Rrugë sonokimike e gjelbër për përftimin e nanogrimcave të argjendit
Nanogrimcat e argjendit (AgNPs) janë nanomateriale që përdoren shpesh për shkak të vetive të tyre antimikrobike, vetive optike dhe përçueshmërisë së lartë elektrike. Rruga sonokimike që përdor karagjenan kappa është një metodë sinteze e thjeshtë, praktike dhe miqësore me mjedisin për përgatitjen e nanogrimcave të argjendit. κ-karagjenani përdoret si stabilizues natyror miqësor me mjedisin, ndërsa ultratingulli me fuqi të lartë vepron si agjent reduktues i gjelbër.
Kimia e gjelbër kërkon kontroll të saktë të parametrave. Inxhinierët tanë të nanomaterialeve do t’ju ndihmojnë të zgjidhni sonotrodën, gjeometrinë e reaktorit dhe cilësimet e fuqisë të përshtatshme për të maksimizuar rendimentin, për të kontrolluar morfologjinë e grimcave dhe për të siguruar përputhje të plotë me parimet e kimisë së gjelbër.
Ag+/κ-karagjenan (majtas) dhe Ag/κ-karagjenan i trajtuar me ultratinguj (djathtas). Trajtimi me ultratinguj u krye me UP400S për 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Sinteza e gjelbër me ultratinguj e nanogrimcave të argjendit
Elsupikhe et al. (2015) kanë zhvilluar një rrugë të gjelbër sinteze të asistuar me ultratinguj për përgatitjen e nanogrimcave të argjendit (AgNPs). Sonokimia njihet mirë për nxitjen e shumë reaksioneve kimike në mjedis të lëngshëm. Trajtimi me ultratinguj mundëson sintezën e AgNPs me κ-karagjenan si stabilizues natyror. Reaksioni zhvillohet në temperaturën e dhomës dhe prodhon nanogrimca argjendi me strukturë kristalore fcc, pa asnjë papastërti. Shpërndarja e madhësisë së grimcave të AgNPs mund të ndikohet nga përqendrimi i κ-karagjenanit.
Skema e bashkëveprimit ndërmjet grupeve të ngarkuara të Ag-NPs të veshura me κ-karagjenan gjatë trajtimit me ultratinguj. [Elsupikhe et al. 2015]
Procedura: Sinteza e qëndrueshme e nanogrimcave të argjendit
- Ag-NPs u sintetizuan duke reduktuar AgNO3 nëpërmjet trajtimit me ultratinguj në prani të κ-karagjenanit. Për të përftuar mostra të ndryshme, u përgatitën pesë suspensione, duke shtuar 10 mL AgNO3 me përqendrim 0,1 M në 40-mL κ-karagjenan. Tretësirat e κ-karagjenanit të përdorura ishin përkatësisht 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 dhe 0,3 wt%.
- Tretësirat u përzien për 1h për të përftuar AgNO3/κ-karagjenan.
- Më pas, mostrat iu nënshtruan rrezatimit intensiv me ultratinguj: Amplituda e pajisjes me ultratinguj UP400S (400W, 24kHz) u vendos në 50%. Trajtimi me ultratinguj u krye për 90min në temperaturën e dhomës. Sonotroda e përpunuesve të lëngjeve me ultratinguj UP400S u zhyt drejtpërdrejt në tretësirën e reaksionit.
- Pas trajtimit me ultratinguj, suspensionet u centrifuguan për 15min dhe u lanë katër herë me ujë të distiluar dy herë për të larguar mbetjet e joneve të argjendit. Nanogrimcat e precipituara u thanë në 40°C nën vakum gjatë gjithë natës për të përftuar Ag-NPs.
Ekuacioni
- nH₂O —trajtim me ultratinguj–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidrolizë–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –reduktime–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analiza dhe rezultatet: Nanogrimcat e argjendit të sintetizuara me ultratinguj
Për të vlerësuar rezultatet, mostrat u analizuan me analizë spektroskopike UV-të dukshme, difraksion me rreze X, analizë kimike FT-IR dhe imazhe TEM dhe SEM.
Numri i Ag-NPs u rrit me rritjen e përqendrimeve të κ-karagjenanit. Formimi i Ag/κ-karagjenanit u përcaktua me spektroskopi UV-të dukshme, ku maksimumi i përthithjes së plazmonit sipërfaqësor u vëzhgua nga 402 deri në 420nm. Analiza me difraksion me rreze X (XRD) tregoi se Ag-NPs kanë strukturë kubike me faqe të qendërzuara. Spektri infra i kuq me transformim Fourier (FT-IR) tregoi praninë e Ag-NPs në κ-karagjenan. Imazhi i mikroskopisë elektronike me transmetim (TEM) për përqendrimin më të lartë të κ-karagjenanit tregoi shpërndarjen e Ag-NPs me madhësi mesatare të grimcave afër 4,21nm. Imazhet e mikroskopisë elektronike me skanim (SEM) ilustruan formën sferike të Ag-NPs. Analiza SEM tregon se me rritjen e përqendrimit të κ-karagjenanit ndodhën ndryshime në sipërfaqen e Ag/κ-karagjenanit, kështu që u përftuan Ag-NPs me madhësi të vogël dhe formë sferike.
