მწვანე სონოქიმიური გზა ვერცხლის ნანონაწილაკების მიღებისთვის
ვერცხლის ნანონაწილაკები (AgNPs) ხშირად გამოყენებადი ნანომასალებია მათი ანტიმიკრობული თვისებების, ოპტიკური თვისებებისა და მაღალი ელექტროგამტარობის გამო. კაპა-კარაგენანის გამოყენებით სონოქიმიური გზა არის მარტივი, მოსახერხებელი და ეკოლოგიურად სუფთა სინთეზის მეთოდი ვერცხლის ნანონაწილაკების მოსამზადებლად. κ-კარაგენანი გამოიყენება, როგორც ბუნებრივი ეკოლოგიურად სუფთა სტაბილიზატორი, მაშინ როცა სიმძლავრის ულტრაბგერა მოქმედებს, როგორც მწვანე აღმდგენი აგენტი.
მწვანე ქიმია მოითხოვს პარამეტრების ზუსტ კონტროლს. ჩვენი ნანომასალების ინჟინრები დაგეხმარებათ შეარჩიოთ სწორი სონოტროდი, რეაქტორის გეომეტრია და სიმძლავრის პარამეტრები, რათა მაქსიმალურად გაზარდოთ წარმოება, აკონტროლოთ ნაწილაკების მორფოლოგია და უზრუნველყოთ სრული შესაბამისობა მწვანე ქიმიის პრინციპებთან.
Ag+/κ-კარაგენანი (მარცხნივ) და ულტრაბგერით დამუშავებული Ag/κ-კარაგენანი (მარჯვნივ). ულტრაბგერითი დამუშავება ჩატარდა UP400S-ით 90min-ის განმავლობაში.
[Elsupikhe et al. 2015]
ვერცხლის ნანონაწილაკების მწვანე ულტრაბგერითი სინთეზი
Elsupikhe et al. (2015) შეიმუშავეს ვერცხლის ნანონაწილაკების (AgNPs) მოსამზადებლად მწვანე, ულტრაბგერით დახმარებული სინთეზის გზა. ცნობილია, რომ სონოქიმია ხელს უწყობს მრავალ სველ-ქიმიურ რეაქციას. ულტრაბგერითი დამუშავება შესაძლებელს ხდის AgNPs-ის სინთეზს κ-კარაგენანით, როგორც ბუნებრივი სტაბილიზატორით. რეაქცია მიმდინარეობს ოთახის ტემპერატურაზე და იძლევა ვერცხლის ნანონაწილაკებს fcc კრისტალური სტრუქტურით, ყოველგვარი მინარევების გარეშე. AgNPs-ის ნაწილაკების ზომის განაწილებაზე შეიძლება გავლენა იქონიოს κ-კარაგენანის კონცენტრაციამ.
Ag-NPs-ის დამუხტულ ჯგუფებს შორის ურთიერთქმედების სქემა, რომლებიც დაფარულია κ-კარაგენანით ულტრაბგერითი დამუშავების დროს. [Elsupikhe et al. 2015]
პროცედურა: ვერცხლის ნანონაწილაკების მდგრადი სინთეზი
- Ag-NPs სინთეზირებული იქნა AgNO3 -ის აღდგენით ულტრაბგერითი დამუშავების გზით κ-კარაგენანის არსებობისას. სხვადასხვა ნიმუშების მისაღებად, მომზადდა ხუთი სუსპენზია, 10 mL 0,1 M AgNO3 -ის დამატებით 40-mL κ-კარაგენანში. გამოყენებული κ-კარაგენანის ხსნარები იყო 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 და 0,3 wt%, შესაბამისად.
- ხსნარები ირეოდა 1h-ის განმავლობაში AgNO3/κ-კარაგენანის მისაღებად.
- შემდეგ, ნიმუშები დაექვემდებარნენ ინტენსიურ ულტრაბგერით გამოსხივებას: ულტრაბგერითი მოწყობილობის UP400S (400W, 24kHz) ამპლიტუდა დაყენდა 50%-ზე. ულტრაბგერითი დამუშავება გამოიყენებოდა 90min-ის განმავლობაში ოთახის ტემპერატურაზე. ულტრაბგერითი სითხის დამმუშავებლების UP400S სონოტროდი პირდაპირ ჩაეშვა რეაქციის ხსნარში.
- ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ, სუსპენზიები ცენტრიფუგირდებოდა 15min-ის განმავლობაში და ოთხჯერ გაირეცხა ორმაგად გამოხდილი წყლით ვერცხლის იონების ნაშთების მოსაშორებლად. დალექილი ნანონაწილაკები გაშრა 40°C-ზე ვაკუუმში ღამის განმავლობაში Ag-NPs-ის მისაღებად.
