Zelená sonochemická cesta k nanočasticiam striebra
Nanočastice striebra (AgNP) sú často používané nanomateriály vďaka svojim antimikrobiálnym vlastnostiam, optickým vlastnostiam a vysokej elektrickej vodivosti. Sonochemická cesta využívajúca kappa karagenán je jednoduchá, pohodlná a ekologická metóda syntézy na prípravu nanočastíc striebra. κ-karagénan sa používa ako prírodný ekologický stabilizátor, zatiaľ čo ultrazvuk Power pôsobí ako zelené redukčné činidlo.
Ekologická chémia si vyžaduje presné riadenie parametrov. Naši inžinieri špecializujúci sa na nanomateriály vám pomôžu vybrať správnu sonotródu, geometriu reaktora a nastavenia výkonu, aby ste maximalizovali výťažok, ovplyvnili morfológiu častíc a zaistili úplné dodržiavanie princípov ekologickej chémie.
Ag+/κ-karagénan (vľavo) a sonikovaný Ag/κ-karagénan (vpravo). Sonikácia prebiehala pomocou zariadenia UP400S po dobu 90 minút.
[Elsupikhe a kol. 2015]
Zelená ultrazvuková syntéza nanočastíc striebra
Elsupikhe et al. (2015) vyvinuli zelenú ultrazvukom asistovanú syntézu na prípravu nanočastíc striebra (AgNP). Sonochémia je dobre známa tým, že podporuje mnoho mokro-chemických reakcií. Sonikácia umožňuje syntetizovať AgNP s κ-karagénanom ako prírodným stabilizátorom. Reakcia prebieha pri izbovej teplote a produkuje nanočastice striebra s kryštálovou štruktúrou fcc bez akýchkoľvek nečistôt. Distribúcia veľkosti častíc AgNP môže byť ovplyvnená koncentráciou κ-karagenanu.
Schéma interakcie medzi skupinami nabitými Ag-NP, ktoré sú pri sonikácii zakryté κ-karagenánom. [Elsupikhe a kol. 2015]
Postup: Udržateľná syntéza nanočastíc striebra
- Ag-NP boli syntetizované redukciou AgNO3 pomocou ultrazvuku v prítomnosti κ-karagenanu. Na získanie rôznych vzoriek sa pripravilo päť suspenzií pridaním 10 ml 0,1 M AgNO3 na 40 ml κ-karagenánu. Použité roztoky κ-karagénanu boli 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 a 0,3 % hmotnosti.
- Roztoky sa miešali 1 hodinu, aby sa získalo AgNO3/κ-karagenan.
- Potom boli vzorky vystavené intenzívnemu ultrazvukovému žiareniu: Amplitúda ultrazvukového zariadenia UP400S (400 W, 24 kHz) bolo nastavené na 50 %. Sonikácia bola aplikovaná 90 minút pri izbovej teplote. Sonotróda ultrazvukových kvapalinových procesorov UP400S bol ponorený priamo do reakčného roztoku.
- Po sonikácii sa suspenzie odstredili 15 minút a štyrikrát sa premyli dvojitou destilovanou vodou, aby sa odstránili zvyšky iónov striebra. Vyzrážané nanočastice sa cez noc vysušili pri 40 °C vo vákuu, aby sa získali Ag-NP.
Rovnica
- bez vody —Ultrazvukom–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–hydrolýza–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –Zníženia–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analýza a výsledky: Nanopartikuly striebra syntetizované pomocou ultrazvuku
Na vyhodnotenie výsledkov boli vzorky analyzované UV-viditeľnou spektroskopickou analýzou, röntgenovou difrakciou, FT-IR chemickou analýzou, TEM a SEM snímkami.
Počet Ag-NP sa zvyšoval s rastúcou koncentráciou κ-karagénanu. Tvorba Ag/κ-karagénanu bola stanovená pomocou UV-viditeľnej spektroskopie, pri ktorej bolo maximum absorpcie povrchového plazmonu pozorované v rozmedzí 402 až 420 nm. Analýza röntgenovej difrakcie (XRD) ukázala, že Ag-NP majú kubickú štruktúru s centrom na stene. Spektrum infračervenej spektroskopie s Fourierovou transformáciou (FT-IR) poukázalo na prítomnosť Ag-NP v κ-karagénane. Snímka z transmisnej elektrónovej mikroskopie (TEM) pri najvyššej koncentrácii κ-karagénanu ukázala rozloženie Ag-NP s priemernou veľkosťou častíc blížiacou sa k 4,21 nm. Snímky z rastrovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) ilustrovali sférický tvar Ag-NPs. Analýza SEM ukazuje, že s rastúcou koncentráciou κ-karagénanu dochádzalo k zmenám na povrchu Ag/κ-karagénanu, vďaka čomu sa získali sférické Ag-NPs malej veľkosti.
