Зеленый сонохимический путь к наночастицам серебра
Наночастицы серебра (AgNPs) часто используются в качестве наноматериалов благодаря своим антимикробным свойствам, оптическим свойствам и высокой электропроводности. Сонохимический путь с использованием каппа-каррагинана – это простой, удобный и экологически чистый метод синтеза для получения наночастиц серебра. κ-каррагинан используется в качестве натурального экологически чистого стабилизатора, в то время как мощный ультразвук действует как экологический восстановитель.
«Зеленая химия» требует точного контроля параметров. Наши инженеры-специалисты по наноматериалам помогут вам выбрать подходящий сонотрод, геометрию реактора и настройки мощности, чтобы максимально увеличить выход продукта, контролировать морфологию частиц и обеспечить полное соблюдение принципов «зеленой химии».
Ag+/κ-каррагинан (слева) и обработанный ультразвуком Ag/κ-каррагинан (справа). Ультразвуковая обработка проводилась с помощью аппарата UP400S в течение 90 минут.
[Элсупихе и др., 2015]
Зеленый ультразвуковой синтез наночастиц серебра
Elsupikhe et al. (2015) разработали зеленый способ ультразвукового синтеза для получения наночастиц серебра (AgNPs). Хорошо известно, что сонохимия способствует многим влажным химическим реакциям. Ультразвуковая обработка позволяет синтезировать AgNP с κ-каррагинаном в качестве естественного стабилизатора. Реакция протекает при комнатной температуре и дает наночастицы серебра с кристаллической структурой FCC без каких-либо примесей. На распределение частиц AgNP по размерам может влиять концентрация κ-каррагинана.
Схема взаимодействия между Ag-НЧ заряженными группами, которые под ультразвуковым обработкой покрыты κ-каррагинаном. [Эльсупихе и др. 2015]
Методика: экологически безопасный синтез наночастиц серебра
- Ag-НЧ синтезировали путем восстановления AgNO3 Использование ультразвука в присутствии κ-каррагинана. Для получения различных образцов готовили пять суспензий, добавляя 10 мл 0,1 М AgNO3 до 40-мл κ-каррагинана. Используемые растворы κ-каррагинана составляли 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 и 0,3 мас.% соответственно.
- Растворы перемешивали в течение 1 ч для получения AgNO3/κ-каррагинан.
- Затем образцы подвергались интенсивному ультразвуковому облучению: амплитуда ультразвукового устройства УП400С (400 Вт, 24 кГц) был установлен на 50%. Ультразвук применялся в течение 90 минут при комнатной температуре. Сонотрод ультразвуковых жидкостных процессоров УП400С был погружен непосредственно в реакционный раствор.
- После ультразвуковой обработки суспензии центрифугировали в течение 15 минут и четыре раза промывали водой двойной дистилляции для удаления остатков ионов серебра. Осажденные наночастицы высушивали при 40°С в вакууме в течение ночи с получением Ag-НЧ.
Уравнение
- нет воды —Ультразвуковая обработка–> +H + OH
- ОН + СПРАВА –> R + H₂O
- No₃–гидролиз–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + Ч+
- Аг+ + Ч –Сокращения–> Ag°
- Аг+ + Ч2O —> Ag° + OH + H+
Анализ и результаты: наночастицы серебра, синтезированные с помощью ультразвука
Для оценки полученных результатов образцы были проанализированы методами УФ-видимого спектроскопического анализа, рентгеновской дифракции, химического анализа ИК-Фурье, ПЭМ и СЭМ-изображений.
