Зелени сонохемијски поступак добијања наночестица сребра
Наночестице сребра (AgNPs) су наноматеријали који се често користе због својих антимикробних својстава, оптичких својстава и високе електричне проводљивости. Сонохемијски поступак уз употребу капа-карагенана представља једноставну, практичну и еколошки прихватљиву методу синтезе наночестица сребра. κ-карагенан се користи као природни, еколошки прихватљив стабилизатор, док ултразвук велике снаге делује као зелено редукционо средство.
Зелена хемија захтева прецизну контролу параметара. Наши инжењери за наноматеријале помоћи ће вам да одаберете одговарајућу сонотроду, геометрију реактора и подешавања снаге како бисте максимизовали принос, контролисали морфологију честица и обезбедили потпуну усклађеност са принципима зелене хемије.
Ag+/κ-карагенан (лево) и соницирани Ag/κ-карагенан (десно). Соникација је спроведена уређајем UP400S током 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Зелена ултразвучна синтеза наночестица сребра
Elsupikhe и сарадници (2015) развили су зелени поступак синтезе потпомогнуте ултразвуком за добијање наночестица сребра (AgNPs). Познато је да сонохемија подстиче многе реакције мокре хемије. Соникација омогућава синтезу AgNPs уз κ-карагенан као природни стабилизатор. Реакција се одвија на собној температури и даје наночестице сребра са површински центрираном кубном (fcc) кристалном структуром без икаквих нечистоћа. Концентрацијом κ-карагенана може се утицати на расподелу величина честица AgNPs.
Шема интеракције између наелектрисаних група Ag-NPs обложених κ-карагенаном током соникације. [Elsupikhe et al. 2015]
Поступак: одржива синтеза наночестица сребра
- Ag-NPs су синтетисане редукцијом AgNO3 помоћу ултразвучног третмана у присуству κ-карагенана. Да би се добили различити узорци, припремљено је пет суспензија додавањем 10 mL 0,1 M AgNO3 у 40-mL κ-карагенана. Коришћени раствори κ-карагенана имали су масене уделе од 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 и 0,3 wt%, редом.
- Раствори су мешани током 1h да би се добио AgNO3/κ-карагенан.
- Затим су узорци изложени интензивном ултразвучном зрачењу: амплитуда ултразвучног уређаја UP400S (400W, 24kHz) подешена је на 50%. Соникација је примењивана током 90min на собној температури. Сонотрода ултразвучног процесора за течности UP400S уроњена је директно у реакциони раствор.
- После соникације, суспензије су центрифугиране током 15min и четири пута испране двоструко дестилованом водом ради уклањања преосталих јона сребра. Исталожене наночестице сушене су преко ноћи на 40°C под вакуумом да би се добиле Ag-NPs.
Једначина
- nH₂O —соникација–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–хидролиза–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –редукције–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Анализа и резултати: наночестице сребра синтетисане ултразвуком
Ради процене резултата, узорци су анализирани UV-видљивом спектроскопијом, рендгенском дифракцијом, FT-IR хемијском анализом и помоћу TEM и SEM снимака.
Број Ag-NPs повећавао се са порастом концентрације κ-карагенана. Формирање Ag/κ-карагенана утврђено је UV-видљивом спектроскопијом, при чему је максимум апсорпције површинских плазмона забележен у опсегу од 402 до 420nm. Анализа рендгенском дифракцијом (XRD) показала је да Ag-NPs имају површински центрирану кубну структуру. Инфрацрвени спектар добијен Фуријеовом трансформацијом (FT-IR) указао је на присуство Ag-NPs у κ-карагенану. Снимак трансмисионе електронске микроскопије (TEM) за највишу концентрацију κ-карагенана показао је расподелу Ag-NPs са просечном величином честица близу 4,21nm. Снимци скенирајуће електронске микроскопије (SEM) приказали су сферни облик Ag-NPs. SEM анализа показује да су са повећањем концентрације κ-карагенана настале промене на површини Ag/κ-карагенана, тако да су добијене Ag-NPs малих димензија и сферног облика.
TEM снимци и одговарајуће расподеле величина за сонохемијски синтетисани Ag/κ-карагенан при различитим концентрацијама κ-карагенана. [0,1%, 0,2% и 0,3%, редом (a, b, c)].
UP400S – ултразвучни уређај који се користи за сонохемијску синтезу наночестица Ag
Литература/Референце
- 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.
Често постављана питања: Зелена сонохемијска синтеза наночестица сребра
Како ултразвук побољшава зелену синтезу наночестица сребра?
Ултразвук покреће акустичну кавитацију, стварајући локализована жаришта у којима се јони сребра брзо редукују помоћу еколошки прихватљивих средстава. Овај сонохемијски процес убрзава кинетику реакције, подстиче равномерну нуклеацију и омогућава прецизну контролу величине и облика честица – све то без агресивних хемикалија или великих количина топлотне енергије.
Које су главне предности зеленог сонохемијског поступка за добијање AgNPs?
Зелена сонохемијска синтеза комбинује ултразвук са биокомпатибилним редукционим средствима и средствима за површинско облагање (као што су биљни екстракти, шећери или полимери) ради добијања нетоксичних, еколошки нешкодљивих наночестица сребра. Ова метода смањује потрошњу енергије, скраћује време синтезе, елиминише опасне нуспроизводе и даје веома стабилне наночестице са уједначеном расподелом величине.