განტოლება
- nH₂O —ულტრაბგერითი დამუშავება–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–ჰიდროლიზი–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –აღდგენა–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
ანალიზი და შედეგები: ულტრაბგერით სინთეზირებული ვერცხლის ნანონაწილაკები
შედეგების შესაფასებლად, ნიმუშები ანალიზდებოდა UV-ხილული სპექტროსკოპიული ანალიზით, რენტგენული დიფრაქციით, FT-IR ქიმიური ანალიზით, TEM და SEM გამოსახულებებით.
Ag-NPs-ის რაოდენობა იზრდებოდა κ-კარაგენანის კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად. Ag/κ-კარაგენანის წარმოქმნა დადგინდა UV-ხილული სპექტროსკოპიით, სადაც ზედაპირული პლაზმონის შთანთქმის მაქსიმუმი დაფიქსირდა 402-დან 420nm-მდე. რენტგენული დიფრაქციის (XRD) ანალიზმა აჩვენა, რომ Ag-NPs არის წინა ცენტრირებული კუბური სტრუქტურის. ფურიეს გარდაქმნის ინფრაწითელი (FT-IR) სპექტრი მიუთითებდა Ag-NPs-ის არსებობაზე κ-კარაგენანში. κ-კარაგენანის უმაღლესი კონცენტრაციისთვის გადაცემის ელექტრონული მიკროსკოპიის (TEM) გამოსახულებამ აჩვენა Ag-NPs-ის განაწილება საშუალო ნაწილაკების ზომით, რომელიც ახლოს იყო 4,21nm-თან. სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიის (SEM) გამოსახულებებმა აჩვენა Ag-NPs-ის სფერული ფორმა. SEM ანალიზი აჩვენებს, რომ κ-კარაგენანის კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად, Ag/κ-კარაგენანის ზედაპირზე მოხდა ცვლილებები, ისე რომ მიღებულ იქნა მცირე ზომის Ag-NPs სფერული ფორმით.
TEM გამოსახულებები და შესაბამისი ზომის განაწილებები სონოქიმიურად სინთეზირებული Ag/κ-კარაგენანისთვის κ-კარაგენანის სხვადასხვა კონცენტრაციებზე. [0,1%, 0,2% და 0,3%, შესაბამისად (a, b, c)].
UP400S – ულტრაბგერითი აპარატი, რომელიც გამოიყენება Ag ნანონაწილაკების სონოქიმიური სინთეზისთვის
ლიტერატურა/რეფერატები
- 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.
ხშირად დასმული კითხვები: ვერცხლის ნანონაწილაკების მწვანე სონოქიმიური სინთეზი
როგორ აუმჯობესებს ულტრაბგერა ვერცხლის ნანონაწილაკების მწვანე სინთეზს?
ულტრაბგერა იწვევს აკუსტიკურ კავიტაციას, რაც ქმნის ლოკალიზებულ ცხელ წერტილებს, რომლებიც სწრაფად ამცირებენ ვერცხლის იონებს ეკოლოგიურად სუფთა აგენტების გამოყენებით. ეს სონოქიმიური პროცესი აჩქარებს რეაქციის კინეტიკას, ხელს უწყობს ერთგვაროვან ნუკლეაციას და საშუალებას იძლევა ზუსტი კონტროლი განხორციელდეს ნაწილაკების ზომასა და ფორმაზე – ყველაფერი ეს მკაცრი ქიმიკატების ან მაღალი თერმული ენერგიის გარეშე.
რა არის AgNPs-ის მწვანე სონოქიმიური გზის მთავარი უპირატესობები?
მწვანე სონოქიმიური სინთეზი აერთიანებს ულტრაბგერას ბიოთავსებად აღმდგენ და სტაბილიზატორ (კეპინგ) აგენტებთან (როგორიცაა მცენარეული ექსტრაქტები, შაქრები ან პოლიმერები), რათა მივიღოთ არატოქსიკური, ეკოლოგიურად უვნებელი ვერცხლის ნანონაწილაკები. მეთოდი ამცირებს ენერგიის ხარჯვას, ამოკლებს სინთეზის დროს, გამორიცხავს საშიშ გვერდით პროდუქტებს და იძლევა მაღალსტაბილურ ნანონაწილაკებს თანმიმდევრული ზომის განაწილებით.
შეუძლია თუ არა ულტრაბგერას ვერცხლის ნანონაწილაკების ზომისა და მორფოლოგიის კონტროლი?
