Ekologická sonochemická cesta k nanočasticiam striebra
Nanočastice striebra (AgNPs) sú často využívané nanomateriály vďaka svojim antimikrobiálnym vlastnostiam, optickým vlastnostiam a vysokej elektrickej vodivosti. Sonochemická cesta využívajúca kapa-karagénan je jednoduchá, praktická a ekologická metóda syntézy na prípravu nanočastíc striebra. κ-karagénan sa používa ako prírodný ekologický stabilizátor, zatiaľ čo výkonový ultrazvuk pôsobí ako ekologické redukčné činidlo.
Zelená chémia vyžaduje presné riadenie parametrov. Naši inžinieri špecializovaní na nanomateriály vám pomôžu vybrať správnu sonotródu, geometriu reaktora a nastavenia výkonu, aby ste maximalizovali výťažok, riadili morfológiu častíc a zabezpečili úplný súlad s princípmi zelenej chémie.
Ag+/κ-karagénan (vľavo) a sonikovaný Ag/κ-karagénan (vpravo). Sonikácia sa vykonávala pomocou UP400S počas 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Ekologická ultrazvuková syntéza nanočastíc striebra
Elsupikhe et al. (2015) vyvinuli ekologickú cestu syntézy s podporou ultrazvuku na prípravu nanočastíc striebra (AgNPs). Sonochémia je dobre známa tým, že podporuje mnohé mokré chemické reakcie. Sonikácia umožňuje syntetizovať AgNPs s κ-karagénanom ako prírodným stabilizátorom. Reakcia prebieha pri izbovej teplote a vytvára nanočastice striebra s plošne centrovanou kubickou kryštálovou štruktúrou (fcc) bez akýchkoľvek nečistôt. Distribúciu veľkosti častíc AgNPs možno ovplyvniť koncentráciou κ-karagénanu.
Schéma interakcie medzi nabitými skupinami Ag-NPs pokrytých κ-karagénanom počas sonikácie. [Elsupikhe et al. 2015]
Postup: Udržateľná syntéza nanočastíc striebra
- Ag-NPs sa syntetizovali redukciou AgNO3 pomocou ultrazvuku v prítomnosti κ-karagénanu. Na získanie rôznych vzoriek sa pripravilo päť suspenzií pridaním 10 mL 0,1 M AgNO3 k 40-mL κ-karagénanu. Použité roztoky κ-karagénanu mali koncentrácie 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 a 0,3 wt%.
- Roztoky sa miešali počas 1h, aby sa získal AgNO3/κ-karagénan.
- Potom sa vzorky vystavili intenzívnemu ultrazvukovému ožarovaniu: Amplitúda ultrazvukového zariadenia UP400S (400W, 24kHz) sa nastavila na 50%. Sonikácia sa vykonávala počas 90min pri izbovej teplote. Sonotróda ultrazvukových procesorov na spracovanie kvapalín UP400S sa ponorila priamo do reakčného roztoku.
- Po sonikácii sa suspenzie centrifugovali počas 15min a štyrikrát sa premyli dvakrát destilovanou vodou, aby sa odstránili zvyšky iónov striebra. Vyzrážané nanočastice sa sušili pri 40°C vo vákuu cez noc, aby sa získali Ag-NPs.
Rovnica
- nH₂O —sonikácia–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hydrolýza–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R‘ + H+
- Ag+ + H –redukcie–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analýza a výsledky: Nanočastice striebra syntetizované ultrazvukom
Na vyhodnotenie výsledkov sa vzorky analyzovali pomocou spektroskopickej analýzy v UV a viditeľnej oblasti, röntgenovej difrakcie, chemickej analýzy FT-IR a snímok TEM a SEM.
Počet Ag-NPs sa zvyšoval so zvyšujúcimi sa koncentráciami κ-karagénanu. Tvorba Ag/κ-karagénanu sa stanovila spektroskopiou v UV a viditeľnej oblasti, pri ktorej sa pozorovalo absorpčné maximum povrchových plazmónov pri 402 až 420nm. Analýza röntgenovou difrakciou (XRD) ukázala, že Ag-NPs majú plošne centrovanú kubickú štruktúru. Infračervené spektrum s Fourierovou transformáciou (FT-IR) naznačilo prítomnosť Ag-NPs v κ-karagénane. Snímka z transmisnej elektrónovej mikroskopie (TEM) pri najvyššej koncentrácii κ-karagénanu ukázala distribúciu Ag-NPs s priemernou veľkosťou častíc približne 4,21nm. Snímky z rastrovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) znázornili guľovitý tvar Ag-NPs. Analýza SEM ukazuje, že so zvyšujúcou sa koncentráciou κ-karagénanu dochádzalo k zmenám povrchu Ag/κ-karagénanu, takže sa získali malé Ag-NPs guľovitého tvaru.