Може ли ултразвук да контролише величину и морфологију наночестица сребра?
Да. Подешавањем амплитуде ултразвука, фреквенције, густине снаге и времена соникације, произвођачи могу прецизно да подесе брзине нуклеације и раста. То омогућава репродуктивну производњу AgNPs величине 5–100 nm у различитим облицима (сфере, коцке, троугласте плочице), прилагођеним конкретним биомедицинским, електронским или индустријским применама.
Може ли се зелена ултразвучна синтеза повећати до обима индустријске производње AgNPs?
Апсолутно. Индустријски ултразвучни процесори подржавају проточне реакторе са континуалним радом који омогућавају несметан прелазак са лабораторијских шаржи на пун обим производње. Со discovery
Која зелена редукциона средства најбоље делују у ултразвучној синтези наночестица сребра?
Ефикасна еколошки прихватљива средства обухватају биљне екстракте (нпр. алоје, зеленог чаја, коре цитруса), угљене хидрате, аминокиселине, протеине и биоразградиве полимере. Ултразвук повећава њихову ефикасност редукције и стабилизације, омогућавајући потпуну замену синтетичких хемикалија уз очување високог приноса, колоидне стабилности и функционалних перформанси.
Како се сонохемијска синтеза пореди са традиционалним хемијским методама за добијање AgNPs?
Конвенционални хемијски поступци често се ослањају на токсична редукциона средства (нпр. натријум-борхидрид) и екстремне pH вредности и стварају опасан отпад. Зелена сонохемијска синтеза користи безбедне, обновљиве материјале, одвија се на температури околине или при благим температурама, значајно скраћује време обраде и даје чистије, биокомпатибилније наночестице са бољом дисперзијом и дужим роком трајања.
Које индустрије имају користи од наночестица сребра добијених зеленом ултразвучном синтезом?
AgNPs синтетисане зеленим сонохемијским методама широко се користе у антимикробним премазима, медицинским средствима, нези рана, филтрацији воде, флексибилној електроници и одрживој амбалажи. Њихова еколошки прихватљива производња обезбеђује усклађеност са строгим еколошким и безбедносним стандардима, уз високе перформансе и прихватљивост са становишта регулативе.
Шта су наночестице сребра?
Наночестице сребра одликују се величином између 1nm и 100nm. Иако се често описују као „сребрне“, неке садрже велики удео сребро-оксида због високог односа броја атома сребра на површини према броју атома у унутрашњости. Наночестице сребра могу имати различите структуре. Најчешће се синтетишу сферне наночестице сребра, али се користе и честице у облику ромба, осмоугла и танких листића.
Наночестице сребра веома се често користе у медицини. Јони сребра су биоактивни и имају снажно антимикробно и гермицидно дејство. Њихова изузетно велика површина омогућава координационо везивање бројних лиганада. Друге важне карактеристике су проводљивост и јединствена оптичка својства.
Због својих проводних својстава, наночестице сребра често се уграђују у композите, пластику, епоксидне смоле и лепкове. Честице сребра повећавају електричну проводљивост; зато се сребрне пасте и мастила често користе у производњи електронике. Пошто наночестице сребра подржавају површинске плазмоне, AgNPs имају изванредна оптичка својства. Плазмонске наночестице сребра користе се за сензоре, детекторе и аналитичку опрему, као што су опрема за површински појачану Раманову спектроскопију (SERS) и флуоресцентну спектроскопију појачану пољем површинских плазмона (SPFS).
Шта је карагенан?
Карагенан је јефтин природни полимер који се налази у различитим врстама црвених морских алги. Карагенани су линеарни сулфатовани полисахариди који се широко користе у прехрамбеној индустрији због својих својстава желирања, згушњавања и стабилизације. Њихова главна примена је у млечним и месним производима, због снажног везивања за протеине хране. Постоје три главне врсте карагенана које се разликују по степену сулфатовања. Капа-карагенан има једну сулфатну групу по дисахариду. Јота-карагенан (ι-карагенан) има две сулфатне групе по дисахариду. Ламбда-карагенан (λ-карагенан) има три сулфатне групе по дисахариду.
Капа-карагенан (κ-карагенан) има линеарну структуру сулфатованог полисахарида састављеног од D-галактозе и 3,6-анхидро-D-галактозе.
κ-карагенан се широко користи у прехрамбеној индустрији, нпр. као средство за желирање и за модификацију текстуре. Може се наћи као додатак у сладоледу, павлаци, зрнастом свежем сиру, млечним шејковима, преливима за салате, заслађеном кондензованом млеку, сојином млеку и другим биљним млецима, као и сосовима, ради повећања вискозности производа.
Поред тога, κ-карагенан се може наћи у непрехрамбеним производима, као што су шампони и козметичке креме, где служи као згушњивач, у пасти за зубе (као стабилизатор који спречава раздвајање састојака), пени за гашење пожара (као згушњивач који пену чини лепљивом), геловима за освежавање ваздуха, креми за обућу (ради повећања вискозности), у биотехнологији за имобилизацију ћелија/ензима, у фармацеутским производима (као неактивна помоћна супстанца у пилулама/таблетама), у храни за кућне љубимце итд.
SEM снимци Ag/κ-карагенана при различитим концентрацијама κ-карагенана. [0,1%, 0,2% и 0,3 %, редом (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]