Groene sonochemische route naar zilveren nanodeeltjes
Zilveren nanodeeltjes (AgNPs) zijn veelgebruikte nanomaterialen vanwege hun antimicrobiële eigenschappen, optische eigenschappen en hoge elektrische geleidbaarheid. De sonochemische route met kappa-carrageen is een eenvoudige, praktische en milieuvriendelijke synthesemethode voor de bereiding van zilveren nanodeeltjes. κ-carrageen wordt gebruikt als natuurlijke, milieuvriendelijke stabilisator, terwijl ultrageluid met hoog vermogen als groen reductiemiddel fungeert.
Groene chemie vereist nauwkeurige parameterregeling. Onze ingenieurs voor nanomaterialen helpen u bij het selecteren van de juiste sonotrode, reactorgeometrie en vermogensinstellingen om de opbrengst te maximaliseren, de deeltjesmorfologie te beheersen en volledige naleving van de principes van groene chemie te waarborgen.
Ag+/κ-carrageen (links) en aan sonicatie onderworpen Ag/κ-carrageen (rechts). De sonicatie werd gedurende 90min uitgevoerd met de UP400S.
[Elsupikhe et al. 2015]
Groene ultrasone synthese van zilveren nanodeeltjes
Elsupikhe et al. (2015) hebben een groene, ultrasoon ondersteunde syntheseroute ontwikkeld voor de bereiding van zilveren nanodeeltjes (AgNPs). Sonochemie staat erom bekend veel natchemische reacties te bevorderen. Sonicatie maakt het mogelijk AgNPs te synthetiseren met κ-carrageen als natuurlijke stabilisator. De reactie verloopt bij kamertemperatuur en produceert zilveren nanodeeltjes met een fcc-kristalstructuur zonder enige onzuiverheid. De deeltjesgrootteverdeling van de AgNPs kan worden beïnvloed door de concentratie van κ-carrageen.
Schema van de interactie tussen de geladen groepen van Ag-NPs die tijdens sonicatie met κ-carrageen worden afgedekt. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedure: duurzame synthese van zilveren nanodeeltjes
- De Ag-NPs werden gesynthetiseerd door reductie van AgNO3 met behulp van ultrasone behandeling in aanwezigheid van κ-carrageen. Om verschillende monsters te verkrijgen, werden vijf suspensies bereid door 10 mL 0,1 M AgNO3 toe te voegen aan 40-mL κ-carrageen. De gebruikte κ-carrageenoplossingen waren respectievelijk 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 en 0,3 wt%.
- De oplossingen werden gedurende 1h geroerd om AgNO3/κ-carrageen te verkrijgen.
- Vervolgens werden de monsters blootgesteld aan intense ultrasone bestraling: de amplitude van het ultrasone apparaat UP400S (400W, 24kHz) werd ingesteld op 50%. Sonicatie werd gedurende 90min bij kamertemperatuur toegepast. De sonotrode van de ultrasone vloeistofprocessoren UP400S werd rechtstreeks in de reactieoplossing ondergedompeld.
- Na sonicatie werden de suspensies gedurende 15min gecentrifugeerd en viermaal gewassen met dubbelgedestilleerd water om de resten van zilverionen te verwijderen. De neergeslagen nanodeeltjes werden een nacht onder vacuüm bij 40°C gedroogd om de Ag-NPs te verkrijgen.
Reactievergelijking
- nH₂O —sonicatie–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hydrolyse–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –reducties–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analyse en resultaten: ultrasoon gesynthetiseerde zilveren nanodeeltjes
Om de resultaten te evalueren, werden de monsters geanalyseerd met UV-vis-spectroscopische analyse, röntgendiffractie, chemische FT-IR-analyse en TEM- en SEM-beelden.
Het aantal Ag-NPs nam toe bij toenemende κ-carrageenconcentraties. De vorming van Ag/κ-carrageen werd vastgesteld met UV-vis-spectroscopie, waarbij het absorptiemaximum van de oppervlakteplasmonen werd waargenomen bij 402 tot 420nm. De röntgendiffractieanalyse (XRD) toonde aan dat de Ag-NPs een vlakgecentreerde kubische structuur hebben. Het infraroodspectrum met Fouriertransformatie (FT-IR) wees op de aanwezigheid van Ag-NPs in κ-carrageen. Het beeld van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) voor de hoogste concentratie van κ-carrageen toonde de verdeling van Ag-NPs met een gemiddelde deeltjesgrootte van ongeveer 4,21nm. Beelden van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) illustreerden de bolvorm van de Ag-NPs. De SEM-analyse laat zien dat bij toenemende κ-carrageenconcentratie veranderingen in het oppervlak van Ag/κ-carrageen optraden, waardoor kleine, bolvormige Ag-NPs werden verkregen.
