Ezüst nanorészecskék előállítása zöld szonokémiai úton
Az ezüst nanorészecskék (AgNP-k) antimikrobiális tulajdonságaik, optikai tulajdonságaik és nagy elektromos vezetőképességük miatt gyakran alkalmazott nanoanyagok. A kappa-karragént alkalmazó szonokémiai eljárás egyszerű, kényelmes és környezetbarát szintézismódszer az ezüst nanorészecskék előállítására. A κ-karragént természetes, környezetbarát stabilizátorként használják, míg a nagy teljesítményű ultrahang zöld redukálószerként működik.
A zöld kémia megköveteli a paraméterek pontos szabályozását. Nanoanyagokkal foglalkozó mérnökeink segítenek kiválasztani a megfelelő szonotródát, reaktorgeometriát és teljesítménybeállításokat a hozam maximalizálása, a részecskemorfologia szabályozása és a zöld kémia alapelveinek való teljes megfelelés biztosítása érdekében.
Ag+/κ-karragén (balra) és ultrahangosan kezelt Ag/κ-karragén (jobbra). Az ultrahangos kezelést az UP400S készülékkel végezték 90min időtartamig.
[Elsupikhe et al. 2015]
Ezüst nanorészecskék zöld ultrahangos szintézise
Elsupikhe és munkatársai (2015) zöld, ultrahanggal segített szintéziseljárást fejlesztettek ki ezüst nanorészecskék (AgNP-k) előállítására. Jól ismert, hogy a szonokémia számos nedveskémiai reakciót elősegít. Az ultrahangos kezelés lehetővé teszi az AgNP-k szintézisét κ-karragén természetes stabilizátorként történő alkalmazásával. A reakció szobahőmérsékleten zajlik, és lapcentrált köbös (fcc) kristályszerkezetű ezüst nanorészecskéket állít elő mindenféle szennyeződés nélkül. Az AgNP-k részecskeméret-eloszlása a κ-karragén koncentrációjával befolyásolható.
A κ-karragénnel bevont Ag-NP-k töltött csoportjai közötti kölcsönhatás vázlata ultrahangos kezelés során. [Elsupikhe et al. 2015]
Eljárás: ezüst nanorészecskék fenntartható szintézise
- Az Ag-NP-k szintézise az AgNO3 redukciójával történt, ultrahangos kezeléssel, κ-karragén jelenlétében. A különböző minták előállításához öt szuszpenziót készítettek úgy, hogy 10 mL 0,1 M koncentrációjú AgNO3 oldatot adtak 40-mL κ-karragén-oldathoz. A felhasznált κ-karragén-oldatok koncentrációja rendre 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 és 0,3 wt% volt.
- Az oldatokat 1h időtartamig keverték az AgNO3/κ-karragén előállításához.
- Ezután a mintákat intenzív ultrahangos besugárzásnak tették ki: az UP400S (400W, 24kHz) ultrahangos készülék amplitúdóját 50%-ra állították. Az ultrahangos kezelést 90min időtartamig, szobahőmérsékleten alkalmazták. Az UP400S ultrahangos folyadékkezelő szonotródáját közvetlenül a reakcióoldatba merítették.
- Az ultrahangos kezelés után a szuszpenziókat 15min időtartamig centrifugálták, és négyszer mosták kétszer desztillált vízzel az ezüstion-maradványok eltávolítása érdekében. A kicsapódott nanorészecskéket 40°C hőmérsékleten, vákuumban, egy éjszakán át szárították az Ag-NP-k előállításához.
Egyenlet
- nH₂O —ultrahangos kezelés–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidrolízis–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –redukciók–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Elemzés és eredmények: ultrahangosan szintetizált ezüst nanorészecskék
Az eredmények értékeléséhez a mintákat UV–látható spektroszkópiai elemzéssel, röntgendiffrakcióval, FT-IR kémiai elemzéssel, valamint TEM- és SEM-felvételek segítségével vizsgálták.
Az Ag-NP-k száma a κ-karragén koncentrációjának növekedésével nőtt. Az Ag/κ-karragén képződését UV–látható spektroszkópiával állapították meg, amelynek során a felületi plazmonok abszorpciós maximumát 402 és 420nm között figyelték meg. A röntgendiffrakciós (XRD) elemzés kimutatta, hogy az Ag-NP-k lapcentrált köbös szerkezetűek. A Fourier-transzformációs infravörös (FT-IR) spektrum jelezte az Ag-NP-k jelenlétét a κ-karragénben. A legmagasabb κ-karragén-koncentrációhoz tartozó transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM) felvétel az Ag-NP-k eloszlását mutatta, közel 4,21nm átlagos részecskemérettel. A pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételek szemléltették az Ag-NP-k gömb alakját. A SEM-elemzés azt mutatja, hogy a κ-karragén koncentrációjának növekedésével változások következtek be az Ag/κ-karragén felületén, így kis méretű, gömb alakú Ag-NP-k keletkeztek.
