แนวทางโซโนเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการผลิตอนุภาคนาโนเงิน
อนุภาคนาโนเงิน (AgNPs) เป็นวัสดุนาโนที่ใช้กันบ่อย เนื่องจากมีสมบัติต้านจุลชีพ สมบัติทางแสง และค่าการนำไฟฟ้าสูง แนวทางโซโนเคมีที่ใช้แคปปาคาราจีแนนเป็นวิธีสังเคราะห์ที่เรียบง่าย สะดวก และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการเตรียมอนุภาคนาโนเงิน โดยใช้ κ-carrageenan เป็นสารเพิ่มความคงตัวจากธรรมชาติที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ขณะที่อัลตราซาวนด์กำลังสูงทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
เคมีสีเขียวต้องอาศัยการควบคุมพารามิเตอร์อย่างแม่นยำ วิศวกรวัสดุนาโนของเราจะช่วยคุณเลือกโซโนโทรด รูปทรงของเครื่องปฏิกรณ์ และการตั้งค่ากำลังที่เหมาะสม เพื่อให้ได้ผลได้สูงสุด ควบคุมสัณฐานวิทยาของอนุภาค และรับรองการปฏิบัติตามหลักการเคมีสีเขียวอย่างครบถ้วน
Ag+/κ-carrageenan (ซ้าย) และ Ag/κ-carrageenan ที่ผ่านการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ (ขวา) ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ด้วย UP400S เป็นเวลา 90min
[Elsupikhe et al. 2015]
การสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินด้วยอัลตราซาวนด์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
Elsupikhe และคณะ (2015) ได้พัฒนาแนวทางการสังเคราะห์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยในการเตรียมอนุภาคนาโนเงิน (AgNPs) เป็นที่ทราบกันดีว่าโซโนเคมีช่วยส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีแบบเปียกหลายชนิด การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ทำให้สามารถสังเคราะห์ AgNPs โดยใช้ κ-carrageenan เป็นสารเพิ่มความคงตัวจากธรรมชาติได้ ปฏิกิริยาดำเนินที่อุณหภูมิห้องและให้อนุภาคนาโนเงินที่มีโครงสร้างผลึกแบบ fcc โดยไม่มีสิ่งเจือปนใด ๆ ความเข้มข้นของ κ-carrageenan สามารถส่งผลต่อการกระจายขนาดอนุภาคของ AgNPs ได้
แผนภาพแสดงอันตรกิริยาระหว่างหมู่ที่มีประจุของ Ag-NPs ซึ่งถูกเคลือบด้วย κ-carrageenan ขณะใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ [Elsupikhe et al. 2015]
ขั้นตอน: การสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินอย่างยั่งยืน
- สังเคราะห์ Ag-NPs โดยรีดิวซ์ AgNO3 ด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในสภาวะที่มี κ-carrageenan เพื่อให้ได้ตัวอย่างที่แตกต่างกัน จึงเตรียมสารแขวนลอยห้าชุด โดยเติมสารละลายความเข้มข้น 0.1 M ปริมาตร 10 mL ของ AgNO3 ลงใน κ-carrageenan ปริมาตร 40-mL สารละลาย κ-carrageenan ที่ใช้มีความเข้มข้น 0.1, 0.15, 0.20, 0.25 และ 0.3 wt% ตามลำดับ
- กวนสารละลายเป็นเวลา 1h เพื่อให้ได้ AgNO3/κ-carrageenan
- จากนั้นให้ตัวอย่างได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูง โดยตั้งค่าแอมพลิจูดของอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ UP400S (400W, 24kHz) ไว้ที่ 50% ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นเวลา 90min ที่อุณหภูมิห้อง จุ่มโซโนโทรดของเครื่องประมวลผลของเหลวด้วยอัลตราซาวนด์ UP400S ลงในสารละลายปฏิกิริยาโดยตรง
- หลังการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ นำสารแขวนลอยไปปั่นเหวี่ยงเป็นเวลา 15min และล้างสี่ครั้งด้วยน้ำที่ผ่านการกลั่นสองครั้ง เพื่อกำจัดไอออนเงินที่ตกค้าง ทำให้อนุภาคนาโนที่ตกตะกอนแห้งที่ 40°C ภายใต้สุญญากาศตลอดคืนเพื่อให้ได้ Ag-NPs
สมการ
- nH₂O —การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–ไฮโดรลิซิส–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –การรีดักชัน–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
การวิเคราะห์และผลการทดลอง: อนุภาคนาโนเงินที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์
