Zelena sonokemična pot do nanodelcev srebra
Nanodelci srebra (AgNP) so pogosto uporabljeni nanomateriali zaradi svojih protimikrobnih lastnosti, optičnih lastnosti in visoke električne prevodnosti. Sonokemična pot z uporabo kappa karagenana je preprosta, priročna in okolju prijazna metoda sinteze za pripravo nano delcev srebra. κ-karagenan se uporablja kot naravni okolju prijazen stabilizator, medtem ko močni ultrazvok deluje kot zeleno redukcijsko sredstvo.
Zelena kemija zahteva natančno nadzorovanje parametrov. Naši inženirji za nanomateriale vam bodo pomagali izbrati ustrezno sonotrodo, geometrijo reaktorja in nastavitve moči, da boste lahko povečali donos, nadzorovali morfologijo delcev ter zagotovili popolno skladnost z načeli zelene kemije.
Ag+/κ-karagenan (levo) in ultrazvokom obdelan Ag/κ-karagenan (desno). Ultrazvočna obdelava je potekala z napravo UP400S 90 minut.
[Elsupikhe in sod. 2015]
Zelena ultrazvočna sinteza nanodelcev srebra
(2015) so razvili zeleno ultrazvočno podprto sintezno pot za pripravo nanodelcev srebra (AgNP). Znano je, da sonokemija spodbuja številne mokro-kemične reakcije. Sonication omogoča sintezo AgNP z κ-karagenanom kot naravnim stabilizatorjem. Reakcija poteka pri sobni temperaturi in proizvaja nanodelce srebra s kristalno strukturo fcc brez nečistoč. Na porazdelitev velikosti delcev AgNP lahko vpliva koncentracija κ-karagenana.
Shema interakcije med skupinami nabitih Ag-NP, ki so omejene z κ-karagenanom pod ultrazvočnim razbijanjem. [Elsupikhe et al. 2015]
Postopek: Trajnostna sinteza srebrnih nanodelcev
- Ag-NP so bili sintetizirani z zmanjšanjem AgNO3 z uporabo ultrazvoka v prisotnosti κ-karagenana. Za pridobitev različnih vzorcev je bilo pripravljenih pet suspenzij z dodajanjem 10 ml 0,1 M AgNO3 do 40 ml κ-karagenana. Uporabljene raztopine κ-karagenana so bile 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 in 0,3 % mas.
- Raztopine smo mešali 1 uro, da smo dobili AgNO3/κ-karagenan.
- Nato so bili vzorci izpostavljeni intenzivnemu ultrazvočnemu obsevanju: amplituda ultrazvočne naprave UP400S (400 W, 24 kHz) je bil nastavljen na 50 %. Sonikacija je bila uporabljena 90 minut pri sobni temperaturi. Sonotroda ultrazvočnih tekočih procesorjev UP400S je bila potopljena neposredno v reakcijsko raztopino.
- Po ultrazvočnem razbijanju so suspenzije centrifugirali 15 minut in štirikrat sprali z dvojno destilirano vodo, da so odstranili ostanek srebrovih ionov. Oborjeni nanodelci so bili čez noč posušeni pri 40 ° C v vakuumu, da bi dobili Ag-NP.
Enačba
- brez vode —ultrazvočno razbijanje–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–hidroliza–> Ag⁺ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –Zmanjšanje–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analiza in rezultati: z ultrazvokom sintetizirani srebrni nanodelci
Za oceno rezultatov so bili vzorci analizirani z UV-vidno spektroskopsko analizo, rentgensko difrakcijo, FT-IR kemijsko analizo, TEM in SEM slikami.
Število Ag-NP se je povečevalo s povečevanjem koncentracij κ-karagenana. Nastanek Ag/κ-karagenana je bil določen z UV-vidno spektroskopijo, pri čemer je bil maksimum absorpcije površinskega plazmona opazen pri 402 do 420 nm. Analiza z rentgensko difrakcijo (XRD) je pokazala, da imajo Ag-NP kubično strukturo s centriranimi ploskvami. Spekter infrardeče spektroskopije s Fourierjevo transformacijo (FT-IR) je pokazal prisotnost Ag-NP v κ-karagenanu. Slika, pridobljena s transmisijsko elektronsko mikroskopijo (TEM) za najvišjo koncentracijo κ-karagenana, je prikazala porazdelitev Ag-NP s povprečno velikostjo delcev blizu 4,21 nm. Slike, pridobljene s skenirsko elektronsko mikroskopijo (SEM), so prikazale sferično obliko Ag-NP. Analiza SEM kaže, da so se s povečanjem koncentracije κ-karagenana pojavile spremembe na površini Ag/κ-karagenana, tako da so bili pridobljeni majhni Ag-NP sferične oblike.