TEM-beelden en bijbehorende grootteverdelingen van sonochemisch gesynthetiseerd Ag/κ-carrageen bij verschillende concentraties van κ-carrageen. [0,1%, 0,2% en 0,3%, respectievelijk (a, b, c)].
UP400S – het ultrasone apparaat dat wordt gebruikt voor de sonochemische synthese van Ag-nanodeeltjes
Literatuur/referenties
- 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.
Veelgestelde vragen: groene sonochemische synthese van zilveren nanodeeltjes
Hoe verbetert ultrageluid de groene synthese van zilveren nanodeeltjes?
Ultrageluid veroorzaakt akoestische cavitatie, waardoor lokale hotspots ontstaan die zilverionen snel reduceren met behulp van milieuvriendelijke middelen. Dit sonochemische proces versnelt de reactiekinetiek, bevordert uniforme kiemvorming en maakt nauwkeurige beheersing van de deeltjesgrootte en -vorm mogelijk – allemaal zonder agressieve chemicaliën of hoge thermische energie.
Wat zijn de belangrijkste voordelen van een groene sonochemische route voor AgNPs?
Groene sonochemische synthese combineert ultrageluid met biocompatibele reductie- en afdekmiddelen (zoals plantenextracten, suikers of polymeren) om niet-giftige, milieuvriendelijke zilveren nanodeeltjes te produceren. De methode vermindert het energieverbruik, verkort de synthesetijd, elimineert gevaarlijke bijproducten en levert zeer stabiele nanodeeltjes met een consistente grootteverdeling op.
Kan ultrageluid de grootte en morfologie van zilveren nanodeeltjes beheersen?
Ja. Door de ultrasone amplitude, frequentie, vermogensdichtheid en sonicatietijd aan te passen, kunnen fabrikanten de kiemvormings- en groeisnelheden nauwkeurig afstemmen. Dit maakt reproduceerbare productie mogelijk van AgNPs van 5–100 nm in verschillende vormen (bollen, kubussen, driehoekige plaatjes), afgestemd op specifieke biomedische, elektronische of industriële toepassingen.
Is ultrasone groene synthese schaalbaar voor industriële AgNP-productie?
Absoluut. Industriële ultrasone processoren ondersteunen continue doorstroomreactoren die naadloos kunnen worden opgeschaald van laboratoriumbatches tot volledige productie. Inline sonicatie zorgt voor een uniforme verdeling van cavitatie, realtime procesbewaking en consistentie tussen batches, waardoor deze ideaal is voor milieuvriendelijke AgNP-productie in grote volumes.
Welke groene reductiemiddelen werken het beste bij de ultrasone synthese van zilveren nanodeeltjes?
Effectieve milieuvriendelijke middelen zijn onder meer botanische extracten (bijv. aloë, groene thee, citrusschillen), koolhydraten, aminozuren, eiwitten en biologisch afbreekbare polymeren. Ultrageluid verhoogt hun reductie- en stabilisatie-efficiëntie, waardoor synthetische chemicaliën volledig kunnen worden vervangen met behoud van een hoge opbrengst, colloïdale stabiliteit en functionele prestaties.
Hoe verhoudt sonochemische synthese zich tot traditionele chemische methoden voor AgNPs?
Conventionele chemische routes zijn vaak afhankelijk van giftige reductiemiddelen (bijv. natriumboorhydride) en extreme pH-waarden, en genereren gevaarlijk afval. Groene sonochemische synthese gebruikt veilige, hernieuwbare materialen, verloopt bij omgevingstemperatuur of milde temperaturen, verkort de verwerkingstijd aanzienlijk en produceert schonere, meer biocompatibele nanodeeltjes met een superieure dispersie en houdbaarheid.
Welke sectoren profiteren van groene ultrasone zilveren nanodeeltjes?
