Ekologiczna metoda sonochemiczna otrzymywania nanocząstek srebra
Nanocząstki srebra (AgNPs) są często wykorzystywanymi nanomateriałami ze względu na swoje właściwości przeciwdrobnoustrojowe, właściwości optyczne i wysoką przewodność elektryczną. Metoda sonochemiczna z wykorzystaniem karagenu kappa jest prostą, wygodną i przyjazną dla środowiska metodą syntezy nanocząstek srebra. κ-karagen jest stosowany jako naturalny, przyjazny dla środowiska stabilizator, natomiast ultradźwięki dużej mocy pełnią funkcję ekologicznego czynnika redukującego.
Zielona chemia wymaga precyzyjnej kontroli parametrów. Nasi inżynierowie specjalizujący się w nanomateriałach pomogą Ci dobrać odpowiednią sonotrodę, geometrię reaktora i ustawienia mocy, aby zmaksymalizować wydajność, kontrolować morfologię cząstek i zapewnić pełną zgodność z zasadami zielonej chemii.
Ag+/κ-karagen (po lewej) i Ag/κ-karagen poddany sonikacji (po prawej). Sonikację przeprowadzono za pomocą UP400S przez 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Ekologiczna synteza ultradźwiękowa nanocząstek srebra
Elsupikhe i wsp. (2015) opracowali ekologiczną metodę syntezy wspomaganej ultradźwiękami do otrzymywania nanocząstek srebra (AgNPs). Sonochemia jest dobrze znana ze wspomagania wielu reakcji chemicznych prowadzonych w środowisku ciekłym. Sonikacja umożliwia syntezę AgNPs z κ-karagenem jako naturalnym stabilizatorem. Reakcja zachodzi w temperaturze pokojowej i prowadzi do powstania nanocząstek srebra o strukturze krystalicznej fcc, bez jakichkolwiek zanieczyszczeń. Stężenie κ-karagenu może wpływać na rozkład wielkości cząstek AgNPs.
Schemat oddziaływań między naładowanymi grupami Ag-NPs pokrytymi κ-karagenem podczas sonikacji. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedura: zrównoważona synteza nanocząstek srebra
- Ag-NPs zsyntetyzowano poprzez redukcję AgNO3 za pomocą sonikacji w obecności κ-karagenu. Aby uzyskać różne próbki, przygotowano pięć zawiesin, dodając 10 mL 0,1 M AgNO3 do 40 mL κ-karagenu. Stężenia zastosowanych roztworów κ-karagenu wynosiły odpowiednio 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 i 0,3 wt%.
- Roztwory mieszano przez 1h, aby uzyskać AgNO3/κ-karagen.
- Następnie próbki poddano intensywnemu działaniu ultradźwięków: amplitudę urządzenia ultradźwiękowego UP400S (400W, 24kHz) ustawiono na 50%. Sonikację prowadzono przez 90min w temperaturze pokojowej. Sonotrodę ultradźwiękowych urządzeń do obróbki cieczy UP400S zanurzono bezpośrednio w roztworze reakcyjnym.
- Po sonikacji zawiesiny odwirowywano przez 15min i czterokrotnie przemywano wodą podwójnie destylowaną, aby usunąć pozostałości jonów srebra. Wytrącone nanocząstki suszono przez noc w temperaturze 40°C pod próżnią, aby uzyskać Ag-NPs.
Równanie
- nH₂O —sonikacja–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hydroliza–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –redukcje–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analiza i wyniki: nanocząstki srebra zsyntetyzowane ultradźwiękowo
Aby ocenić wyniki, próbki poddano analizie spektroskopowej w zakresie UV i światła widzialnego, dyfrakcji rentgenowskiej, analizie chemicznej FT-IR oraz analizie obrazów TEM i SEM.
Liczba Ag-NPs wzrastała wraz ze wzrostem stężenia κ-karagenu. Powstawanie Ag/κ-karagenu stwierdzono za pomocą spektroskopii w zakresie UV i światła widzialnego, w której maksimum absorpcji plazmonów powierzchniowych zaobserwowano w zakresie od 402 do 420nm. Analiza dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) wykazała, że Ag-NPs mają strukturę regularną ściennie centrowaną. Widmo w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) wskazało na obecność Ag-NPs w κ-karagenie. Obraz z transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) dla najwyższego stężenia κ-karagenu pokazał rozkład Ag-NPs o średniej wielkości cząstek zbliżonej do 4,21nm. Obrazy ze skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) ukazały kulisty kształt Ag-NPs. Analiza SEM pokazuje, że wraz ze wzrostem stężenia κ-karagenu zachodziły zmiany na powierzchni Ag/κ-karagenu, w wyniku których uzyskano małe Ag-NPs o kulistym kształcie.
