Syntes av nanosilver med honung och ultraljud

Nanosilver används för sina antibakteriella egenskaper för att förstärka material inom medicin och materialvetenskap. Ultraljudsbehandling möjliggör snabb, effektiv, säker och miljövänlig syntes av sfäriska silvernanopartiklar i vatten. Ultraljudssyntes av nanopartiklar kan enkelt skalas upp från liten till stor produktion.

Ultraljudsassisterad syntes av kolloidalt nanosilver

Sonokemisk syntes, som avser kemiska reaktioner som underlättas av ultraljudsbestrålning, är en allmänt använd metod för att framställa nanopartiklar. Dessa omfattar silver, guld, magnetit, hydroxiapatit, perovskit, latex och många andra nanomaterial.

Våtkemisk syntes med ultraljud

Flera ultraljudsassisterade syntesvägar har utvecklats för att framställa silvernanopartiklar. En anmärkningsvärd metod använder honung som både reduktionsmedel och ytpassiverande medel. Komponenter i honung, såsom glukos och fruktos, verkar synergistiskt i dessa roller under syntesprocessen.
Liksom många andra tekniker för nanopartikelsyntes tillhör ultraljudssyntes av nanosilver kategorin våtkemi. Processen börjar med kärnbildning av silvernanopartiklar i en lösning. Under ultraljudsbehandlingen reduceras en silverprekursor (t.ex. silvernitrat (AgNO₃) eller silverperklorat (AgClO₄)) i närvaro av ett reduktionsmedel, såsom honung, för att framställa kolloidalt silver.

Mekanismen för kärnbildning och tillväxt av silver med ultraljud

Inledande kärnbildningsfas: När koncentrationen av lösta silverjoner ökar börjar metalliska silverjoner binda till varandra och bilda små kluster. I detta skede är dessa kluster energetiskt instabila på grund av en negativ energibalans. Den energi som krävs för att skapa nya ytor överstiger den energi som vinns genom att koncentrationen av löst silver minskar.

• Kritisk radie: När ett kluster når en viss storlek (den kritiska radien) blir processen energetiskt gynnsam, vilket stabiliserar klustret. Denna stabilitet gör att klustret kan fungera som en kärna för fortsatt tillväxt.
• Tillväxtfas: Under tillväxten diffunderar ytterligare silveratomer genom lösningen och fäster vid den växande nanopartikelns yta. Tillväxten fortsätter tills koncentrationen av löst silver sjunker under kärnbildningströskeln, vilket stoppar bildningen av nya kärnor.
• Diffusion och slutförande: Det återstående lösta silvret införlivas i befintliga nanopartiklar, vilket slutför processen.

Ultraljudsbehandling påskyndar masstransporten, särskilt vätnings- och diffusionsprocesserna, vilket leder till snabbare kärnbildning och kontrollerad tillväxt. Genom att exakt justera ultraljudsbehandlingens parametrar, såsom intensitet och varaktighet, kan nanopartiklarnas storlek, tillväxthastighet och form finjusteras. Denna precisa kontroll säkerställer enhetliga nanopartikelstrukturer som är anpassade för specifika tillämpningar.

Ultraljudsassisterad syntes utmärker sig som en effektiv och skalbar metod inom grön kemi för att framställa nanosilver med väldefinierade egenskaper och erbjuder betydande fördelar för olika tillämpningar inom forskning och industri.

Klicka här för att läsa mer om en annan grön metod för att syntetisera nanosilver med ultraljud och karragenan!

Ultraljudsbehandling underlättar snabb, grön syntes av små silvernanopartiklar med en snäv storleksfördelning.

Fallstudie av ultraljudssyntes av nanosilver

Studien med titeln ”Honungsbaserad och ultraljudsassisterad syntes av silvernanopartiklar och deras antibakteriella aktivitet” av Oskuee et al. (2016) undersöker en enkel och miljövänlig metod för att syntetisera silvernanopartiklar (Ag-NPs) med naturlig honung som både reduktionsmedel och stabiliseringsmedel. Processen, som innefattar reduktion av silvernitrat (AgNO₃) under ultraljudsbestrålning, karakteriseras av olika parametrar, däribland silverjonkoncentration, honungskoncentration och sonikeringstid. De resulterande Ag-NPs har en genomsnittlig storlek på cirka 11,8 nm och uppvisar antibakteriella egenskaper mot patogena bakterier som Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa och E. coli.
Studien belyser fördelarna med att använda honung vid nanopartikelsyntes och betonar att den är miljövänlig, billig och giftfri. Författarna visar att storleken på och utbytet av Ag-NPs kan styras genom att justera reaktionsparametrar som silverkoncentration, honungshalt och sonikeringens varaktighet. De syntetiserade Ag-NPs visade sig ha effektiv antibakteriell aktivitet, särskilt mot E. coli och S. aureus, med minsta hämmande koncentrationer (MIC) på cirka 19,46 ppm. Denna metod erbjuder en potentiell tillämpning för Ag-NPs inom medicinska områden, däribland sårläkning och infektionskontroll.