เพื่อประเมินผลการทดลอง ได้วิเคราะห์ตัวอย่างด้วยสเปกโทรสโกปีในช่วงอัลตราไวโอเลต–แสงที่มองเห็น การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ การวิเคราะห์ทางเคมีด้วย FT-IR และภาพ TEM และ SEM
จำนวน Ag-NPs เพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มข้นของ κ-carrageenan เพิ่มขึ้น ตรวจสอบการเกิด Ag/κ-carrageenan ด้วยสเปกโทรสโกปีในช่วงอัลตราไวโอเลต–แสงที่มองเห็น โดยพบการดูดกลืนสูงสุดของพลาสมอนพื้นผิวที่ 402 ถึง 420nm การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) แสดงให้เห็นว่า Ag-NPs มีโครงสร้างลูกบาศก์แบบกึ่งกลางหน้า สเปกตรัมอินฟราเรดแบบฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์ม (FT-IR) บ่งชี้ว่ามี Ag-NPs อยู่ใน κ-carrageenan ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) สำหรับ κ-carrageenan ที่ความเข้มข้นสูงสุดแสดงการกระจายของ Ag-NPs ที่มีขนาดอนุภาคเฉลี่ยใกล้เคียง 4.21nm ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) แสดงรูปร่างทรงกลมของ Ag-NPs การวิเคราะห์ด้วย SEM แสดงให้เห็นว่าเมื่อความเข้มข้นของ κ-carrageenan เพิ่มขึ้น พื้นผิวของ Ag/κ-carrageenan เกิดการเปลี่ยนแปลง ทำให้ได้ Ag-NPs ขนาดเล็กที่มีรูปร่างทรงกลม
ภาพ TEM และการกระจายขนาดที่สอดคล้องกันของ Ag/κ-carrageenan ที่สังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี ณ ความเข้มข้นต่าง ๆ ของ κ-carrageenan [0.1%, 0.2% และ 0.3% ตามลำดับ (a, b, c)]
UP400S – อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ที่ใช้ในการสังเคราะห์อนุภาคนาโน Ag ด้วยโซโนเคมี
วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง
- 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.
คำถามที่พบบ่อย: การสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินด้วยโซโนเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
อัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างไร?
อัลตราซาวนด์ขับเคลื่อนการเกิดคาวิเทชันจากคลื่นเสียง ทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งรีดิวซ์ไอออนเงินได้อย่างรวดเร็วโดยใช้สารที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม กระบวนการโซโนเคมีนี้เร่งจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา ส่งเสริมการเกิดนิวเคลียสอย่างสม่ำเสมอ และทำให้สามารถควบคุมขนาดและรูปร่างของอนุภาคได้อย่างแม่นยำ – ทั้งหมดนี้โดยไม่ใช้สารเคมีที่รุนแรงหรือพลังงานความร้อนสูง
ข้อดีหลักของแนวทางโซโนเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับ AgNPs คืออะไร?
การสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมผสานอัลตราซาวนด์กับตัวรีดิวซ์และสารเคลือบผิวที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ (เช่น สารสกัดจากพืช น้ำตาล หรือพอลิเมอร์) เพื่อผลิตอนุภาคนาโนเงินที่ไม่เป็นพิษและไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม วิธีนี้ลดการใช้พลังงาน ลดเวลาการสังเคราะห์ ขจัดผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่เป็นอันตราย และให้อนุภาคนาโนที่มีความคงตัวสูงพร้อมการกระจายขนาดที่สม่ำเสมอ
อัลตราซาวนด์สามารถควบคุมขนาดและสัณฐานวิทยาของอนุภาคนาโนเงินได้หรือไม่?
ได้ ผู้ผลิตสามารถปรับอัตราการเกิดนิวเคลียสและอัตราการเติบโตได้อย่างละเอียด โดยปรับแอมพลิจูด ความถี่ ความหนาแน่นกำลัง และระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ ทำให้สามารถผลิต AgNPs ขนาด 5–100 nm ที่มีรูปร่างหลากหลาย (ทรงกลม ทรงลูกบาศก์ แผ่นสามเหลี่ยม) โดยให้ผลที่ทำซ้ำได้ และปรับให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะด้านชีวการแพทย์ อิเล็กทรอนิกส์ หรืออุตสาหกรรม
การสังเคราะห์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมด้วยอัลตราซาวนด์สามารถขยายขนาดสำหรับการผลิต AgNPs ในระดับอุตสาหกรรมได้หรือไม่?