Obrazy TEM i odpowiadające im rozkłady wielkości cząstek dla Ag/κ-karagenu zsyntetyzowanego sonochemicznie przy różnych stężeniach κ-karagenu. [0,1%, 0,2% i 0,3%, odpowiednio (a, b, c)].
UP400S – urządzenie ultradźwiękowe użyte do sonochemicznej syntezy nanocząstek Ag
Literatura/Źródła
- 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.
Najczęściej zadawane pytania: ekologiczna synteza sonochemiczna nanocząstek srebra
Jak ultradźwięki usprawniają ekologiczną syntezę nanocząstek srebra?
Ultradźwięki wywołują kawitację akustyczną, tworząc lokalne obszary o wysokiej temperaturze, w których jony srebra są szybko redukowane z użyciem przyjaznych dla środowiska czynników. Ten proces sonochemiczny przyspiesza kinetykę reakcji, sprzyja równomiernemu zarodkowaniu i umożliwia precyzyjną kontrolę wielkości oraz kształtu cząstek – wszystko to bez agresywnych chemikaliów i dużych nakładów energii cieplnej.
Jakie są główne zalety ekologicznej metody sonochemicznej otrzymywania AgNPs?
Ekologiczna synteza sonochemiczna łączy ultradźwięki z biokompatybilnymi czynnikami redukującymi i pokrywającymi powierzchnię cząstek (takimi jak ekstrakty roślinne, cukry lub polimery), aby wytwarzać nietoksyczne, nieszkodliwe dla środowiska nanocząstki srebra. Metoda zmniejsza zużycie energii, skraca czas syntezy, eliminuje niebezpieczne produkty uboczne i pozwala uzyskać wysoce stabilne nanocząstki o powtarzalnym rozkładzie wielkości.
Czy ultradźwięki mogą kontrolować wielkość i morfologię nanocząstek srebra?
Tak. Regulując amplitudę ultradźwięków, częstotliwość, gęstość mocy i czas sonikacji, producenci mogą precyzyjnie dostosowywać szybkość zarodkowania i wzrostu. Umożliwia to powtarzalne wytwarzanie AgNPs o wielkości 5–100 nm w różnych kształtach (kule, sześciany, trójkątne płytki), dostosowanych do konkretnych zastosowań biomedycznych, elektronicznych lub przemysłowych.
Czy ekologiczną syntezę ultradźwiękową można skalować do przemysłowej produkcji AgNPs?
Zdecydowanie. Przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe obsługują reaktory przepływowe pracujące w trybie ciągłym , które umożliwiają płynne skalowanie od partii laboratoryjnych do produkcji na pełną skalę. Sonikacja w linii procesowej zapewnia równomierny rozkład kawitacji, monitorowanie procesu w czasie rzeczywistym i powtarzalność między partiami, dzięki czemu idealnie nadaje się do ekologicznej produkcji AgNPs na dużą skalę.
Jakie ekologiczne czynniki redukujące najlepiej sprawdzają się w ultradźwiękowej syntezie nanocząstek srebra?
Do skutecznych, przyjaznych dla środowiska czynników należą ekstrakty roślinne (np. z aloesu, zielonej herbaty i skórek cytrusów), węglowodany, aminokwasy, białka i polimery biodegradowalne. Ultradźwięki zwiększają ich skuteczność redukującą i stabilizującą, umożliwiając całkowite zastąpienie syntetycznych substancji chemicznych przy zachowaniu wysokiej wydajności, stabilności koloidalnej i właściwości użytkowych.
Jak synteza sonochemiczna wypada w porównaniu z tradycyjnymi metodami chemicznymi otrzymywania AgNPs?
Konwencjonalne metody chemiczne często opierają się na toksycznych reduktorach (np. borowodorku sodu), skrajnych wartościach pH i generują niebezpieczne odpady. Ekologiczna synteza sonochemiczna wykorzystuje bezpieczne, odnawialne materiały, przebiega w temperaturze otoczenia lub w łagodnych warunkach temperaturowych, znacznie skraca czas przetwarzania i pozwala uzyskać czystsze, bardziej biokompatybilne nanocząstki o lepszej dyspersji i dłuższym okresie trwałości.
