Videi draudzīga sonoķīmiska metode sudraba nanodaļiņu iegūšanai
Sudraba nanodaļiņas (AgNPs) ir bieži izmantoti nanomateriāli to pretmikrobu īpašību, optisko īpašību un augstās elektrovadītspējas dēļ. Sonoķīmiskā metode, kurā izmanto kappa karaginānu, ir vienkārša, ērta un videi draudzīga sintēzes metode sudraba nanodaļiņu iegūšanai. κ-karaginānu izmanto kā dabisku, videi draudzīgu stabilizatoru, savukārt lieljaudas ultraskaņa darbojas kā videi draudzīgs reducētājs.
Zaļā ķīmija prasa precīzu parametru kontroli. Mūsu nanomateriālu inženieri palīdzēs jums izvēlēties piemērotu sonotrodi, reaktora ģeometriju un jaudas iestatījumus, lai maksimāli palielinātu iznākumu, kontrolētu daļiņu morfoloģiju un nodrošinātu pilnīgu atbilstību zaļās ķīmijas principiem.
Ag+/κ-karagināns (pa kreisi) un ar ultraskaņu apstrādāts Ag/κ-karagināns (pa labi). Apstrāde ar ultraskaņu tika veikta ar UP400S 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Videi draudzīga sudraba nanodaļiņu sintēze ar ultraskaņu
Elsupikhe et al. (2015) ir izstrādājuši videi draudzīgu sintēzes metodi ar ultraskaņas palīdzību sudraba nanodaļiņu (AgNPs) iegūšanai. Ir labi zināms, ka sonoķīmija veicina daudzas reakcijas šķidrā vidē. Apstrāde ar ultraskaņu ļauj sintezēt AgNPs, izmantojot κ-karaginānu kā dabisku stabilizatoru. Reakcija norisinās istabas temperatūrā, un tajā iegūst sudraba nanodaļiņas ar skaldnēs centrētu kubisku (fcc) kristālstruktūru bez jebkādiem piemaisījumiem. AgNPs daļiņu izmēru sadalījumu var ietekmēt ar κ-karagināna koncentrāciju.
Ar κ-karaginānu pārklāto Ag-NPs lādēto grupu mijiedarbības shēma apstrādes laikā ar ultraskaņu. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedūra: ilgtspējīga sudraba nanodaļiņu sintēze
- Ag-NPs tika sintezētas, reducējot AgNO3 ar ultraskaņu κ-karagināna klātbūtnē. Lai iegūtu dažādus paraugus, tika sagatavotas piecas suspensijas, pievienojot 10 mL 0,1 M AgNO3 40-mL κ-karaginānam. Izmantoto κ-karagināna šķīdumu koncentrācija bija attiecīgi 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 un 0,3 wt%.
- Šķīdumus maisīja 1h, lai iegūtu AgNO3/κ-karaginānu.
- Pēc tam paraugi tika pakļauti intensīvai ultraskaņas iedarbībai: ultraskaņas ierīces UP400S (400W, 24kHz) amplitūda tika iestatīta uz 50%. Apstrāde ar ultraskaņu tika veikta 90min istabas temperatūrā. Šķidrumu ultraskaņas apstrādes ierīces UP400S sonotrode tika iegremdēta tieši reakcijas šķīdumā.
- Pēc apstrādes ar ultraskaņu suspensijas centrifugēja 15min un četras reizes mazgāja ar divreiz destilētu ūdeni, lai noņemtu sudraba jonu atlikumus. Izgulsnētās nanodaļiņas žāvēja vakuumā 40°C temperatūrā visu nakti, lai iegūtu Ag-NPs.
Vienādojums
- nH₂O —apstrāde ar ultraskaņu–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidrolīze–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –reducēšana–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analīze un rezultāti: ar ultraskaņu sintezētas sudraba nanodaļiņas
Lai novērtētu rezultātus, paraugus analizēja, izmantojot UV un redzamās gaismas spektroskopisko analīzi, rentgendifrakciju, FT-IR ķīmisko analīzi, TEM un SEM attēlus.
Ag-NPs skaits palielinājās, pieaugot κ-karagināna koncentrācijai. Ag/κ-karagināna veidošanos noteica ar UV un redzamās gaismas spektroskopiju, kurā virsmas plazmonu absorbcijas maksimums tika novērots no 402 līdz 420nm. Rentgendifrakcijas (XRD) analīze parādīja, ka Ag-NPs ir skaldnēs centrēta kubiska struktūra. Furjē transformācijas infrasarkanais (FT-IR) spektrs liecināja par Ag-NPs klātbūtni κ-karaginānā. Transmisijas elektronu mikroskopijas (TEM) attēls pie augstākās κ-karagināna koncentrācijas parādīja Ag-NPs sadalījumu ar vidējo daļiņu izmēru aptuveni 4,21nm. Skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) attēli ilustrēja Ag-NPs sfērisko formu. SEM analīze parāda, ka, palielinoties κ-karagināna koncentrācijai, notika izmaiņas Ag/κ-karagināna virsmā, tādējādi tika iegūtas maza izmēra Ag-NPs ar sfērisku formu.
