Экологичный сонохимический способ получения наночастиц серебра
Наночастицы серебра (AgNPs) – широко используемые наноматериалы благодаря своим антимикробным и оптическим свойствам, а также высокой электропроводности. Сонохимический способ с использованием каппа-каррагинана представляет собой простой, удобный и экологичный метод синтеза наночастиц серебра. κ-каррагинан используется в качестве природного экологичного стабилизатора, а мощный ультразвук выступает в качестве экологичного восстановителя.
Зелёная химия требует точного контроля параметров. Наши инженеры по наноматериалам помогут вам подобрать подходящий сонотрод, геометрию реактора и настройки мощности, чтобы максимально увеличить выход продукта, контролировать морфологию частиц и обеспечить полное соответствие принципам зелёной химии.
Ag+/κ-каррагинан (слева) и Ag/κ-каррагинан после обработки ультразвуком (справа). Обработка ультразвуком проводилась с помощью UP400S в течение 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Экологичный ультразвуковой синтез наночастиц серебра
Elsupikhe и соавт. (2015) разработали экологичный способ синтеза наночастиц серебра (AgNPs) с помощью ультразвука. Хорошо известно, что сонохимия способствует протеканию многих реакций в жидкой среде. Обработка ультразвуком позволяет синтезировать AgNPs с κ-каррагинаном в качестве природного стабилизатора. Реакция протекает при комнатной температуре и даёт наночастицы серебра с гранецентрированной кубической кристаллической структурой (fcc) без каких-либо примесей. На распределение AgNPs по размерам можно влиять с помощью концентрации κ-каррагинана.
Схема взаимодействия между заряженными группами Ag-NPs, покрытыми κ-каррагинаном, при обработке ультразвуком. [Elsupikhe et al. 2015]
Процедура: экологически устойчивый синтез наночастиц серебра
- Ag-NPs синтезировали путём восстановления AgNO3 с помощью обработки ультразвуком в присутствии κ-каррагинана. Для получения различных образцов приготовили пять суспензий, добавляя 10 mL 0,1 M AgNO3 к 40 mL κ-каррагинана. Использовали растворы κ-каррагинана с концентрациями 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 и 0,3 wt% соответственно.
- Растворы перемешивали в течение 1h для получения AgNO3/κ-каррагинана.
- Затем образцы подвергали интенсивному ультразвуковому облучению: амплитуду ультразвукового устройства UP400S (400W, 24kHz) установили на 50%. Обработку ультразвуком проводили в течение 90min при комнатной температуре. Сонотрод ультразвуковых процессоров для обработки жидкостей UP400S погружали непосредственно в реакционный раствор.
- После обработки ультразвуком суспензии центрифугировали в течение 15min и четырежды промывали бидистиллированной водой для удаления остаточных ионов серебра. Осаждённые наночастицы сушили при 40°C под вакуумом в течение ночи для получения Ag-NPs.
Уравнение
- nH₂O —обработка ультразвуком—> +H + OH
- OH + RH —> R + H₂O
- AgNo₃—гидролиз—> Ag+ + NO₃—
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H —восстановление—> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Анализ и результаты: наночастицы серебра, синтезированные с помощью ультразвука
Для оценки результатов образцы исследовали с помощью спектроскопического анализа в УФ- и видимом диапазонах, рентгеновской дифракции, химического анализа методом FT-IR, а также изображений, полученных методами TEM и SEM.
Количество Ag-NPs увеличивалось с ростом концентрации κ-каррагинана. Образование Ag/κ-каррагинана определяли с помощью спектроскопии в УФ- и видимом диапазонах, при этом максимум поглощения поверхностного плазмона наблюдался в диапазоне от 402 до 420nm. Рентгенодифракционный анализ (XRD) показал, что Ag-NPs имеют гранецентрированную кубическую структуру. Инфракрасный спектр с преобразованием Фурье (FT-IR) указывал на присутствие Ag-NPs в κ-каррагинане. Изображение, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии (TEM) при самой высокой концентрации κ-каррагинана, показало распределение Ag-NPs со средним размером частиц около 4,21nm. Изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM), продемонстрировали сферическую форму Ag-NPs. Анализ SEM показывает, что с увеличением концентрации κ-каррагинана происходили изменения поверхности Ag/κ-каррагинана, в результате чего были получены Ag-NPs малого размера сферической формы.
