Zaļais Sonochemical ceļš uz sudraba nanodaļiņām
Sudraba nanodaļiņas (AgNPs) bieži tiek izmantotas nanomateriāli to pretmikrobu īpašību, optisko īpašību un augstās elektriskās vadītspējas dēļ. Sonoķīmiskais ceļš, izmantojot kappa karaginānu, ir vienkārša, ērta un videi draudzīga sintēzes metode sudraba nanodaļiņu sagatavošanai. κ-karagināns tiek izmantots kā dabisks videi draudzīgs stabilizators, bet jaudas ultraskaņa darbojas kā zaļš reducētājs.
Zaļā ķīmija prasa precīzu parametru kontroli. Mūsu nanomateriālu inženieri palīdzēs jums izvēlēties piemērotu sonotrodu, reaktora ģeometriju un jaudas iestatījumus, lai maksimizētu iznākumu, kontrolētu daļiņu morfoloģiju un nodrošinātu pilnīgu atbilstību zaļās ķīmijas principiem.
Ag+/κ-karagēns (kreisajā pusē) un ar ultraskaņu apstrādāts Ag/κ-karagēns (labajā pusē). Ultraskaņas apstrāde tika veikta ar ierīci UP400S 90 minūtes.
[Elsupikhe u.c. 2015]
Sudraba nanodaļiņu zaļā ultraskaņas sintēze
(2015) ir izstrādājuši zaļu ultrasoniski atbalstītu sintēzes ceļu sudraba nanodaļiņu (AgNPs) sagatavošanai. Ir labi zināms, ka Sonochemistry veicina daudzas mitras ķīmiskas reakcijas. Ultraskaņas apstrāde ļauj sintezēt AgNPs ar κ-karaginānu kā dabisku stabilizatoru. Reakcija notiek istabas temperatūrā un rada sudraba nanodaļiņas ar fcc kristāla struktūru bez piemaisījumiem. AgNP daļiņu izmēru sadalījumu var ietekmēt κ-karagināna koncentrācija.
Mijiedarbības shēma starp Ag-NPs uzlādētajām grupām, kas ir ierobežotas ar κ-karaginānu ar ultraskaņu. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedūra: Sudraba nanodaļiņu ilgtspējīga sintēze
- Ag-NPs tika sintezēti, samazinot AgNO3 izmantojot ultrasonication κ-karagināna klātbūtnē. Lai iegūtu dažādus paraugus, tika sagatavotas piecas suspensijas, pievienojot 10 ml 0,1 M AgNO3 līdz 40 ml κ-karagināna. Izmantotie κ-karagināna šķīdumi bija attiecīgi 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 un 0,3 masas%.
- Šķīdumus maisīja 1h, lai iegūtu AgNO3/κ-karagināns.
- Pēc tam paraugi tika pakļauti intensīvai ultraskaņas apstarošanai: Ultraskaņas ierīces amplitūda UP400S (400W, 24kHz) tika iestatīts uz 50%. Ultraskaņas apstrāde tika piemērota 90min istabas temperatūrā. Ultraskaņas šķidruma procesoru sonotrode UP400S tika iegremdēts tieši reakcijas šķīdumā.
- Pēc ultraskaņas apstrādes suspensijas centrifugēja 15 minūtes un četras reizes mazgāja ar dubultu destilētu ūdeni, lai noņemtu sudraba jonu atlikumu. Nogulsnētās nanodaļiņas visu nakti žāvēja vakuumā 40 ° C temperatūrā, lai iegūtu Ag-NPs.
Vienādojums
- nav ūdens —Ultraskaņas apstrāde–> +H + OH
- AK + RH –> R + H₂O
- No₃–Hidrolīze–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –Samazinājumus–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analīze un rezultāti: ar ultraskaņas metodi sintezētas sudraba nanodaļiņas
Lai novērtētu rezultātus, paraugi tika analizēti ar UV redzamo spektroskopisko analīzi, rentgenstaru difrakciju, FT-IR ķīmisko analīzi, TEM un SEM attēliem.
Ag-NP skaits pieauga līdz ar κ-karagēna koncentrācijas palielināšanos. Ag/κ-karagēna veidošanās tika noteikta, izmantojot UV-redzamās gaismas spektroskopiju, kur virsmas plazmonu absorbcijas maksimums tika novērots diapazonā no 402 līdz 420 nm. Rentgena difrakcijas (XRD) analīze parādīja, ka Ag-NP ir ar virsmas centrētu kubisko struktūru. Fouriera transformācijas infrasarkanā (FT-IR) spektrs liecināja par Ag-NP klātbūtni κ-karagēnā. Transmisijas elektronu mikroskopijas (TEM) attēls, kas uzņemts pie augstākās κ-karagēna koncentrācijas, parādīja Ag-NP sadalījumu ar vidējo daļiņu izmēru aptuveni 4,21 nm. Skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) attēli ilustrēja Ag-NP sfērisku formu. SEM analīze liecina, ka, palielinoties κ-karagēna koncentrācijai, notika izmaiņas Ag/κ-karagēna virsmā, kā rezultātā tika iegūtas maza izmēra sfēriska formas Ag-NP.