ได้อย่างแน่นอน เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมรองรับ เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านต่อเนื่อง ซึ่งสามารถขยายขนาดจากการผลิตเป็นชุดในห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตเต็มรูปแบบได้อย่างราบรื่น การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในสายการผลิตรับรองการกระจายคาวิเทชันอย่างสม่ำเสมอ การติดตามกระบวนการแบบเรียลไทม์ และความสม่ำเสมอระหว่างชุดการผลิต จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิต AgNPs ปริมาณมากที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ตัวรีดิวซ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมชนิดใดทำงานได้ดีที่สุดในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินด้วยอัลตราซาวนด์?
สารที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพ ได้แก่ สารสกัดจากพืช (เช่น ว่านหางจระเข้ ชาเขียว เปลือกผลไม้ตระกูลส้ม) คาร์โบไฮเดรต กรดอะมิโน โปรตีน และพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ อัลตราซาวนด์เพิ่มประสิทธิภาพการรีดิวซ์และการเพิ่มความคงตัวของสารเหล่านี้ ทำให้สามารถทดแทนสารเคมีสังเคราะห์ได้ทั้งหมด พร้อมรักษาผลได้สูง ความคงตัวของคอลลอยด์ และประสิทธิภาพการทำงาน
การสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีแตกต่างจากวิธีทางเคมีแบบดั้งเดิมสำหรับ AgNPs อย่างไร?
แนวทางทางเคมีแบบดั้งเดิมมักใช้ตัวรีดิวซ์ที่เป็นพิษ (เช่น โซเดียมโบโรไฮไดรด์) สภาวะ pH สุดขั้ว และก่อให้เกิดของเสียอันตราย การสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมใช้วัสดุที่ปลอดภัยและหมุนเวียนทดแทนได้ ดำเนินการที่อุณหภูมิแวดล้อมหรืออุณหภูมิที่ไม่รุนแรง ลดเวลาการประมวลผลอย่างมีนัยสำคัญ และผลิตอนุภาคนาโนที่สะอาดกว่าและเข้ากันได้ทางชีวภาพมากกว่า โดยมีการกระจายตัวและอายุการเก็บรักษาที่เหนือกว่า
อุตสาหกรรมใดได้รับประโยชน์จากอนุภาคนาโนเงินที่ผลิตด้วยอัลตราซาวนด์อย่างเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม?
AgNPs ที่สังเคราะห์ด้วยวิธีโซโนเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมถูกใช้อย่างแพร่หลายในสารเคลือบต้านจุลชีพ อุปกรณ์การแพทย์ การดูแลบาดแผล การกรองน้ำ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น และบรรจุภัณฑ์ที่ยั่งยืน การผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมรับรองการปฏิบัติตามมาตรฐานด้านสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัยที่เข้มงวด พร้อมให้ประสิทธิภาพสูงและได้รับการยอมรับจากหน่วยงานกำกับดูแล
อนุภาคนาโนเงินคืออะไร?