Изображения TEM и соответствующие распределения по размерам для Ag/κ-каррагинана, синтезированного сонохимическим методом, при различных концентрациях κ-каррагинана. [0,1%, 0,2% и 0,3% соответственно (a, b, c)].
UP400S – ультразвуковое устройство, используемое для сонохимического синтеза наночастиц Ag
Литература/ссылки
- 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.
Часто задаваемые вопросы: экологичный сонохимический синтез наночастиц серебра
Как ультразвук улучшает экологичный синтез наночастиц серебра?
Ультразвук вызывает акустическую кавитацию, создавая локальные области высокой температуры, в которых ионы серебра быстро восстанавливаются с использованием экологичных реагентов. Этот сонохимический процесс ускоряет кинетику реакции, способствует равномерному зародышеобразованию и позволяет точно контролировать размер и форму частиц – всё это без агрессивных химических веществ или больших затрат тепловой энергии.
Каковы основные преимущества экологичного сонохимического способа получения AgNPs?
Экологичный сонохимический синтез сочетает ультразвук с биосовместимыми восстановителями и покрывающими агентами (такими как растительные экстракты, сахара или полимеры) для получения нетоксичных, безвредных для окружающей среды наночастиц серебра. Метод снижает энергопотребление, сокращает время синтеза, исключает образование опасных побочных продуктов и позволяет получать высокостабильные наночастицы с постоянным распределением по размерам.
Можно ли с помощью ультразвука контролировать размер и морфологию наночастиц серебра?
Да. Регулируя амплитуду и частоту ультразвука, плотность мощности и время обработки ультразвуком, производители могут точно настраивать скорости зародышеобразования и роста. Это позволяет воспроизводимо получать AgNPs размером 5–100 nm различной формы (сферы, кубы, треугольные пластинки), адаптированные к конкретным биомедицинским, электронным или промышленным применениям.
Можно ли масштабировать экологичный ультразвуковой синтез для промышленного производства AgNPs?
Безусловно. Промышленные ультразвуковые процессоры поддерживают проточные реакторы непрерывного действия , позволяющие без затруднений масштабировать процесс от лабораторных партий до полноценного производства. Обработка ультразвуком в потоке обеспечивает равномерное распределение кавитации, мониторинг процесса в реальном времени и стабильность результатов от партии к партии, что делает её идеальной для экологичного производства AgNPs в больших объёмах.
Какие экологичные восстановители лучше всего подходят для ультразвукового синтеза наночастиц серебра?
К эффективным экологичным реагентам относятся растительные экстракты (например, алоэ, зелёного чая, кожуры цитрусовых), углеводы, аминокислоты, белки и биоразлагаемые полимеры. Ультразвук повышает эффективность их восстанавливающего и стабилизирующего действия, позволяя полностью заменить синтетические химические вещества при сохранении высокого выхода продукта, коллоидной стабильности и функциональных характеристик.
Как сонохимический синтез AgNPs соотносится с традиционными химическими методами?
Традиционные химические способы часто основаны на использовании токсичных восстановителей (например, борогидрида натрия), экстремальных значений pH и приводят к образованию опасных отходов. Экологичный сонохимический синтез использует безопасные возобновляемые материалы, протекает при температуре окружающей среды или умеренных температурах, значительно сокращает время обработки и позволяет получать более чистые и более биосовместимые наночастицы с лучшей диспергируемостью и более длительным сроком хранения.
