Via sonoquímica verde para obter nanopartículas de prata
As nanopartículas de prata (AgNPs) são nanomateriais frequentemente utilizados devido às suas propriedades antimicrobianas, propriedades óticas e elevada condutividade elétrica. A via sonoquímica que utiliza carragenina kappa é um método de síntese simples, prático e respeitador do ambiente para a preparação de nanopartículas de prata. A κ-carragenina é utilizada como estabilizador natural respeitador do ambiente, enquanto os ultrassons de potência atuam como agente redutor verde.
A química verde exige um controlo preciso dos parâmetros. Os nossos engenheiros de nanomateriais irão ajudá-lo a selecionar o sonotrodo, a geometria do reator e as definições de potência adequados para maximizar o rendimento, controlar a morfologia das partículas e garantir a plena conformidade com os 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 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Síntese ultrassónica verde de nanopartículas de prata
Elsupikhe et al. (2015) desenvolveram uma via de síntese verde assistida por ultrassons para a preparação de nanopartículas de prata (AgNPs). A sonoquímica é bem conhecida por promover muitas reações químicas por via húmida. A sonicação permite sintetizar AgNPs com κ-carragenina como estabilizador natural. A reação decorre à temperatura ambiente e produz nanopartículas de prata com estrutura cristalina cúbica de faces centradas (fcc), sem quaisquer impurezas. A distribuição do tamanho das partículas das AgNPs pode ser influenciada pela concentração de κ-carragenina.
Esquema da interação entre os grupos carregados das Ag-NPs que são revestidos com κ-carragenina sob sonicação. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedimento: síntese sustentável de nanopartículas de prata
- As Ag-NPs foram sintetizadas por redução de AgNO3 utilizando ultrassons na presença de κ-carragenina. Para obter diferentes amostras, foram preparadas cinco suspensões, adicionando 10 mL de uma solução 0,1 M de AgNO3 a 40 mL de κ-carragenina. As soluções de κ-carragenina utilizadas tinham concentrações de 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 e 0,3 wt%, respetivamente.
- As soluções foram agitadas durante 1h para obter AgNO3/κ-carragenina.
- Em seguida, as amostras foram expostas a irradiação ultrassónica intensa: a amplitude do dispositivo ultrassónico UP400S (400W, 24kHz) foi definida para 50%. A sonicação foi aplicada durante 90min à temperatura ambiente. O sonotrodo dos processadores ultrassónicos de líquidos UP400S foi imerso diretamente na solução reacional.
- Após a sonicação, as suspensões foram centrifugadas durante 15min e lavadas quatro vezes com água bidestilada 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
- nH₂O —sonicação–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–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 ultrassons
Para avaliar os resultados, as amostras foram analisadas por análise espectroscópica UV-visível, difração de raios X, análise química FT-IR e imagens de TEM e SEM.
O número de Ag-NPs aumentou com o aumento das concentrações de κ-carragenina. A formação de Ag/κ-carragenina foi determinada por espectroscopia UV-visível, na qual o máximo de absorção dos plasmões de superfície foi observado entre 402 e 420nm. A análise por difração de raios X (XRD) mostrou que as Ag-NPs têm uma estrutura cúbica de faces centradas. O espectro de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) indicou a presença de Ag-NPs na κ-carragenina. A imagem de microscopia eletrónica de transmissão (TEM) para a concentração mais elevada de κ-carragenina mostrou a distribuição das Ag-NPs com um tamanho médio de partícula próximo de 4,21nm. 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 de Ag/κ-carragenina, de modo que se obtiveram Ag-NPs de pequeno tamanho e forma esférica.
Imagens de TEM e distribuições de tamanho correspondentes para Ag/κ-carragenina sintetizada por via sonoquímica a diferentes concentrações de κ-carragenina. [0,1%, 0,2% e 0,3%, respetivamente (a, b, c)].
UP400S – o dispositivo ultrassónico utilizado para a síntese sonoquímica de nanopartículas de Ag
Bibliografia/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 verde de nanopartículas de prata
Como melhoram os ultrassons a síntese verde de nanopartículas de prata?
Os ultrassons induzem cavitação acústica, criando pontos quentes localizados que reduzem rapidamente os iões de prata utilizando agentes respeitadores do ambiente. 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 produtos químicos agressivos nem elevada energia térmica.
Quais são as principais vantagens de uma via sonoquímica verde para as AgNPs?
A síntese sonoquímica verde combina ultrassons com agentes redutores e de revestimento biocompatíveis (como extratos vegetais, açúcares ou polímeros) para produzir nanopartículas de prata não tóxicas e inócuas para o ambiente. O método reduz o consumo de energia, encurta o tempo de síntese, elimina subprodutos perigosos e proporciona nanopartículas altamente estáveis com uma distribuição de tamanho consistente.
Podem os ultrassons controlar o tamanho e a morfologia das nanopartículas de prata?