อนุภาคนาโนเงินมีลักษณะเฉพาะคือมีขนาดระหว่าง 1nm ถึง 100nm แม้มักเรียกว่า ‘เงิน’ แต่บางชนิดประกอบด้วยเงินออกไซด์ในสัดส่วนสูง เนื่องจากมีอัตราส่วนจำนวนอะตอมเงินที่พื้นผิวต่อจำนวนอะตอมเงินภายในเนื้ออนุภาคสูง อนุภาคนาโนเงินสามารถมีโครงสร้างแตกต่างกันได้ โดยทั่วไปมักสังเคราะห์อนุภาคนาโนเงินทรงกลม แต่ยังมีการใช้อนุภาครูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน รูปแปดเหลี่ยม และแผ่นบางด้วย
อนุภาคนาโนเงินถูกใช้บ่อยมากในงานทางการแพทย์ ไอออนเงินมีฤทธิ์ทางชีวภาพและมีฤทธิ์ต้านจุลชีพและฆ่าเชื้อโรคที่รุนแรง พื้นที่ผิวที่ใหญ่มากของอนุภาคช่วยให้ลิแกนด์จำนวนมากสามารถสร้างพันธะโคออร์ดิเนชันได้ ลักษณะสำคัญอื่น ๆ ได้แก่ การนำไฟฟ้าและสมบัติทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์
เนื่องจากสมบัติการนำไฟฟ้า จึงมักเติมอนุภาคนาโนเงินลงในวัสดุคอมโพสิต พลาสติก อีพ็อกซี และกาว อนุภาคเงินเพิ่มค่าการนำไฟฟ้า ดังนั้นจึงมักใช้เพสต์เงินและหมึกเงินในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากอนุภาคนาโนเงินรองรับพลาสมอนพื้นผิว AgNPs จึงมีสมบัติทางแสงที่โดดเด่น อนุภาคนาโนเงินชนิดพลาสโมนิกใช้ในเซนเซอร์ เครื่องตรวจจับ และอุปกรณ์วิเคราะห์ เช่น รามานสเปกโทรสโกปีแบบเพิ่มสัญญาณด้วยพื้นผิว (SERS) และฟลูออเรสเซนซ์สเปกโทรสโกปีแบบเพิ่มสัญญาณด้วยสนามพลาสมอนพื้นผิว (SPFS)
คาราจีแนนคืออะไร?
คาราจีแนนเป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติราคาถูกที่พบในสาหร่ายทะเลสีแดงหลายชนิด คาราจีแนนเป็นพอลิแซ็กคาไรด์สายตรงที่มีหมู่ซัลเฟต ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหาร เนื่องจากมีสมบัติในการก่อเจล เพิ่มความข้น และเพิ่มความคงตัว การใช้งานหลักอยู่ในผลิตภัณฑ์นมและเนื้อสัตว์ เนื่องจากจับกับโปรตีนในอาหารได้อย่างแข็งแรง คาราจีแนนมีสามชนิดหลัก ซึ่งแตกต่างกันตามระดับการเติมหมู่ซัลเฟต แคปปาคาราจีแนนมีหมู่ซัลเฟตหนึ่งหมู่ต่อไดแซ็กคาไรด์หนึ่งหน่วย ไอโอตาคาราจีแนน (ι-carrageenen) มีหมู่ซัลเฟตสองหมู่ต่อไดแซ็กคาไรด์หนึ่งหน่วย แลมบ์ดาคาราจีแนน (λ-carrageenen) มีหมู่ซัลเฟตสามหมู่ต่อไดแซ็กคาไรด์หนึ่งหน่วย
แคปปาคาราจีแนน (κ-carrageenan) มีโครงสร้างสายตรงของพอลิแซ็กคาไรด์ที่มีหมู่ซัลเฟต ประกอบด้วย D-galactose และ 3,6-anhydro-D-galactose
κ-carrageenan ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหาร เช่น เป็นสารก่อเจลและใช้ปรับเนื้อสัมผัส พบได้ในฐานะสารเติมแต่งในไอศกรีม ครีม คอตเทจชีส มิลค์เชค น้ำสลัด นมข้นหวาน นมถั่วเหลืองและนมจากพืชชนิดอื่น ๆ รวมถึงซอส เพื่อเพิ่มความหนืดของผลิตภัณฑ์
นอกจากนี้ ยังพบ κ-carrageenan ในผลิตภัณฑ์ที่ไม่ใช่อาหาร เช่น เป็นสารเพิ่มความข้นในแชมพูและครีมเครื่องสำอาง ในยาสีฟัน (เป็นสารเพิ่มความคงตัวเพื่อป้องกันส่วนประกอบแยกตัว) โฟมดับเพลิง (เป็นสารเพิ่มความข้นเพื่อทำให้โฟมเหนียว) เจลปรับอากาศ น้ำยาขัดรองเท้า (เพื่อเพิ่มความหนืด) ในเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อตรึงเซลล์/เอนไซม์ ในผลิตภัณฑ์ยา (เป็นสารช่วยที่ไม่มีฤทธิ์ทางยาในยาเม็ด/ยาเม็ดอัด) ในอาหารสัตว์เลี้ยง เป็นต้น
ภาพ SEM ของ Ag/κ-carrageenan ณ ความเข้มข้นต่าง ๆ ของ κ-carrageenan [0.1%, 0.2% และ 0.3 % ตามลำดับ (a, b, c)] [Elsupikhe et al. 2015]