TEM posnetki in ustrezne porazdelitve velikosti za sonokemično sintetizirani Ag/κ-karagenan pri različnih koncentracijah κ-karagenana. [0,1 %, 0,2 % in 0,3 % (a, b, c)].
UP400S – ultrazvočna naprava, ki se uporablja za sonokemično sintezo Ag nanodelcev
Literatura/Reference
- 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.
Pogosta vprašanja: Zelena sonokemična sinteza srebrnih nanodelcev
Kako ultrazvok izboljša zeleno sintezo srebrnih nanodelcev?
Ultrazvok povzroča akustično kavitacijo, pri čemer nastajajo lokalizirana žarišča, ki s pomočjo okolju prijaznih sredstev hitro zmanjšujejo vsebnost srebrnih ionov. Ta sono-kemijski postopek pospeši reakcijsko kinetiko, spodbuja enakomerno nukleacijo ter omogoča natančen nadzor nad velikostjo in obliko delcev – vse to brez agresivnih kemikalij ali visoke toplotne energije.
Katere so glavne prednosti okolju prijaznega sonokemičnega postopka za proizvodnjo AgNP-jev?
Zelena sonokemična sinteza združuje ultrazvok z biokompatibilnimi redukcijskimi in pokrivnimi sredstvi (kot so rastlinski izvlečki, sladkorji ali polimeri) za proizvodnjo nestrupenih, okolju prijaznih srebrnih nanodelcev. Ta metoda zmanjšuje porabo energije, skrajša čas sinteze, odpravlja nevarne stranske produkte ter omogoča pridobivanje izredno stabilnih nanodelcev z enakomerno porazdelitvijo velikosti.
Ali lahko ultrazvok vpliva na velikost in morfologijo srebrnih nanodelcev?
Da. S prilagajanjem amplitude ultrazvoka, frekvence, gostote moči in časa sonikacije lahko proizvajalci natančno uravnavajo hitrosti nastajanja jedra in rasti. To omogoča ponovljivo proizvodnjo AgNP velikosti od 5 do 100 nm v različnih oblikah (krogle, kocke, trikotne plošče), prilagojenih posebnim biomedicinskim, elektronskim ali industrijskim uporabam.
Ali je ultrazvočna »zelena« sinteza prilagodljiva za industrijsko proizvodnjo AgNP?
Seveda. Industrijski ultrazvočni procesorji podpirajo reaktorji s kontinuiranim pretokom ki se brez težav prilagajajo od laboratorijskih serij do polne proizvodnje. Vgrajena ultrazvočna obdelava zagotavlja enakomerno porazdelitev kavitacije, spremljanje procesa v realnem času in doslednost med posameznimi serijami, zaradi česar je idealna za okolju prijazno proizvodnjo AgNP v velikih količinah.
Katera zelena redukcijska sredstva so najučinkovitejša pri sintezi srebrnih nanodelcev z ultrazvokom?
Med učinkovita okolju prijazna sredstva spadajo rastlinski izvlečki (npr. aloe, zeleni čaj, lupine agrumov), ogljikovi hidrati, aminokisline, beljakovine in biološko razgradljivi polimeri. Ultrazvok izboljša njihovo redukcijsko in stabilizacijsko učinkovitost, kar omogoča popolno zamenjavo sintetičnih kemikalij ob ohranjanju visokega izkoristka, koloidne stabilnosti in funkcionalne učinkovitosti.
Kako se sonokemična sinteza primerja s tradicionalnimi kemičnimi metodami za pridobivanje AgNP-jev?
Konvencionalni kemični postopki pogosto temeljijo na strupenih reduktorjih (npr. natrijev borohidrid) in ekstremnih vrednostih pH ter pri tem ustvarjajo nevarne odpadke. Okolju prijazna sonokemična sinteza uporablja varne, obnovljive surovine, poteka pri sobni ali zmerni temperaturi, znatno skrajša čas obdelave ter proizvaja čistejše, biokompatibilnejše nanodelce z odlično disperzijo in daljšo rok uporabnosti.
