Rota Sonoquímica Verde para Nanopartículas de Prata
As nanopartículas de prata (AgNPs) são nanomateriais frequentemente utilizados devido às suas propriedades antimicrobianas, propriedades ópticas e elevada condutividade eléctrica. A via sonoquímica utilizando carragenina kappa é um método de síntese simples, conveniente e amigo do ambiente para a preparação de nanopartículas de prata. A κ-carragenina é utilizada como um estabilizador natural amigo do ambiente, enquanto os ultra-sons de potência actuam como um agente redutor verde.
A química verde exige um controlo preciso dos parâmetros. Os nossos engenheiros especializados em nanomateriais irão ajudá-lo a selecionar o sonotrodo adequado, a geometria do reator e as configurações de potência, de modo a maximizar o rendimento, controlar a morfologia das partículas e garantir o pleno cumprimento dos princípios da química verde.
Ag+/κ-carragenina (à esquerda) e Ag/κ-carragenina submetida a sonicação (à direita). A sonicação foi realizada com o UP400S durante 90 minutos.
[Elsupikhe et al. 2015]
Síntese Ultrassónica Verde de Nanopartículas de Prata
Elsupikhe et al. (2015) desenvolveram uma rota de síntese verde assistida por ultrassom para a preparação de nanopartículas de prata (AgNPs). Sonochemistry é bem conhecido para promover muitas reações químicas molhadas. Sonicação permite sintetizar AgNPs com κ-carragenina como estabilizador natural. A reação decorre à temperatura ambiente e produz nanopartículas de prata com estrutura cristalina fcc sem quaisquer impurezas. A distribuição do tamanho das partículas das AgNPs pode ser influenciada pela concentração de κ-carragenina.
Esquema de interação entre os grupos carregados de Ag-NPs que são cobertos com κ-carragenina sob sonicação. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedimento: Síntese sustentável de nanopartículas de prata
- As Ag-NPs foram sintetizadas através da redução de AgNO3 utilizando ultra-sons na presença de κ-carragenina. Para obter diferentes amostras, cinco suspensões foram preparadas, adicionando 10 mL de 0,1 M AgNO3 para 40 ml de κ-carragenina. As soluções de κ-carragenina utilizadas foram 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 e 0,3 wt%, respetivamente.
- As soluções foram agitadas durante 1h para obter AgNO3/κ-carrageenan.
- Em seguida, as amostras foram expostas a uma intensa irradiação ultra-sónica: A amplitude do dispositivo ultrassónico UP400S (400W, 24kHz) foi ajustado para 50%. A sonicação foi aplicada durante 90 minutos à temperatura ambiente. O sonotrodo dos processadores de líquidos ultra-sónicos UP400S foi imerso diretamente na solução de reação.
- Após a sonicação, as suspensões foram centrifugadas durante 15 minutos e lavadas com água bidestilada quatro vezes para remover os resíduos de iões de prata. As nanopartículas precipitadas foram secas a 40°C sob vácuo durante a noite para obter as Ag-NPs.
Equação
- sem água —Sonicação–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–hidrólise–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –reduções–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Análise e resultados: nanopartículas de prata sintetizadas por ultrassom
Para avaliar os resultados, as amostras foram analisadas por análise espectroscópica UV-visível, difração de raios X, análise química FT-IR, imagens TEM e SEM.
O número de nanopartículas de prata (Ag-NPs) aumentou com o aumento das concentrações de κ-carragenina. A formação de Ag/κ-carragenina foi determinada por espectroscopia UV-visível, tendo-se observado o máximo de absorção do plasmão de superfície entre 402 e 420 nm. A análise por difração de raios X (XRD) revelou que as Ag-NPs apresentam uma estrutura cúbica de faces centradas. O espectro de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR) indicou a presença de nanopartículas de prata (Ag-NPs) no κ-carragenano. A imagem de microscopia eletrónica de transmissão (TEM) para a concentração mais elevada de κ-carragenano revelou a distribuição das nanopartículas de prata com um tamanho médio de partícula próximo de 4,21 nm. As imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) ilustraram a forma esférica das Ag-NPs. A análise SEM mostra que, com o aumento da concentração de κ-carragenina, ocorreram alterações na superfície do Ag/κ-carragenina, de modo que foram obtidas Ag-NPs de pequeno tamanho com forma esférica.
