Rută sonochimică verde pentru nanoparticule de argint
Nanoparticulele de argint (AgNPs) sunt nanomateriale utilizate frecvent datorită proprietăților lor antimicrobiene, proprietăților optice și conductivității electrice ridicate. Ruta sonochimică cu 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 agent reducător verde.
Chimia verde necesită un control precis al parametrilor. Inginerii noștri specializați în nanomateriale vă vor ajuta să selectați sonotroda potrivită, geometria reactorului și setările de putere pentru a maximiza randamentul, a controla morfologia particulelor și a asigura conformitatea deplină cu principiile chimiei verzi.
Ag+/κ-caragenan (stânga) și Ag/κ-caragenan sonicat (dreapta). Sonicarea a fost efectuată cu UP400S timp de 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Sinteza verde cu ultrasunete a nanoparticulelor de argint
Elsupikhe et al. (2015) au dezvoltat o rută de sinteză verde asistată de ultrasunete pentru prepararea nanoparticulelor de argint (AgNPs). Sonochimia este binecunoscută pentru faptul că favorizează numeroase reacții chimice pe cale umedă. Sonicarea 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 nicio impuritate. Distribuția dimensiunii particulelor de AgNPs poate fi influențată de concentrația de κ-caragenan.
Schema interacțiunii dintre grupările încărcate ale Ag-NPs acoperite cu κ-caragenan sub sonicare. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedură: sinteza sustenabilă a nanoparticulelor de argint
- Ag-NPs au fost sintetizate prin reducerea AgNO3 prin ultrasonicare în prezența κ-caragenanului. Pentru a obține probe diferite, au fost preparate cinci suspensii prin adăugarea a 10 mL de soluție 0,1 M de AgNO3 la 40 mL de κ-caragenan. Soluțiile de κ-caragenan utilizate au fost de 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 și, respectiv, 0,3 wt%.
- Soluțiile au fost agitate timp de 1h pentru a obține AgNO3/κ-caragenan.
- Apoi, probele au fost expuse unei iradieri ultrasonice intense: amplitudinea dispozitivului cu ultrasunete UP400S (400W, 24kHz) a fost setată la 50%. Sonicarea a fost aplicată timp de 90min la temperatura camerei. Sonotroda procesorului de lichide cu ultrasunete UP400S a fost imersată direct în soluția de reacție.
- După sonicare, suspensiile au fost centrifugate timp de 15min și spălate de patru ori cu apă bidistilată 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
- nH₂O –sonicare–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidroliză–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ –> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –reduceri–> Ag°
- Ag+ + H2O –> Ag° + OH + H+
Analiză și rezultate: nanoparticule de argint sintetizate cu ultrasunete
Pentru evaluarea rezultatelor, probele au fost analizate prin spectroscopie UV-vizibil, difracție de raze X, analiză chimică FT-IR, precum și prin imagini TEM și SEM.
Numărul de Ag-NPs a crescut odată cu creșterea concentrațiilor de κ-caragenan. Formarea Ag/κ-caragenan a fost determinată prin spectroscopie UV-vizibil, maximul de absorbție al plasmonului de suprafață fiind observat la 402 până la 420nm. Analiza prin difracție de raze X (XRD) a arătat că Ag-NPs au o structură cubică cu fețe centrate. Spectrul în infraroșu cu transformată Fourier (FT-IR) a indicat prezența Ag-NPs în κ-caragenan. Imaginea de microscopie electronică de transmisie (TEM) pentru cea mai mare concentrație de κ-caragenan a arătat distribuția Ag-NPs, cu o dimensiune medie a particulelor apropiată de 4,21nm. Imaginile de microscopie electronică de baleiaj (SEM) au ilustrat forma sferică a Ag-NPs. Analiza SEM arată că, odată cu creșterea concentrației de κ-caragenan, au apărut modificări ale suprafeței Ag/κ-caragenan, astfel încât s-au obținut Ag-NPs de dimensiuni mici, cu formă sferică.
Imagini TEM și distribuțiile 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 de 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 verde a nanoparticulelor de argint
Cum îmbunătățesc ultrasunetele sinteza verde a nanoparticulelor de argint?
Ultrasunetele generează cavitație acustică, creând puncte fierbinți localizate care reduc rapid ionii de argint folosind agenți ecologici. Acest proces sonochimic accelerează cinetica reacției, favorizează o nucleație uniformă și permite controlul precis al dimensiunii și formei particulelor – totul fără substanțe chimice agresive sau energie termică ridicată.
Care sunt principalele avantaje ale unei rute sonochimice verzi pentru AgNPs?
Sinteza sonochimică verde combină ultrasunetele cu agenți biocompatibili de reducere și de acoperire (precum extracte vegetale, zaharuri sau polimeri) pentru a produce nanoparticule de argint netoxice și benigne pentru mediu. Metoda reduce consumul de energie, scurtează timpul de sinteză, elimină subprodusele periculoase și produce nanoparticule foarte stabile, cu o distribuție consecventă a dimensiunilor.
Pot ultrasunetele să controleze dimensiunea și morfologia nanoparticulelor de argint?
Da. Prin ajustarea amplitudinii ultrasonice, a frecvenței, a densității de putere și a duratei de sonicare, producătorii pot regla fin vitezele de nucleație și de creștere. Acest lucru permite producția reproductibilă de AgNPs de 5–100 nm, în diverse forme (sfere, cuburi, plăci triunghiulare), adaptate unor aplicații biomedicale, electronice sau industriale specifice.
