Grön sonokemisk väg till silvernanopartiklar
Silvernanopartiklar (AgNP) används ofta som nanomaterial på grund av deras antimikrobiella egenskaper, optiska egenskaper och höga elektriska ledningsförmåga. Den sonokemiska vägen med kappakarragenan är en enkel, bekväm och miljövänlig syntesmetod för framställning av silvernanopartiklar. κ-karragenan används som en naturlig miljövänlig stabilisator, medan Power Ultrasound fungerar som ett grönt reduktionsmedel.
Grön kemi kräver noggrann kontroll av parametrarna. Våra nanomaterialingenjörer hjälper dig att välja rätt sonotrod, reaktorform och effektinställningar för att maximera utbytet, styra partiklarnas morfologi och säkerställa fullständig efterlevnad av principerna för grön kemi.
Ag+/κ-karragenan (till vänster) och ultraljudsbehandlad Ag/κ-karragenan (till höger). Ultraljudsbehandlingen utfördes med UP400S i 90 minuter.
[Elsupikhe m.fl. 2015]
Grön ultraljudssyntes av silvernanopartiklar
Elsupikhe et al. (2015) har utvecklat en grön ultraljudsassisterad syntesväg för framställning av silvernanopartiklar (AgNPs). Sonokemi är välkänt för att främja många våtkemiska reaktioner. Ultraljudsbehandling gör det möjligt att syntetisera AgNPs med κ-karragenan som naturlig stabilisator. Reaktionen sker vid rumstemperatur och producerar silvernanopartiklar med fcc-kristallstruktur utan några föroreningar. Partikelstorleksfördelningen av AgNP kan påverkas av koncentrationen av κ-karragenan.
Schema för interaktion mellan Ag-NPs laddade grupper som är täckta med κ-karragenan under ultraljudsbehandling. [Elsupikhe et al. 2015]
Förfarande: Hållbar syntes av silvernanopartiklar
- Ag-NP:erna syntetiserades genom att minska AgNO3 med hjälp av ultraljud i närvaro av κ-karragenan. För att erhålla olika prover bereddes fem suspensioner genom att tillsätta 10 ml 0,1 M AgNO3 till 40 ml κ-karragenan. De κ-karragenanlösningar som användes var 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 respektive 0,3 viktprocent.
- Lösningarna rördes om i 1 timme för att erhålla AgNO3/κ-karragenan.
- Sedan utsattes proverna för intensiv ultraljudsbestrålning: Amplituden för ultraljudsanordningen UP400S (400 W, 24 kHz) var inställd på 50 %. Ultraljudsbehandling tillämpades i 90 minuter vid rumstemperatur. Sonotroden av ultraljudsvätskeprocessorer UP400S sänktes ned direkt i reaktionslösningen.
- Efter ultraljudsbehandling centrifugerades suspensionerna i 15 minuter och tvättades med dubbelt destillerat vatten fyra gånger för att avlägsna silverjonresterna. De utfällda nanopartiklarna torkades vid 40 °C under vakuum över natten för att erhålla Ag-NPs.
Ekvation
- inget vatten —ultraljudsbehandling–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- No₃–hydrolys–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –Minskningar–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analys och resultat: Ultraljudssyntetiserade silvernanopartiklar
För att utvärdera resultaten analyserades proverna med UV-synlig spektroskopisk analys, röntgendiffraktion, FT-IR kemisk analys, TEM- och SEM-bilder.
Antalet Ag-NP ökade i takt med stigande κ-karragenankoncentrationer. Bildningen av Ag/κ-karragenan bestämdes med hjälp av UV-synlig spektroskopi, där det maximala värdet för ytplasmonabsorptionen observerades vid 402 till 420 nm. Röntgendiffraktionsanalysen (XRD) visade att Ag-NP:erna har en kubisk ytcentrerad struktur. Fourier-transform-infrarödspektrumet (FT-IR) indikerade förekomsten av Ag-NP:er i κ-karragenan. Bilden från transmissionselektronmikroskopi (TEM) för den högsta koncentrationen av κ-karragenan visade fördelningen av Ag-NP:er med en genomsnittlig partikelstorlek nära 4,21 nm. Bilder från svepelektronmikroskopi (SEM) illustrerade Ag-NP:ernas sfäriska form. SEM-analysen visar att med ökande κ-karragenankoncentration inträffade förändringar i ytan på Ag/κ-karragenan, vilket ledde till att små Ag-NP:er med sfärisk form erhölls.
