Zöld szonokémiai út az ezüst nanorészecskékhez
Az ezüst nanorészecskéket (AgNP) gyakran használják nanoanyagokban antimikrobiális tulajdonságaik, optikai tulajdonságaik és magas elektromos vezetőképességük miatt. A kappa karragént használó szonokémiai útvonal egyszerű, kényelmes és környezetbarát szintézis módszer ezüst nanorészecskék előállítására. A κ-karragént természetes környezetbarát stabilizátorként használják, míg a teljesítmény ultrahang zöld redukálószerként működik.
A zöld kémia pontos paraméter-szabályozást igényel. Nanomateriál-mérnökeink segítenek Önnek a megfelelő szonotróda, reaktor-geometria és teljesítménybeállítások kiválasztásában, hogy maximalizálhassa a hozamot, szabályozhassa a részecskék morfológiáját, és biztosíthassa a zöld kémia elveinek teljes betartását.
Ag+/κ-karragén (balra) és ultrahanggal kezelt Ag/κ-karragén (jobbra). Az ultrahangkezelést UP400S készülékkel végezték 90 percig.
[Elsupikhe és társai, 2015]
Ezüst nanorészecskék zöld ultrahangos szintézise
Elsupikhe et al. (2015) kifejlesztett egy zöld ultrahanggal segített szintézis útvonalat ezüst nanorészecskék (AgNPs) előállítására. A szonokémia jól ismert, hogy számos nedves-kémiai reakciót elősegít. A szonikálás lehetővé teszi az AgNP-k szintetizálását κ-karragénnel, mint természetes stabilizátort. A reakció szobahőmérsékleten megy végbe, és fcc kristályszerkezetű ezüst nanorészecskéket hoz létre szennyeződések nélkül. Az AgNP-k szemcseméret-eloszlását befolyásolhatja a κ-karragén koncentrációja.
Az Ag-NP-k töltésű csoportjai közötti kölcsönhatás rendszere, amelyek szonikálás alatt κ-karragénnel vannak lezárva. [Elsupikhe et al. 2015]
Eljárás: Ezüst-nanorészecskék fenntartható szintézise
- Az Ag-NP-ket az AgNO redukálásával szintetizáltuk3 ultrahangos kezelés alkalmazása κ-karragénen jelenlétében. Különböző minták előállításához öt szuszpenziót készítettünk 10 ml 0,1 M AgNO hozzáadásával3 40 ml κ-karragénre. Az alkalmazott κ-karragénoldatok sorrendben 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 és 0,3 tömeg% voltak.
- Az oldatokat 1 órán át kevertük, hogy megkapjuk az AgNO-t3/κ-karragén.
- Ezután a mintákat intenzív ultrahangos besugárzásnak tettük ki: Az ultrahangos készülék amplitúdója UP400S (400W, 24kHz) 50%-ra volt állítva. Az ultrahangos kezelést szobahőmérsékleten 90 percig alkalmazták. Az ultrahangos folyadékprocesszorok sonotrodeja UP400S közvetlenül a reakcióoldatba merítették.
- Ultrahangos kezelés után a szuszpenziókat 15 percig centrifugáljuk, és négyszer kétszer desztillált vízzel mossuk az ezüstion-maradék eltávolítása érdekében. A kicsapódott nanorészecskéket 40 °C-on, vákuumban szárítottuk egy éjszakán át, hogy megkapjuk az Ag-NP-ket.
Egyenlet
- nincs víz —szonikáció–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–hidrolízis–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + Óra+
- Ag+ + Óra –Csökkentések–> Ag°
- Ag+ + Óra2O —> Ag° + OH + H+
Elemzés és eredmények: ultrahanggal előállított ezüst-nanorészecskék
Az eredmények értékeléséhez a mintákat UV-látható spektroszkópiai elemzéssel, röntgendiffrakcióval, FT-IR kémiai elemzéssel, TEM és SEM képekkel elemeztük.
Az Ag-NP-k száma a κ-karragén-koncentráció emelkedésével nőtt. Az Ag/κ-karragén képződését UV-látható spektroszkópiával határozták meg, ahol a felületi plazmon abszorpciós maximumát 402–420 nm-en figyelték meg. A röntgendiffrakciós (XRD) elemzés kimutatta, hogy az Ag-NP-k lapcentrált köbös szerkezetűek. A Fourier-transzformációs infravörös (FT-IR) spektrum az Ag-NP-k jelenlétét jelezte a κ-karragénben. A legmagasabb κ-karragén-koncentrációra készített transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM) felvétel az Ag-NP-k eloszlását mutatta, amelyek átlagos részecskemérete 4,21 nm közelében volt. A pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételek az Ag-NP-k gömb alakját mutatták. Az SEM-elemzés szerint a κ-karragén-koncentráció növekedésével változások következtek be az Ag/κ-karragén felületén, így gömb alakú, kis méretű Ag-NP-k keletkeztek.