TEM-felvételek és a hozzájuk tartozó méreteloszlások a szonokémiai úton szintetizált Ag/κ-karragénről, különböző κ-karragén-koncentrációk mellett. [0,1%, 0,2% és 0,3%, rendre (a, b, c)].
UP400S – az Ag-nanorészecskék szonokémiai szintéziséhez használt ultrahangos készülék
Szakirodalom/Hivatkozások
- 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.
Gyakran ismételt kérdések: ezüst nanorészecskék zöld szonokémiai szintézise
Hogyan javítja az ultrahang az ezüst nanorészecskék zöld szintézisét?
Az ultrahang akusztikus kavitációt idéz elő, helyi forró pontokat létrehozva, amelyek környezetbarát szerek segítségével gyorsan redukálják az ezüstionokat. Ez a szonokémiai folyamat felgyorsítja a reakciókinetikát, elősegíti az egyenletes magképződést, és lehetővé teszi a részecskeméret és -alak pontos szabályozását – mindezt agresszív vegyszerek vagy nagy hőenergia nélkül.
Melyek az AgNP-k zöld szonokémiai előállításának fő előnyei?
A zöld szonokémiai szintézis az ultrahangot biokompatibilis redukáló- és felületbevonó szerekkel (például növényi kivonatokkal, cukrokkal vagy polimerekkel) kombinálja nem mérgező, környezetre ártalmatlan ezüst nanorészecskék előállítására. A módszer csökkenti az energiafelhasználást, lerövidíti a szintézis idejét, kiküszöböli a veszélyes melléktermékeket, és rendkívül stabil, állandó méreteloszlású nanorészecskéket eredményez.
Szabályozható-e ultrahanggal az ezüst nanorészecskék mérete és morfológiája?
Igen. Az ultrahang amplitúdójának, frekvenciájának, teljesítménysűrűségének és az ultrahangos kezelés időtartamának beállításával a gyártók finoman szabályozhatják a magképződés és a növekedés sebességét. Ez lehetővé teszi 5–100 nm méretű AgNP-k reprodukálható előállítását különböző alakokban (gömbök, kockák, háromszög alakú lemezek), meghatározott orvosbiológiai, elektronikai vagy ipari alkalmazásokhoz igazítva.
Bővíthető-e az ultrahangos zöld szintézis ipari AgNP-gyártási méretre?
Mindenképpen. Az ipari ultrahangos kezelőberendezések lehetővé teszik olyan folyamatos átfolyású reaktorok alkalmazását , amelyekkel zökkenőmentesen növelhető a termelés a laboratóriumi tételektől a teljes gyártási méretig. A folyamatba épített ultrahangos kezelés egyenletes kavitációeloszlást, valós idejű folyamatfelügyeletet és a gyártási tételek közötti állandóságot biztosít, így ideális a nagy volumenű, környezetbarát AgNP-gyártáshoz.
Mely zöld redukálószerek működnek a legjobban az ezüst nanorészecskék ultrahangos szintézisében?
A hatékony környezetbarát szerek közé tartoznak a növényi kivonatok (például aloe, zöld tea, citrusfélék héja), a szénhidrátok, az aminosavak, a fehérjék és a biológiailag lebomló polimerek. Az ultrahang fokozza redukáló és stabilizáló hatékonyságukat, lehetővé téve a szintetikus vegyszerek teljes kiváltását a nagy hozam, a kolloidstabilitás és a funkcionális teljesítmény fenntartása mellett.
Hogyan viszonyul a szonokémiai szintézis az AgNP-k hagyományos kémiai előállítási módszereihez?
A hagyományos kémiai eljárások gyakran mérgező redukálószerekre (például nátrium-borohidridre) és szélsőséges pH-ra támaszkodnak, és veszélyes hulladékot termelnek. A zöld szonokémiai szintézis biztonságos, megújuló anyagokat használ, környezeti vagy mérsékelt hőmérsékleten működik, jelentősen csökkenti a feldolgozási időt, és tisztább, biokompatibilisebb, jobb diszperzitású és hosszabb eltarthatóságú nanorészecskéket állít elő.