TEM-bilder och motsvarande storleksfördelningar för sonokemiskt syntetiserad Ag/κ-karragenan vid olika koncentrationer av κ-karragenan. [0,1 %, 0,2 % respektive 0,3 % (a, b, c)].
UP400S – ultraljudsanordningen som används för sonokemisk syntes av Ag-nanopartiklar
Litteratur/Referenser
- 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.
Vanliga frågor: Miljövänlig sonokemisk syntes av silvernanopartiklar
Hur bidrar ultraljud till att förbättra den gröna syntesen av silver-nanopartiklar?
Ultraljud orsakar akustisk kavitation, vilket skapar lokala hotspots som snabbt bryter ned silverjoner med hjälp av miljövänliga ämnen. Denna sono-kemiska process påskyndar reaktionskinetiken, främjar en jämn kärnbildning och möjliggör en exakt kontroll över partiklarnas storlek och form – allt utan starka kemikalier eller hög värmeenergi.
Vilka är de främsta fördelarna med en miljövänlig sonokemisk framställningsmetod för AgNP?
Miljövänlig sonokemisk syntes kombinerar ultraljud med biokompatibla reduktions- och avslutningsmedel (såsom växtextrakt, sockerarter eller polymerer) för att framställa giftfria och miljövänliga silvernanopartiklar. Metoden minskar energiförbrukningen, förkortar syntestiden, eliminerar farliga biprodukter och ger mycket stabila nanopartiklar med en jämn storleksfördelning.
Kan ultraljud påverka storleken och formen på silver-nanopartiklar?
Ja. Genom att justera ultraljudets amplitud, frekvens, effekttäthet och sonikeringstid kan tillverkarna finjustera kärnbildnings- och tillväxthastigheterna. Detta möjliggör en reproducerbar produktion av AgNP:er i storleksintervallet 5–100 nm i olika former (sfärer, kuber, triangulära plattor), anpassade för specifika biomedicinska, elektroniska eller industriella tillämpningar.
Är den miljövänliga ultraljudssyntesen skalbar för industriell produktion av silvernanopartiklar?
Absolut. Industriella ultraljudsprocessorer stöder reaktorer med kontinuerligt genomflöde som smidigt kan skalas upp från laboratoriepartier till fullskalig tillverkning. Inline-ultraljudsbehandling säkerställer en jämn kavitationsfördelning, processövervakning i realtid och konsistens mellan olika partier, vilket gör den idealisk för miljövänlig tillverkning av AgNP i stora volymer.
Vilka gröna reduktionsmedel fungerar bäst vid syntes av silver-nanopartiklar med ultraljud?
Effektiva miljövänliga ämnen inkluderar växtextrakt (t.ex. aloe, grönt te, citrusskal), kolhydrater, aminosyror, proteiner och biologiskt nedbrytbara polymerer. Ultraljud förstärker deras reducerande och stabiliserande effekt, vilket möjliggör en fullständig ersättning av syntetiska kemikalier samtidigt som hög utbyte, kolloidal stabilitet och funktionell prestanda bibehålls.
Hur står sonokemisk syntes sig i jämförelse med traditionella kemiska metoder för framställning av silvernanopartiklar?
Konventionella kemiska metoder bygger ofta på giftiga reduktionsmedel (t.ex. natriumborhydrid) och extrema pH-värden, och ger upphov till farligt avfall. Den miljövänliga sonokemiska syntesen använder säkra, förnybara material, sker vid omgivningstemperatur eller milda temperaturer, förkortar processtiden avsevärt och ger renare, mer biokompatibla nanopartiklar med överlägsen dispersionsförmåga och hållbarhet.
