Calea sonochimică verde către nanoparticulele de argint
Nanoparticulele de argint (AgNPs) sunt nanomateriale utilizate frecvent datorită proprietăților lor antimicrobiene, proprietăților optice și conductivității electrice ridicate. Calea sonochimică folosind kappa caragenan este o metodă de sinteză simplă, convenabilă și ecologică pentru prepararea nanoparticulelor de argint. κ-caragenanul este utilizat ca stabilizator natural ecologic, în timp ce ultrasunetele de putere acționează ca un agent reducător verde.
Chimia verde necesită un control precis al parametrilor. Inginerii noștri specializați în nanomateriale vă vor ajuta să alegeți sonotrodul potrivit, geometria reactorului și setările de putere adecvate pentru a maximiza randamentul, a controla morfologia particulelor și a asigura respectarea deplină a principiilor chimiei verzi.
Ag+/κ-caragenan (stânga) și Ag/κ-caragenan tratat cu ultrasunete (dreapta). Tratarea cu ultrasunete s-a efectuat cu aparatul UP400S timp de 90 de minute.
[Elsupikhe și colab. 2015]
Sinteza cu ultrasunete verde a nanoparticulelor de argint
Elsupikhe et al. (2015) au dezvoltat un traseu verde de sinteză asistată ultrasonically pentru prepararea nanoparticulelor de argint (AgNPs). Sonochemistry este bine cunoscut pentru promovarea multor reacții chimice umede. Sonicare permite sintetizarea AgNPs cu κ-caragenan ca stabilizator natural. Reacția se desfășoară la temperatura camerei și produce nanoparticule de argint cu structură cristalină fcc fără impurități. Distribuția dimensiunii particulelor AgNPs poate fi influențată de concentrația de κ-caragenan.
Schema de interacțiune între grupurile încărcate Ag-NPs care sunt acoperite cu κ-caragenan sub sonicare. [Elsupikhe și colab. 2015]
Procedură: Sinteza durabilă a nanoparticulelor de argint
- Ag-NPs au fost sintetizate prin reducerea AgNO3 Folosind ultrasonication în prezența κ-caragenan. Pentru a obține diferite probe, au fost preparate cinci suspensii, prin adăugarea a 10 ml de 0,1 M AgNO3 până la 40 ml κ-caragenan. Soluțiile κ-caragenan utilizate au fost de 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 și, respectiv, 0,3% în greutate.
- Soluțiile au fost agitate timp de 1 oră pentru a obține AgNO3/κ-caragenan.
- Apoi, probele au fost expuse la iradiere ultrasonică intensă: Amplitudinea dispozitivului cu ultrasunete UP400S (400W, 24kHz) a fost setat la 50%. Sonicare a fost aplicat pentru 90min la temperatura camerei. Sonotroda procesoarelor lichide cu ultrasunete UP400S a fost scufundat direct în soluția de reacție.
- După sonicare, suspensiile au fost centrifugate timp de 15min și spălate cu apă dublu distilată de patru ori pentru a îndepărta reziduurile de ioni de argint. Nanoparticulele precipitate au fost uscate la 40 °C sub vid peste noapte pentru a obține Ag-NPs.
Ecuație
- fără apă —Sonicare–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–Hidroliză–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –Reduceri–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analiză și rezultate: Nanoparticule de argint sintetizate prin ultrasunete
Pentru a evalua rezultatele, probele au fost analizate prin analiză spectroscopică vizibilă UV, difracție cu raze X, analiză chimică FT-IR, imagini TEM și SEM.
Numărul de nanoparticule de argint (Ag-NPs) a crescut odată cu creșterea concentrațiilor de κ-caragenan. Formarea complexului Ag/κ-caragenan a fost determinată prin spectroscopie UV-vizibilă, unde s-a observat maximul de absorbție al plasmonului de suprafață între 402 și 420 nm. Analiza prin difracție cu raze X (XRD) a arătat că nanoparticulele de argint (Ag-NPs) au o structură cubică cu fețe centrate. Spectrul de infraroșu cu transformată Fourier (FT-IR) a indicat prezența nanoparticulelor de argint (Ag-NPs) în κ-caragenan. Imaginea obținută prin microscopie electronică de transmisie (TEM) pentru cea mai mare concentrație de κ-caragenan a arătat distribuția nanoparticulelor de argint cu o dimensiune medie a particulelor de aproximativ 4,21 nm. Imaginile obținute prin microscopie electronică de baleiaj (SEM) au ilustrat forma sferică a nanoparticulelor de Ag. Analiza SEM arată că, odată cu creșterea concentrației de κ-caragenan, au avut loc modificări la suprafața Ag/κ-caragenan, astfel încât s-au obținut nanoparticule de Ag de dimensiuni mici, cu formă sferică.