Imazhe TEM dhe shpërndarjet përkatëse të madhësisë për Ag/κ-karagjenan të sintetizuar në mënyrë sonokimike në përqendrime të ndryshme të κ-karagjenanit. [0,1%, 0,2% dhe 0,3%, përkatësisht (a, b, c)].
UP400S – pajisja ultrasonike e përdorur për sintezën sonokimike të nanogrimcave të Ag
Literatura/Referencat
- 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.
Pyetje të shpeshta: Sinteza sonokimike e gjelbër e nanogrimcave të argjendit
Si e përmirëson ultratingulli sintezën e gjelbër të nanogrimcave të argjendit?
Ultratingulli shkakton kavitacion akustik, duke krijuar zona të lokalizuara me temperaturë të lartë që reduktojnë me shpejtësi jonet e argjendit duke përdorur agjentë miqësorë ndaj mjedisit. Ky proces sonokimik përshpejton kinetikën e reaksionit, nxit bërthamëzimin uniform dhe mundëson kontroll të saktë të madhësisë dhe formës së grimcave – të gjitha këto pa kimikate agresive ose energji të lartë termike.
Cilat janë përparësitë kryesore të një rruge sonokimike të gjelbër për AgNPs?
Sinteza sonokimike e gjelbër kombinon ultratingullin me agjentë biokompatibilë reduktues dhe mbulues të sipërfaqes (si ekstrakte bimore, sheqerna ose polimere) për të prodhuar nanogrimca argjendi jotoksike dhe të padëmshme për mjedisin. Metoda redukton përdorimin e energjisë, shkurton kohën e sintezës, eliminon nënproduktet e rrezikshme dhe jep nanogrimca shumë të qëndrueshme me shpërndarje të njëtrajtshme të madhësisë.
A mund ta kontrollojë ultratingulli madhësinë dhe morfologjinë e nanogrimcave të argjendit?
Po. Duke rregulluar amplitudën ultrasonike, frekuencën, dendësinë e fuqisë dhe kohën e sonikimit, prodhuesit mund të përshtatin me saktësi shpejtësitë e bërthamëzimit dhe të rritjes. Kjo mundëson prodhim të riprodhueshëm të AgNPs me madhësi 5–100 nm në forma të ndryshme (sfera, kube, pllaka trekëndore), të përshtatura për zbatime specifike biomjekësore, elektronike ose industriale.
A mund të zmadhohet shkalla e sintezës së gjelbër me ultratinguj për prodhimin industrial të AgNPs?
Absolutisht. Procesorët ultrasonikë industrialë mbështesin reaktorë me rrjedhje të vazhdueshme që mundësojnë kalimin pa pengesa nga sasitë laboratorike në prodhim të plotë. Sonikimi në linjë siguron shpërndarje uniforme të kavitacionit, monitorim të procesit në kohë reale dhe njëtrajtshmëri nga njëra seri prodhimi te tjetra, duke e bërë atë ideal për prodhimin e AgNPs në vëllime të mëdha dhe në mënyrë miqësore ndaj mjedisit.
Cilët agjentë reduktues të gjelbër funksionojnë më mirë në sintezën e nanogrimcave të argjendit me ultratinguj?
Agjentët efektivë miqësorë ndaj mjedisit përfshijnë ekstrakte bimore (p.sh., aloe, çaj jeshil, lëvore agrumesh), karbohidrate, aminoacide, proteina dhe polimere të biodegradueshme. Ultratingulli rrit efikasitetin e tyre reduktues dhe stabilizues, duke mundësuar zëvendësimin e plotë të kimikateve sintetike, ndërkohë që ruan rendimentin e lartë, qëndrueshmërinë koloidale dhe performancën funksionale.
Si krahasohet sinteza sonokimike me metodat kimike tradicionale për AgNPs?
Rrugët kimike konvencionale shpesh mbështeten në agjentë reduktues toksikë (p.sh., borohidrid natriumi), në vlera ekstreme të pH-së dhe gjenerojnë mbetje të rrezikshme. Sinteza sonokimike e gjelbër përdor materiale të sigurta e të rinovueshme, zhvillohet në temperaturën e mjedisit ose në temperatura të moderuara, shkurton ndjeshëm kohën e përpunimit dhe prodhon nanogrimca më të pastra e më biokompatibile, me shpërndarje më të mirë dhe jetëgjatësi më të madhe në ruajtje.