Kateri industrijski sektorji imajo koristi od zelenih ultrazvočno proizvedenih srebrnih nanodelcev?
AgNP-ji, sintetizirani z zelenimi sonokemičnimi metodami, se široko uporabljajo v protimikrobnih premazih, medicinskih pripomočkih, negi ran, filtriranju vode, fleksibilni elektroniki in trajnostnih embalažah. Njihova okolju prijazna proizvodnja zagotavlja skladnost s strogimi okoljskimi in varnostnimi standardi, hkrati pa omogoča visoko zmogljivost in skladnost z zakonodajo.
Kaj so srebrni nanodelci?
Za nanodelce srebra je značilna velikost med 1 nm in 100 nm. Čeprav ga pogosto opisujejo kot "srebro"’ Nekateri so sestavljeni iz velikega odstotka srebrovega oksida zaradi velikega razmerja med površinskimi in razsutimi atomi srebra. Nanodelci srebra se lahko pojavijo z različnimi strukturami. Najpogosteje se sintetizirajo sferični nanodelci srebra, uporabljajo pa se tudi diamantni, osmerokotni in tanki listi.
Nanodelci srebra so zelo pogosti v medicinskih aplikacijah. Srebrovi ioni so bioaktivni in imajo močne protimikrobne in baktericidne učinke. Njihova izjemno velika površina omogoča koordinacijo številnih ligandov. Druge pomembne lastnosti so prevodnost in edinstvene optične lastnosti.
Zaradi svojih prevodnih lastnosti so nanodelci srebra pogosto vključeni v kompozite, plastiko, epokside in lepila. Delci srebra povečajo električno prevodnost; Zato se srebrne paste in črnila pogosto uporabljajo pri proizvodnji elektronike. Ker nanodelci srebra podpirajo površinske plazmone, imajo AgNP izjemne optične lastnosti. Nanodelci plazmonskega srebra se uporabljajo za senzorje, detektorje in analitično opremo, kot sta površinsko izboljšana Ramanova spektroskopija (SERS) in fluorescenčna spektroskopija s površinskim plazmonom (SPFS).
Kaj je karagenan?
Karagenan je poceni naravni polimer, ki ga najdemo v različnih vrstah rdečih morskih alg. Karagenani so linearni sulfatni polisaharidi, ki se pogosto uporabljajo v živilski industriji zaradi svojih želirnih, zgoščevalnih in stabilizacijskih lastnosti. Njihova glavna uporaba je v mlečnih in mesnih izdelkih zaradi močne vezave na beljakovine v hrani. Obstajajo tri glavne sorte karagenana, ki se razlikujejo po stopnji sulfacije. Kappa-karagenan ima eno sulfatno skupino na disaharid. Jota-karagenan (ι-karagenen) ima dva sulfata na disaharid. Lambda karagenan (λ-karagenen) ima tri sulfate na disaharid.
Kappa karagenan (κ-karagenan) ima linearno strukturo sulfatnega polisaharida D-galaktoze in 3,6-anhidro-D-galaktoze.
κ-karagenan se pogosto uporablja v živilski industriji, npr. kot želirno sredstvo in za spreminjanje teksture. Najdemo ga kot dodatek v sladoledu, smetani, skuti, mlečnih napitkih, solatnih prelivih, sladkanem kondenziranem mleku, sojinem mleku & druga rastlinska mleka in omake za povečanje viskoznosti izdelka.
Poleg tega je κ-karagenan mogoče najti v neživilskih izdelkih, kot so zgoščevalec v šamponih in kozmetičnih kremah, v zobni pasti (kot stabilizator za preprečevanje ločevanja sestavin), pena za gašenje požara (kot zgoščevalec, ki povzroči, da pena postane lepljiva), geli za osvežilce zraka, lak za čevlje (za povečanje viskoznosti), v biotehnologiji za imobilizacijo celic/encimov, v farmacevtskih izdelkih (kot neaktivna pomožna snov v tabletah/tabletah), v hrani za hišne živali itd.
SEM posnetki za Ag/κ-karagenan pri različnih koncentracijah κ-karagenana. [0,1 %, 0,2 % in 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]