Количество наночастиц серебра увеличивалось с ростом концентрации κ-каррагенана. Образование Ag/κ-каррагенана определялось с помощью УФ-видимой спектроскопии, при которой максимум поглощения поверхностного плазмона наблюдался в диапазоне от 402 до 420 нм. Анализ рентгеновской дифракции (XRD) показал, что наночастицы серебра (Ag-NPs) имеют гранецентрированную кубическую структуру. Спектр инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FT-IR) указывал на присутствие наночастиц серебра в κ-каррагенане. Изображение, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) для самой высокой концентрации κ-каррагенана, показало распределение наночастиц серебра со средним размером частиц около 4,21 нм. Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), продемонстрировали сферическую форму наночастиц серебра. Анализ СЭМ показывает, что с увеличением концентрации κ-каррагенана происходили изменения на поверхности системы Ag/κ-каррагенан, в результате чего были получены мелкодисперсные наночастицы серебра сферической формы.
ПЭМ-изображения и соответствующие распределения по размерам для сонохимически синтезированного Ag/κ-каррагинана при различных концентрациях κ-каррагинана. [0,1%, 0,2% и 0,3% соответственно (a, b, c)].
УП400С – ультразвуковое устройство, используемое для сонохимического синтеза наночастиц Ag
Литература/Литература
- 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 способствует «зелёному» синтезу наночастиц серебра?
Ультразвук вызывает акустическую кавитацию, создавая локализованные зоны повышенной активности, в которых ионы серебра быстро распадаются под действием экологически безопасных веществ. Этот сонохимический процесс ускоряет кинетику реакции, способствует равномерному зародышеобразованию и позволяет точно контролировать размер и форму частиц — и все это без использования агрессивных химикатов или высокой тепловой энергии.
В чём заключаются основные преимущества экологически безопасного сонохимического метода получения наночастиц серебра (AgNPs)?
Экологичный сонохимический синтез сочетает в себе ультразвук с биосовместимыми восстановителями и капсулирующими агентами (такими как растительные экстракты, сахара или полимеры) для получения нетоксичных и экологически безопасных наночастиц серебра. Данный метод позволяет снизить энергопотребление, сократить время синтеза, исключить образование опасных побочных продуктов и получить высокостабильные наночастицы с однородным распределением по размерам.
Можно ли с помощью ультразвука регулировать размер и морфологию наночастиц серебра?
Да. Регулируя амплитуду ультразвука, частоту, плотность мощности и время обработки ультразвуком, производители могут точно настраивать скорости зародышеобразования и роста. Это позволяет обеспечивать воспроизводимое производство наночастиц серебра (AgNPs) размером от 5 до 100 нм различной формы (сферы, кубики, треугольные пластинки), адаптированных для конкретных применений в биомедицине, электронике или промышленности.
Можно ли масштабировать «зеленый» синтез с использованием ультразвука для промышленного производства наночастиц серебра (AgNP)?
Безусловно. Промышленные ультразвуковые процессоры поддерживают реакторы с непрерывным потоком которые позволяют плавно переходить от лабораторных партий к полномасштабному производству. Встроенная ультразвуковая обработка обеспечивает равномерное распределение кавитации, мониторинг процесса в режиме реального времени и стабильность результатов от партии к партии, что делает её идеальным решением для крупносерийного и экологически безопасного производства AgNP.
Какие органические восстановители наиболее эффективны при ультразвуковом синтезе наночастиц серебра?
К числу эффективных экологически безопасных веществ относятся растительные экстракты (например, алоэ, зеленый чай, цедра цитрусовых), углеводы, аминокислоты, белки и биоразлагаемые полимеры. Ультразвук повышает их восстановительную и стабилизирующую эффективность, что позволяет полностью заменить синтетические химические вещества при сохранении высокого выхода, коллоидной стабильности и функциональных характеристик.
Чем сонохимический синтез отличается от традиционных химических методов получения наночастиц серебра (AgNPs)?
Традиционные химические методы часто предполагают использование токсичных восстановителей (например, борогидрида натрия) и экстремальных значений pH, а также приводят к образованию опасных отходов. Экологичный сонохимический синтез использует безопасные возобновляемые материалы, осуществляется при комнатной или умеренной температуре, значительно сокращает время обработки и позволяет получать более чистые и биосовместимые наночастицы с превосходными характеристиками дисперсии и сроком хранения.
