Zelena sonokemijska pot do srebrovih nanodelcev
Srebrovi nanodelci (AgNPs) so pogosto uporabljeni nanomateriali zaradi svojih protimikrobnih lastnosti, optičnih lastnosti in visoke električne prevodnosti. Sonokemijska pot z uporabo kapa karagenana je preprosta, priročna in okolju prijazna metoda sinteze za pripravo srebrovih nanodelcev. κ-karagenan se uporablja kot naravni, okolju prijazen stabilizator, medtem ko ultrazvok visoke moči deluje kot zeleno redukcijsko sredstvo.
Zelena kemija zahteva natančen nadzor parametrov. Naši inženirji za nanomateriale vam bodo pomagali izbrati ustrezno sonotrodo, geometrijo reaktorja in nastavitve moči, da boste dosegli največji izkoristek, nadzorovali morfologijo delcev in zagotovili popolno skladnost z načeli zelene kemije.
Ag+/κ-karagenan (levo) in sonikirani Ag/κ-karagenan (desno). Sonikacija je bila izvedena z napravo UP400S in je trajala 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Zelena ultrazvočna sinteza srebrovih nanodelcev
Elsupikhe et al. (2015) so razvili zeleno sintezno pot s pomočjo ultrazvoka za pripravo srebrovih nanodelcev (AgNPs). Znano je, da sonokemija spodbuja številne mokre kemijske reakcije. Sonikacija omogoča sintezo AgNPs s κ-karagenanom kot naravnim stabilizatorjem. Reakcija poteka pri sobni temperaturi in proizvaja srebrove nanodelce s kristalno strukturo fcc brez kakršnih koli nečistoč. Na porazdelitev velikosti AgNPs je mogoče vplivati s koncentracijo κ-karagenana.
Shema interakcije med nabitimi skupinami Ag-NPs, prekritimi s κ-karagenanom, med sonikacijo. [Elsupikhe et al. 2015]
Postopek: trajnostna sinteza srebrovih nanodelcev
- Ag-NPs so sintetizirali z redukcijo AgNO3 z uporabo ultrazvočne obdelave v prisotnosti κ-karagenana. Za pridobitev različnih vzorcev so pripravili pet suspenzij, tako da so dodali 10 mL 0,1 M AgNO3 k 40-mL κ-karagenana. Uporabljene raztopine κ-karagenana so imele koncentracije 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 oziroma 0,3 wt%.
- Raztopine so mešali 1h, da so dobili AgNO3/κ-karagenan.
- Nato so vzorce izpostavili intenzivnemu ultrazvočnemu obsevanju: amplitudo ultrazvočne naprave UP400S (400W, 24kHz) so nastavili na 50%. Sonikacija je trajala 90min pri sobni temperaturi. Sonotrodo ultrazvočnega procesorja za tekočine UP400S so potopili neposredno v reakcijsko raztopino.
- Po sonikaciji so suspenzije centrifugirali 15min in jih štirikrat sprali z dvakrat destilirano vodo, da so odstranili ostanke srebrovih ionov. Oborjene nanodelce so čez noč sušili pri 40°C v vakuumu, da so dobili Ag-NPs.
Enačba
- nH₂O —sonikacija–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidroliza–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –redukcije–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analiza in rezultati: ultrazvočno sintetizirani srebrovi nanodelci
Za ovrednotenje rezultatov so vzorce analizirali z UV-vidno spektroskopsko analizo, rentgensko difrakcijo, kemijsko analizo FT-IR ter posnetki TEM in SEM.
Število Ag-NPs se je povečevalo z naraščanjem koncentracije κ-karagenana. Nastanek Ag/κ-karagenana so določili z UV-vidno spektroskopijo, pri kateri so opazili absorpcijski maksimum površinskih plazmonov pri 402 do 420nm. Analiza z rentgensko difrakcijo (XRD) je pokazala, da imajo Ag-NPs ploskovno centrirano kubično strukturo. Infrardeči spekter s Fourierjevo transformacijo (FT-IR) je pokazal prisotnost Ag-NPs v κ-karagenanu. Posnetek s presevno elektronsko mikroskopijo (TEM) pri najvišji koncentraciji κ-karagenana je pokazal porazdelitev Ag-NPs s povprečno velikostjo delcev približno 4,21nm. Posnetki z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM) so prikazali sferično obliko Ag-NPs. Analiza SEM kaže, da so se z naraščanjem koncentracije κ-karagenana pojavile spremembe na površini Ag/κ-karagenana, tako da so dobili majhne Ag-NPs s sferično obliko.