Snímky TEM a zodpovedajúce distribúcie veľkosti pre sonochemicky syntetizovaný Ag/κ-karagénan pri rôznych koncentráciách κ-karagénanu. [0,1%, 0,2% a 0,3%, v uvedenom poradí (a, b, c)].
UP400S – ultrazvukové zariadenie používané na sonochemickú syntézu nanočastíc Ag
Literatúra/Referencie
- 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.
Často kladené otázky: Zelená sonochemická syntéza nanočastíc striebra
Ako ultrazvuk zlepšuje zelenú syntézu nanočastíc striebra?
Ultrazvuk vyvoláva akustickú kavitáciu, pričom vytvára lokalizované oblasti s vysokou teplotou, v ktorých sa ióny striebra rýchlo redukujú pomocou ekologických činidiel. Tento sonochemický proces urýchľuje reakčnú kinetiku, podporuje rovnomernú nukleáciu a umožňuje presnú kontrolu veľkosti a tvaru častíc – to všetko bez agresívnych chemikálií alebo veľkého množstva tepelnej energie.
Aké sú hlavné výhody zelenej sonochemickej metódy prípravy AgNPs?
Zelená sonochemická syntéza kombinuje ultrazvuk s biokompatibilnými redukčnými a povrchovo stabilizačnými činidlami (ako sú rastlinné extrakty, cukry alebo polyméry) na výrobu netoxických nanočastíc striebra šetrných k životnému prostrediu. Táto metóda znižuje spotrebu energie, skracuje čas syntézy, eliminuje nebezpečné vedľajšie produkty a poskytuje vysoko stabilné nanočastice s konzistentnou distribúciou veľkosti.
Môže ultrazvuk riadiť veľkosť a morfológiu nanočastíc striebra?
Áno. Úpravou amplitúdy ultrazvuku, frekvencie, hustoty výkonu a času sonikácie môžu výrobcovia jemne doladiť rýchlosti nukleácie a rastu. To umožňuje reprodukovateľnú výrobu AgNPs s veľkosťou 5–100 nm v rôznych tvaroch (guľôčky, kocky, trojuholníkové doštičky), prispôsobených konkrétnym biomedicínskym, elektronickým alebo priemyselným aplikáciám.
Je možné zelenú ultrazvukovú syntézu škálovať na priemyselnú výrobu AgNPs?
Jednoznačne. Priemyselné ultrazvukové procesory podporujú kontinuálne prietokové reaktory ktoré možno plynulo škálovať od laboratórnych šarží až po plnú výrobu. Sonikácia priamo vo výrobnej linke zabezpečuje rovnomerné rozloženie kavitácie, monitorovanie procesu v reálnom čase a konzistentnosť medzi šaržami, vďaka čomu je ideálna na veľkoobjemovú ekologickú výrobu AgNPs.
Ktoré zelené redukčné činidlá fungujú najlepšie pri ultrazvukovej syntéze nanočastíc striebra?
Medzi účinné ekologické činidlá patria rastlinné extrakty (napr. aloe, zelený čaj, citrusové šupky), sacharidy, aminokyseliny, bielkoviny a biologicky odbúrateľné polyméry. Ultrazvuk zvyšuje ich redukčnú a stabilizačnú účinnosť, čo umožňuje úplné nahradenie syntetických chemikálií pri zachovaní vysokého výťažku, koloidnej stability a funkčných vlastností.
Ako sa sonochemická syntéza AgNPs porovnáva s tradičnými chemickými metódami?
Konvenčné chemické postupy sa často spoliehajú na toxické redukčné činidlá (napr. borohydrid sodný), extrémne pH a vytvárajú nebezpečný odpad. Zelená sonochemická syntéza využíva bezpečné, obnoviteľné materiály, prebieha pri teplote okolia alebo miernych teplotách, výrazne skracuje čas spracovania a vytvára čistejšie, biokompatibilnejšie nanočastice s lepšou disperziou a dlhšou skladovateľnosťou.
Ktoré odvetvia využívajú výhody nanočastíc striebra vyrobených zelenou ultrazvukovou syntézou?
