Nanosudraba sintēze ar medu un ultraskaņu

Nanosudrabu tā antibakteriālo īpašību dēļ izmanto materiālu īpašību uzlabošanai medicīnā un materiālzinātnē. Apstrāde ar ultraskaņu ļauj ātri, efektīvi, droši un videi draudzīgi sintezēt sfēriskas sudraba nanodaļiņas ūdenī. Nanodaļiņu sintēzi ar ultraskaņu var viegli mērogot no neliela līdz lielam ražošanas apjomam.

Koloidālā nanosudraba sintēze ar ultraskaņas palīdzību

Sonoķīmiskā sintēze, kas apzīmē ultraskaņas apstarošanas veicinātas ķīmiskās reakcijas, ir plaši izmantota nanodaļiņu iegūšanas metode. To vidū ir sudrabs, zelts, magnetīts, hidroksiapatīts, perovskīts, latekss un daudzi citi nanomateriāli.

Slapjā ķīmiskā sintēze ar ultraskaņu

Sudraba nanodaļiņu iegūšanai ir izstrādāti vairāki sintēzes paņēmieni ar ultraskaņas palīdzību. Vienā ievērojamā metodē medu izmanto gan kā reducētāju, gan kā virsmas pārklājuma veidotāju. Medus sastāvdaļas, piemēram, glikoze un fruktoze, sintēzes procesā šīs funkcijas pilda sinerģiski.
Līdzīgi daudzām nanodaļiņu sintēzes metodēm nanosudraba sintēze ar ultraskaņu ietilpst slapjās ķīmijas kategorijā. Process sākas ar sudraba nanodaļiņu kodolu veidošanos šķīdumā. Apstrādes ar ultraskaņu laikā sudraba prekursors (piemēram, sudraba nitrāts (AgNO₃) vai sudraba perhlorāts (AgClO₄)) tiek reducēts reducētāja, piemēram, medus, klātbūtnē, iegūstot koloidālo sudrabu.

Sudraba kodolu veidošanās un augšanas mehānisms ultraskaņas ietekmē

Sākotnējā kodolu veidošanās fāze: Palielinoties izšķīdušo sudraba jonu koncentrācijai, metāliskā sudraba joni sāk saistīties, veidojot nelielus klasterus. Šajā posmā šie klasteri ir enerģētiski nestabili negatīvas enerģijas bilances dēļ. Jaunu virsmu izveidei nepieciešamā enerģija pārsniedz enerģiju, kas iegūta, samazinoties izšķīdušā sudraba koncentrācijai.

• Kritiskais rādiuss: Kad klasteris sasniedz noteiktu izmēru (kritisko rādiusu), process kļūst enerģētiski izdevīgs, stabilizējot klasteri. Šī stabilitāte ļauj klasterim darboties kā kodolam turpmākai augšanai.
• Augšanas fāze: Augšanas laikā papildu sudraba atomi difundē caur šķīdumu un pievienojas augošās nanodaļiņas virsmai. Augšana turpinās, līdz izšķīdušā sudraba koncentrācija nokrītas zem kodolu veidošanās sliekšņa, apturot jaunu kodolu veidošanos.
• Difūzija un procesa noslēgums: Atlikušais izšķīdušais sudrabs tiek iekļauts esošajās nanodaļiņās, noslēdzot procesu.

Apstrāde ar ultraskaņu paātrina masas pārnesi, īpaši slapināšanas un difūzijas procesus, tādējādi veicinot ātrāku kodolu veidošanos un kontrolētu augšanu. Precīzi regulējot apstrādes ar ultraskaņu parametrus, piemēram, intensitāti un ilgumu, var ļoti precīzi pielāgot nanodaļiņu izmēru, augšanas ātrumu un formu. Šī precīzā kontrole nodrošina viendabīgas nanodaļiņu struktūras, kas pielāgotas konkrētiem lietojumiem.

Sintēze ar ultraskaņas palīdzību izceļas kā efektīva, mērogojama un zaļās ķīmijas principiem atbilstoša pieeja nanosudraba iegūšanai ar skaidri definētām īpašībām, sniedzot būtiskas priekšrocības dažādos lietojumos pētniecībā un rūpniecībā.

Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par vēl vienu zaļās ķīmijas metodi nanosudraba sintēzei ar ultraskaņu, izmantojot karaginānu!