TEM attēli un atbilstošais izmēru sadalījums sonoķīmiski sintezētam Ag/κ-karaginānam dažādās κ-karagināna koncentrācijās. [attiecīgi 0,1%, 0,2% un 0,3% (a, b, c)].
UP400S – ultraskaņas ierīce, ko izmanto Ag nanodaļiņu sonoķīmiskajai 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 ekoloģiska sonohimiskā sintēze
Kā ultraskaņa uzlabo sudraba nanodaļiņu „zaļo” sintēzi?
Ultraskaņa izraisa akustisko kavitāciju, radot lokalizētus karstpunktus, kuros, izmantojot videi draudzīgus līdzekļus, strauji samazinās sudraba jonu koncentrācija. Šis sonoķīmiskais process paātrina reakcijas kinētiku, veicina vienmērīgu kodolu veidošanos un ļauj precīzi kontrolēt daļiņu izmēru un formu — un to visu bez agresīvu ķimikāliju vai augstas siltumenerģijas izmantošanas.
Kādas ir galvenās priekšrocības, izmantojot videi draudzīgu sonohimisko metodi AgNP ražošanai?
Zaļā sonohimiskā sintēze apvieno ultraskaņu ar biokompatibliem reducējošiem un apvalka veidojošiem aģentiem (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 ļauj iegūt ļoti stabilas nanodaļiņas ar vienmērīgu izmēru sadalījumu.
Vai ar ultraskaņas palīdzību var regulēt sudraba nanodaļiņu izmēru un morfoloģiju?
Jā. Regulējot ultraskaņas amplitūdu, frekvenci, jaudas blīvumu un apstrādes laiku, ražotāji var precīzi pielāgot kodolu veidošanās un augšanas ātrumus. Tas ļauj reproducējami ražot AgNP daļiņas ar izmēriem no 5 līdz 100 nm dažādās formās (sfēras, kubi, trīsstūrveida plāksnes), kas pielāgotas konkrētiem biomedicīnas, elektronikas vai rūpniecības pielietojumiem.
Vai ultraskaņas „zaļā” sintēze ir pielāgojama rūpnieciskai AgNP ražošanai?
Pilnīgi noteikti. Rūpnieciskie ultraskaņas procesori nodrošina nepārtrauktas plūsmas reaktori kas ļauj vienkārši pāriet no laboratorijas partijām uz pilna apjoma ražošanu. Iekļautā ultraskaņas apstrāde nodrošina vienmērīgu kavitācijas sadali, procesa uzraudzību reālajā laikā un partiju savstarpējo atbilstību, tādējādi padarot to ideāli piemērotu liela apjoma, videi draudzīgai AgNP ražošanai.
Kādi zaļie reducētāji vislabāk darbojas sudraba nanodaļiņu sintēzē, izmantojot ultraskaņu?
Efektīviem videi draudzīgiem aktīvajiem komponentiem pieder augu ekstrakti (piemēram, alveja, zaļā tēja, citrusaugļu mizas), ogļhidrāti, aminoskābes, olbaltumvielas un bioloģiski noārdāmie polimēri. Ultraskaņa uzlabo to reducējošo un stabilizējošo iedarbību, ļaujot pilnībā aizstāt sintētiskās ķīmiskās vielas, vienlaikus saglabājot augstu iznākumu, koloidālo stabilitāti un funkcionālo veiktspēju.
Kā sonohimiskā sintēze salīdzinās ar tradicionālajām ķīmiskajām metodēm AgNP iegūšanai?
Tradicionālās ķīmiskās metodes bieži vien balstās uz toksiskiem reducētājiem (piemēram, nātrija borohidrīdu), ārkārtīgi augstu vai zemu pH līmeni un rada bīstamus atkritumus. Ekoloģiskā sonohimiskā sintēze izmanto drošas, atjaunojamas izejvielas, noris istabas temperatūrā vai zemā temperatūrā, ievērojami saīsina apstrādes laiku un rada tīrākas, bioloģiski saderīgākas nanodaļiņas ar labāku dispersiju un ilgāku glabāšanas laiku.