Sonoķīmiski sintezēta Ag/κ-karagināna TEM attēli un atbilstošie izmēru sadalījumi pie dažādām κ-karagināna koncentrācijām. [0,1%, 0,2% un 0,3%, attiecīgi (a, b, c)].
UP400S – ultraskaņas ierīce, ko izmanto Ag nanodaļiņu sonoķīmiskai sintēzei
Literatūra/atsauces
- 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.
Bieži uzdotie jautājumi: sudraba nanodaļiņu zaļā sonoķīmiskā sintēze
Kā ultraskaņa uzlabo sudraba nanodaļiņu zaļo sintēzi?
Ultraskaņa izraisa akustisko kavitāciju, radot lokālus augstas temperatūras punktus, kuros sudraba joni tiek strauji reducēti ar videi draudzīgiem reaģentiem. Šis sonoķīmiskais process paātrina reakcijas kinētiku, veicina vienmērīgu kristalizācijas centru veidošanos un ļauj precīzi kontrolēt daļiņu izmēru un formu – tas viss bez agresīvām ķīmiskām vielām vai liela siltumenerģijas daudzuma.
Kādas ir galvenās priekšrocības, ko sniedz zaļā sonoķīmiskā AgNPs iegūšanas metode?
Zaļā sonoķīmiskā sintēze apvieno ultraskaņu ar biosaderīgiem reducētājiem un virsmu pārklājošiem stabilizatoriem (piemēram, augu ekstraktiem, cukuriem vai polimēriem), lai iegūtu netoksiskas, videi nekaitīgas sudraba nanodaļiņas. Šī metode samazina enerģijas patēriņu, saīsina sintēzes laiku, novērš bīstamu blakusproduktu veidošanos un nodrošina ļoti stabilas nanodaļiņas ar nemainīgu izmēru sadalījumu.
Vai ar ultraskaņu var kontrolēt sudraba nanodaļiņu izmēru un morfoloģiju?
Jā. Regulējot ultraskaņas amplitūdu, frekvenci, jaudas blīvumu un apstrādes ar ultraskaņu ilgumu, ražotāji var precīzi pielāgot kristalizācijas centru veidošanās un augšanas ātrumu. Tas ļauj reproducējami ražot 5–100 nm lielas AgNPs dažādās formās (sfēras, kubi, trīsstūrveida plāksnītes), kas pielāgotas konkrētiem biomedicīniskiem, elektronikas vai rūpnieciskiem lietojumiem.
Vai zaļās ultraskaņas sintēzes mērogu var palielināt rūpnieciskai AgNPs ražošanai?
Pilnīgi noteikti. Rūpnieciskie ultraskaņas procesori atbalsta nepārtrauktas plūsmas reaktorus, kas ļauj vienmērīgi palielināt mērogu no laboratorijas partijām līdz pilna mēroga ražošanai. Apstrāde ar ultraskaņu tieši plūsmas līnijā nodrošina vienmērīgu kavitācijas sadalījumu, procesa uzraudzību reāllaikā un nemainīgus rezultātus dažādās partijās, tādēļ tā ir ideāli piemērota videi draudzīgai AgNPs ražošanai lielos apjomos.
Kuri zaļie reducētāji vislabāk darbojas sudraba nanodaļiņu sintēzē ar ultraskaņu?
Efektīvi videi draudzīgi reaģenti ir augu ekstrakti (piemēram, alvejas, zaļās tējas un citrusaugļu mizu ekstrakti), ogļhidrāti, aminoskābes, olbaltumvielas un bioloģiski noārdāmi polimēri. Ultraskaņa uzlabo to reducēšanas un stabilizēšanas efektivitāti, ļaujot pilnībā aizstāt sintētiskās ķīmiskās vielas, vienlaikus saglabājot augstu iznākumu, koloidālo stabilitāti un funkcionālo veiktspēju.
Kā sonoķīmiskā sintēze atšķiras no tradicionālajām ķīmiskajām AgNPs iegūšanas metodēm?
Tradicionālās ķīmiskās metodes bieži balstās uz toksiskiem reducētājiem (piemēram, nātrija borhidrīdu) un galējām pH vērtībām un rada bīstamus atkritumus. Zaļajā sonoķīmiskajā sintēzē izmanto drošus, atjaunīgus materiālus, tā norisinās apkārtējās vides vai mērenā temperatūrā, ievērojami saīsina apstrādes laiku un nodrošina tīrākas, biosaderīgākas nanodaļiņas ar labāku dispersiju un ilgāku glabāšanas laiku.