AgNPs syntetizované zelenými sonochemickými metódami sa široko využívajú v antimikrobiálnych povlakoch, zdravotníckych pomôckach, pri ošetrovaní rán, vo filtrácii vody, flexibilnej elektronike a udržateľných obaloch. Ich ekologická výroba zabezpečuje súlad s prísnymi environmentálnymi a bezpečnostnými normami a zároveň poskytuje vysoký výkon a akceptáciu zo strany regulačných orgánov.
Čo sú nanočastice striebra?
Nanočastice striebra sa vyznačujú veľkosťou medzi 1nm a 100nm. Hoci sa často označujú ako „strieborné“, niektoré obsahujú vysoký podiel oxidu strieborného v dôsledku vysokého pomeru počtu atómov striebra na povrchu k počtu atómov striebra v objeme častice. Nanočastice striebra môžu mať rôzne štruktúry. Najčastejšie sa syntetizujú guľovité nanočastice striebra, používajú sa však aj častice diamantového a osemuholníkového tvaru a tenké doštičky.
Nanočastice striebra sa veľmi často používajú v medicínskych aplikáciách. Ióny striebra sú bioaktívne a majú silné antimikrobiálne a germicídne účinky. Ich mimoriadne veľká plocha povrchu umožňuje koordináciu mnohých ligandov. Ďalšími dôležitými vlastnosťami sú vodivosť a jedinečné optické vlastnosti.
Pre svoje vodivé vlastnosti sa nanočastice striebra často začleňujú do kompozitov, plastov, epoxidových živíc a lepidiel. Častice striebra zvyšujú elektrickú vodivosť; preto sa strieborné pasty a atramenty často používajú pri výrobe elektroniky. Keďže nanočastice striebra podporujú povrchové plazmóny, AgNPs majú vynikajúce optické vlastnosti. Plazmonické nanočastice striebra sa používajú v senzoroch, detektoroch a analytických zariadeniach využívajúcich techniky, ako sú povrchovo zosilnená Ramanova spektroskopia (SERS) a fluorescenčná spektroskopia zosilnená poľom povrchových plazmónov (SPFS).
Čo je karagénan?
Karagénan je lacný prírodný polymér, ktorý sa nachádza v rôznych druhoch červených morských rias. Karagénany sú lineárne sulfátované polysacharidy, ktoré sa vďaka svojim želírujúcim, zahusťujúcim a stabilizačným vlastnostiam široko používajú v potravinárskom priemysle. Hlavné uplatnenie nachádzajú v mliečnych a mäsových výrobkoch vďaka silnej väzbe na potravinové bielkoviny. Existujú tri hlavné druhy karagénanu, ktoré sa líšia stupňom sulfatácie. Kapa-karagénan má jednu sulfátovú skupinu na disacharid. Ióta-karagénan (ι-karagénan) má dve sulfátové skupiny na disacharid. Lambda-karagénan (λ-karagénan) má tri sulfátové skupiny na disacharid.
Kapa-karagénan (κ-karagénan) má lineárnu štruktúru sulfátovaného polysacharidu z D-galaktózy a 3,6-anhydro-D-galaktózy.
κ-karagénan sa široko používa v potravinárskom priemysle, napr. ako želírujúca látka a na úpravu textúry. Ako prídavná látka na zvýšenie viskozity výrobku sa nachádza v zmrzline, smotane, hrudkovitom tvarohu, mliečnych koktailoch, šalátových dresingoch, sladenom kondenzovanom mlieku, sójovom mlieku a iných rastlinných mliekach a v omáčkach.
Okrem toho sa κ-karagénan nachádza aj v nepotravinárskych výrobkoch, napríklad ako zahusťovadlo v šampónoch a kozmetických krémoch, v zubných pastách (ako stabilizátor zabraňujúci oddeľovaniu zložiek), v hasiacej pene (ako zahusťovadlo, ktoré dodáva pene lepivosť), v gélových osviežovačoch vzduchu, v krémoch na topánky (na zvýšenie viskozity), v biotechnológii na imobilizáciu buniek/enzýmov, vo farmaceutických výrobkoch (ako neúčinná pomocná látka v pilulkách/tabletách), v krmivách pre domáce zvieratá atď.
Snímky Ag/κ-karagénanu zo SEM pri rôznych koncentráciách κ-karagénanu. [0,1%, 0,2% a 0,3 % pre (a, b, c) v uvedenom poradí]. [Elsupikhe et al. 2015]