TEM snímky a zodpovedajúce distribúcie veľkosti pre sonochemicky syntetizovaný Ag/κ-karagénan pri rôznych koncentráciách κ-karagénanu. [0,1 %, 0,2 % a 0,3 % (a, b, c)].
UP400S – ultrazvukové zariadenie používané na sonochemickú syntézu Ag nanočastíc
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.
Najčastejšie kladené otázky: Ekologická sonochemická syntéza nanočastíc striebra
Ako ultrazvuk zlepšuje „zelenú“ syntézu nanočastíc striebra?
Ultrazvuk vyvoláva akustickú kavitáciu, čím vznikajú lokalizované aktívne zóny, v ktorých sa pomocou ekologických látok rýchlo redukujú ióny striebra. Tento sonochémický proces urýchľuje reakčnú kinetiku, podporuje rovnomernú nukleáciu a umožňuje presnú kontrolu nad veľkosťou a tvarom častíc – a to všetko bez použitia agresívnych chemikálií alebo vysokej tepelnej energie.
Aké sú hlavné výhody ekologického sonochemického postupu pri výrobe AgNPs?
Ekologická sonochemická syntéza kombinuje ultrazvuk s biokompatibilnými redukčnými a ochrannými látkami (ako sú rastlinné výťažky, cukry alebo polyméry) s cieľom vyrobiť netoxické, ekologicky nezávadné nanočastice striebra. Táto metóda znižuje spotrebu energie, skracuje dobu syntézy, eliminuje nebezpečné vedľajšie produkty a poskytuje vysoko stabilné nanočastice s konzistentným rozložením veľkostí.
Môže ultrazvuk ovplyvňovať veľkosť a morfológiu strieborných nanočastíc?
Áno. Úpravou amplitúdy ultrazvuku, frekvencie, hustoty výkonu a doby sonikácie môžu výrobcovia presne nastaviť rýchlosť nukleácie a rastu. To umožňuje reprodukovateľnú výrobu AgNP s veľkosťou 5–100 nm v rôznych tvaroch (gule, kocky, trojuholníkové doštičky), prispôsobených konkrétnym biomedicínskym, elektronickým alebo priemyselným aplikáciám.
Je ultrazvuková ekologická syntéza škálovateľná pre priemyselnú výrobu AgNP?
Určite. Priemyselné ultrazvukové procesory podporujú reaktory s nepretržitým prietokom ktoré sa plynule dajú škálovať od laboratórnych šarží až po plnohodnotnú výrobu. Inline sonikácia zaručuje rovnomerné rozloženie kavitácie, monitorovanie procesu v reálnom čase a konzistentnosť medzi jednotlivými šaržami, vďaka čomu je ideálna pre veľkoobjemovú a ekologickú výrobu AgNP.
Ktoré zelené redukčné činidlá sa najlepšie hodia na syntézu nanočastíc striebra pomocou ultrazvuku?
Medzi účinné ekologické látky patria rastlinné výťažky (napr. aloe vera, zelený čaj, citrusové šupky), sacharidy, aminokyseliny, bielkoviny a biologicky rozložiteľné polyméry. Ultrazvuk zvyšuje ich redukčnú a stabilizačnú účinnosť, čo umožňuje úplné nahradenie syntetických chemikálií pri zachovaní vysokého výťažku, koloidnej stability a funkčnej výkonnosti.
Ako sa sonochemická syntéza porovnáva s tradičnými chemickými metódami výroby AgNPs?
