銀ナノ粒子へのグリーン・ソノケミカル・ルート
銀ナノ粒子(AgNPs)は、その抗菌性、光学特性、高い電気伝導性により、頻繁に利用されるナノ材料である。κ-カラギーナンは環境に優しい天然安定剤として使用され、超音波は環境に優しい還元剤として作用する。
グリーンケミストリーには、パラメータの精密な制御が求められます。当社のナノ材料エンジニアが、収率の最大化、粒子形態の制御、そしてグリーンケミストリーの原則への完全な準拠を実現するために、最適なソノトロード、反応器の形状、および出力設定の選定をお手伝いいたします。
Ag+/κ-カラギーナン（左）および超音波処理を施したAg/κ-カラギーナン（右）。超音波処理はUP400Sを用いて90分間行った。
[Elsupikhe ら 2015]
銀ナノ粒子のグリーン超音波合成
Elsupikheら(2015)は、銀ナノ粒子(AgNPs)調製のためのグリーンな超音波支援合成ルートを開発した。ソノケミストリーは、多くの湿式化学反応を促進することでよく知られている。超音波処理により、κ-カラギーナンを天然安定剤としてAgNPsを合成することができる。この反応は室温で行われ、不純物を含まないfcc結晶構造を持つ銀ナノ粒子を生成する。AgNPの粒度分布はκ-カラギーナンの濃度に影響される。
超音波処理によるκ-カラギーナンでキャッピングされたAg-NPs荷電基間の相互作用のスキーム。[Elsupikhe et al.］
手順：銀ナノ粒子の持続可能な合成
- Ag-NPsは、AgNO3 κ-カラギーナンの存在下で超音波処理を行った。異なるサンプルを得るために、5つの懸濁液を調製した。3 を40mLのκ-カラギーナンに添加した。使用したκ-カラギーナン溶液は、それぞれ0.1、0.15、0.20、0.25、および0.3 wt%であった。
- 溶液を1時間撹拌し、AgNOを得た。3/κ-カラギーナン
- その後、試料に強い超音波を照射した：超音波装置の振幅 UP400S (400W、24kHz）を50％に設定した。超音波処理は室温で90分間行った。超音波液体処理装置のソノトロード UP400S を反応液に直接浸した。
- 超音波処理後、懸濁液を15分間遠心分離し、二重蒸留水で4回洗浄して残留銀イオンを除去した。沈殿したナノ粒子を40℃で一晩真空乾燥し、Ag-NPを得た。
方程式
- 水なし —ソニケーション–> OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–加水分解–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- アグ+ + H –削減–> アグ
- アグ+ + H2O —> Ag° + OH + H+
分析と結果：超音波法による銀ナノ粒子の合成
結果を評価するため、サンプルは紫外可視分光分析、X線回折、FT-IR化学分析、TEMおよびSEM画像によって分析された。
Ag-NPの数は、κ-カラギーナンの濃度が高くなるにつれて増加した。 Ag/κ-カラギーナンの形成は、UV-可視分光法によって確認され、表面プラズモン吸収の最大値は402～420 nmで観測された。X線回折（XRD）分析の結果、Ag-NPは面心立方構造であることが示された。 フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）スペクトルは、κ-カラギーナン中に Ag-NP が存在することを示した。κ-カラギーナンの最高濃度における透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、平均粒子径が 4.21 nm に近い Ag-NP の分布を示した。 走査型電子顕微鏡（SEM）画像からは、Ag-NPsが球形であることが確認された。SEM解析によると、κ-カラギーナンの濃度が増加するにつれて、Ag/κ-カラギーナンの表面に変化が生じ、その結果、球形の微小なAg-NPsが得られた。
κ-カラギーナンの濃度を変えて超音波化学的に合成したAg/κ-カラギーナンのTEM像と対応する粒度分布。[それぞれ0.1%、0.2%、0.3%(a, b, c)]。
UP400S – Agナノ粒子の超音波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：銀ナノ粒子の環境に優しい超音波化学合成
超音波は、銀ナノ粒子のグリーン合成をどのように改善するのでしょうか？
超音波は音響キャビテーションを引き起こす、環境に優しい薬剤を用いて銀イオンを急速に減少させる局所的なホットスポットを形成します。この超音波化学プロセスは、反応速度を加速し、均一な核生成を促進するとともに、粒子径や形状を精密に制御することを可能にします。これらすべてを、有害な化学物質や高熱エネルギーを用いることなく実現します。
AgNPsの環境に優しい超音波化学合成法の主な利点は何ですか？
グリーン超音波化学合成法は、超音波と生体適合性のある還元剤および封端剤（植物抽出物、糖類、ポリマーなど）を組み合わせることで、無毒で環境に優しい銀ナノ粒子を生成する。この手法により、エネルギー消費の削減、合成時間の短縮、有害な副生成物の発生防止が可能となり、サイズ分布が均一で安定性の高いナノ粒子を得ることができる。