Posnetki TEM in ustrezne porazdelitve velikosti za sonokemijsko sintetizirani Ag/κ-karagenan pri različnih koncentracijah κ-karagenana. [0,1%, 0,2% oziroma 0,3% (a, b, c)].
UP400S – ultrazvočna naprava, uporabljena za sonokemijsko sintezo nanodelcev Ag
Literatura/viri
- 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 sonokemijska sinteza srebrovih nanodelcev
Kako ultrazvok izboljša zeleno sintezo srebrovih nanodelcev?
Ultrazvok povzroča akustično kavitacijo, pri čemer ustvarja lokalizirana vroča mesta, ki hitro reducirajo srebrove ione z uporabo okolju prijaznih sredstev. Ta sonokemijski proces pospešuje reakcijsko kinetiko, spodbuja enakomerno nukleacijo in omogoča natančen nadzor velikosti in oblike delcev – vse to brez agresivnih kemikalij ali velike količine toplotne energije.
Katere so glavne prednosti zelene sonokemijske poti za AgNPs?
Zelena sonokemijska sinteza združuje ultrazvok z biokompatibilnimi redukcijskimi in prekrivnimi sredstvi (kot so rastlinski izvlečki, sladkorji ali polimeri) za proizvodnjo nestrupenih, okolju neškodljivih srebrovih nanodelcev. Metoda zmanjšuje porabo energije, skrajšuje čas sinteze, odpravlja nevarne stranske produkte in zagotavlja zelo stabilne nanodelce z dosledno porazdelitvijo velikosti.
Ali lahko ultrazvok nadzoruje velikost in morfologijo srebrovih nanodelcev?
Da. S prilagajanjem ultrazvočne amplitude, frekvence, gostote moči in časa sonikacije lahko proizvajalci natančno uravnavajo hitrosti nukleacije in rasti. To omogoča ponovljivo proizvodnjo AgNPs velikosti 5–100 nm v različnih oblikah (krogle, kocke, trikotne ploščice), prilagojenih posebnim biomedicinskim, elektronskim ali industrijskim uporabam.
Ali je mogoče zeleno ultrazvočno sintezo prenesti v industrijsko proizvodnjo AgNPs?
Vsekakor. Industrijski ultrazvočni procesorji podpirajo reaktorje z neprekinjenim pretokom , ki omogočajo nemoten prehod od laboratorijskih šarž do polnega obsega proizvodnje. Sonikacija v pretočnem sistemu zagotavlja enakomerno porazdelitev kavitacije, spremljanje procesa v realnem času in doslednost med šaržami, zato je idealna za obsežno, okolju prijazno proizvodnjo AgNPs.
Katera zelena redukcijska sredstva se najbolje obnesejo pri ultrazvočni sintezi srebrovih nanodelcev?
Učinkovita okolju prijazna sredstva vključujejo rastlinske izvlečke (npr. alojo, zeleni čaj, lupine citrusov), ogljikove hidrate, aminokisline, beljakovine in biološko razgradljive polimere. Ultrazvok povečuje njihovo redukcijsko in stabilizacijsko učinkovitost ter omogoča popolno nadomestitev sintetičnih kemikalij ob ohranjanju visokega izkoristka, koloidne stabilnosti in funkcionalne učinkovitosti.
Kako se sonokemijska sinteza AgNPs primerja s tradicionalnimi kemijskimi metodami?
Konvencionalne kemijske poti se pogosto opirajo na strupena redukcijska sredstva (npr. natrijev borohidrid), skrajne vrednosti pH in ustvarjajo nevarne odpadke. Zelena sonokemijska sinteza uporablja varne, obnovljive materiale, poteka pri temperaturi okolice ali zmernih temperaturah, znatno skrajšuje čas obdelave in proizvaja čistejše, bolj biokompatibilne nanodelce z boljšo disperzijo in daljšim rokom uporabnosti.