დიახ. ულტრაბგერითი ამპლიტუდის, სიხშირის, სიმძლავრის სიმკვრივისა და ულტრაბგერითი დამუშავების დროის კორექტირებით, მწარმოებლებს შეუძლიათ ზუსტად დაარეგულირონ ნუკლეაციისა და ზრდის სიჩქარეები. ეს საშუალებას იძლევა განმეორებადად წარმოიქმნას AgNPs 5–100 nm დიაპაზონში სხვადასხვა ფორმით (სფეროები, კუბები, სამკუთხა ფირფიტები), რომლებიც მორგებულია კონკრეტულ ბიომედიცინურ, ელექტრონულ ან სამრეწველო გამოყენებებზე.
შესაძლებელია თუ არა ულტრაბგერითი მწვანე სინთეზის მასშტაბირება AgNP-ის სამრეწველო წარმოებისთვის?
აბსოლუტურად. სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები უჭერენ მხარს უწყვეტი ნაკადის რეაქტორებს , რომლებიც შეუფერხებლად მასშტაბირდება ლაბორატორიული პარტიებიდან სრულ წარმოებამდე. ინლაინ ულტრაბგერითი დამუშავება უზრუნველყოფს კავიტაციის ერთგვაროვან განაწილებას, პროცესის მონიტორინგს რეალურ დროში და პარტიებს შორის თანმიმდევრულობას, რაც მას იდეალურს ხდის მაღალი მოცულობის, ეკოლოგიურად სუფთა AgNP-ის წარმოებისთვის.
რომელი მწვანე შემამცირებელი აგენტები მუშაობს უკეთესად ულტრაბგერით ვერცხლის ნანონაწილაკების სინთეზთან ერთად?
ეფექტური ეკოლოგიურად სუფთა აგენტები მოიცავს ბოტანიკურ ექსტრაქტებს (მაგ., ალოე, ჩაის ფოთლები, ციტრუსის კანები), ნახშირწყლებს, ამინომჟავებს, ცილებს და ბიოდეგრადირებად პოლიმერებს. ულტრაბგერა ზრდის მათ შემამცირებელ და სტაბილიზაციურ ეფექტურობას, რაც საშუალებას იძლევა სინთეზური ქიმიკატების სრული ჩანაცვლება მაღალი გამოსავლიანობის, კოლოიდური სტაბილურობისა და ფუნქციური შესრულების შენარჩუნებით.
როგორ შეედრება სონოქიმიური სინთეზი AgNPs-ის ტრადიციულ ქიმიურ მეთოდებს?
კონვენციური ქიმიური გზები ხშირად ემყარება ტოქსიკურ შემამცირებლებს (მაგ., ნატრიუმის ბორჰიდრიდი), ექსტრემალურ pH-ს და წარმოქმნიან საშიშ ნარჩენებს. მწვანე სონოქიმიური სინთეზი იყენებს უსაფრთხო, განახლებად მასალებს, მუშაობს გარემოს ან ზომიერ ტემპერატურაზე, მნიშვნელოვნად ამცირებს დამუშავების დროს და აწარმოებს უფრო სუფთა, უფრო ბიოთავსებად ნანონაწილაკებს უმაღლესი დისპერსიითა და შენახვის ვადით.
რომელი ინდუსტრიები იღებენ სარგებელს მწვანე ულტრაბგერითი ვერცხლის ნანონაწილაკებისგან?
მწვანე სონოქიმიური მეთოდებით სინთეზირებული AgNPs ფართოდ გამოიყენება ანტიმიკრობული საფარების, სამედიცინო მოწყობილობების, ჭრილობების მოვლის, წყლის ფილტრაციის, მოქნილი ელექტრონიკისა და მდგრადი შეფუთვის სფეროებში. მათი ეკოლოგიურად სუფთა წარმოება უზრუნველყოფს მკაცრი გარემოსდაცვითი და უსაფრთხოების სტანდარტების შესაბამისობას, მაღალი შესრულებისა და რეგულაციური აღიარების პარალელურად.
რა არის ვერცხლის ნანონაწილაკები?
ვერცხლის ნანონაწილაკები ხასიათდება 1nm-დან 100nm-მდე ზომით. მიუხედავად იმისა, რომ ხშირად აღიწერება როგორც „ვერცხლი“, ზოგიერთი შედგება ვერცხლის ოქსიდის დიდი პროცენტული რაოდენობით, ზედაპირული და მოცულობითი ვერცხლის ატომების მაღალი თანაფარდობის გამო. ვერცხლის ნანონაწილაკებს შეიძლება ჰქონდეთ სხვადასხვა სტრუქტურა. ყველაზე ხშირად სინთეზდება სფერული ვერცხლის ნანონაწილაკები, მაგრამ ასევე გამოიყენება ალმასის, ოქტაგონალური და თხელი ფირფიტების ფორმის ნაწილაკები.
