Grön sonokemisk metod för framställning av silvernanopartiklar
Silvernanopartiklar (AgNPs) är nanomaterial som används ofta tack vare sina antimikrobiella egenskaper, optiska egenskaper och höga elektriska ledningsförmåga. Den sonokemiska metoden med kappakarragenan är en enkel, praktisk och miljövänlig syntesmetod för framställning av silvernanopartiklar. κ-karragenan används som en naturlig, miljövänlig stabilisator, medan högeffektsultraljud fungerar som ett grönt reduktionsmedel.
Grön kemi kräver exakt parameterkontroll. Våra nanomaterialingenjörer hjälper dig att välja rätt sonotrod, reaktorgeometri och effektinställningar för att maximera utbytet, styra partikelmorfologin och säkerställa full överensstämmelse med principerna för grön kemi.
Ag+/κ-karragenan (vänster) och ultraljudsbehandlat Ag/κ-karragenan (höger). Ultraljudsbehandlingen utfördes med UP400S i 90min.
[Elsupikhe et al. 2015]
Grön ultraljudssyntes av silvernanopartiklar
Elsupikhe et al. (2015) har utvecklat en grön ultraljudsassisterad syntesmetod för framställning av silvernanopartiklar (AgNPs). Sonokemi är välkänd för att främja många våtkemiska reaktioner. Ultraljudsbehandling gör det möjligt att syntetisera AgNPs med κ-karragenan som naturlig stabilisator. Reaktionen sker vid rumstemperatur och ger silvernanopartiklar med fcc-kristallstruktur utan några föroreningar. AgNPs partikelstorleksfördelning kan påverkas av koncentrationen av κ-karragenan.
Schematisk bild av interaktionen mellan de laddade grupperna hos Ag-NPs som är ytbelagda med κ-karragenan under ultraljudsbehandling. [Elsupikhe et al. 2015]
Förfarande: Hållbar syntes av silvernanopartiklar
- Ag-NPs syntetiserades genom reduktion av AgNO3 med ultraljudsbehandling 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 hade koncentrationerna 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 respektive 0,3 vikt%.
- Lösningarna omrördes i 1h för att erhålla AgNO3/κ-karragenan.
- Därefter utsattes proverna för intensiv ultraljudsbestrålning: Amplituden hos ultraljudsapparaten UP400S (400W, 24kHz) ställdes in på 50%. Ultraljudsbehandlingen utfördes i 90min vid rumstemperatur. Sonotroden till ultraljudsprocessorerna för vätskor UP400S sänktes ned direkt i reaktionslösningen.
- Efter ultraljudsbehandlingen centrifugerades suspensionerna i 15min och tvättades fyra gånger med dubbeldestillerat vatten för att avlägsna kvarvarande silverjoner. De utfällda nanopartiklarna torkades vid 40°C under vakuum över natten för att erhålla Ag-NPs.
Ekvation
- nH₂O —ultraljudsbehandling–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hydrolys–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –reduktioner–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analys och resultat: Ultraljudssyntetiserade silvernanopartiklar
För att utvärdera resultaten analyserades proverna med UV–Vis-spektroskopi, röntgendiffraktion, kemisk FT-IR-analys samt TEM- och SEM-bilder.
Antalet Ag-NPs ökade med ökande koncentrationer av κ-karragenan. Bildningen av Ag/κ-karragenan fastställdes med UV–Vis-spektroskopi, där absorptionsmaximum för ytplasmoner observerades vid 402 till 420nm. Röntgendiffraktionsanalysen (XRD) visade att Ag-NPs har en ytcentrerad kubisk struktur. Spektrumet från infraröd spektroskopi med Fouriertransform (FT-IR) indikerade förekomst av Ag-NPs i κ-karragenan. Bilden från transmissionselektronmikroskopi (TEM) för den högsta koncentrationen av κ-karragenan visade fördelningen av Ag-NPs med en genomsnittlig partikelstorlek nära 4,21nm. Bilder från svepelektronmikroskopi (SEM) visade Ag-NPs sfäriska form. SEM-analysen visar att förändringar av ytan hos Ag/κ-karragenan uppstod med ökande koncentration av κ-karragenan, så att små Ag-NPs med sfärisk form erhölls.
TEM-bilder och motsvarande storleksfördelningar för sonokemiskt syntetiserat Ag/κ-karragenan vid olika koncentrationer av κ-karragenan. [0,1%, 0,2% respektive 0,3% (a, b, c)].
UP400S – ultraljudsapparaten 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: Grön sonokemisk syntes av silvernanopartiklar
Hur förbättrar ultraljud den gröna syntesen av silvernanopartiklar?
Ultraljud driver akustisk kavitation, vilket skapar lokala heta zoner som snabbt reducerar silverjoner med hjälp av miljövänliga medel. Denna sonokemiska process accelererar reaktionskinetiken, främjar enhetlig kärnbildning och möjliggör exakt kontroll över partikelstorlek och partikelform – allt utan aggressiva kemikalier eller hög värmeenergi.
Vilka är de främsta fördelarna med en grön sonokemisk metod för AgNPs?
Grön sonokemisk syntes kombinerar ultraljud med biokompatibla reduktionsmedel och ytpassiverande medel (som växtextrakt, sockerarter eller polymerer) för att framställa giftfria, miljövänliga silvernanopartiklar. Metoden minskar energianvändningen, förkortar syntestiden, eliminerar farliga biprodukter och ger mycket stabila nanopartiklar med enhetlig storleksfördelning.
Kan ultraljud styra silvernanopartiklarnas storlek och morfologi?
