Nano-ezüst szintetizálása mézzel és ultrahanggal
A nano-ezüstöt antibakteriális tulajdonságai miatt használják az anyagok megerősítésére az orvostudományban és az anyagtudományban. Az ultrahangos kezelés lehetővé teszi a gömb alakú ezüst nanorészecskék gyors, hatékony, biztonságos és környezetbarát szintézisét vízben. Az ultrahangos nanorészecske-szintézis könnyen méretezhető a kis termeléstől a nagy termelésig.
A kolloid nano-ezüst ultrahanggal segített szintézise
A szonokémiai szintézis, amely az ultrahangos besugárzás által megkönnyített kémiai reakciókra utal, széles körben alkalmazott módszer nanorészecskék előállítására. Ezek közé tartozik az ezüst, arany, magnetit, hidroxiapatit, klorokin, perovszkit, latex és sok más nanoanyag.
Ultrahangos nedves-kémiai szintézis
Több ultrahanggal segített szintézis útvonalat fejlesztettek ki ezüst nanorészecskék előállítására. Az egyik figyelemre méltó módszer a mézet redukálószerként és zárószerként is alkalmazza. A méz komponensei, mint például a glükóz és a fruktóz, szinergikusan hatnak ezekben a szerepekben a szintézis során.
Sok nanorészecske-szintézis technikához hasonlóan az ultrahangos nano-ezüst szintézis a nedves kémia kategóriájába tartozik. A folyamat az ezüst nanorészecskék oldaton belüli nukleációjával kezdődik. Az ultrahangos kezelés során egy ezüst prekurzor (pl. ezüst-nitrát (AgNO3) vagy ezüst-perklorát (AgClO4)) redukálószer, például méz jelenlétében redukálják, hogy ezüstkolloid képződjön.
Mechanizmusa ultrahangos ezüst nukleáció és növekedés
Kezdeti nukleációs fázis: Az oldott ezüstionok koncentrációjának növekedésével a fémes ezüstionok elkezdenek kötődni, hogy kis klasztereket képezzenek. Ebben a szakaszban ezek a klaszterek energetikailag instabilak a negatív energiaegyensúly miatt. Az új felületek létrehozásához szükséges energia meghaladja az oldott ezüst koncentráció csökkentésével nyert energiát.
- Kritikus sugár: Amikor egy klaszter elér egy meghatározott méretet (a kritikus sugarat), a folyamat energetikailag kedvezővé válik, stabilizálva a klasztert. Ez a stabilitás lehetővé teszi, hogy a klaszter a további növekedés magjaként működjön.
- Növekedési fázis: A növekedés során további ezüstatomok diffundálnak az oldaton keresztül, és a növekvő nanorészecske felületéhez kapcsolódnak. A növekedés addig folytatódik, amíg az oldott ezüst koncentrációja a nukleációs küszöb alá nem csökken, megállítva az új magok képződését.
- Diffúzió és befejezés: A fennmaradó oldott ezüstöt beépítik a meglévő nanorészecskékbe, befejezve a folyamatot.
A szonikálás felgyorsítja a tömegátadást, különösen a nedvesítési és diffúziós folyamatokat, ami gyorsabb nukleációhoz és szabályozott növekedéshez vezet. Az ultrahangos paraméterek pontos beállításával, mint például az intenzitás és az időtartam, a nanorészecskék mérete, növekedési üteme és alakja finomhangolható. Ez a precíz vezérlés biztosítja a nanorészecskék konzisztens szerkezetét az adott alkalmazásokhoz igazítva.
Az ultrahanggal segített szintézis hatékony, skálázható és zöld kémiai megközelítésként tűnik ki a jól meghatározott tulajdonságokkal rendelkező nano-ezüst előállításához, amely jelentős előnyöket kínál a kutatás és az ipar különböző alkalmazásaihoz.
Az ultrahangos kezelés megkönnyíti a szűk méreteloszlású kis ezüst nanorészecskék gyors, zöld szintézisét.
- Egyszerű egyedényes reakció
- Biztonságos
- gyors folyamat
- alacsony költség
- lineáris méretezhetőség
- környezetbarát, zöld kémia
UP400ST – 400 wattos erős ultrahangos készülék nanorészecskék szonokémiai szintéziséhez
Esettanulmány ultrahangos nano-ezüst szintézisről
A tanulmány címe “Ezüst nanorészecskék mézalapú és ultrahanggal segített szintézise és antibakteriális aktivitása” szerző: Oskuee et al. (2016) egy egyszerű és környezetbarát módszert tár fel az ezüst nanorészecskék (Ag-NP-k) szintetizálására, természetes mézet használva redukáló- és stabilizálószerként. A folyamatot, amely magában foglalja az ezüst-nitrát (AgNO₃) csökkentését ultrahangos besugárzás alatt, különböző paraméterek jellemzik, beleértve az ezüstion-koncentrációt, a mézkoncentrációt és az ultrahangos időt. A kapott Ag-NP-k átlagos mérete körülbelül 11,8 nm, és antibakteriális tulajdonságokkal rendelkeznek olyan patogén baktériumokkal szemben, mint a Staphylococcus aureus, a Pseudomonas aeruginosa és az E. coli.