Imagini TEM și distribuții dimensionale corespunzătoare pentru Ag/κ-caragenan sintetizat sonochimic la diferite concentrații de κ-caragenan. [0,1%, 0,2% și, respectiv, 0,3% (a, b, c)].
UP400S – dispozitivul cu ultrasunete utilizat pentru sinteza sonochimică a nanoparticulelor Ag
Literatură/Referințe
- 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.
Întrebări frecvente: Sinteza sonochimică ecologică a nanoparticulelor de argint
În ce mod îmbunătățește ultrasunetul sinteza ecologică a nanoparticulelor de argint?
Ultrasunetele provoacă cavitația acustică, creând zone de concentrație localizate în care ionii de argint sunt reduși rapid cu ajutorul unor agenți ecologici. Acest proces sonochimic accelerează cinetica reacției, favorizează nuclearea uniformă și permite un control precis asupra dimensiunii și formei particulelor – totul fără substanțe chimice agresive sau energie termică ridicată.
Care sunt principalele avantaje ale unei metode sonochimice ecologice de sinteză a nanoparticulelor de argint (AgNPs)?
Sinteza sonochimică ecologică combină ultrasunetele cu agenți reducători și de acoperire biocompatibili (cum ar fi extracte vegetale, zaharuri sau polimeri) pentru a produce nanoparticule de argint netoxice și inofensive pentru mediu. Metoda reduce consumul de energie, scurtează durata sintezei, elimină produsele secundare periculoase și generează nanoparticule extrem de stabile, cu o distribuție uniformă a dimensiunilor.
Poate ultrasunetul să controleze dimensiunea și morfologia nanoparticulelor de argint?
Da. Prin reglarea amplitudinii ultrasunetelor, a frecvenței, a densității de putere și a duratei de sonicare, producătorii pot regla cu precizie ratele de nucleație și de creștere. Acest lucru permite producerea reproductibilă de nanoparticule de argint (AgNPs) cu dimensiuni cuprinse între 5 și 100 nm, în diverse forme (sfere, cuburi, plăci triunghiulare), adaptate unor aplicații specifice din domeniul biomedical, electronic sau industrial.
Sinteza ecologică cu ultrasunete este scalabilă pentru producția industrială de AgNP?
Desigur. Procesoarele industriale cu ultrasunete sunt compatibile cu reactoare cu flux continuu care se adaptează fără probleme de la loturile de laborator la producția la scară industrială. Sonicarea în linie asigură o distribuție uniformă a cavitației, monitorizarea procesului în timp real și consecvența de la un lot la altul, fiind astfel ideală pentru producția ecologică de AgNP în volume mari.
Ce agenți reducători ecologici dau cele mai bune rezultate în sinteza ultrasonică a nanoparticulelor de argint?
Printre agenții ecologici eficienți se numără extractele botanice (de exemplu, aloe, ceai verde, coji de citrice), carbohidrații, aminoacizii, proteinele și polimerii biodegradabili. Ultrasunetele sporesc eficiența lor reducătoare și stabilizatoare, permițând înlocuirea completă a substanțelor chimice sintetice, menținând în același timp un randament ridicat, stabilitatea coloidală și performanța funcțională.
Cum se compară sinteza sonochimică cu metodele chimice tradiționale de obținere a nanoparticulelor de argint (AgNPs)?
Procesele chimice convenționale se bazează adesea pe reducători toxici (de exemplu, borohidrură de sodiu), valori extreme ale pH-ului și generează deșeuri periculoase. Sinteza sonochimică ecologică utilizează materiale sigure și regenerabile, se desfășoară la temperatura ambiantă sau la temperaturi moderate, reduce semnificativ durata procesului și produce nanoparticule mai curate și mai biocompatibile, cu o dispersie și o durată de valabilitate superioare.