Какие отрасли получают преимущества от использования наночастиц серебра, полученных экологичным ультразвуковым методом?
AgNPs, синтезированные экологичными сонохимическими методами, широко используются в антимикробных покрытиях, медицинских изделиях, средствах для ухода за ранами, фильтрации воды, гибкой электронике и экологически устойчивой упаковке. Их экологичное производство обеспечивает соответствие строгим экологическим нормам и стандартам безопасности, одновременно обеспечивая высокие эксплуатационные характеристики и одобрение регулирующих органов.
Что такое наночастицы серебра?
Наночастицы серебра характеризуются размером от 1nm до 100nm. Хотя их часто описывают как «серебряные», некоторые из них содержат большую долю оксида серебра вследствие высокого соотношения числа поверхностных атомов серебра к числу атомов в объёме. Наночастицы серебра могут иметь различную структуру. Чаще всего синтезируют сферические наночастицы серебра, но также используются ромбовидные, восьмиугольные частицы и тонкие листы.
Наночастицы серебра очень широко применяются в медицине. Ионы серебра биологически активны и обладают сильным антимикробным и бактерицидным действием. Чрезвычайно большая площадь их поверхности позволяет координировать многочисленные лиганды. Другими важными характеристиками являются электропроводность и уникальные оптические свойства.
Благодаря своим проводящим свойствам наночастицы серебра часто включаются в состав композитов, пластмасс, эпоксидных смол и клеёв. Частицы серебра повышают электропроводность, поэтому серебряные пасты и чернила часто используются в производстве электроники. Поскольку наночастицы серебра поддерживают поверхностные плазмоны, AgNPs обладают выдающимися оптическими свойствами. Плазмонные наночастицы серебра используются в датчиках, детекторах и аналитическом оборудовании, например для спектроскопии комбинационного рассеяния с поверхностным усилением (SERS) и флуоресцентной спектроскопии с усилением полем поверхностных плазмонов (SPFS).
Что такое каррагинан?
Каррагинан – дешёвый природный полимер, встречающийся в различных видах красных водорослей. Каррагинаны представляют собой линейные сульфатированные полисахариды, широко используемые в пищевой промышленности благодаря своим гелеобразующим, загущающим и стабилизирующим свойствам. Основная область их применения – молочные и мясные продукты, что обусловлено их прочным связыванием с пищевыми белками. Существует три основные разновидности каррагинана, различающиеся степенью сульфатирования. Каппа-каррагинан содержит одну сульфатную группу на дисахарид. Йота-каррагинан (ι-каррагинан) содержит две сульфатные группы на дисахарид. Лямбда-каррагинан (λ-каррагинан) содержит три сульфатные группы на дисахарид.
Каппа-каррагинан (κ-каррагинан) имеет линейную структуру сульфатированного полисахарида из D-галактозы и 3,6-anhydro-D-galactose.
κ-каррагинан широко используется в пищевой промышленности, например в качестве гелеобразующего агента и для изменения текстуры. Его можно найти в качестве добавки в мороженом, сливках, твороге, молочных коктейлях, салатных заправках, сгущённом молоке с сахаром, соевом и других видах растительного молока, а также в соусах для повышения вязкости продукта.
Кроме того, κ-каррагинан встречается в непищевых продуктах: в качестве загустителя в шампунях и косметических кремах, в зубной пасте (как стабилизатор для предотвращения разделения компонентов), в пене для пожаротушения (как загуститель, придающий пене липкость), в гелевых освежителях воздуха, в креме для обуви (для повышения вязкости), в биотехнологии для иммобилизации клеток/ферментов, в фармацевтических препаратах (как неактивное вспомогательное вещество в пилюлях/таблетках), в кормах для домашних животных и т. д.
Изображения SEM для Ag/κ-каррагинана при различных концентрациях κ-каррагинана. [0,1%, 0,2% и 0,3 % соответственно (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]