Sim. Ajustando a amplitude ultrassónica, a frequência, a densidade de potência e o tempo de sonicação, os fabricantes podem regular com precisão as taxas de nucleação e de crescimento. Isto permite a produção reprodutível de AgNPs de 5–100 nm em várias formas (esferas, cubos, placas triangulares), adaptadas a aplicações biomédicas, eletrónicas ou industriais específicas.
É possível aumentar a escala da síntese ultrassónica verde para a produção industrial de AgNPs?
Sem dúvida. Os processadores ultrassónicos industriais permitem utilizar reatores de fluxo contínuo que permitem aumentar a escala sem dificuldades, desde lotes laboratoriais até à produção em larga escala. A sonicação em linha garante uma distribuição uniforme da cavitação, a monitorização do processo em tempo real e a consistência entre lotes, tornando-a ideal para o fabrico de AgNPs em grande volume e respeitador do ambiente.
Quais são os agentes redutores verdes que funcionam melhor na síntese ultrassónica de nanopartículas de prata?
Os agentes eficazes e respeitadores do ambiente incluem extratos botânicos (por exemplo, aloé, chá verde, cascas de citrinos), hidratos de carbono, aminoácidos, proteínas e polímeros biodegradáveis. Os ultrassons aumentam a sua eficiência redutora e estabilizadora, permitindo a substituição integral dos produtos químicos sintéticos, mantendo simultaneamente um elevado rendimento, estabilidade coloidal e desempenho funcional.
Como se compara a síntese sonoquímica com os métodos químicos tradicionais para as AgNPs?
As vias químicas convencionais recorrem frequentemente a agentes redutores tóxicos (por exemplo, borohidreto de sódio) e a valores extremos de pH, e geram resíduos perigosos. A síntese sonoquímica verde utiliza materiais seguros e renováveis, opera à temperatura ambiente ou a temperaturas moderadas, reduz significativamente o tempo de processamento e produz nanopartículas mais limpas e mais biocompatíveis, com dispersão e prazo de conservação superiores.
Que setores beneficiam das nanopartículas de prata produzidas por síntese ultrassónica verde?
As AgNPs sintetizadas por métodos sonoquímicos verdes são amplamente utilizadas em revestimentos antimicrobianos, dispositivos médicos, cuidados de feridas, filtração de água, eletrónica flexível e embalagens sustentáveis. A sua produção respeitadora do ambiente garante a conformidade com normas ambientais e de segurança rigorosas, proporcionando simultaneamente um elevado desempenho e aceitação regulamentar.
O que são nanopartículas de prata?
As nanopartículas de prata caracterizam-se por um tamanho entre 1nm e 100nm. Embora sejam frequentemente descritas como sendo de ‘prata’, algumas são compostas por uma elevada percentagem de óxido de prata devido à sua elevada proporção de átomos de prata à superfície relativamente aos do interior. As nanopartículas de prata podem apresentar diferentes estruturas. Mais frequentemente, são sintetizadas nanopartículas de prata esféricas, mas também são utilizadas formas de losango, formas octogonais e folhas finas.
As nanopartículas de prata são muito utilizadas em aplicações médicas. Os iões de prata são bioativos e têm fortes efeitos antimicrobianos e germicidas. A sua área superficial extremamente elevada permite a coordenação de numerosos ligandos. Outras características importantes são a condutividade e as propriedades óticas únicas.
Devido às suas características condutoras, as nanopartículas de prata são frequentemente incorporadas em compósitos, plásticos, resinas epoxídicas e adesivos. As partículas de prata aumentam a condutividade elétrica; por isso, as pastas e tintas de prata são frequentemente utilizadas no fabrico de produtos eletrónicos. Uma vez que as nanopartículas de prata suportam plasmões de superfície, as AgNPs têm propriedades óticas excecionais. As nanopartículas de prata plasmónicas são utilizadas em sensores, detetores e equipamentos analíticos, como os de espectroscopia Raman intensificada por superfície (SERS) e espectroscopia de fluorescência intensificada pelo campo de plasmões de superfície (SPFS).
O que é a carragenina?
A carragenina é um polímero natural barato, encontrado 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 cárneos, devido à sua forte ligação às proteínas alimentares. Existem três variedades principais de carragenina, que diferem no seu grau de sulfatação. A carragenina kappa tem um grupo sulfato por dissacárido. A carragenina iota (ι-carragenina) tem dois sulfatos por dissacárido. A carragenina lambda (λ-carragenina) tem três sulfatos por dissacárido.
A carragenina kappa (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 de leite, molhos para saladas, leites condensados açucarados, leite de soja e 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 dentífricas (como estabilizador para evitar a separação dos constituintes), em espumas de combate a incêndios (como espessante para tornar a espuma pegajosa), em géis ambientadores, em graxa para calçado (para aumentar a viscosidade), na biotecnologia para imobilizar células/enzimas, em produtos farmacêuticos (como excipiente inativo em pílulas/comprimidos), em alimentos para animais de companhia, etc.
Imagens de SEM de Ag/κ-carragenina a diferentes concentrações de κ-carragenina. [0,1%, 0,2% e 0,3 %, respetivamente (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]