Apstrāde ar ultraskaņu veicina ātru, zaļās ķīmijas principiem atbilstošu mazu sudraba nanodaļiņu sintēzi ar šauru izmēru sadalījumu.

Nanosudraba sintēzes ar ultraskaņu gadījuma izpēte

Oskuee et al. (2016) pētījumā „Sudraba nanodaļiņu sintēze, izmantojot medu un ultraskaņu, un to antibakteriālā aktivitāte” aplūkota vienkārša un videi draudzīga sudraba nanodaļiņu (Ag-NPs) sintēzes metode, kurā dabīgais medus tiek izmantots gan kā reducētājs, gan kā stabilizētājs. Procesu, kas ietver sudraba nitrāta (AgNO₃) reducēšanu ultraskaņas iedarbībā, raksturo dažādi parametri, tostarp sudraba jonu koncentrācija, medus koncentrācija un apstrādes ar ultraskaņu ilgums. Iegūto Ag-NPs vidējais izmērs ir aptuveni 11,8 nm, un tām piemīt antibakteriālas īpašības pret tādām patogēnām baktērijām kā Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa un E. coli.
Pētījumā izceltas medus izmantošanas priekšrocības nanodaļiņu sintēzē, uzsverot tā videi draudzīgo raksturu, zemās izmaksas un netoksiskumu. Autori parāda, ka Ag-NPs izmēru un iznākumu var kontrolēt, pielāgojot reakcijas parametrus, piemēram, sudraba koncentrāciju, medus saturu un apstrādes ar ultraskaņu ilgumu. Tika pierādīts, ka sintezētajām Ag-NPs piemīt efektīva antibakteriāla aktivitāte, īpaši pret E. coli un S. aureus, ar minimālajām inhibējošajām koncentrācijām (MIC) aptuveni 19,46 ppm. Šī metode paver iespēju izmantot Ag-NPs medicīnā, tostarp brūču dzīšanā un infekciju kontrolē.

• Materiāli: sudraba nitrāts (AgNO₃) kā sudraba prekursors; medus kā pārklājumu veidojošs līdzeklis / reducētājs; ūdens
• Ultraskaņas ierīce: Zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīce UP400St

Ultraskaņas sintēzes protokols

Tika konstatēts, ka vislabākie apstākļi koloidālu sudraba nanodaļiņu sintēzei ir šādi: sudraba nitrāta reducēšana ultraskaņas iedarbībā ar dabīgā medus starpniecību. Īsumā, 20 ml sudraba nitrāta šķīduma (0,3 M), kas satur medu (20 wt%), apkārtējās vides apstākļos 30 min tika pakļauti augstas intensitātes ultraskaņas iedarbībai. Apstrāde ar ultraskaņu tika veikta ar zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīci UP400S (400W, 24 kHz), kas bija iegremdēta tieši reakcijas šķīdumā.
Pārtikā lietojams medus tiek izmantots kā pārklājumu veidojošs līdzeklis / stabilizētājs un reducētājs, tādējādi padarot kristalizācijas kodolu veidošanās ūdens šķīdumu un izgulsnētās nanodaļiņas tīras un drošas daudzveidīgiem lietojumiem.
Palielinoties apstrādes ar ultraskaņu ilgumam, sudraba nanodaļiņas kļūst mazākas un to koncentrācija palielinās.
Medus ūdens šķīdumā apstrāde ar ultraskaņu ir būtisks faktors, kas ietekmē sudraba nanodaļiņu veidošanos. Apstrādes ar ultraskaņu parametri, piemēram, amplitūda, ilgums un nepārtrauktas vai pulsējošas ultraskaņas izmantošana, ir galvenie faktori, kas ļauj kontrolēt sudraba nanodaļiņu izmēru un daudzumu.

Optimālos apstākļos sintezētu Ag-NPs daļiņu izmēru sadalījums; sudraba koncentrācijas (0,3 M), medus koncentrācijas (20 wt%) un ultraskaņas iedarbības ilgumi (30 min)
attēla avots: ©Oskuee et al. 2016

Sudraba nanodaļiņu ultraskaņas sintēzes rezultāts

Ultraskaņas veicinātā sintēzē ar medus starpniecību, izmantojot ultraskaņas apstrādes ierīci UP400St, tika iegūtas sfēriskas sudraba nanodaļiņas (Ag-NPs) ar vidējo daļiņu izmēru aptuveni 11,8nm. Sudraba nanodaļiņu ultraskaņas sintēze ir vienkārša un ātra vienā reakcijas traukā veicama metode. Ūdens un medus izmantošana par izejmateriāliem padara reakciju ekonomiski izdevīgu un ārkārtīgi draudzīgu videi.
Aprakstīto ultraskaņas sintēzes paņēmienu, kurā medu izmanto kā reducētāju un pārklājumu veidojošu līdzekli, var attiecināt arī uz citiem cēlmetāliem, piemēram, zeltu, pallādiju un varu, kas paver dažādas papildu izmantošanas iespējas no medicīnas līdz rūpniecībai.