Ce industrii beneficiază de nanoparticule de argint obținute prin ultrasonare ecologică?
AgNPs sintetizate prin metode sonochimice ecologice sunt utilizate pe scară largă în acoperiri antimicrobiene, dispozitive medicale, îngrijirea rănilor, filtrarea apei, electronica flexibilă și ambalaje durabile. Producția lor ecologică asigură respectarea unor standarde stricte de mediu și de siguranță, oferind în același timp performanțe ridicate și acceptare din partea autorităților de reglementare.
Ce sunt nanoparticulele de argint?
Nanoparticulele de argint se caracterizează printr-o dimensiune cuprinsă între 1nm și 100nm. În timp ce frecvent descris ca fiind "argint’ Unele sunt compuse dintr-un procent mare de oxid de argint datorită raportului lor mare de atomi de argint de suprafață la vrac. Nanoparticulele de argint pot apărea cu structuri diferite. Cel mai frecvent, nanoparticulele sferice de argint sunt sintetizate, dar sunt utilizate și foi de diamant, octogonale și subțiri.
Nanoparticulele de argint sunt foarte frecventate în aplicațiile medicale. Ionii de argint sunt bioactivi și au efecte antimicrobiene și germicide puternice. Suprafața lor extrem de mare permite coordonarea a numeroși liganzi. Alte caracteristici importante sunt conductivitatea și proprietățile optice unice.
Pentru caracteristicile lor conductive, nanoparticulele de argint sunt adesea încorporate în compozite, materiale plastice, epoxizi și adezivi. Particulele de argint cresc conductivitatea electrică; Prin urmare, pastele și cernelurile de argint sunt frecvent utilizate în fabricarea produselor electronice. Deoarece nanoparticulele de argint susțin plasmonii de suprafață, AgNPs au proprietăți optice remarcabile. Nanoparticulele de argint plasmonic sunt utilizate pentru senzori, detectoare și echipamente analitice, cum ar fi spectroscopia Raman îmbunătățită la suprafață (SERS) și spectroscopia de fluorescență îmbunătățită cu câmp plasmonic de suprafață (SPFS).
Ce este caragenanul?
Caragenanul este un polimer natural ieftin, care se găsește în diferite specii de alge marine roșii. Caragenanii sunt polizaharide sulfatate liniare care sunt utilizate pe scară largă în industria alimentară, pentru proprietățile lor de gelifiere, îngroșare și stabilizare. Principala lor aplicație este în produsele lactate și din carne, datorită legării lor puternice de proteinele alimentare. Există trei soiuri principale de caragenan, care diferă în funcție de gradul lor de sulfatare. Kappa-caragenan are o grupare sulfat per dizaharidă. Iota-caragenan (ι-carageenen) are doi sulfați per dizaharidă. Lambda caragenan (λ-carageenen) are trei sulfați per dizaharidă.
Kappa caragenan (κ-caragenan) are o structură liniară de polizaharidă sulfatată de D-galactoză și 3,6-anhidro-D-galactoză.
κ- caragenanul este utilizat pe scară largă în industria alimentară, de exemplu ca agent de gelifiere și pentru modificarea texturii. Acesta poate fi găsit ca aditiv în înghețată, smântână, brânză de vaci, milkshake-uri, sosuri pentru salate, lapte condensat îndulcit, lapte de soia & alte tipuri de lapte vegetal și sosuri pentru a crește vâscozitatea produsului.
În plus, κ-caragenanul poate fi găsit în produse nealimentare, cum ar fi îngroșătorul din șampon și cremele cosmetice, în pasta de dinți (ca stabilizator pentru a preveni separarea constituenților), spuma de stingere a incendiilor (ca agent de îngroșare pentru a face ca spuma să devină lipicioasă), gelurile odorizante, lacul de pantofi (pentru a crește vâscozitatea), în biotehnologia de imobilizare a celulelor / enzimelor, în produsele farmaceutice (ca excipient inactiv în pastile / tablete), în hrana pentru animale de companie etc.
Imagini SEM pentru Ag/κ-caragenan la diferite concentrații de κ-caragenan. [0,1%, 0,2% și, respectiv, 0,3% (a, b, c)]. [Elsupikhe și colab. 2015]