Które branże korzystają z nanocząstek srebra otrzymywanych ekologiczną metodą ultradźwiękową?
AgNPs zsyntetyzowane ekologicznymi metodami sonochemicznymi są szeroko stosowane w powłokach przeciwdrobnoustrojowych, wyrobach medycznych, leczeniu ran, filtracji wody, elastycznej elektronice i zrównoważonych opakowaniach. Ich przyjazna dla środowiska produkcja zapewnia zgodność z rygorystycznymi normami środowiskowymi i bezpieczeństwa, a jednocześnie wysokie właściwości użytkowe i akceptację organów regulacyjnych.
Czym są nanocząstki srebra?
Nanocząstki srebra charakteryzują się wielkością od 1nm do 100nm. Chociaż często określa się je jako „srebrne”, niektóre zawierają znaczny udział tlenku srebra ze względu na wysoki stosunek liczby atomów srebra na powierzchni do liczby atomów srebra we wnętrzu cząstki. Nanocząstki srebra mogą mieć różne struktury. Najczęściej syntetyzuje się kuliste nanocząstki srebra, ale wykorzystuje się również cząstki romboidalne, ośmiokątne oraz cienkie płatki.
Nanocząstki srebra są bardzo często wykorzystywane w zastosowaniach medycznych. Jony srebra są bioaktywne i wykazują silne działanie przeciwdrobnoustrojowe oraz bakteriobójcze. Ich niezwykle duża powierzchnia umożliwia koordynację licznych ligandów. Inne ważne cechy to przewodność i wyjątkowe właściwości optyczne.
Ze względu na właściwości przewodzące nanocząstki srebra są często wprowadzane do kompozytów, tworzyw sztucznych, żywic epoksydowych i klejów. Cząstki srebra zwiększają przewodność elektryczną; dlatego pasty i atramenty zawierające srebro są często stosowane w produkcji elektroniki. Ponieważ nanocząstki srebra umożliwiają wzbudzanie plazmonów powierzchniowych, AgNPs mają znakomite właściwości optyczne. Plazmoniczne nanocząstki srebra są wykorzystywane w czujnikach, detektorach i aparaturze analitycznej, np. w powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii ramanowskiej (SERS) i spektroskopii fluorescencyjnej wzmacnianej polem plazmonów powierzchniowych (SPFS).
Czym jest karagen?
Karagen jest tanim naturalnym polimerem występującym w różnych gatunkach krasnorostów. Karageny to liniowe, siarczanowane polisacharydy szeroko stosowane w przemyśle spożywczym ze względu na właściwości żelujące, zagęszczające i stabilizujące. Ich głównym zastosowaniem są produkty mleczne i mięsne ze względu na silne wiązanie się z białkami żywności. Istnieją trzy główne odmiany karagenu, które różnią się stopniem siarczanowania. Karagen kappa ma jedną grupę siarczanową na jednostkę disacharydową. Karagen iota (ι-karagen) ma dwie grupy siarczanowe na jednostkę disacharydową. Karagen lambda (λ-karagen) ma trzy grupy siarczanowe na jednostkę disacharydową.
Karagen kappa (κ-karagen) ma liniową strukturę siarczanowanego polisacharydu zbudowanego z D-galaktozy i 3,6-anhydro-D-galaktozy.
κ-karagen jest szeroko stosowany w przemyśle spożywczym, np. jako środek żelujący i do modyfikacji tekstury. Występuje jako dodatek w lodach, śmietanie, serku wiejskim, koktajlach mlecznych, sosach sałatkowych, słodzonym mleku skondensowanym, mleku sojowym i innych mlekach roślinnych oraz sosach, aby zwiększać lepkość produktu.
Ponadto κ-karagen występuje w produktach niespożywczych, np. jako zagęstnik w szamponach i kremach kosmetycznych, w paście do zębów (jako stabilizator zapobiegający rozdzielaniu się składników), pianie gaśniczej (jako zagęstnik nadający pianie lepkość i przyczepność), żelowych odświeżaczach powietrza, paście do butów (w celu zwiększenia lepkości), w biotechnologii do unieruchamiania komórek/enzymów, w preparatach farmaceutycznych (jako nieaktywna substancja pomocnicza w pigułkach/tabletkach), w karmie dla zwierząt domowych itp.
Obrazy SEM Ag/κ-karagenu przy różnych stężeniach κ-karagenu. [0,1%, 0,2% i 0,3 %, odpowiednio (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]