В каких отраслях промышленности находят применение экологически чистые ультразвуковые наночастицы серебра?
Наночастицы серебра (AgNPs), синтезированные с помощью экологически безопасных сонохимических методов, широко используются в антимикробных покрытиях, медицинских изделиях, средствах для лечения ран, системах фильтрации воды, гибкой электронике и экологичной упаковке. Их экологически безопасное производство обеспечивает соблюдение строгих экологических стандартов и норм безопасности, а также гарантирует высокую эффективность и соответствие нормативным требованиям.
Что такое наночастицы серебра?
Наночастицы серебра характеризуются размером от 1 нм до 100 нм. Хотя его часто описывают как «серебряный»’ Некоторые из них состоят из большого процента оксида серебра из-за большого соотношения поверхностных и объемных атомов серебра. Наночастицы серебра могут иметь различную структуру. Чаще всего синтезируются сферические наночастицы серебра, но также используются алмазные, восьмиугольные и тонкие листы.
Наночастицы серебра очень часто используются в медицине. Ионы серебра являются биологически активными и обладают сильным антимикробным и бактерицидным действием. Их чрезвычайно большая площадь поверхности позволяет координировать многочисленные лиганды. Другими важными характеристиками являются проводимость и уникальные оптические свойства.
Из-за своих проводящих свойств наночастицы серебра часто включаются в композиты, пластики, эпоксидные смолы и клеи. Частицы серебра увеличивают электропроводность; Поэтому серебряные пасты и чернила часто используются в производстве электроники. Поскольку наночастицы серебра поддерживают поверхностные плазмоны, AgNP обладают превосходными оптическими свойствами. Плазмонные наночастицы серебра используются в датчиках, детекторах и аналитическом оборудовании, таком как спектроскопия комбинационного рассеяния света с поверхностным усилением (SERS) и флуоресцентная спектроскопия с поверхностным плазмонным расширением поля (SPFS).
Что такое каррагинан?
Каррагинан – это дешевый природный полимер, который содержится в различных видах красных водорослей. Каррагинаны представляют собой линейные сульфатированные полисахариды, которые широко используются в пищевой промышленности благодаря своим желирующим, загущающим и стабилизирующим свойствам. Основное их применение – в молочных и мясных продуктах, благодаря сильному связыванию с пищевыми белками. Существует три основные разновидности каррагинана, которые отличаются по степени сульфатации. Каппа-каррагинан имеет одну сульфатную группу на дисахарид. Йота-каррагинан (ι-каррагинен) содержит два сульфата на дисахарид. Лямбдакаррагинан (λ-каррагинен) содержит три сульфата на дисахарид.
Каппа-каррагинан (κ-каррагинан) имеет линейную структуру сульфатированных полисахаридов D-галактозы и 3,6-ангидро-D-галактозы.
κ-каррагинан широко используется в пищевой промышленности, например, в качестве желирующего агента и для модификации текстуры. Его можно найти в качестве добавки в мороженое, сливки, творог, молочные коктейли, салатные заправки, подслащенную сгущенку, соевое молоко & другие растительные молоча, а также соусы для повышения вязкости продукта.
Кроме того, κ-каррагинан можно найти в непищевых продуктах, таких как загуститель в шампунях и косметических кремах, в зубной пасте (в качестве стабилизатора для предотвращения расслоения компонентов), противопожарной пене (в качестве загустителя, вызывающего липкость пены), гелях для освежения воздуха, креме для обуви (для повышения вязкости), в биотехнологиях для иммобилизации клеток/ферментов, в фармацевтических препаратах (в качестве неактивного наполнителя в таблетках), в кормах для домашних животных и т.д.
СЭМ-изображения для Ag/κ-каррагинана при различных концентрациях κ-каррагинана. [0,1 %, 0,2 % и 0,3 % соответственно (a, b, c)]. [Эльсупихе и др. 2015]