Este sinteza verde cu ultrasunete scalabilă pentru producția industrială de AgNP?
Absolut. Procesoarele industriale cu ultrasunete sunt compatibile cu reactoare cu flux continuu care permit scalarea fără discontinuități de la loturi de laborator la producția completă. Sonicarea în linie asigură o distribuție uniformă a cavitației, monitorizarea procesului în timp real și consecvența de la un lot la altul, fiind ideală pentru producția ecologică de AgNP în volume mari.
Ce agenți reducători verzi funcționează cel mai bine în sinteza nanoparticulelor de argint cu ultrasunete?
Agenții ecologici eficienți includ extracte botanice (de ex., aloe, ceai verde, coji de citrice), carbohidrați, aminoacizi, proteine și polimeri biodegradabili. Ultrasunetele le sporesc eficiența de reducere și de stabilizare, permițând înlocuirea completă a substanțelor chimice sintetice, menținând totodată un randament ridicat, stabilitatea coloidală și performanța funcțională.
Cum se compară sinteza sonochimică cu metodele chimice tradiționale pentru AgNPs?
Rutele chimice convenționale se bazează adesea pe reducători toxici (de ex., borohidrură de sodiu) și pe un pH extrem și generează deșeuri periculoase. Sinteza sonochimică verde utilizează materiale sigure și regenerabile, funcționează la temperaturi ambiante sau moderate, reduce semnificativ timpul de procesare și produce nanoparticule mai curate și mai biocompatibile, cu dispersie și durată de valabilitate superioare.
Ce industrii beneficiază de nanoparticulele de argint obținute prin sinteză verde cu ultrasunete?
AgNPs sintetizate prin metode sonochimice verzi sunt utilizate pe scară largă în acoperiri antimicrobiene, dispozitive medicale, îngrijirea rănilor, filtrarea apei, electronică flexibilă și ambalaje sustenabile. Producția lor ecologică asigură conformitatea cu standarde stricte de mediu și de siguranță, oferind totodată 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. Deși sunt descrise frecvent ca fiind „de argint”, unele sunt compuse dintr-un procent mare de oxid de argint, din cauza raportului mare dintre atomii de argint de la suprafață și cei din volum. Nanoparticulele de argint pot avea structuri diferite. Cel mai frecvent sunt sintetizate nanoparticule de argint sferice, dar sunt utilizate și forme rombice, octogonale și foi subțiri.
Nanoparticulele de argint sunt foarte des utilizate în aplicații medicale. Ionii de argint sunt bioactivi și au efecte antimicrobiene și germicide puternice. Suprafața lor extrem de mare permite coordinarea a numeroși liganzi. Alte caracteristici importante sunt conductivitatea și proprietățile optice unice.
Datorită caracteristicilor lor conductive, nanoparticulele de argint sunt adesea încorporate în compozite, materiale plastice, rășini epoxidice și adezivi. Particulele de argint cresc conductivitatea electrică; prin urmare, pastele și cernelurile de argint sunt utilizate frecvent în fabricarea componentelor electronice. Deoarece nanoparticulele de argint susțin plasmoni de suprafață, AgNPs au proprietăți optice remarcabile. Nanoparticulele de argint plasmonice sunt utilizate pentru senzori, detectoare și echipamente analitice, precum spectroscopia Raman amplificată de suprafață (SERS) și spectroscopia de fluorescență amplificată de câmpul plasmonilor de suprafață (SPFS).
Ce este caragenanul?
Caragenanul este un polimer natural ieftin, care se găsește în diverse specii de alge roșii. Caragenanii sunt polizaharide sulfatate liniare, utilizate pe scară largă în industria alimentară pentru proprietățile lor gelifiante, de îngroșare și de stabilizare. Principala lor aplicație este în produsele lactate și din carne, datorită legării lor puternice de proteinele alimentare. Există trei varietăți principale de caragenan, care diferă prin gradul de sulfatare. Kappa-caragenanul are o grupare sulfat per dizaharid. Iota-caragenanul (ι-caragenan) are două grupări sulfat per dizaharid. Lambda-caragenanul (λ-caragenan) are trei grupări sulfat per dizaharid.
Kappa-caragenanul (κ-caragenan) are o structură liniară de polizaharid sulfatat format din D-galactoză și 3,6-anhidro-D-galactoză.
κ-caragenanul este utilizat pe scară largă în industria alimentară, de ex. ca agent de gelifiere și pentru modificarea texturii. Poate fi găsit ca aditiv în înghețată, smântână, brânză cottage, milkshake-uri, sosuri pentru salate, lapte condensat îndulcit, lapte de soia și alte tipuri de lapte vegetal, precum și în sosuri, pentru a crește vâscozitatea produsului.
În plus, κ-caragenanul poate fi găsit în produse nealimentare, de exemplu ca agent de îngroșare în șampoane și creme cosmetice, în pasta de dinți (ca stabilizator pentru a preveni separarea componentelor), în spuma de stingere a incendiilor (ca agent de îngroșare care face spuma lipicioasă), în gelurile odorizante, în crema de ghete (pentru a crește vâscozitatea), în biotehnologie pentru imobilizarea celulelor/enzimelor, în produse farmaceutice (ca excipient inactiv în pilule/comprimate), 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 et al. 2015]