超音波によって銀ナノ粒子のサイズや形態を制御することは可能か？
はい。超音波の振幅、周波数、出力密度、および超音波処理時間を調整することで、メーカーは核生成速度や成長速度を微調整することができます。これにより、特定の生物医学、電子、あるいは産業用途に合わせて、5～100 nmの範囲でさまざまな形状（球体、立方体、三角板）のAgNPを再現性高く製造することが可能になります。
超音波を用いた環境に優しい合成法は、工業規模でのAgNP生産に適用可能か？
もちろんです。産業用超音波処理装置は、以下の機能をサポートしています。 連続流式反応器 実験室規模のバッチから本格的な製造まで、シームレスにスケールアップが可能です。インライン超音波処理により、キャビテーションの均一な分布、リアルタイムのプロセスモニタリング、およびバッチ間の均一性が確保されるため、大量かつ環境に優しいAgNPの製造に最適です。
超音波を用いた銀ナノ粒子の合成には、どのような緑色の還元剤が最も適していますか？
効果的な環境配慮型薬剤には、植物エキス（アロエ、緑茶、柑橘類の皮など）、炭水化物、アミノ酸、タンパク質、および生分解性ポリマーなどが挙げられます。超音波処理により、これらの物質の還元・安定化効率が向上し、高い収率、コロイドの安定性、および機能性能を維持しつつ、合成化学物質を完全に置き換えることが可能になります。
AgNPsの超音波化学合成は、従来の化学的方法と比べてどうでしょうか？
従来の化学合成法では、有毒な還元剤（例えば、ホウ水素化ナトリウム）や極端なpH条件に依存することが多く、有害廃棄物を発生させます。一方、環境に優しい超音波化学合成法では、安全で再生可能な材料を使用し、常温または穏やかな温度条件下で反応を行うため、処理時間を大幅に短縮できるほか、分散性や保存性に優れた、よりクリーンで生体適合性の高いナノ粒子を生成することができます。
環境に優しい超音波法で製造された銀ナノ粒子は、どのような産業にメリットをもたらすのでしょうか？
グリーン超音波合成法によって合成された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、および持続可能な包装材料などで広く利用されています。その環境に優しい製造プロセスにより、厳しい環境・安全基準への準拠が確保されると同時に、高い性能と規制当局の承認も得られています。
銀ナノ粒子とは何ですか？
銀ナノ粒子の大きさは1nmから100nmである。頻繁に「銀」と表現されるが’ 銀ナノ粒子の中には、表面とバルクの銀原子の割合が大きいため、酸化銀の割合が大きいものもある。銀ナノ粒子はさまざまな構造で現れる。最も一般的なのは球状の銀ナノ粒子ですが、ダイヤモンドや八角形、薄いシートも利用されています。
銀ナノ粒子は医療用途で非常に頻繁に使用されている。銀イオンは生理活性があり、強力な抗菌・殺菌効果がある。表面積が非常に大きいため、多くの配位子を配位させることができる。その他の重要な特性は、導電性とユニークな光学特性である。
銀ナノ粒子は導電性を持つため、複合材料、プラスチック、エポキシ樹脂、接着剤などによく配合される。銀粒子は電気伝導性を高めるため、銀ペーストやインクは電子機器の製造に頻繁に使用される。銀ナノ粒子は表面プラズモンをサポートするため、AgNPsは優れた光学特性を持つ。プラズモン銀ナノ粒子は、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）のようなセンサー、検出器、分析機器に使用されている。
カラギーナンとは何ですか？
カラギーナンは安価な天然ポリマーで、様々な種類のアカモクに含まれている。カラギーナンは直鎖の硫酸化多糖類で、ゲル化、増粘、安定化作用があるため、食品産業で広く使用されている。カラギーナンの主な用途は乳製品や肉製品で、その理由は食品タンパク質との強い結合力である。カラギーナンには主に3つの種類があり、硫酸化の度合いが異なる。κ-カラギーナンは二糖につき硫酸基が一つ。ι-カラギーナン（ι-carrageenan）には二糖につき2つの硫酸基がある。λ-カラギーナン（λ-carrageenan）には二糖あたり3つの硫酸基がある。
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-アンヒドロ-D-ガラクトースの硫酸化多糖の直鎖構造を持つ。
κ-カラギーナンは、ゲル化剤や食感改良剤として食品産業で広く使用されています。アイスクリーム、クリーム、カッテージチーズ、ミルクセーキ、サラダドレッシング、加糖練乳、豆乳などの添加物として使用されています。 & 他の植物性ミルクやソースは、製品の粘度を高めるために使用される。
さらに、κ-カラギーナンは、シャンプーや化粧品クリームの増粘剤、歯磨き粉（成分が分離するのを防ぐ安定剤として）、消火フォーム（泡が粘着性を持つようにする増粘剤として）、芳香剤ジェル、靴墨（粘度を増すため）、細胞／酵素を固定化するバイオテクノロジー、医薬品（錠剤／タブレットの不活性賦形剤として）、ペットフードなどの非食品にも見出すことができる。
κ-カラギーナンの濃度を変えた場合のAg/κ-カラギーナンのSEM像。[それぞれ0.1％、0.2％、0.3％（a、b、c）］。[Elsupikheら、2015］。