Vilka branscher har nytta av miljövänliga silver-nanopartiklar framställda med ultraljud?
AgNP:er som syntetiserats med hjälp av miljövänliga sonokemiska metoder används i stor utsträckning inom antimikrobiella beläggningar, medicintekniska produkter, sårvård, vattenfiltrering, flexibel elektronik och hållbara förpackningar. Deras miljövänliga tillverkning säkerställer att strikta miljö- och säkerhetsstandarder uppfylls, samtidigt som de erbjuder hög prestanda och godkännande enligt gällande regelverk.
Vad är silvernanopartiklar?
Silvernanopartiklar kännetecknas av en storlek på mellan 1 nm och 100 nm. Även om det ofta beskrivs som "silver"’ Vissa består av en stor andel silveroxid på grund av deras stora förhållande mellan yt- och bulksilveratomer. Silvernanopartiklar kan uppträda med olika strukturer. Vanligast är att sfäriska silvernanopartiklar syntetiseras, men diamanter, åttkantiga och tunna ark används också.
Silvernanopartiklar är mycket frekventa i medicinska tillämpningar. Silverjonerna är bioaktiva och har starka antimikrobiella och bakteriedödande effekter. Deras extremt stora yta gör det möjligt att koordinera många ligander. Andra viktiga egenskaper är konduktivitet och unika optiska egenskaper.
På grund av sina ledande egenskaper ingår silvernanopartiklar ofta i kompositer, plaster, epoxi och lim. Silverpartiklarna ökar den elektriska ledningsförmågan; Därför används silverpastor och bläck ofta vid tillverkning av elektronik. Eftersom silvernanopartiklar stöder ytplasmoner har AgNP enastående optiska egenskaper. Plasmoniska silvernanopartiklar används för sensorer, detektorer och analytisk utrustning som Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) och Surface Plasmon Field-enhanced Fluorescence Spectroscopy (SPFS).
Vad är karragenan?
Karragenan är en billig naturlig polymer som finns i olika arter av röda alger. Karragenaner är linjära sulfaterade polysackarider som används i stor utsträckning inom livsmedelsindustrin för sina gelbildande, förtjockande och stabiliserande egenskaper. Deras huvudsakliga tillämpning är i mejeri- och köttprodukter, på grund av deras starka bindning till livsmedelsproteiner. Det finns tre huvudsorter av karragenan, som skiljer sig åt i sin grad av sulfatering. Kappa-karragenan har en sulfatgrupp per disackarid. Iota-karragenan (ι-karragenen) har två sulfater per disackarid. Lambdakarragenan (λ-karragenen) har tre sulfater per disackarid.
Kappakarragenan (κ-karragenan) har en linjär struktur av sulfaterad polysackarid av D-galaktos och 3,6-anhydro-D-galaktos.
κ-karragenan används i stor utsträckning inom livsmedelsindustrin, t.ex. som gelningsmedel och för texturmodifiering. Det finns som tillsats i glass, grädde, keso, milkshakes, salladsdressingar, sötad kondenserad mjölk, sojamjölk & annan vegetabilisk mjölk och såser för att öka produktens viskositet.
Dessutom kan κ-karragenan hittas i icke-livsmedelsprodukter som förtjockningsmedel i schampo och kosmetiska krämer, i tandkräm (som stabilisator för att förhindra att beståndsdelar separerar), brandsläckningsskum (som förtjockningsmedel för att få skummet att bli klibbigt), geler för luftfräschare, skokräm (för att öka viskositeten), inom biotekniken för att immobilisera celler/enzymer, i läkemedel (som ett inaktivt hjälpämne i piller/tabletter), i foder för sällskapsdjur etc.
SEM-bilder för Ag/κ-karragenan vid olika koncentrationer av κ-karragenan. [0,1 %, 0,2 % respektive 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]