• Material: silvernitrat (AgNO₃) som silverprekursor; honung som ytstabiliseringsmedel / reduktionsmedel; vatten
• Ultraljudsutrustning: Sondsonikator UP400St

Protokoll för ultraljudssyntes

De bästa betingelserna för att syntetisera kolloidala silvernanopartiklar visade sig vara följande: Reduktion av silvernitrat under ultraljudsbehandling med naturlig honung som förmedlande ämne. Kortfattat utsattes 20 ml silvernitratlösning (0,3 M) innehållande honung (20 wt%) för högintensiv ultraljudsbestrålning under omgivningsbetingelser i 30 min. Ultraljudsbehandlingen utfördes med sondsonikatorn UP400S (400W, 24 kHz), som sänktes ned direkt i reaktionslösningen.
Honung av livsmedelskvalitet används som ytstabiliseringsmedel / stabiliseringsmedel och reduktionsmedel, vilket gör den vattenbaserade kärnbildningslösningen och de utfällda nanopartiklarna rena och säkra för många olika tillämpningar.
När ultraljudsbehandlingstiden ökar blir silvernanopartiklarna mindre och deras koncentration ökar.
I den vattenbaserade honungslösningen är ultraljudsbehandlingen en nyckelfaktor som påverkar bildningen av silvernanopartiklar. Sonikeringsparametrar som amplitud, tid och kontinuerligt respektive pulserande ultraljud är viktiga faktorer som gör det möjligt att styra silvernanopartiklarnas storlek och mängd.

Partikelstorleksfördelning för Ag-NPs syntetiserade under optimala betingelser; silverkoncentrationer (0,3 M), honungskoncentrationer (20 wt%) och ultraljudsbestrålningstider (30 min)
bildkälla: ©Oskuee et al. 2016

Resultat av ultraljudssyntes av silvernanopartiklar

Den ultraljudsfrämjade, honungsmedierade syntesen med sonikatorn UP400St resulterade i sfäriska silvernanopartiklar (Ag-NPs) med en genomsnittlig partikelstorlek på cirka 11,8nm. Ultraljudssyntesen av silvernanopartiklarna är en enkel och snabb metod som utförs i ett enda reaktionskärl. Användningen av vatten och honung som material gör reaktionen kostnadseffektiv och exceptionellt miljövänlig.
Den presenterade tekniken för ultraljudssyntes med honung som reduktionsmedel och ytstabiliseringsmedel kan utvidgas till andra ädelmetaller, såsom guld, palladium och koppar, vilket erbjuder flera ytterligare tillämpningar från medicin till industri.

Partikelstorleksfördelning för Ag-NPs syntetiserade under optimala betingelser; silverkoncentrationer (0,3 M), honungskoncentrationer (20 wt%) och ultraljudsbestrålningstid (30 min)
Studie och bild: ©Oskuee et al. 2016

Påverkan på kärnbildning och partikelstorlek genom sonikering

Ultraljud möjliggör framställning av nanopartiklar, såsom silvernanopartiklar, som är anpassade efter kraven. Tre generella sonikeringsalternativ har betydande effekter på resultatet:
Inledande sonikering: Kortvarig tillförsel av ultraljudsvågor till en övermättad lösning kan initiera ympning och kärnbildning. Eftersom ultraljudsbehandlingen endast tillämpas under det inledande skedet fortsätter den efterföljande kristalltillväxten obehindrat, vilket resulterar i större kristaller.
Kontinuerlig ultraljudsbehandling: Kontinuerlig bestrålning av den övermättade lösningen resulterar i små kristaller, eftersom ultraljudsbehandlingen utan avbrott skapar ett stort antal kärnor, vilket leder till tillväxt av många små kristaller.
Pulsad ultraljudsbehandling: Pulsat ultraljud innebär att ultraljud tillförs med bestämda intervall. En exakt kontrollerad tillförsel av ultraljudsenergi gör det möjligt att påverka kristalltillväxten för att uppnå en skräddarsydd kristallstorlek.

Högpresterande ultraljudsapparater för syntes av nanopartiklar

Hielscher Ultrasonics erbjuder tillförlitliga ultraljudsprocessorer med hög effekt, utformade för avancerade sonokemiska tillämpningar, inklusive sonosyntes och sonokatalys. Blandning och dispergering med ultraljud förbättrar massöverföringen avsevärt, främjar vätningen av atomkluster och underlättar deras efterföljande kärnbildning, vilket leder till effektiv utfällning av nanopartiklar. Ultraljudssyntes är erkänd som en enkel, kostnadseffektiv, biokompatibel, reproducerbar, snabb och säker metod för att framställa nanomaterial av hög kvalitet. (Läs mer om sonokemisk syntes av perovskit och ZnO-nanostrukturer!)

Hielschers ultraljudsapparater är konstruerade för exakt styrning, vilket möjliggör optimala förhållanden för kärnbildning och tillväxt av nanomaterial. Dessa digitala apparater har intelligent programvara, en pekskärm i färg och en intuitiv meny för säker och användarvänlig drift. Dessutom har de automatisk dataregistrering på ett inbyggt SD-kort, vilket säkerställer smidig processdokumentation.

Med ett omfattande utbud av system – från kompakta handhållna ultraljudsapparater på 50 watt för laboratoriebruk till robusta industrisystem på 16 000 watt – erbjuder Hielscher den idealiska ultraljudslösningen för varje tillämpning. Hielschers ultraljudsutrustning är konstruerad för hållbarhet och byggd för kontinuerlig drift under hög belastning, även i krävande miljöer, vilket säkerställer tillförlitlig prestanda dygnet runt, alla dagar i veckan.
Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Jämförelse mellan konventionella metoder och gröna syntesmetoder för framställning av nanopartiklar.