Tradičné chemické postupy sa často spoliehajú na toxické redukčné činidlá (napr. borohydrid sodný), extrémne hodnoty pH a pri ich použití vznikajú nebezpečné odpady. Ekologická sonochemická syntéza využíva bezpečné, obnoviteľné materiály, prebieha pri izbovej alebo miernej teplote, výrazne skracuje dobu spracovania a produkuje čistejšie, biokompatibilnejšie nanočastice s vynikajúcou disperziou a trvanlivosťou.
Ktoré odvetvia využívajú výhody ekologických ultrazvukovo vyrábaných nanočastíc striebra?
AgNPs syntetizované prostredníctvom ekologických sonochemických metód sa široko využívajú v antimikrobiálnych povlakoch, zdravotníckych pomôckach, starostlivosti o rany, filtrácii vody, ohybnej elektronike a udržateľných obaloch. Ich ekologická výroba zaručuje súlad s prísnymi environmentálnymi a bezpečnostnými normami a zároveň poskytuje vysokú výkonnosť a súlad s právnymi predpismi.
Čo sú strieborné nanočastice?
Nanočastice striebra sa vyznačujú veľkosťou medzi 1 nm a 100 nm. Aj keď sa často opisuje ako "strieborný"’ Niektoré sú zložené z veľkého percenta oxidu strieborného kvôli ich veľkému pomeru povrchových a objemových atómov striebra. Nanočastice striebra sa môžu objaviť s rôznymi štruktúrami. Najčastejšie sa syntetizujú guľové nanočastice striebra, ale používajú sa aj diamantové, osemuholníkové a tenké plechy.
Nanočastice striebra sú veľmi časté v medicínskych aplikáciách. Ióny striebra sú bioaktívne a majú silné antimikrobiálne a germicídne účinky. Ich extrémne veľká plocha 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, epoxidov a lepidiel. Častice striebra zvyšujú elektrickú vodivosť; Preto sa pri výrobe elektroniky často používajú strieborné pasty a atramenty. Keďže nanočastice striebra podporujú povrchové plazmóny, AgNP majú vynikajúce optické vlastnosti. Plazmonické nanočastice striebra sa používajú v senzoroch, detektoroch a analytických zariadeniach, ako je povrchovo vylepšená Ramanova spektroskopia (SERS) a fluorescenčná spektroskopia s povrchovým plazmónovým poľom (SPFS).
Čo je karagénan?
Karagénan je lacný prírodný polymér, ktorý sa nachádza v rôznych druhoch červených morských rias. Karagenány sú lineárne sulfátové polysacharidy, ktoré sú široko používané v potravinárskom priemysle pre svoje želírujúce, zahusťovacie a stabilizačné vlastnosti. Ich hlavné uplatnenie je v mliečnych a mäsových výrobkoch vďaka ich silnej väzbe na potravinové bielkoviny. Existujú tri hlavné odrody karagénanu, ktoré sa líšia stupňom sulfatácie. Kappa-karagenán má jednu sulfátovú skupinu na disacharid. Jota-karagenán (ι-karagenén) má dva sulfáty na disacharid. Lambda karagénan (λ-karagenén) má tri sulfáty na disacharid.
Kappa karagénan (κ-karagenan) má lineárnu štruktúru sulfátového polysacharidu D-galaktózy a 3,6-anhydro-D-galaktózy.
κ- karagénan je široko používaný v potravinárskom priemysle, napr. ako želírujúce činidlo a na úpravu textúry. Nachádza sa ako prísada do zmrzliny, smotany, tvarohu, mliečnych koktailov, šalátových dresingov, sladeného kondenzovaného mlieka, sójového mlieka & iné rastlinné mlieka a omáčky na zvýšenie viskozity produktu.
Okrem toho sa κ-karagénan nachádza v nepotravinárskych výrobkoch, ako je zahusťovadlo v šampónoch a kozmetických krémoch, v zubnej paste (ako stabilizátor na zabránenie oddeľovaniu zložiek), protipožiarna pena (ako zahusťovadlo spôsobujúce lepkavosť peny), osviežovacie gély, lak na topánky (na zvýšenie viskozity), v biotechnológii na znehybnenie buniek/enzýmov, vo farmaceutických výrobkoch (ako neaktívna pomocná látka v tabletách/tabletách), v krmive pre domáce zvieratá atď.
Snímky SEM pre Ag/κ-karagenan pri rôznych koncentráciách κ-karagénanu. [0,1 %, 0,2 % a 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe a kol. 2015]