AgNPs die via groene sonochemische methoden worden gesynthetiseerd, worden veelvuldig gebruikt in antimicrobiële coatings, medische hulpmiddelen, wondverzorging, waterfiltratie, flexibele elektronica en duurzame verpakkingen. Hun milieuvriendelijke productie waarborgt naleving van strenge milieu- en veiligheidsnormen en levert tegelijkertijd hoge prestaties en acceptatie door regelgevende instanties.
Wat zijn zilveren nanodeeltjes?
Zilveren nanodeeltjes worden gekenmerkt door een grootte tussen 1nm en 100nm. Hoewel ze vaak als ‘zilver’ worden beschreven, bestaan sommige voor een groot percentage uit zilveroxide vanwege hun hoge verhouding tussen zilveratomen aan het oppervlak en in de bulk. Zilveren nanodeeltjes kunnen verschillende structuren hebben. Meestal worden bolvormige zilveren nanodeeltjes gesynthetiseerd, maar ook ruitvormige en achthoekige deeltjes en dunne plaatjes worden gebruikt.
Zilveren nanodeeltjes worden zeer veel gebruikt in medische toepassingen. De zilverionen zijn bioactief en hebben sterke antimicrobiële en kiemdodende effecten. Hun extreem grote oppervlak maakt de coördinatie van talrijke liganden mogelijk. Andere belangrijke kenmerken zijn geleidbaarheid en unieke optische eigenschappen.
Vanwege hun geleidende eigenschappen worden zilveren nanodeeltjes vaak verwerkt in composieten, kunststoffen, epoxyharsen en lijmen. De zilverdeeltjes verhogen de elektrische geleidbaarheid; daarom worden zilverpasta’s en -inkten veelvuldig gebruikt bij de productie van elektronica. Omdat zilveren nanodeeltjes oppervlakteplasmonen ondersteunen, hebben AgNPs uitstekende optische eigenschappen. Plasmonische zilveren nanodeeltjes worden gebruikt voor sensoren, detectoren en analytische apparatuur, zoals oppervlakteversterkte Ramanspectroscopie (SERS) en fluorescentiespectroscopie versterkt door het veld van oppervlakteplasmonen (SPFS).
Wat is carrageen?
Carrageen is een goedkoop natuurlijk polymeer dat voorkomt in verschillende soorten rode zeewieren. Carragenen zijn lineaire gesulfateerde polysachariden die veelvuldig worden gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie vanwege hun gelerende, verdikkende en stabiliserende eigenschappen. Hun belangrijkste toepassing is in zuivel- en vleesproducten vanwege hun sterke binding aan voedingseiwitten. Er zijn drie hoofdvarianten van carrageen, die verschillen in hun sulfateringsgraad. Kappa-carrageen heeft één sulfaatgroep per disacharide. Iota-carrageen (ι-carrageen) heeft twee sulfaatgroepen per disacharide. Lambda-carrageen (λ-carrageen) heeft drie sulfaatgroepen per disacharide.
Kappa-carrageen (κ-carrageen) heeft een lineaire structuur van gesulfateerd polysacharide van D-galactose en 3,6-anhydro-D-galactose.
κ-carrageen wordt veelvuldig gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie, bijv. als geleermiddel en voor textuuraanpassing. Het kan als additief worden aangetroffen in ijs, room, cottagecheese, milkshakes, saladedressings, gezoete gecondenseerde melk, sojamelk en andere plantaardige melksoorten, en sauzen om de productviscositeit te verhogen.
Verder komt κ-carrageen voor in niet-voedingsproducten, bijvoorbeeld als verdikkingsmiddel in shampoo en cosmetische crèmes, in tandpasta (als stabilisator om scheiding van bestanddelen te voorkomen), in blusschuim (als verdikkingsmiddel om het schuim kleverig te maken), in luchtverfrissingsgels, in schoensmeer (om de viscositeit te verhogen), in de biotechnologie om cellen/enzymen te immobiliseren, in geneesmiddelen (als inactieve hulpstof in pillen/tabletten), in huisdiervoer enz.
SEM-beelden van Ag/κ-carrageen bij verschillende concentraties van κ-carrageen. [0,1%, 0,2% en 0,3 %, respectievelijk (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]