銀ナノ粒子を得る環境に優しいソノケミカル合成経路
銀ナノ粒子（AgNPs）は、抗菌特性、光学特性、高い電気伝導性により、広く利用されているナノ材料です。カッパカラギーナンを用いるソノケミカル合成経路は、銀ナノ粒子を調製するための、簡単で便利な環境に優しい合成方法です。κ-カラギーナンは天然の環境に優しい安定剤として使用され、一方で高出力超音波は環境に優しい還元剤として作用します。
グリーンケミストリーには、精密なパラメータ制御が必要です。当社のナノ材料エンジニアが、収率を最大化し、粒子形態を制御し、グリーンケミストリーの原則への完全な適合を確保するために、適切なソノトロード、反応器の形状、出力設定の選定を支援します。
Ag+/κ-カラギーナン（左）と超音波処理したAg/κ-カラギーナン（右）。超音波処理はUP400Sを用いて90min行いました。
[Elsupikhe et al. 2015]
環境に優しい銀ナノ粒子の超音波合成
Elsupikheら（2015）は、銀ナノ粒子（AgNPs）を調製するための、環境に優しい超音波支援合成経路を開発しました。ソノケミストリーが多くの湿式化学反応を促進することは、よく知られています。超音波処理により、κ-カラギーナンを天然の安定剤として用いてAgNPsを合成できます。反応は室温で進行し、不純物を一切含まないfcc結晶構造の銀ナノ粒子を生成します。κ-カラギーナンの濃度は、AgNPsの粒径分布に影響を与えることができます。
超音波処理下でκ-カラギーナンにより被覆されたAg-NPsの荷電基間の相互作用を示す模式図。 [Elsupikhe et al. 2015]
手順：持続可能な銀ナノ粒子の合成
- Ag-NPsは、AgNO3 をκ-カラギーナンの存在下で超音波処理により還元して合成しました。異なるサンプルを得るため、10 mLの0.1 M AgNO3 を40-mLのκ-カラギーナンに添加して、五種類の懸濁液を調製しました。使用したκ-カラギーナン溶液の濃度は、それぞれ0.1、0.15、0.20、0.25、0.3 wt%でした。
- 溶液を1h撹拌し、AgNO3/κ-カラギーナンを得ました。
- 次に、サンプルに強力な超音波を照射しました。超音波装置 UP400S （400W、24kHz）の振幅を50%に設定しました。室温で90min超音波処理を行いました。超音波液体処理装置 UP400S のソノトロードを反応溶液に直接浸しました。
- 超音波処理後、懸濁液を15min遠心分離し、銀イオンの残留物を除去するため、二重蒸留水で四回洗浄しました。沈殿したナノ粒子を真空下、40°Cで一晩乾燥させ、Ag-NPsを得ました。
反応式
- nH₂O —超音波処理–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–加水分解–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –還元–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
分析と結果：超音波で合成した銀ナノ粒子
結果を評価するため、紫外可視分光分析、X線回折、FT-IR化学分析、TEM画像およびSEM画像によりサンプルを分析しました。
κ-カラギーナンの濃度が高くなるにつれて、Ag-NPsの数が増加しました。Ag/κ-カラギーナンの形成は紫外可視分光法で確認され、表面プラズモン吸収の極大が402–420nmに観察されました。X線回折（XRD）分析により、Ag-NPsが面心立方構造を持つことが示されました。フーリエ変換赤外（FT-IR）スペクトルは、κ-カラギーナン中のAg-NPsの存在を示しました。κ-カラギーナンの濃度が最も高いサンプルの透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、平均粒径が約4.21nmのAg-NPsの分布を示しました。走査型電子顕微鏡（SEM）画像は、Ag-NPsが球状であることを示しました。SEM分析は、κ-カラギーナン濃度の上昇に伴ってAg/κ-カラギーナンの表面に変化が生じ、その結果、小さな球状のAg-NPsが得られたことを示しています。
異なるκ-カラギーナン濃度でソノケミカル合成したAg/κ-カラギーナンのTEM画像と対応する粒径分布。［それぞれ0.1%、0.2%、0.3%（a、b、c）］。
UP400S – Agナノ粒子のソノケミカル合成に使用した超音波装置
文献／参考文献
- 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.