Katerim panogam koristijo srebrovi nanodelci, pridobljeni z zeleno ultrazvočno sintezo?
AgNPs, sintetizirani z zelenimi sonokemijskimi metodami, se široko uporabljajo v protimikrobnih premazih, medicinskih pripomočkih, oskrbi ran, filtraciji vode, upogljivi elektroniki in trajnostni embalaži. Njihova okolju prijazna proizvodnja zagotavlja skladnost s strogimi okoljskimi in varnostnimi standardi, hkrati pa zagotavlja visoko učinkovitost in sprejemljivost z vidika regulativnih zahtev.
Kaj so srebrovi nanodelci?
Za srebrove nanodelce je značilna velikost med 1nm in 100nm. Čeprav jih pogosto opisujejo kot »srebrove«, so nekateri zaradi velikega razmerja med številom srebrovih atomov na površini in v notranjosti v velikem deležu sestavljeni iz srebrovega oksida. Srebrovi nanodelci imajo lahko različne strukture. Najpogosteje sintetizirajo sferične srebrove nanodelce, uporabljajo pa tudi nanodelce rombaste in osmerokotne oblike ter tanke ploščice.
Srebrovi nanodelci se zelo pogosto uporabljajo v medicini. Srebrovi ioni so bioaktivni ter imajo močne protimikrobne in germicidne učinke. Njihova izjemno velika površina omogoča koordinacijo številnih ligandov. Drugi pomembni značilnosti sta prevodnost in edinstvene optične lastnosti.
Zaradi svojih prevodnih lastnosti se srebrovi nanodelci pogosto vključujejo v kompozite, plastiko, epoksidne smole in lepila. Srebrovi delci povečujejo električno prevodnost, zato se srebrove paste in črnila pogosto uporabljajo pri proizvodnji elektronike. Ker srebrovi nanodelci podpirajo površinske plazmone, imajo AgNPs izjemne optične lastnosti. Plazmonski srebrovi nanodelci se uporabljajo za senzorje, detektorje in analitsko opremo, kot sta površinsko ojačana Ramanova spektroskopija (SERS) in fluorescenčna spektroskopija, ojačana s poljem površinskih plazmonov (SPFS).
Kaj je karagenan?
Karagenan je poceni naravni polimer, ki ga najdemo v različnih vrstah rdečih morskih alg. Karagenani so linearni sulfatirani polisaharidi, ki se zaradi svojih želirnih, zgoščevalnih in stabilizacijskih lastnosti široko uporabljajo v živilski industriji. Zaradi močne vezave na beljakovine v živilih se uporabljajo predvsem v mlečnih in mesnih izdelkih. Obstajajo tri glavne vrste karagenana, ki se razlikujejo po stopnji sulfatiranja. Kapa karagenan ima eno sulfatno skupino na disaharid. Jota karagenan (ι-carrageenen) ima dve sulfatni skupini na disaharid. Lambda karagenan (λ-carrageenen) ima tri sulfatne skupine na disaharid.
Kapa karagenan (κ-karagenan) ima linearno strukturo sulfatiranega polisaharida iz D-galactose in 3,6-anhydro-D-galactose.
κ-karagenan se široko uporablja v živilski industriji, npr. kot želirno sredstvo in za spreminjanje teksture. Kot dodatek ga lahko najdemo v sladoledu, smetani, zrnati skuti, mlečnih napitkih, solatnih prelivih, sladkanem kondenziranem mleku, sojinem mleku in drugih rastlinskih mlekih ter omakah za povečanje viskoznosti izdelka.
Poleg tega lahko κ-karagenan najdemo v neživilskih izdelkih, na primer kot zgoščevalo v šamponih in kozmetičnih kremah, v zobni pasti (kot stabilizator za preprečevanje ločevanja sestavin), v gasilni peni (kot zgoščevalo, zaradi katerega pena postane lepljiva), v gelih za osveževanje zraka, v kremi za čevlje (za povečanje viskoznosti), v biotehnologiji za imobilizacijo celic/encimov, v farmacevtskih izdelkih (kot neaktivno pomožno snov v pilulah/tabletah), v hrani za hišne živali itd.
Posnetki SEM za Ag/κ-karagenan pri različnih koncentracijah κ-karagenana. [0,1%, 0,2% oziroma 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]