TEM-képek és megfelelő méreteloszlások a szonokémiailag szintetizált Ag / κ-karragénhez a κ-karragén különböző koncentrációiban. [rendre 0,1%, 0,2% és 0,3% (a, b, c)].
UP400S – az ultrahangos készülék használt szonokémiai szintézise Ag nanorészecskék
Irodalom/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 feltett kérdések: Ezüst-nanorészecskék környezetbarát szonokémiai szintézise
Hogyan javítja az ultrahang az ezüst-nanorészecskék környezetbarát szintézisét?
Az ultrahang akusztikus kavitációt vált ki, amelynek során környezetbarát anyagok segítségével olyan lokalizált aktív zónák jönnek létre, amelyek gyorsan lebontják az ezüstionokat. Ez a szono-kémiai folyamat felgyorsítja a reakciókinetikát, elősegíti az egyenletes magképződést, és lehetővé teszi a részecskeméret és -forma pontos szabályozását – mindezt erős vegyszerek és magas hőenergia alkalmazása nélkül.
Melyek az AgNP-k környezetbarát szonokémiai előállítási módszerének fő előnyei?
A környezetbarát szonokémiai szintézis az ultrahangot biokompatibilis redukáló- és lezáróanyagokkal (például növényi kivonatokkal, cukrokkal vagy polimerekkel) kombinálja, így nem mérgező, környezetbarát ezüst-nanorészecskék állíthatók elő. A módszer csökkenti az energiafogyasztást, lerövidíti a szintézis idejét, kiküszöböli a veszélyes melléktermékek keletkezését, és rendkívül stabil, egyenletes méreteloszlású nanorészecskéket eredményez.
Befolyásolhatja-e az ultrahang az ezüst-nanorészecskék méretét és alakját?
Igen. Az ultrahang amplitúdójának, frekvenciájának, teljesítménysűrűségének és a kezelési időnek a beállításával a gyártók finoman szabályozhatják a magképződés és a növekedés sebességét. Ez lehetővé teszi az 5–100 nm méretű AgNP-k reprodukálható előállítását különböző formákban (gömbök, kockák, háromszög alakú lemezek), amelyek konkrét orvosi, elektronikai vagy ipari alkalmazásokhoz igazíthatók.
Az ultrahangos környezetbarát szintézis alkalmas-e az AgNP ipari méretű előállítására?
Természetesen. Az ipari ultrahangos feldolgozók támogatják folyamatos átfolyású reaktorok amelyek zökkenőmentesen skálázhatók a laboratóriumi tételektől a teljes körű gyártásig. A folyamatba integrált ultrahangkezelés biztosítja a kavitáció egyenletes eloszlását, a folyamat valós idejű figyelemmel kísérését, valamint a tételek közötti konzisztenciát, így ideális megoldás a nagy volumenű, környezetbarát AgNP-gyártáshoz.
Melyik zöld redukálószerek a leghatékonyabbak az ultrahangos ezüst-nanorészecskék előállításában?
A hatékony, környezetbarát hatóanyagok közé tartoznak a növényi kivonatok (pl. aloe, zöld tea, citrusfélék héja), a szénhidrátok, az aminosavak, a fehérjék és a biológiailag lebontható polimerek. Az ultrahang fokozza ezek redukáló és stabilizáló hatékonyságát, lehetővé téve a szintetikus vegyi anyagok teljes kiváltását, miközben megőrzi a magas hozamot, a kolloidális stabilitást és a funkcionális teljesítményt.
Hogyan viszonyul az ultrahangos szintézis az AgNP-k hagyományos kémiai előállítási módszereihez?
A hagyományos kémiai eljárások gyakran mérgező redukálószerekre (pl. nátrium-borohidrid) és szélsőséges pH-értékekre támaszkodnak, és veszélyes hulladékot eredményeznek. A környezetbarát szonokémiai szintézis biztonságos, megújuló anyagokat használ, szobahőmérsékleten vagy enyhe hőmérsékleten zajlik, jelentősen lerövidíti a feldolgozási időt, és tisztább, biokompatibilisebb nanorészecskéket állít elő, amelyek kiváló diszperziós tulajdonságokkal és hosszabb eltarthatósággal rendelkeznek.