よくある質問：環境に優しい銀ナノ粒子のソノケミカル合成
超音波は、環境に優しい銀ナノ粒子の合成をどのように改善しますか？
超音波は音響キャビテーションを引き起こし、環境に優しい薬剤を用いて銀イオンを速やかに還元する局所的なホットスポットを生成します。このソノケミカルプロセスは反応速度を高め、均一な核生成を促進し、粒径と形状の精密な制御を可能にします – これらはすべて、過酷な化学薬品や高い熱エネルギーを必要とせずに実現されます。
AgNPsを得る環境に優しいソノケミカル合成経路の主な利点は何ですか？
環境に優しいソノケミカル合成は、超音波と生体適合性のある還元剤および被覆剤（植物抽出物、糖類、ポリマーなど）を組み合わせて、無毒で環境に無害な銀ナノ粒子を生成します。この方法は、エネルギー使用量を削減し、合成時間を短縮し、有害な副生成物を排除し、安定性が非常に高く、粒径分布が一定したナノ粒子を生成します。
超音波で銀ナノ粒子のサイズと形態を制御できますか？
はい。超音波の振幅、周波数、出力密度、超音波処理時間を調整することで、製造者は核生成速度と成長速度を細かく調整できます。これにより、特定の生物医学、電子機器、工業用途に合わせて、5–100 nmのAgNPsをさまざまな形状（球、立方体、三角形の板）で再現性よく製造できます。
環境に優しい超音波合成は、工業規模のAgNP製造に向けてスケールアップできますか？
もちろんです。工業用超音波処理装置は、 連続フロー式反応器 に対応しており、これらの反応器は実験室でのバッチ処理から本格的な製造までシームレスにスケールアップできます。インライン超音波処理は、均一なキャビテーション分布、リアルタイムのプロセス監視、バッチ間の一貫性を確保するため、環境に優しいAgNPの大量製造に最適です。
銀ナノ粒子の超音波合成に最も適した環境に優しい還元剤は何ですか？
効果的で環境に優しい薬剤には、植物抽出物（アロエ、緑茶、柑橘類の果皮など）、炭水化物、アミノ酸、タンパク質、生分解性ポリマーがあります。超音波はこれらの還元効率と安定化効率を高め、高い収率、コロイド安定性、機能的性能を維持しながら、合成化学薬品を完全に置き換えることを可能にします。
AgNPsのソノケミカル合成は、従来の化学的方法と比べてどうですか？
従来の化学的合成経路は、毒性のある還元剤（水素化ホウ素ナトリウムなど）や極端なpHに依存することが多く、有害な廃棄物を発生させます。環境に優しいソノケミカル合成は、安全で再生可能な材料を使用し、周囲温度または穏やかな温度で進行し、処理時間を大幅に短縮するとともに、より清浄で生体適合性が高く、分散性と保存期間に優れたナノ粒子を生成します。
環境に優しい超音波合成による銀ナノ粒子は、どの産業に役立ちますか？
環境に優しいソノケミカル法で合成したAgNPsは、抗菌コーティング、医療機器、創傷ケア、水ろ過、フレキシブルエレクトロニクス、持続可能な包装に広く使用されています。環境に優しい製造により、厳格な環境基準と安全基準への適合が確保されると同時に、高い性能と規制上の受容性が実現されます。
銀ナノ粒子とは何ですか？
銀ナノ粒子は、1nm–100nmのサイズを特徴とします。「銀」と表現されることが多いものの、表面の銀原子と内部の銀原子の比率が大きいため、酸化銀が大きな割合を占めるものもあります。銀ナノ粒子にはさまざまな構造があります。最も一般的に合成されるのは球状の銀ナノ粒子ですが、菱形、八角形、薄いシート状のものも利用されています。
銀ナノ粒子は医療用途で非常によく使用されています。銀イオンは生物活性を持ち、強い抗菌作用と殺菌作用があります。表面積が極めて大きいため、多数の配位子が配位できます。その他の重要な特性として、導電性と独特の光学特性があります。
銀ナノ粒子は、その導電特性を活かして、複合材料、プラスチック、エポキシ樹脂、接着剤に組み込まれることがよくあります。銀粒子は電気伝導性を高めるため、銀ペーストや銀インクは電子機器の製造で頻繁に使用されています。銀ナノ粒子は表面プラズモンを支えるため、AgNPsは優れた光学特性を持ちます。プラズモニック銀ナノ粒子は、センサー、検出器、および表面増強ラマン分光法（SERS）や表面プラズモン場増強蛍光分光法（SPFS）などの分析装置に使用されています。
カラギーナンとは何ですか？
カラギーナンは、さまざまな種類の紅藻に含まれる安価な天然ポリマーです。カラギーナンは直鎖状の硫酸化多糖類であり、ゲル化、増粘、安定化の特性により、食品産業で広く使用されています。食品タンパク質に強く結合するため、主な用途は乳製品と食肉製品です。カラギーナンには、硫酸化の程度が異なる三つの主要な種類があります。カッパカラギーナンは、二糖単位あたり一つの硫酸基を持ちます。イオタカラギーナン（ι-カラギーナン）は、二糖単位あたり二つの硫酸基を持ちます。ラムダカラギーナン（λ-カラギーナン）は、二糖単位あたり三つの硫酸基を持ちます。
カッパカラギーナン（κ-カラギーナン）は、D-ガラクトースと3,6-anhydro-D-galactoseからなる硫酸化多糖類の直鎖構造を持ちます。
κ-カラギーナンは、ゲル化剤や食感の調整などの目的で食品産業に広く使用されています。製品の粘度を高める添加物として、アイスクリーム、クリーム、カッテージチーズ、ミルクシェイク、サラダドレッシング、加糖練乳、豆乳およびその他の植物性ミルク、ソースに含まれることがあります。
さらに、κ-カラギーナンは食品以外の製品にも使用されています。例えば、シャンプーや化粧品クリームの増粘剤、歯磨き粉の成分分離を防ぐ安定剤、消火泡の粘着性を高める増粘剤、芳香剤ゲル、粘度を高めるための靴墨、細胞／酵素を固定化するためのバイオテクノロジー用途、医薬品の丸剤／錠剤における不活性な賦形剤、ペットフードなどです。
異なるκ-カラギーナン濃度におけるAg/κ-カラギーナンのSEM画像。［それぞれ0.1%、0.2%、0.3 %（a、b、c）］。 [Elsupikhe et al. 2015]