Optimālos apstākļos sintezētu Ag-NPs daļiņu izmēru sadalījums; sudraba koncentrācijas (0,3 M), medus koncentrācijas (20 wt%) un ultraskaņas iedarbības ilgums (30 min)
Pētījums un attēls: ©Oskuee et al. 2016

Kristalizācijas kodolu veidošanās un daļiņu izmēra ietekmēšana ar ultraskaņu

Ultraskaņa ļauj ražot prasībām pielāgotas nanodaļiņas, piemēram, sudraba nanodaļiņas. Trīs vispārīgi apstrādes ar ultraskaņu varianti būtiski ietekmē iegūto rezultātu:
Sākotnējā apstrāde ar ultraskaņu: Īslaicīga ultraskaņas viļņu iedarbība uz pārsātinātu šķīdumu var ierosināt kristalizācijas centru un kodolu veidošanos. Tā kā apstrāde ar ultraskaņu tiek veikta tikai sākumposmā, turpmākā kristālu augšana noris netraucēti, veidojot lielākus kristālus.
Nepārtraukta apstrāde ar ultraskaņu: Nepārtraukta pārsātināta šķīduma apstarošana rada mazus kristālus, jo apstrāde ar ultraskaņu bez pārtraukumiem veido daudz kodolu, kā rezultātā aug daudzi mazi kristāli.
Impulsveida apstrāde ar ultraskaņu: Impulsveida ultraskaņa nozīmē ultraskaņas izmantošanu noteiktos intervālos. Precīzi kontrolēta ultraskaņas enerģijas ievadīšana ļauj ietekmēt kristālu augšanu, lai iegūtu vajadzīgā izmēra kristālus.

Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes iekārtas nanodaļiņu sintēzei

Hielscher Ultrasonics piedāvā jaudīgus, uzticamus ultraskaņas procesorus, kas paredzēti progresīviem sonoķīmiskiem lietojumiem, tostarp sonosintēzei un sonokatalīzei. Maisīšana un disperģēšana ar ultraskaņu ievērojami uzlabo masas pārnesi, veicina atomu klasteru samitrināšanu un sekmē to turpmāko nukleāciju, nodrošinot efektīvu nanodaļiņu izgulsnēšanos. Ultraskaņas sintēze ir atzīta par vienkāršu, izmaksu ziņā efektīvu, biosaderīgu, reproducējamu, ātru un drošu metodi augstas kvalitātes nanomateriālu iegūšanai. (Lasiet vairāk par perovskīta sonoķīmisko sintēzi un ZnO nanostruktūru sonoķīmisko sintēzi!)

Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas ir izstrādātas precīzai vadībai, nodrošinot optimālus apstākļus nanomateriālu nukleācijai un augšanai. Šīm digitālajām ierīcēm ir vieda programmatūra, krāsu skārienekrāns un intuitīva izvēlne drošai un lietotājam ērtai darbībai. Turklāt tās ir aprīkotas ar automātisku datu ierakstīšanu iebūvētā SD kartē, nodrošinot nepārtrauktu procesa dokumentēšanu.

Piedāvājot plašu sistēmu klāstu – no kompaktām 50 vatu rokas ultraskaņas apstrādes iekārtām lietošanai laboratorijā līdz izturīgām 16 000 vatu rūpnieciskām sistēmām –, Hielscher nodrošina ideālu ultraskaņas risinājumu katram lietojumam. Hielscher ultraskaņas iekārtas ir izstrādātas ilgam kalpošanas laikam un nepārtrauktai darbībai lielas slodzes apstākļos pat sarežģītā vidē, nodrošinot uzticamu veiktspēju 24/7.
Tālāk sniegtā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:

Tradicionālo nanodaļiņu sintēzes metožu un zaļās sintēzes metožu salīdzinājums.