Kuras nozares gūst labumu no zaļajā sintēzē ar ultraskaņu iegūtām sudraba nanodaļiņām?
Ar zaļajām sonoķīmiskajām metodēm sintezētas AgNPs plaši izmanto pretmikrobu pārklājumos, medicīniskās ierīcēs, brūču aprūpē, ūdens filtrēšanā, elastīgajā elektronikā un ilgtspējīgā iepakojumā. To videi draudzīgā ražošana nodrošina atbilstību stingriem vides un drošības standartiem, vienlaikus nodrošinot augstu veiktspēju un regulatīvo apstiprinājumu.
Kas ir sudraba nanodaļiņas?
Sudraba nanodaļiņām raksturīgs izmērs no 1nm līdz 100nm. Lai gan tās bieži dēvē par ‘sudraba’ daļiņām, dažas lielā mērā sastāv no sudraba oksīda, jo tām ir liela virsmas sudraba atomu skaita attiecība pret tilpumā esošo sudraba atomu skaitu. Sudraba nanodaļiņām var būt dažādas struktūras. Visbiežāk sintezē sfēriskas sudraba nanodaļiņas, taču izmanto arī rombveida un astoņstūrainas daļiņas, kā arī plānas plāksnītes.
Sudraba nanodaļiņas ļoti bieži izmanto medicīnā. Sudraba joni ir bioaktīvi, un tiem ir spēcīga pretmikrobu un baktericīda iedarbība. Nanodaļiņu ārkārtīgi lielais virsmas laukums ļauj koordinatīvi saistīt daudzus ligandus. Citas svarīgas īpašības ir vadītspēja un unikālas optiskās īpašības.
Vadītspējas dēļ sudraba nanodaļiņas bieži iekļauj kompozītmateriālos, plastmasās, epoksīdsveķos un līmēs. Sudraba daļiņas palielina elektrovadītspēju; tādēļ sudraba pastas un tintes bieži izmanto elektronikas ražošanā. Tā kā sudraba nanodaļiņas uztur virsmas plazmonus, AgNPs piemīt izcilas optiskās īpašības. Plazmoniskās sudraba nanodaļiņas izmanto sensoros, detektoros un analītiskajās iekārtās, piemēram, virsmas pastiprinātajā Ramana spektroskopijā (SERS) un virsmas plazmonu lauka pastiprinātajā fluorescences spektroskopijā (SPFS).
Kas ir karagināns?
Karagināns ir lēts dabisks polimērs, kas sastopams dažādās sārtaļģu sugās. Karagināni ir lineāri sulfatēti polisaharīdi, kurus plaši izmanto pārtikas rūpniecībā to želējošo, biezinošo un stabilizējošo īpašību dēļ. Tos galvenokārt izmanto piena un gaļas produktos, jo tie spēcīgi saistās ar pārtikas olbaltumvielām. Ir trīs galvenie karagināna veidi, kas atšķiras pēc sulfatēšanas pakāpes. Kapa karaginānam ir viena sulfātgrupa uz disaharīdu. Jota karaginānam (ι-karaginānam) ir divas sulfātgrupas uz disaharīdu. Lambda karaginānam (λ-karaginānam) ir trīs sulfātgrupas uz disaharīdu.
Kapa karaginānam (κ-karaginānam) ir lineāra sulfatēta polisaharīda struktūra, ko veido D-galaktoze un 3,6-anhidro-D-galaktoze.
κ-karaginānu plaši izmanto pārtikas rūpniecībā, piemēram, kā želējošu vielu un tekstūras mainīšanai. To var atrast kā piedevu saldējumā, krējumā, biezpienā, piena kokteiļos, salātu mērcēs, saldinātos iebiezinātos pienos, sojas pienā un citos augu pienos, kā arī mērcēs, lai palielinātu produkta viskozitāti.
Turklāt κ-karaginānu var atrast nepārtikas produktos, piemēram, kā biezinātāju šampūnos un kosmētiskajos krēmos, zobu pastā (kā stabilizatoru sastāvdaļu atdalīšanās novēršanai), ugunsdzēsības putās (kā biezinātāju putu lipīguma palielināšanai), gaisa atsvaidzinātāju želejās, apavu krēmā (viskozitātes palielināšanai), biotehnoloģijā šūnu/enzīmu imobilizēšanai, farmaceitiskajos preparātos (kā neaktīvu palīgvielu pilotēs/tabletēs), lolojumdzīvnieku barībā utt.
Ag/κ-karagināna SEM attēli pie dažādām κ-karagināna koncentrācijām. [0,1%, 0,2% un 0,3 %, attiecīgi (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]