Kuras nozares gūst labumu no videi draudzīgajām ultraskaņas sudraba nanodaļiņām?
Ar videi draudzīgām sonohīmiskām metodēm sintezētie AgNP tiek plaši izmantoti antimikrobiālajos pārklājumos, medicīniskajās ierīcēs, brūču aprūpē, ūdens filtrēšanā, elastīgajā elektronikā un ilgtspējīgajos iepakojumos. To videi draudzīgā ražošana nodrošina atbilstību stingriem vides un drošības standartiem, vienlaikus garantējot augstu veiktspēju un atbilstību normatīvajām prasībām.
Kas ir sudraba nanodaļiņas?
Sudraba nanodaļiņām raksturīgs izmērs no 1nm līdz 100nm. Lai gan bieži tiek raksturots kā "sudrabs’ daži no tiem sastāv no liela sudraba oksīda procentuālā daudzuma, jo to virsmas un masas sudraba atomu attiecība ir liela. Sudraba nanodaļiņas var parādīties ar dažādām struktūrām. Visbiežāk tiek sintezētas sfēriskas sudraba nanodaļiņas, bet tiek izmantotas arī dimanta, astoņstūra un plānas loksnes.
Sudraba nanodaļiņas ir ļoti bieži sastopamas medicīnā. Sudraba joni ir bioaktīvi un tiem ir spēcīga pretmikrobu un baktericīda iedarbība. To ārkārtīgi lielais virsmas laukums ļauj koordinēt daudzus ligandus. Citas svarīgas īpašības ir vadītspēja un unikālas optiskās īpašības.
To vadošo īpašību dēļ sudraba nanodaļiņas bieži tiek iekļautas kompozītmateriālos, plastmasās, epoksīdos un līmēs. Sudraba daļiņas palielina elektrisko vadītspēju; Tāpēc elektronikas ražošanā bieži tiek izmantotas sudraba pastas un tintes. Tā kā sudraba nanodaļiņas atbalsta virsmas plazmonus, AgNPs ir izcilas optiskās īpašības. Plazmoniskās sudraba nanodaļiņas tiek izmantotas sensoriem, detektoriem un analītiskajām iekārtām, piemēram, virsmas uzlabotajai Ramana spektroskopijai (SERS) un virsmas plazmona lauka uzlabotajai fluorescences spektroskopijai (SPFS).
Kas ir karagēns?
Karagināns ir lēts dabīgais polimērs, kas atrodams dažādās sarkano jūras aļģu sugās. Karagināni ir lineāri sulfēti polisaharīdi, kurus plaši izmanto pārtikas rūpniecībā, to recināšanas, sabiezēšanas un stabilizēšanas īpašībām. To galvenais pielietojums ir piena un gaļas produktos, jo tie ir cieši saistīti ar pārtikas olbaltumvielām. Ir trīs galvenās karagināna šķirnes, kas atšķiras pēc sulfācijas pakāpes. Kappa-karaginānam ir viena sulfātu grupa uz vienu disaharīdu. Jota-karaginānam (ι-carrageenen) ir divi sulfāti uz vienu disaharīdu. Lambda karaginānam (λ-carrageenen) ir trīs sulfāti uz vienu disaharīdu.
Kappa karaginānam (κ-karaginānam) ir D-galaktozes un 3,6-anhidro-D-galaktozes sulfāta polisaharīda lineāra struktūra.
κ- karagināns tiek plaši izmantots pārtikas rūpniecībā, piemēram, kā recinātājs un tekstūras modifikācijai. To var atrast kā piedevu saldējumā, krējumā, biezpienā, piena kokteiļos, salātu mērcēs, saldinātos iebiezinātos pienā, sojas pienā & citi augu pieniņi un mērces, lai palielinātu produkta viskozitāti.
Turklāt κ-karaginānu var atrast nepārtikas precēs, piemēram, šampūnu un kosmētisko krēmu biezinātājā, zobu pastā (kā stabilizators, lai novērstu sastāvdaļu atdalīšanos), ugunsdzēsības putās (kā biezinātājs, lai izraisītu putu lipīgumu), gaisa atsvaidzinātāju želejās, apavu pulēšanā (viskozitātes palielināšanai), biotehnoloģijā, lai imobilizētu šūnas / fermentus, farmaceitiskajos līdzekļos (kā neaktīvu palīgvielu tabletēs / tabletēs), lolojumdzīvnieku barībā u.c.
SEM attēli Ag/κ-karaginānam dažādās κ-karagināna koncentrācijās. [attiecīgi 0,1 %, 0,2 % un 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]