Mely iparágak profitálnak a környezetbarát ultrahanggal előállított ezüst-nanorészecskékből?
A környezetbarát szonokémiai módszerekkel előállított AgNP-ket széles körben alkalmazzák antimikrobiális bevonatokban, orvosi eszközökben, sebkezelésben, vízszűrésben, rugalmas elektronikában és fenntartható csomagolásokban. Környezetbarát előállításuk biztosítja a szigorú környezetvédelmi és biztonsági előírások betartását, miközben kiváló teljesítményt nyújtanak és megfelelnek a hatósági előírásoknak.
Mik azok az ezüst-nanorészecskék?
Az ezüst nanorészecskéket 1 nm és 100 nm közötti méret jellemzi. Bár gyakran "ezüstként" írják le’ Egyesek nagy százalékban ezüst-oxidból állnak, mivel nagy a felület-ömlesztett ezüstatomok aránya. Az ezüst nanorészecskék különböző szerkezetekkel jelenhetnek meg. Leggyakrabban gömb alakú ezüst nanorészecskéket szintetizálnak, de gyémánt, nyolcszögletű és vékony lemezeket is használnak.
Az ezüst nanorészecskék nagyon gyakoriak az orvosi alkalmazásokban. Az ezüstionok bioaktívak, erős antimikrobiális és csíraölő hatásuk van. Rendkívül nagy felületük lehetővé teszi számos ligandum összehangolását. További fontos jellemzők a vezetőképesség és az egyedi optikai tulajdonságok.
Vezetőképességük miatt az ezüst nanorészecskék gyakran kompozitokba, műanyagokba, epoxikba és ragasztókba épülnek be. Az ezüstrészecskék növelik az elektromos vezetőképességet; Ezért az ezüstpasztákat és tintákat gyakran használják az elektronika gyártásában. Mivel az ezüst nanorészecskék támogatják a felületi plazmonokat, az AgNP-k kiemelkedő optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A plazmonikus ezüst nanorészecskéket érzékelőkhöz, detektorokhoz és analitikai berendezésekhez használják, mint például a felületi kiterjesztett Raman spektroszkópia (SERS) és a felületi plazmonmezővel javított fluoreszcencia spektroszkópia (SPFS).
Mi az a karragén?
A karragén egy olcsó természetes polimer, amely a vörös moszatok különböző fajaiban található. A karragének lineáris szulfátos poliszacharidok, amelyeket széles körben használnak az élelmiszeriparban, zselésítő, sűrítő és stabilizáló tulajdonságaik miatt. Fő alkalmazásuk tejtermékekben és húskészítményekben van, mivel erősen kötődnek az élelmiszerfehérjékhez. A karragénnek három fő fajtája van, amelyek szulfátosodási fokukban különböznek. A kappai-karragénnek diszacharidonként egy szulfátcsoportja van. A iota-karragénnek (ι-karragén) diszacharidonként két szulfátja van. A lambda karragénnek (λ-karragén) diszacharidonként három szulfátja van.
A Kappa karragénen (κ-karragén) lineáris szerkezete D-galaktóz és 3,6-anhidro-D-galaktóz szulfatált poliszacharidja.
A κ- karragént széles körben használják az élelmiszeriparban, pl. zselésítőszerként és textúra módosítására. Adalékanyagként megtalálható fagylaltban, tejszínben, túróban, turmixokban, salátaöntetekben, édesített sűrített tejekben, szója tejben & egyéb növényi tej és szószok a termék viszkozitásának növelésére.
Ezenkívül a κ-karragén megtalálható nem élelmiszeripari termékekben, például samponokban és kozmetikai krémekben lévő sűrítőanyagban, fogkrémben (stabilizátorként, hogy megakadályozzák az összetevők elválasztását), tűzoltó habban (sűrítőanyagként, hogy a hab ragacsossá váljon), légfrissítő gélekben, cipőlakkban (a viszkozitás növelése érdekében), a sejtek/enzimek immobilizálására szolgáló biotechnológiában, gyógyszerekben (tablettákban/tablettákban inaktív segédanyagként), állateledelben stb.
SEM képek az Ag/κ-karragénre a κ-karragén különböző koncentrációiban. [rendre 0,1%, 0,2 % és 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]