Groene sonochemische route naar zilveren nanodeeltjes
Zilveren nanodeeltjes (AgNP's) zijn veelgebruikte nanomaterialen vanwege hun antimicrobiële eigenschappen, optische eigenschappen en hoge elektrische geleidbaarheid. De sonochemische route met behulp van kappa-carrageen is een eenvoudige, gemakkelijke en milieuvriendelijke synthesemethode voor de bereiding van zilveren nanodeeltjes. Kappa-carrageen wordt gebruikt als een natuurlijke milieuvriendelijke stabilisator, terwijl ultrageluid werkt als een groen reductiemiddel.
Groene ultrasone synthese van zilveren nanodeeltjes
Elsupikhe et al. (2015) hebben een groene ultrasonisch ondersteunde syntheseroute ontwikkeld voor de bereiding van zilveren nanodeeltjes (AgNP's). Sonochemie staat erom bekend dat het veel natchemische reacties bevordert. Door middel van sonificatie kunnen AgNP's worden gesynthetiseerd met κ-carrageen als natuurlijke stabilisator. De reactie verloopt bij kamertemperatuur en produceert zilveren nanodeeltjes met een fcc-kristalstructuur zonder onzuiverheden. De deeltjesgrootteverdeling van de AgNP's kan worden beïnvloed door de concentratie van κ-carrageenan.
Schema van de interactie tussen de Ag-NP's geladen groepen die zijn bedekt met κ-carrageenan onder sonicatie. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedure
- De Ag-NP's werden gesynthetiseerd door AgNO3 met ultrasoonbehandeling in aanwezigheid van κ-carrageen. Om verschillende monsters te verkrijgen, werden vijf suspensies bereid door 10 ml 0,1 M AgNO3 tot 40 ml κ-carrageen. De gebruikte κ-carrageenoplossingen waren respectievelijk 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 en 0,3 gewichtsprocent.
- De oplossingen werden 1 uur geroerd om AgNO3/κ-carrageenan.
- Vervolgens werden de monsters blootgesteld aan intense ultrasone bestraling: De amplitude van het ultrasone apparaat UP400S (400 W, 24 kHz) werd ingesteld op 50%. Sonicatie werd toegepast gedurende 90 minuten bij kamertemperatuur. De sonotrode van de ultrasone vloeistofprocessoren UP400S werd direct in de reactieoplossing gedompeld.
- Na sonicatie werden de suspensies 15 minuten gecentrifugeerd en vier keer gewassen met dubbel gedestilleerd water om het zilverionenresidu te verwijderen. De neergeslagen nanodeeltjes werden overnacht gedroogd bij 40°C onder vacuüm om de Ag-NP's te verkrijgen.
Vergelijking
- nH2O —sonificatie–> +H + OH
- OH + RH –> R + H2O
- AgNo3–hydrolyse–> Ag+ + NO3–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –verminderingen–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analyse en resultaten
Om de resultaten te evalueren werden de monsters geanalyseerd met UV-zichtbare spectroscopische analyse, röntgendiffractie, FT-IR chemische analyse, TEM- en SEM-afbeeldingen.
Het aantal Ag-NP's nam toe met toenemende κ-carrageenan concentraties. De vorming van Ag/κ-carrageen werd bepaald met UV-zichtbare spectroscopie waarbij het absorptiemaximum van de oppervlakteplasmon werd waargenomen bij 402 tot 420 nm. De röntgendiffractieanalyse (XRD) toonde aan dat de Ag-NP's een gezichtsgecentreerde kubische structuur hebben. Het Fourier transform infrarood (FT-IR) spectrum gaf de aanwezigheid van Ag-NP's in κ-carrageen aan. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beeld voor de hoogste concentratie van κ-carrageenan toonde de distributie van Ag-NPs met een gemiddelde deeltjesgrootte in de buurt van 4,21 nm. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden toonden de bolvorm van de Ag-NPs. De SEM-analyse laat zien dat bij toenemende concentratie van κ-carrageen veranderingen in het oppervlak van Ag/κ-carrageen optreden, zodat kleine Ag-NP's met bolvorm werden verkregen.
TEM-afbeeldingen en bijbehorende grootteverdelingen voor sonochemisch gesynthetiseerd Ag/κ-carrageen bij verschillende concentraties κ-carrageenan. [Respectievelijk 0,1%, 0,2% en 0,3% (a, b, c)].