Imagens TEM e distribuições de tamanho correspondentes para Ag/κ-carragenano sintetizado sonoquimicamente em diferentes concentrações de κ-carragenano. [0,1%, 0,2% e 0,3%, respetivamente (a, b, c)].
UP400S – o dispositivo ultrassónico utilizado para a síntese sonoquímica de nanopartículas de Ag
Literatura/Referências
- 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.
Perguntas frequentes: Síntese sonoquímica ecológica de nanopartículas de prata
De que forma o ultrassom melhora a síntese ecológica de nanopartículas de prata?
O ultrassom provoca cavitação acústica, criando pontos de concentração localizados que reduzem rapidamente os iões de prata através de agentes ecológicos. Este processo sonoquímico acelera a cinética da reação, promove uma nucleação uniforme e permite um controlo preciso do tamanho e da forma das partículas — tudo isto sem recorrer a produtos químicos agressivos nem a elevada energia térmica.
Quais são as principais vantagens de um processo sonoquímico ecológico para a produção de AgNPs?
A síntese sonoquímica ecológica combina o ultrassom com agentes redutores e de encapsulamento biocompatíveis (como extratos vegetais, açúcares ou polímeros) para produzir nanopartículas de prata não tóxicas e ambientalmente inofensivas. O método reduz o consumo de energia, encurta o tempo de síntese, elimina subprodutos perigosos e produz nanopartículas altamente estáveis com uma distribuição granulométrica consistente.
O ultrassom pode controlar o tamanho e a morfologia das nanopartículas de prata?
Sim. Ao ajustar a amplitude, a frequência, a densidade de potência e o tempo de sonicação do ultrassom, os fabricantes podem ajustar com precisão as taxas de nucleação e crescimento. Isto permite a produção reprodutível de AgNPs com tamanhos entre 5 e 100 nm em várias formas (esferas, cubos, placas triangulares), adaptadas a aplicações biomédicas, eletrónicas ou industriais específicas.
A síntese ecológica por ultrassons é escalável para a produção industrial de AgNP?
Sem dúvida. Os processadores ultrassónicos industriais suportam reatores de fluxo contínuo que se adaptam perfeitamente desde lotes de laboratório até à produção em grande escala. A sonicação em linha garante uma distribuição uniforme da cavitação, monitorização do processo em tempo real e consistência entre lotes, tornando-a ideal para a produção de AgNP em grande volume e de forma ecológica.
Que agentes redutores ecológicos funcionam melhor na síntese ultrassónica de nanopartículas de prata?
Entre os agentes ecológicos eficazes contam-se os extratos botânicos (por exemplo, aloé, chá verde, cascas de citrinos), hidratos de carbono, aminoácidos, proteínas e polímeros biodegradáveis. O ultrassom potencia a sua eficácia redutora e estabilizadora, permitindo a substituição total de produtos químicos sintéticos, mantendo simultaneamente um elevado rendimento, estabilidade coloidal e desempenho funcional.
Em que medida a síntese sonoquímica se compara aos métodos químicos tradicionais para a produção de AgNPs?
Os processos químicos convencionais recorrem frequentemente a redutores tóxicos (por exemplo, borohidreto de sódio), a valores extremos de pH e geram resíduos perigosos. A síntese sonoquímica ecológica utiliza materiais seguros e renováveis, funciona a temperatura ambiente ou a temperaturas moderadas, reduz significativamente o tempo de processamento e produz nanopartículas mais limpas e biocompatíveis, com dispersão e prazo de validade superiores.