A tanulmány kiemeli a méz nanorészecske-szintézisben való felhasználásának előnyeit, hangsúlyozva annak zöld, olcsó és nem mérgező jellegét. A szerzők bemutatják, hogy az Ag-NP-k mérete és hozama szabályozható a reakcióparaméterek, például az ezüstkoncentráció, a méztartalom és az ultrahangos időtartam beállításával. A szintetizált Ag-NP-k hatásos antibakteriális aktivitással rendelkeznek, különösen az E. coli és a S. aureus ellen, minimális gátló koncentrációjuk (MIC) körülbelül 19,46 ppm. Ez a módszer potenciális alkalmazást jelent az Ag-NP-k számára az orvosi területeken, beleértve a sebgyógyulást és a fertőzések ellenőrzését.
- Anyagok: ezüst-nitrát (AgNO3) ezüst prekurzorként; méz mint fedő / redukálószer; Víz
- Ultrahangos készülék: Szonda típusú szonikátor UP400St
Ultrahangos szintézis protokoll
A kolloid ezüst nanorészecskék szintézisének legjobb feltételei a következők: Az ezüst-nitrát redukciója természetes méz által közvetített ultrahangos kezeléssel. Röviden, 20 ml mézet (20 tömeg%) tartalmazó ezüst-nitrát oldatot (0,3 M) környezeti körülmények között 30 percig nagy intenzitású ultrahangos besugárzásnak tettünk ki. Az ultrahangos kezelést az UP400S (400W, 24 kHz) szonda típusú ultrahangos készülékkel végeztük, közvetlenül a reakcióoldatba merítve.
Az élelmiszer-minőségű mézet fedő / stabilizáló és redukálószerként használják, amely a vizes nukleációs oldatot és a kicsapódott nanorészecskéket tisztává és biztonságossá teszi sokféle alkalmazáshoz.
Ahogy az ultrahangos idő növekszik, az ezüst nanorészecskék kisebbek lesznek, és koncentrációjuk fokozódik.
A vizes mézoldatban az ultrahangos kezelés kulcsfontosságú tényező, amely befolyásolja az ezüst nano-részecskék képződését. Az ultrahangos paraméterek, mint például az amplitúdó, az idő és a folyamatos vs pulzáló ultrahang fő tényezők, amelyek lehetővé teszik az ezüst nano-részecskék méretének és mennyiségének szabályozását.
Az optimális körülmények között szintetizált Ag-NP-k szemcseméret-eloszlása; ezüst koncentráció (0,3 M), mézkoncentráció (20 tömeg%) és ultrahangos besugárzási idő (30 perc)
kép forrása: ©Oskuee et al. 2016
Az ezüst nanorészecskék ultrahangos szintézisének eredménye
Az ultrahanggal előléptetett, méz által közvetített szintézis az UP400St ultrahangos készülékkel gömb alakú ezüst nanorészecskéket (Ag-NP) eredményezett, amelyek átlagos részecskemérete körülbelül 11,8 nm. Az ezüst nanorészecskék ultrahangos szintézise egyszerű és gyors egyedényes módszer. A víz és a méz anyagként való felhasználása költséghatékonysá és kivételesen környezetbaráttá teszi a reakciót.
Az ultrahangos szintézis bemutatott technikája, amely mézet használ redukáló- és zárószerként, kiterjeszthető más nemesfémekre, például aranyra, palládiumra és rézre, amely különféle kiegészítő alkalmazásokat kínál az orvostudománytól az iparig.
Az optimális körülmények között szintetizált Ag-NP-k részecskeméret-eloszlása; ezüstkoncentráció (0,3 M), mézkoncentráció (20 tömeg%) és ultrahangos besugárzási idő (30 perc)
Tanulmány és kép: ©Oskuee et al. 2016
A nukleáció és a részecskeméret befolyásolása szonikálással
Az ultrahang lehetővé teszi nanorészecskék, például ezüst nanorészecskék előállítását az igényekhez igazítva. Az ultrahangos kezelés három általános lehetősége fontos hatással van a kimenetre:
Kezdeti szonikálás: Az ultrahanghullámok rövid alkalmazása egy túltelített oldatra elindíthatja a magok vetését és kialakulását. Mivel az ultrahangos kezelést csak a kezdeti szakaszban alkalmazzák, a következő kristálynövekedés akadálytalanul folytatódik, ami nagyobb kristályokat eredményez.
Folyamatos szonikálás: A túltelített oldat folyamatos besugárzása kis kristályokat eredményez, mivel a szünet nélküli ultrahangos kezelés sok magot hoz létre, ami sok kis kristály növekedését eredményezi.
Pulzáló szonikáció: Az impulzusos ultrahang az ultrahang meghatározott időközönként történő alkalmazását jelenti. Az ultrahangos energia pontosan szabályozott bevitele lehetővé teszi a kristálynövekedés befolyásolását annak érdekében, hogy testreszabott kristályméretet kapjon.