Ag+/κ-carrageen (links) en gesoneerde Ag/κ-carrageen (rechts). Sonicatie werd uitgevoerd met de UP400S gedurende 90 minuten. [Elsupikhe et al. 2015]
UP400S – het ultrasone apparaat gebruikt voor de sonochemische synthese van Ag nanodeeltjes
SEM-afbeeldingen van Ag/κ-carrageen bij verschillende concentraties κ-carrageenan. [Respectievelijk 0,1%, 0,2% en 0,3% (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]
Literatuur/referenties
- Elsupikhe, Randa Fawzi; Shameli, Kamyar; Ahmad, Mansor B; Ibrahim, Nor Azowa; Zainudin, Norhazlin (2015): Groene sonochemische synthese van zilveren nanodeeltjes bij verschillende concentraties κ-carrageenan. Nanoscale Research Letters 10. 2015.
Basisinformatie
sonochemie
Wanneer krachtig ultrageluid wordt toegepast op chemische reacties in oplossing (vloeistof of slurry), levert dit specifieke activeringsenergie als gevolg van een fysisch fenomeen dat akoestische cavitatie wordt genoemd. Cavitatie creëert hoge schuifkrachten en extreme omstandigheden zoals zeer hoge temperaturen en koelsnelheden, drukken en vloeistofstralen. Deze intense krachten kunnen reacties op gang brengen en de aantrekkelijke krachten van moleculen in de vloeistoffase vernietigen. Het is bekend dat tal van reacties baat hebben bij ultrasone bestraling, bijvoorbeeld sonolyse, solgelroutesonochemische synthese van palladium, latex, hydroxyapatiet en vele andere stoffen. Lees meer over sonochemie hier!
zilveren nanodeeltjes
Nanodeeltjes van zilver worden gekenmerkt door een grootte tussen 1 nm en 100 nm. Hoewel ze vaak beschreven worden als 'zilver’ Sommige bestaan uit een groot percentage zilveroxide door hun grote verhouding tussen oppervlakte- en volumineuze zilveratomen. Nanodeeltjes van zilver kunnen verschillende structuren hebben. Meestal worden bolvormige zilveren nanodeeltjes gesynthetiseerd, maar ook ruitvormige, achthoekige en dunne platen worden gebruikt.
Nanodeeltjes van zilver worden veel gebruikt in medische toepassingen. De zilverionen zijn bioactief en hebben een sterke antimicrobiële en kiemdodende werking. Hun extreem grote oppervlak maakt de coördinatie van talrijke liganden mogelijk. Andere belangrijke eigenschappen zijn geleidbaarheid en unieke optische eigenschappen.
Vanwege hun geleidende eigenschappen worden zilveren nanodeeltjes vaak verwerkt in composieten, kunststoffen, epoxies en lijmen. De zilverdeeltjes verhogen de elektrische geleidbaarheid; daarom worden zilverpasta's en -inkten vaak gebruikt bij de productie van elektronica. Omdat zilveren nanodeeltjes oppervlakteplasmonen ondersteunen, hebben AgNP's uitstekende optische eigenschappen. Plasmonische zilveren nanodeeltjes worden gebruikt voor sensoren, detectoren en analytische apparatuur zoals Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) en Surface Plasmon Field-enhanced Fluorescence Spectroscopy (SPFS).
carrageen
Carrageen is een goedkoop natuurlijk polymeer dat voorkomt in verschillende soorten roodwieren. Carrageen is een lineair gesulfateerd polysacharide dat veel gebruikt wordt in de voedingsindustrie voor zijn gelerende, verdikkende en stabiliserende eigenschappen. Ze worden vooral gebruikt in zuivel- en vleesproducten, vanwege hun sterke binding met voedseleiwitten. Er zijn drie hoofdvariëteiten carrageen, die verschillen in hun sulfatatiegraad. Kappa-carrageen heeft één sulfaatgroep per disacharide. Iota-carrageen (ι-carrageen) heeft twee sulfaten per disacharide. Lambda-carrageen (λ-carrageen) heeft drie sulfaten per disacharide.
Kappa carrageen (κ-carrageen) heeft een lineaire structuur van gesulfateerde polysacharide van D-galactose en 3,6-anhydro-D-galactose.
κ-carrageen wordt veel gebruikt in de voedingsindustrie, bijvoorbeeld als geleermiddel en voor textuurmodificatie. Het kan worden gevonden als additief in ijs, room, kwark, milkshakes, saladedressings, gezoete gecondenseerde melk, sojamelk & andere plantaardige melk en sauzen om de viscositeit van het product te verhogen.
Verder kan κ-carrageenan zijn in non-food producten zoals verdikkingsmiddel in shampoo en cosmetische crèmes, in tandpasta (als stabilisator bestanddelen scheiden voorkomen), blusschuim (als bindmiddel te schuimen veroorzaken plakkerig), luchtverfrisser gelen, schoensmeer (verhogen van de viscositeit), de biotechnologie immobiliseren cellen / enzymen in farmaceutica (als inactieve hulpstof in pillen / tabletten), in huisdiervoer etc.