Que setores beneficiam das nanopartículas de prata ultrassónicas ecológicas?
As AgNPs sintetizadas através de métodos sonoquímicos ecológicos são amplamente utilizadas em revestimentos antimicrobianos, dispositivos médicos, tratamento de feridas, filtração de água, eletrónica flexível e embalagens sustentáveis. A sua produção ecológica garante o cumprimento de rigorosas normas ambientais e de segurança, proporcionando simultaneamente um elevado desempenho e aceitação regulamentar.
O que são nanopartículas de prata?
As nano-partículas de prata são caracterizadas por um tamanho entre 1nm e 100nm. Embora frequentemente descritas como sendo "prata’ Algumas são compostas por uma grande percentagem de óxido de prata devido à sua grande proporção de átomos de prata superficiais e volumosos. As nanopartículas de prata podem aparecer com diferentes estruturas. Mais frequentemente, são sintetizadas nanopartículas de prata esféricas, mas também são utilizadas folhas de diamante, octogonais e finas.
As nanopartículas de prata são muito utilizadas em aplicações médicas. Os iões de prata são bioactivos e têm fortes efeitos antimicrobianos e germicidas. A sua área de superfície extremamente grande permite a coordenação de numerosos ligandos. Outras caraterísticas importantes são a condutividade e as propriedades ópticas únicas.
Devido às suas caraterísticas condutoras, as nanopartículas de prata são frequentemente incorporadas em compósitos, plásticos, epóxis e adesivos. As partículas de prata aumentam a condutividade eléctrica, pelo que as pastas e tintas de prata são frequentemente utilizadas no fabrico de produtos electrónicos. Uma vez que as nanopartículas de prata suportam plasmões de superfície, as AgNPs têm propriedades ópticas excepcionais. As nanopartículas de prata plasmónicas são utilizadas em sensores, detectores e equipamento analítico, como a espetroscopia Raman de superfície melhorada (SERS) e a espetroscopia de fluorescência de superfície melhorada por campo de plasmões (SPFS).
O que é a carragenina?
A carragenina é um polímero natural barato, que se encontra em várias espécies de algas vermelhas. As carrageninas são polissacáridos sulfatados lineares amplamente utilizados na indústria alimentar, pelas suas propriedades gelificantes, espessantes e estabilizadoras. A sua principal aplicação é em produtos lácteos e de carne, devido à sua forte ligação às proteínas alimentares. Existem três variedades principais de carragenina, que diferem no seu grau de sulfatação. A kappa-carragenina tem um grupo sulfato por cada dissacárido. A Iota-carragenina (ι-carragenina) tem dois sulfatos por dissacárido. A carragenina Lambda (λ-carragenina) tem três sulfatos por dissacárido.
A kappa carragenina (κ-carragenina) tem uma estrutura linear de polissacárido sulfatado de D-galactose e 3,6-anidro-D-galactose.
A κ-carragenina é amplamente utilizada na indústria alimentar, por exemplo, como agente gelificante e para modificar a textura. Pode ser encontrada como aditivo em gelados, natas, queijo cottage, batidos, molhos para salada, leites condensados, leite de soja & outros leites vegetais, e molhos para aumentar a viscosidade do produto.
Além disso, a κ-carragenina pode ser encontrada em produtos não alimentares, como espessante em champôs e cremes cosméticos, em pastas de dentes (como estabilizador para evitar a separação dos constituintes), espuma de combate a incêndios (como espessante para tornar a espuma pegajosa), géis ambientadores, graxa para sapatos (para aumentar a viscosidade), na biotecnologia para imobilizar células/enzimas, em produtos farmacêuticos (como excipiente inativo em comprimidos/comprimidos), em alimentos para animais de estimação, etc.
Imagens SEM para Ag/κ-carragenina em diferentes concentrações de κ-carragenina. [0,1%, 0,2% e 0,3%, respetivamente (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]