ვერცხლის ნანონაწილაკები ფართოდ გამოიყენება სამედიცინო დანიშნულებით. ვერცხლის იონები ბიოაქტიურია და აქვთ ძლიერი ანტიმიკრობული და დეზინფექციური ეფექტები. მათი უკიდურესად დიდი ზედაპირული ფართობი საშუალებას იძლევა მოხდეს მრავალი ლიგანდის კოორდინაცია. სხვა მნიშვნელოვანი მახასიათებლებია გამტარობა და უნიკალური ოპტიკური თვისებები.
მათი გამტარი თვისებების გამო, ვერცხლის ნანონაწილაკები ხშირად შედის კომპოზიტებში, პლასტმასებში, ეპოქსიდებში და წებოებში. ვერცხლის ნაწილაკები ზრდის ელექტროგამტარობას; ამიტომ, ვერცხლის პასტები და მელნები ხშირად გამოიყენება ელექტრონიკის წარმოებაში. ვინაიდან ვერცხლის ნანონაწილაკები უზრუნველყოფენ ზედაპირული პლაზმონების არსებობას, AgNPs აქვთ შესანიშნავი ოპტიკური თვისებები. პლაზმონური ვერცხლის ნანონაწილაკები გამოიყენება სენსორებში, დეტექტორებში და ანალიტიკურ მოწყობილობებში, როგორიცაა ზედაპირით გაძლიერებული რამანის სპექტროსკოპია (SERS) და ზედაპირული პლაზმონური ველით გაძლიერებული ფლუორესცენციის სპექტროსკოპია (SPFS).
რა არის კარაგენანი?
კარაგინანი არის იაფი ბუნებრივი პოლიმერი, რომელიც გვხვდება წითელი წყალმცენარეების სხვადასხვა სახეობაში. კარაგინანები არის წრფივი სულფატირებული პოლისაქარიდები, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება კვების მრეწველობაში მათი ჟელეწარმომქმნელი, გასქელებისა და სტაბილიზაციის თვისებების გამო. მათი ძირითადი გამოყენება რძისა და ხორცის პროდუქტებშია, საკვებ ცილებთან მათი ძლიერი შეკავშირების გამო. არსებობს კარაგინანის სამი ძირითადი სახეობა, რომლებიც განსხვავდება სულფატაციის ხარისხით. კაპა-კარაგინანს აქვს ერთი სულფატური ჯგუფი თითო დისაქარიდზე. იოტა-კარაგინანს (ι-carrageenen) აქვს ორი სულფატური ჯგუფი თითო დისაქარიდზე. ლამბდა-კარაგინანს (λ-carrageenen) აქვს სამი სულფატური ჯგუფი თითო დისაქარიდზე.
კაპა კარაგინანს (κ-carrageenan) აქვს D-გალაქტოზის და 3,6-ანჰიდრო-D-გალაქტოზის სულფატური პოლისაქარიდის წრფივი სტრუქტურა.
κ-კარაგინანი ფართოდ გამოიყენება კვების მრეწველობაში, მაგალითად, როგორც ჟელეწარმომქმნელი აგენტი და ტექსტურის მოდიფიკაციისთვის. ის გამოიყენება დანამატის სახით ნაყინში, ნაღებში, ხაჭოში, რძის კოქტეილებში, სალათის საკაზმებში, შაქრიან შესქელებულ რძეში, სოიოს რძესა და სხვა მცენარეულ რძეებში, ასევე სოუსებში, პროდუქტის სიბლანტის გასაზრდელად.
გარდა ამისა, κ-carrageenan გამოიყენება არასასურსათო პროდუქტებშიც: შამპუნებსა და კოსმეტიკურ კრემებში გასქელების საშუალებად, კბილის პასტაში (როგორც სტაბილიზატორი კომპონენტების განცალკევების თავიდან ასაცილებლად), ხანძარსაქრობ ქაფში (როგორც გასქელების საშუალება ქაფისთვის წებოვნების მისანიჭებლად), ჰაერის გამაგრილებელ გელებში, ფეხსაცმლის საცხში (სიბლანტის გასაზრდელად), ბიოტექნოლოგიაში უჯრედების/ფერმენტების იმობილიზაციისთვის, ფარმაცევტიკაში (როგორც არააქტიური დამხმარე ნივთიერება აბებში/ტაბლეტებში), შინაური ცხოველების საკვებში და ა.შ.
SEM სურათები Ag/κ-carrageenan-ისთვის κ-carrageenan-ის სხვადასხვა კონცენტრაციებზე. [0,1%, 0,2% და 0,3 %, შესაბამისად (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]