Cilat industri përfitojnë nga nanogrimcat e argjendit të prodhuara me ultratinguj në mënyrë të gjelbër?
AgNPs të sintetizuara me metoda sonokimike të gjelbra përdoren gjerësisht në veshje antimikrobike, pajisje mjekësore, kujdesin për plagët, filtrimin e ujit, elektronikën fleksibël dhe ambalazhimin e qëndrueshëm. Prodhimi i tyre miqësor ndaj mjedisit siguron përputhjen me standardet e rrepta mjedisore dhe të sigurisë, duke ofruar njëkohësisht performancë të lartë dhe pranim nga autoritetet rregullatore.
Çfarë janë nanogrimcat e argjendit?
Nanogrimcat e argjendit karakterizohen nga një madhësi ndërmjet 1nm dhe 100nm. Ndonëse shpesh përshkruhen si grimca ‘argjendi’, disa përbëhen në një përqindje të madhe nga oksidi i argjendit për shkak të raportit të tyre të lartë ndërmjet atomeve të argjendit në sipërfaqe dhe atyre në brendësi. Nanogrimcat e argjendit mund të shfaqen me struktura të ndryshme. Më së shpeshti sintetizohen nanogrimca sferike të argjendit, por përdoren edhe forma diamanti, forma tetëkëndore dhe fletë të holla.
Nanogrimcat e argjendit përdoren shumë shpesh në zbatime mjekësore. Jonet e argjendit janë bioaktive dhe kanë efekte të forta antimikrobike dhe mikrobvrasëse. Sipërfaqja e tyre jashtëzakonisht e madhe mundëson koordinimin e shumë ligandëve. Karakteristika të tjera të rëndësishme janë përçueshmëria dhe vetitë optike unike.
Për shkak të vetive të tyre përçuese, nanogrimcat e argjendit shpesh përfshihen në kompozite, plastika, rrëshira epokside dhe ngjitës. Grimcat e argjendit rrisin përçueshmërinë elektrike; prandaj pastat dhe bojërat e argjendit përdoren shpesh në prodhimin e pajisjeve elektronike. Meqenëse nanogrimcat e argjendit mbështesin plazmonet sipërfaqësore, AgNPs kanë veti optike të jashtëzakonshme. Nanogrimcat plazmonike të argjendit përdoren për sensorë, detektorë dhe pajisje analitike, si spektroskopia Raman e përforcuar nga sipërfaqja (SERS) dhe spektroskopia e fluoreshencës e përforcuar nga fusha e plazmoneve sipërfaqësore (SPFS).
Çfarë është karragjenani?
Karragjenani është një polimer natyror i lirë, i cili gjendet në lloje të ndryshme algash të kuqe detare. Karragjenanët janë polisakaride lineare të sulfatuara që përdoren gjerësisht në industrinë ushqimore për vetitë e tyre xhelifikuese, trashëse dhe stabilizuese. Zbatimi i tyre kryesor është në produktet e qumështit dhe të mishit, për shkak të lidhjes së tyre të fortë me proteinat ushqimore. Ekzistojnë tri varietete kryesore të karragjenanit, të cilat ndryshojnë për nga shkalla e sulfatimit. Kappa-karragjenani ka një grup sulfat për çdo disakarid. Iota-karragjenani (ι-karragjenani) ka dy sulfate për çdo disakarid. Lambda-karragjenani (λ-karragjenani) ka tri sulfate për çdo disakarid.
Kappa-karragjenani (κ-karragjenani) ka një strukturë lineare polisakaridike të sulfatuar, të përbërë nga D-galaktoza dhe 3,6-anhidro-D-galaktoza.
κ-karragjenani përdoret gjerësisht në industrinë ushqimore, p.sh. si agjent xhelifikues dhe për modifikimin e teksturës. Ai mund të gjendet si aditiv në akullore, ajkë, gjizë, pije me qumësht të rrahur, salca sallatash, qumështra të kondensuar të ëmbëlsuar, qumësht soje dhe qumështra të tjerë bimorë, si dhe në salca, për të rritur viskozitetin e produktit.
Për më tepër, κ-karragjenani mund të gjendet në produkte joushqimore, si trashës në shampo dhe kremra kozmetikë, në pastën e dhëmbëve (si stabilizues për të parandaluar ndarjen e përbërësve), në shkumën për shuarjen e zjarrit (si trashës për ta bërë shkumën ngjitëse), në xhele aromatizuese të ajrit, në bojë këpucësh (për të rritur viskozitetin), në bioteknologji për të imobilizuar qeliza/enzima, në preparate farmaceutike (si eksipient joaktiv në pilula/tableta), në ushqim për kafshë shtëpiake etj.
Imazhe SEM të Ag/κ-karragjenanit në përqendrime të ndryshme të κ-karragjenanit. [0,1%, 0,2% dhe 0,3 %, përkatësisht (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]