6-anhidro-D-galaktoze.
κ-karagenan široko se upotrebljava u prehrambenoj industriji, primjerice kao sredstvo za želiranje i za promjenu teksture. Može se naći kao dodatak u sladoledu, vrhnju, zrnatom siru, mliječnim napitcima, preljevima za salatu, zaslađenim kondenziranim mlijecima, sojinu mlijeku i drugim biljnim mlijecima te umacima radi povećanja viskoznosti proizvoda.
Nadalje, κ-karagenan može se naći u neprehrambenim proizvodima, primjerice kao zgušnjivač u šamponima i kozmetičkim kremama, u pasti za zube (kao stabilizator za sprječavanje odvajanja sastojaka), pjeni za gašenje požara (kao zgušnjivač koji pjenu čini ljepljivom), gelovima za osvježavanje zraka, kremi za cipele (za povećanje viskoznosti), u biotehnologiji za imobilizaciju stanica/enzima, u farmaceutskim proizvodima (kao neaktivna pomoćna tvar u pilulama/tabletama), u hrani za kućne ljubimce itd.
SEM snimke Ag/κ-karagenana pri različitim koncentracijama κ-karagenana. [0,1%, 0,2% i 0,3 %, redom (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]