Ja. Genom att justera ultraljudets amplitud, frekvens, effekttäthet och behandlingstid kan tillverkare finjustera kärnbildnings- och tillväxthastigheterna. Detta möjliggör reproducerbar framställning av AgNPs i storlekar från 5–100 nm i olika former (sfärer, kuber, triangulära plattor), anpassade till specifika biomedicinska, elektroniska eller industriella tillämpningar.
Är grön ultraljudssyntes skalbar för industriell produktion av AgNPs?
Absolut. Industriella ultraljudsprocessorer stöder kontinuerliga genomströmningsreaktorer som sömlöst kan skalas upp från laboratoriesatser till fullskalig tillverkning. Ultraljudsbehandling direkt i processflödet säkerställer en jämn fördelning av kavitationen, processövervakning i realtid och enhetlighet mellan satser, vilket gör den idealisk för miljövänlig tillverkning av AgNPs i stora volymer.
Vilka gröna reduktionsmedel fungerar bäst vid ultraljudssyntes av silvernanopartiklar?
Effektiva miljövänliga medel omfattar växtextrakt (t.ex. aloe, grönt te, citrusskal), kolhydrater, aminosyror, proteiner och biologiskt nedbrytbara polymerer. Ultraljud förbättrar deras reducerande och stabiliserande verkan, vilket gör det möjligt att helt ersätta syntetiska kemikalier samtidigt som högt utbyte, kolloidal stabilitet och funktionell prestanda bibehålls.
Hur står sig sonokemisk syntes jämfört med traditionella kemiska metoder för AgNPs?
Konventionella kemiska metoder bygger ofta på giftiga reduktionsmedel (t.ex. natriumborhydrid) och extrema pH-värden samt genererar farligt avfall. Grön sonokemisk syntes använder säkra, förnybara material, sker vid omgivningstemperatur eller milda temperaturer, förkortar bearbetningstiden avsevärt och ger renare, mer biokompatibla nanopartiklar med överlägsen dispersion och hållbarhet.
Vilka branscher drar nytta av gröna ultraljudsframställda silvernanopartiklar?
AgNPs som syntetiseras med gröna sonokemiska metoder används i stor utsträckning i antimikrobiella beläggningar, medicintekniska produkter, sårvård, vattenfiltrering, flexibel elektronik och hållbara förpackningar. Deras miljövänliga produktion säkerställer att strikta miljö- och säkerhetsstandarder uppfylls samtidigt som den ger hög prestanda och acceptans hos tillsynsmyndigheter.
Vad är silvernanopartiklar?
Silvernanopartiklar kännetecknas av en storlek mellan 1nm och 100nm. Även om de ofta beskrivs som ’silver’ består vissa till stor del av silveroxid på grund av den höga andelen silveratomer på ytan i förhållande till i partikelns inre. Silvernanopartiklar kan förekomma med olika strukturer. Vanligast är att sfäriska silvernanopartiklar syntetiseras, men även diamantformade och åttakantiga partiklar samt tunna skivor används.
Silvernanopartiklar används mycket ofta i medicinska tillämpningar. Silverjonerna är bioaktiva och har starka antimikrobiella och bakteriedödande effekter. Deras extremt stora ytarea möjliggör koordinering av ett stort antal ligander. Andra viktiga egenskaper är ledningsförmåga och unika optiska egenskaper.
På grund av sin ledningsförmåga införlivas silvernanopartiklar ofta i kompositer, plaster, epoximaterial och lim. Silverpartiklarna ökar den elektriska ledningsförmågan; därför används silverpastor och silverbläck ofta vid tillverkning av elektronik. Eftersom silvernanopartiklar kan bära ytplasmoner har AgNPs enastående optiska egenskaper. Plasmoniska silvernanopartiklar används för sensorer, detektorer och analysutrustning såsom ytförstärkt Ramanspektroskopi (SERS) och ytplasmonfältförstärkt fluorescensspektroskopi (SPFS).
Vad är karragenan?
Karragenan är en billig naturlig polymer som finns i olika arter av rödalger. Karragenaner är linjära sulfaterade polysackarider som används i stor utsträckning inom livsmedelsindustrin för sina gelbildande, förtjockande och stabiliserande egenskaper. De används främst i mejeri- och köttprodukter på grund av sin starka bindning till livsmedelsproteiner. Det finns tre huvudtyper av karragenan som skiljer sig åt i sulfateringsgrad. Kappakarragenan har en sulfatgrupp per disackarid. Jotakarragenan (ι-karragenan) har två sulfatgrupper per disackarid. Lambdakarragenan (λ-karragenan) har tre sulfatgrupper per disackarid.
Kappakarragenan (κ-karragenan) har en linjär struktur av sulfaterad polysackarid bestående av D-galaktos och 3,6-anhydro-D-galaktos.
κ-karragenan används i stor utsträckning inom livsmedelsindustrin, till exempel som gelbildningsmedel och för att modifiera konsistensen. Det kan förekomma som tillsats i glass, grädde, keso, milkshakes, salladsdressingar, sötad kondenserad mjölk, sojamjölk och andra växtbaserade mjölkdrycker samt såser för att öka produktens viskositet.
Dessutom kan κ-karragenan förekomma i andra produkter än livsmedel, till exempel som förtjockningsmedel i schampo och kosmetiska krämer, i tandkräm (som stabiliseringsmedel för att förhindra att beståndsdelarna separerar), i brandsläckningsskum (som förtjockningsmedel för att göra skummet klibbigt), i luftfräschargeler, i skokräm (för att öka viskositeten), inom bioteknik för att immobilisera celler/enzymer, i läkemedel (som ett inaktivt hjälpämne i piller/tabletter), i sällskapsdjursfoder med mera.
SEM-bilder av Ag/κ-karragenan vid olika koncentrationer av κ-karragenan. [0,1%, 0,2% respektive 0,3 % (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]