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek nanorészecske szintézishez
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű, megbízható ultrahangos processzorokat kínál, amelyeket fejlett szonokémiai alkalmazásokhoz terveztek, beleértve a szono-szintézist és a szonokatalízist. Az ultrahangos keverés és diszpergálás jelentősen javítja a tömegátvitelt, elősegíti az atomklaszterek nedvesedését és megkönnyíti azok későbbi nukleációját, ami a nanorészecskék hatékony kicsapódásához vezet. Az ultrahangos szintézist egyszerű, költséghatékony, biokompatibilis, reprodukálható, gyors és biztonságos módszerként ismerik el kiváló minőségű nanoanyagok előállítására. (További információ a perovszkit szonokémiai szintéziséről és ZnO nanoszerkezetek!)
A Hielscher ultrasonicators pontos szabályozásra tervezték, lehetővé téve az optimális feltételeket a nanoanyagok nukleációjához és növekedéséhez. Ezek a digitális eszközök intelligens szoftverrel, színes érintőképernyővel és intuitív menüvel rendelkeznek a biztonságos és felhasználóbarát működés érdekében. Ezenkívül automatikus adatrögzítéssel rendelkeznek a beépített SD-kártyán, biztosítva a zökkenőmentes folyamatdokumentációt.
A rendszerek átfogó választékával - a kompakt 50 wattos kézi ultrahangos készülékektől a laboratóriumi használatra a robusztus 16 000 wattos ipari rendszerekig - a Hielscher ideális ultrahangos megoldást kínál minden alkalmazáshoz. A tartósságra tervezték, Hielscher ultrahangos berendezés úgy épül fel, hogy folyamatosan működjön nagy teherbírású körülmények között, még igényes környezetben is, biztosítva a megbízható teljesítményt 24/7.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
A nanorészecskeszintézis hagyományos módszereinek és zöld szintézis módszereinek összehasonlítása.
Ipari ultrahangos processzor UIP16000 (16kW) ezüst nanorészecskék nagyszabású szintéziséhez.
Irodalom/Hivatkozások
- 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.
Tények, amelyeket érdemes tudni
Mik azok az ezüst nanorészecskék?
Az ezüst nanorészecskék ezüstrészecskék, amelyek mérete 1 nm és 100 nm között van. Az ezüst nanorészecskék rendkívül nagy felülettel rendelkeznek, ami nagyszámú ligandum koordinációját teszi lehetővé.
Az ezüst nanorészecskék egyedülálló optikai, elektromos és termikus tulajdonságokkal rendelkeznek, ami rendkívül értékessé teszi őket az anyagtudományban és a termékfejlesztésben, pl. fotovoltaika, elektronika, vezetőképes tinták, biológiai/kémiai érzékelők.
Egy másik alkalmazás, amely már széles körben elterjedt, az ezüst nanorészecskék használata antimikrobiális bevonatokhoz, és sok textília, billentyűzet, sebkötöző és orvosbiológiai eszköz tartalmaz ezüst nanorészecskéket, amelyek folyamatosan alacsony szintű ezüstionokat bocsátanak ki, hogy védelmet nyújtsanak a baktériumok ellen.
Hogyan használják a nano-ezüstöt a textíliákban?
Az ezüst nanorészecskéket a textilgyártásban alkalmazzák, ahol az Ag-NP-ket hangolható színekkel, antibakteriális képességekkel és öngyógyító szuperhidrofób tulajdonságokkal rendelkező pamutszövetek előállítására használják. Az ezüst nanorészecskék antibakteriális tulajdonsága lehetővé teszi olyan szövetek előállítását, amelyek lebontják a baktériumokból származó szagokat (pl. Izzadságszag).
Mi az antibakteriális bevonat az orvostudomány és az orvosi ellátás számára?
Az ezüst nanorészecskék antibakteriális, gombaellenes és antioxidáns tulajdonságokkal rendelkeznek, ami érdekessé teszi őket gyógyszerészeti és orvosi alkalmazásokban, például fogászati munkákban, sebészeti alkalmazásokban, sebgyógyító kezelésekben és orvosbiológiai eszközökben. A kutatások kimutatták, hogy az ezüst nanorészecskék (Ag-nP-k) gátolják a különböző baktériumtörzsek, például a Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Citrobacter koseri, Salmonella typhii, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Vibrio parahaemolyticus és Candida albicans gombák növekedését és szaporodását. Az antibakteriális / gombaellenes hatást úgy érik el, hogy ezüst nanorészecskék diffundálnak a sejtekbe, és Ag/Ag+ ionokat kötnek a mikrobiális sejtek biomolekuláihoz, így működésük megszakad.
Mi az a MIC-vizsgálat?
A MIC (Minimum Inhibitory Concentration) vizsgálat meghatározza egy anyag, például egy antimikrobiális szer azon legalacsonyabb koncentrációját, amely szükséges a mikroorganizmus látható növekedésének in vitro gátlásához. Általában folyékony táptalajban végzett sorozatos hígításokkal és inkubálás után a baktériumok szaporodásának mérésével végzik. További információ arról, hogy az ultrahangos kezelés hogyan segíti elő a nagy áteresztőképességű MIC vizsgálatokat!