Mely iparágak számára előnyösek a zöld ultrahangos eljárással előállított ezüst nanorészecskék?
A zöld szonokémiai módszerekkel szintetizált AgNP-ket széles körben használják antimikrobiális bevonatokban, orvostechnikai eszközökben, sebkezelésben, vízszűrésben, hajlékony elektronikában és fenntartható csomagolásban. Környezetbarát előállításuk biztosítja a szigorú környezetvédelmi és biztonsági szabványoknak való megfelelést, miközben nagy teljesítményt és hatósági elfogadottságot nyújt.
Mik azok az ezüst nanorészecskék?
Az ezüst nanorészecskéket 1nm és 100nm közötti méret jellemzi. Bár gyakran „ezüstként” írják le őket, egyesek nagy arányban ezüst-oxidból állnak, mivel a felületi ezüstatomok aránya nagy a részecske belsejében lévő ezüstatomokhoz képest. Az ezüst nanorészecskék különböző szerkezetekkel fordulhatnak elő. Leggyakrabban gömb alakú ezüst nanorészecskéket szintetizálnak, de rombusz alakú, nyolcszögletű és vékony lemez alakú részecskéket is alkalmaznak.
Az ezüst nanorészecskéket igen gyakran használják orvosi alkalmazásokban. Az ezüstionok bioaktívak, és erős antimikrobiális és csíraölő hatással rendelkeznek. Rendkívül nagy felületük számos ligandum koordinációját teszi lehetővé. További fontos jellemzőik a vezetőképesség és az egyedülálló optikai tulajdonságok.
Vezetőképességük miatt az ezüst nanorészecskéket gyakran építik be kompozitokba, műanyagokba, epoxigyantákba és ragasztókba. Az ezüstrészecskék növelik az elektromos vezetőképességet; ezért az ezüstpasztákat és -tintákat gyakran használják az elektronikai gyártásban. Mivel az ezüst nanorészecskék támogatják a felületi plazmonok kialakulását, az AgNP-k kiemelkedő optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A plazmonikus ezüst nanorészecskéket érzékelőkhöz, detektorokhoz és olyan analitikai berendezésekhez használják, mint a felületerősített Raman-spektroszkópia (SERS) és a felületi plazmonmezővel erősített fluoreszcenciaspektroszkópia (SPFS) berendezései.
Mi a karragén?
A karragén olcsó természetes polimer, amely különböző vörösmoszatfajokban található meg. A karragének lineáris, szulfatált poliszacharidok, amelyeket zselésítő, sűrítő és stabilizáló tulajdonságaik miatt széles körben használnak az élelmiszeriparban. Főként tej- és húskészítményekben alkalmazzák őket, mivel erősen kötődnek az élelmiszer-fehérjékhez. A karragénnek három fő változata van, amelyek szulfatáltsági fokukban különböznek. A kappa-karragén diszacharidonként egy szulfátcsoportot tartalmaz. Az ióta-karragén (ι-karragén) diszacharidonként két szulfátcsoportot tartalmaz. A lambda-karragén (λ-karragén) diszacharidonként három szulfátcsoportot tartalmaz.
A kappa-karragén (κ-karragén) D-galaktózból és 3,6-anhidro-D-galaktózból álló, lineáris szerkezetű szulfatált poliszacharid.
A κ-karragént széles körben használják az élelmiszeriparban, például zselésítő szerként és az állag módosítására. Adalékanyagként megtalálható fagylaltban, tejszínben, túróban, tejturmixokban, salátaöntetekben, cukrozott sűrített tejekben, szójatejben és más növényi tejekben, valamint szószokban a termék viszkozitásának növelésére.
Emellett a κ-karragén nem élelmiszer jellegű termékekben is megtalálható: sűrítőként samponokban és kozmetikai krémekben, fogkrémben (stabilizátorként az összetevők szétválásának megelőzésére), tűzoltó habban (sűrítőként a hab tapadóssá tételére), légfrissítő gélekben, cipőkrémben (a viszkozitás növelésére), a biotechnológiában sejtek/enzimek immobilizálására, gyógyszerekben (inaktív segédanyagként pirulákban/tablettákban), állateledelekben stb.
SEM-felvételek az Ag/κ-karragénről különböző κ-karragén-koncentrációk mellett. [0,1%, 0,2% és 0,3 %, rendre (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]